基于1-wire總線的溫度數(shù)據(jù)采集與硬件設(shè)計(jì)

左現(xiàn)剛，劉艷昌

（河南科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，新鄉(xiāng) 453003）

0 引言

單片機(jī)系統(tǒng)除了可以對(duì)電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量外，還可以通過外接傳感器對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)大多以熱敏電阻為傳感器，但熱敏電阻可靠性差、測(cè)量的溫度不夠準(zhǔn)確，且必須經(jīng)專門的接口電路轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)后才能被單片機(jī)處理。DS18B20是一種集成數(shù)字溫度傳感器，采用單總線與單片機(jī)連接即可實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。

系統(tǒng)是以AT89S51單片機(jī)、DS18B20單線溫度轉(zhuǎn)換器和LED為主要元器件得的一個(gè)對(duì)溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并在LED上進(jìn)行顯示的系統(tǒng)。它實(shí)現(xiàn)的功能就是把模擬的溫度信號(hào)以數(shù)字化的形式在LED上顯示出來，使人們更直接方便的讀出溫度值。系統(tǒng)整體框圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1 DS18B20工作原理

DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理，可實(shí)現(xiàn)溫度的精度測(cè)量與控制。測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃時(shí)精度為±0.5℃，分辨率可通過編程控制設(shè)置為0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。

1.1 工作原理

DS18B20的內(nèi)部框圖如圖2所示，主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速貯存器、用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值、觸發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼發(fā)生器等7部分。

圖2 DS18B20內(nèi)部框圖

高速寄存器RAM由9個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器組成。其中，第0、1字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換有效位，第0字節(jié)的低3位存放了溫度的高位，高5位存放溫度的正負(fù)值；第1字節(jié)的高4位存放溫度的低位，后4位存放溫度的小數(shù)部分；第2和第3個(gè)字節(jié)是DS18B20的與內(nèi)部E2PROM的有關(guān)的TH和TL，用來存儲(chǔ)溫度上限和下限，可以通過程序設(shè)計(jì)把溫度的上下限從單片機(jī)中讀到TH和TL中，并通過程序再?gòu)?fù)制到DS18B20內(nèi)部E2PROM中，同時(shí)TH和TL在器件加電后復(fù)制E2PROM的內(nèi)容；第4個(gè)字節(jié)是配置寄存器，第4個(gè)字節(jié)的數(shù)字也可以更新；第5，6，7三個(gè)字節(jié)是保留的。

DS18B20中的溫度傳感器完成對(duì)溫度的測(cè)量，通過16位符號(hào)擴(kuò)展的2進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達(dá)，如表1所示。

表1 高速寄存器RAM

1.2 硬件連接

DS18B20是單片機(jī)外設(shè)，單片機(jī)為主器件，DS18B20為從器件。圖3的接法是單片機(jī)與一個(gè)DS18B20通信，單片機(jī)只需要一個(gè)I/O口就可以控制DS18B20，為了增加單片機(jī)I/O口驅(qū)動(dòng)的可靠性，總線上接有上拉電阻。對(duì)如果要控制多個(gè)DS18B20進(jìn)行溫度采集，只要將所有DS18B20的DQ全部連接到總線上就可以了，在操作時(shí)，通過讀取每個(gè)DS18B20內(nèi)部芯片的序列號(hào)來識(shí)別。

1.3 DS18B20工作時(shí)序

由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了三種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序和寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。下面分別介紹操作步驟。

圖3 單片機(jī)與一個(gè)DS18B20通信

1）初始化

初始化是單片機(jī)對(duì)DS18B20的基本操作，主要目的是單片機(jī)感知DS18B20存在并為下一步操作做準(zhǔn)備，同時(shí)啟動(dòng)DS18B20，程序設(shè)計(jì)根據(jù)時(shí)序進(jìn)行。DS18B20初始化操作步驟為：

（1）先將數(shù)據(jù)線置高電平1，然后延時(shí)（可有可無）；

（2）數(shù)據(jù)線拉到低電平0。然后延時(shí)750μs（該時(shí)間范圍可以在480～960μs），調(diào)用延時(shí)函數(shù)決定；

（3）數(shù)據(jù)線拉到高電平1。如果單片機(jī)P1.0接DS18B20的DQ引腳，則P1.0 此時(shí)設(shè)置高電平，稱為單片機(jī)對(duì)總線電平管理權(quán)釋放。此時(shí)，P1.0的電平高低由DS18B20的DQ輸出決定；

（4）延時(shí)等待。如果初始化成功，則在15～60ms總線上產(chǎn)生一個(gè)由DS18B20返回的低電平0，據(jù)該狀態(tài)可以確定它的存在。但是應(yīng)注意，不能無限地等待，不然會(huì)使程序進(jìn)入死循環(huán)，所以要進(jìn)行超時(shí)判斷；

（5）若單片機(jī)讀到數(shù)據(jù)線上的低電平0后，說明DS18B20存在并相應(yīng)，還要進(jìn)行延時(shí)，其延時(shí)的時(shí)間從發(fā)出高電平算起（第（5）步的時(shí)間算起）最少要 480μs；

（6）將數(shù)據(jù)線再次拉到高電平1，結(jié)束初始化步驟。

從單片機(jī)對(duì)DS18B20的初始化過程來看，單片機(jī)與DS18B20之間的關(guān)系如同有人與人之間對(duì)話，單片機(jī)要對(duì)DS18B20操作，必須先證實(shí)DS18B20的存在，當(dāng)DS18B2響應(yīng)后，單片機(jī)才能進(jìn)行下面的操作。

2）對(duì)DS18B20寫數(shù)據(jù)

（1）數(shù)據(jù)線先置低電平0，數(shù)據(jù)發(fā)送的起始信號(hào)；

（2）延時(shí)確定的時(shí)間為15μs；

（3）按低位到高位順序發(fā)送數(shù)據(jù)（一次只發(fā)送一位）；

（4）延時(shí)時(shí)間為45μs，等待DS18B20接收；

（5）將數(shù)據(jù)線拉到高電平1，單片機(jī)釋放總線；

（6）重復(fù)（1）～（5）步驟，直到發(fā)送完整個(gè)字節(jié)；

（7）最后將數(shù)據(jù)線拉高，單片機(jī)釋放總線。

3）DS18B20讀數(shù)據(jù)

（1）將數(shù)據(jù)線拉高；

（2）延時(shí) 2μs；

（3）將數(shù)據(jù)線拉低到0；

（4）延時(shí)6μs，延時(shí)時(shí)比寫數(shù)據(jù)時(shí)間短；

（5）將數(shù)據(jù)線拉高到1，釋放總線；

（6）延時(shí) 4μs；

（7）讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到一個(gè)狀態(tài)位，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；

（8）延時(shí) 30μs；

（9）重復(fù)（1）～（7）步驟，直到讀取完一個(gè)字節(jié)。

只有在熟悉了DS18B20操作時(shí)序后，才能對(duì)器件進(jìn)行編程，由于DS18B20有器件編號(hào)、溫度數(shù)據(jù)有低位高位、另外還有溫度的上線限，讀取的數(shù)據(jù)較多，所以DS18B20提供了自己的指令。

1.4 DS18B20指令

1）ROM操作指令

DS18B20指令主要有ROM操作指令、溫度操作指令兩類。ROM操作指令主要針對(duì)DS18B20的內(nèi)部ROM。每一個(gè)DS18B20都有自己獨(dú)立的編號(hào)，存放在DS18B20內(nèi)部64位ROM中，ROM內(nèi)容見表2所示。64位ROM中的序列號(hào)是出廠前已經(jīng)固化好，它可以看做該DS18B20的地址序列碼。其各位排列順序是，開始8位為產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接下來48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。

表264 位 ROM 定義

ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一條總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。ROM操作指令如表3所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，如果總線上只存在一個(gè)DS18B20，就不需要讀取ROM編碼以及匹配ROM編碼了，只要跳過ROM(CCH)命令，就可進(jìn)行如下溫度轉(zhuǎn)換和讀取操作。

2）溫度操作指令

溫度操作指令見表4所示，DS18B20在出廠時(shí)溫度數(shù)值默認(rèn)為12位，其中最高位為符號(hào)位，即

表3 ROM 操作指令

溫度值共11位，單片機(jī)在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，依次從高速寄存器第0、1地址讀2字節(jié)共16位，讀完后將低11位的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度值。0地址對(duì)應(yīng)的1個(gè)字節(jié)的前5個(gè)數(shù)字為符號(hào)位，這5位同時(shí)變化，前5位為1時(shí)，讀取的溫度為負(fù)值；前5位為0時(shí)，讀取的溫度為正值，且溫度為正值時(shí)，只要將測(cè)得的數(shù)值乘以0.0625即可得到實(shí)際溫度值。

表4 溫度操作指令

2 數(shù)字溫度計(jì)

2.1 電路原理

AT89S51單片機(jī)和DS18B20的硬件連接圖如圖4所示，單片機(jī)的P10口和DS18B20的數(shù)據(jù)口相連接。單片機(jī)通過P10口對(duì)DS18B20進(jìn)行初始化，DS18B20將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字溫度值通過P10口傳給單片機(jī)。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4 溫度采集系統(tǒng)硬件連接圖

本程序采用Keil 公司IDE軟件uVision3設(shè)計(jì)和編譯。主要包括溫度檢測(cè)和顯示，按鍵驅(qū)動(dòng)和溫度控制等。其中溫度檢測(cè)是單片機(jī)通過調(diào)用初始化函數(shù)對(duì)DS18B20按照初始化時(shí)序進(jìn)行初始化，啟動(dòng)溫度的轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字傳給單片機(jī)，單片機(jī)通過計(jì)算將數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換成實(shí)際的溫度值，通過數(shù)碼管顯示出來，并和設(shè)置的溫度值進(jìn)行比較，如何大于設(shè)置的溫度上限或者小于設(shè)置的溫度的下限，則給P11管腳一個(gè)低電平信號(hào)，則PNP三極管8550導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出告警聲音；同時(shí)調(diào)用控制程序來控制P12管腳以便吸合或者斷開，達(dá)到根據(jù)溫度來控制的目的。其初始化函數(shù)可以根據(jù)上面介紹的過程寫出，下面詳細(xì)的介紹對(duì)DS18B20的溫度讀取函數(shù)。主程序流程圖如圖5所示。

/*******************************

* 讀取溫度函數(shù)

*******************************/

uint ReadTemperature(void)

{

unsigned char a=0,b=0;

Init_DS18B20(); //DS18B20初始化函數(shù)

WriteOneChar(0xCC); //跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作

WriteOneChar(0x44); //啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換

delay(200); //延遲一段時(shí)間，等待溫度轉(zhuǎn)換完畢

圖5 主程序流程圖

Init_DS18B20(); //在讀溫度值前必須重新初始化18b20;

WriteOneChar(0xCC); //跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作

WriteOneChar(0xBE); //讀取溫度寄存器等（共可讀9個(gè)寄存器） 前兩個(gè)就是溫度

a=ReadOneChar();//讀溫度值低8位，賦給變量a。

b=ReadOneChar();//讀溫度值高8位，賦給變量b。

t=b;

t＜＜=8; //

t=t|a; //把溫度值低8位和溫度值高8位賦給變量t。

tt=t*0.0625; //12位分辨率，乘以溫度分辨率0.0625后為溫度值

t=tt*10+0.5; //取小數(shù)點(diǎn)后一位值，因此要放大10倍后加0.5輸出，即四舍五入。

return(t); //返回溫度值，送LED顯示并和設(shè)置的溫度值進(jìn)行比較。

}

3 結(jié)束語(yǔ)

DS18B20體積小、精度高、接口簡(jiǎn)單、硬件開銷低、附加功能強(qiáng)。將溫度檢測(cè)與溫度數(shù)據(jù)輸出都集成在一個(gè)微小的芯片上，不需要A/D轉(zhuǎn)換，并且能自動(dòng)產(chǎn)生CRC檢驗(yàn)碼，從而使得其的抗干擾糾錯(cuò)能力很強(qiáng)、可靠性更高、使用更為方便?；贏T89S51系列單片機(jī)和DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操方便，比較好推廣，而且也可以根據(jù)情況進(jìn)行擴(kuò)展，比如進(jìn)行多點(diǎn)采集等。

[1] 孔慶霞, 朱全銀.基于DS18B20的遠(yuǎn)距離分布式溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù), 2009, 32: 4.

[2] 馬臣崗, 孟立凡.基于單總線式無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程, 2010(3): 31-33.

[3] 舒斌, 吳建, 仲志燕.基于單片機(jī)和FPGA的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008,31(17):127-130.

[4] 張軍.智能溫度傳感器DS18B20及其應(yīng)用[J].儀表技術(shù),2010, 4: 68-70.

[5] 周學(xué)軍.基于AT89C2051的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2010, 17: 164-165.