基于DS18B20的多點溫度檢測系統

趙彩霞

摘 要：該文提出了采用單總線數字式溫度傳感器DS18B20和單片機組成的新型智能多點溫度檢測系統。在文中，首先介紹了DS18B20的基本特性，然后給出了相應的硬件接口電路、軟件流程及主要程序代碼。DS18B20具有直接輸出數字信號、單總線接口、成本低等優點。經試驗，基于單總線器件DS18B20的多點溫度檢測系統測量溫度準確、測溫范圍寬、體積小、控制方便。

關鍵詞：單總線 DS18B20 多點測溫

中圖分類號：TP21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0100-03

Abstract：In this paper，a new multi-spot temperature survey system composed of 1-wire temperature sensor DS18B20 and MCU is designed.This article introduces the basic characteristics of DS18B20，and this article also gives the corresponding hardware interface circuit，software flow diagram and the primary code.DS18B20 has a series of characteristics such as digital output，1-wire interface and low cost.Test show that the multi-spot temperature survey system has the advantages of accurate measurement，wide temperature range，small volume and convenient controlling.

Key Words：1-wire；DS18B20；Multi-spot measuring temperature

在中央空調系統、冷庫系統、反季節大棚等多種系統中都需要多點的溫度檢測。因此，多點溫度檢測系統的高效率和低成本對實際生活生產具有重要意義。傳統的溫度檢測系統大都以熱電阻、熱電偶為傳感器，將被檢測的模擬信號放大、調理及A/D轉換，然后將所得的數字信號送入CPU處理，其可靠性相對較差，且處理電路復雜、成本高，對CPU的資源占用較多。而Dallas公司推出的DS18B20是單總線數字溫度傳感器，它可以將輸入的溫度模擬信號直接轉換為數字信號，轉換給CPU，電路簡單。系統設計中可以用總線拓撲，在一根I/O線上掛接多個傳感器，非常適合溫度的多點測量。

1 DS18B20簡介

DS18B20是美國Dallas半導體公司生產的單總線數字溫度傳感器，它將半導體溫敏元件、A/D轉換器、存儲器等做在一個很小的集成電路芯片上，傳感器直接輸出的是溫度信號數字值。它具有微型化、低功率、高性能、抗干擾能力強、電壓范圍寬、易于與單片機接口等優點，適合于各種溫度測控系統。[]DS18B20內部的64位激光ROM用于存儲由生產廠家光刻的全球唯一的、且不可更改的64位序列號。CPU通過ROM指令讀取總線上掛接的各個傳感器ROM識別碼以選擇單總線上的某一個從器件，未被選中的從器件則忽略CPU的后續指令。即以該序列號為傳感器節點的地址。

2 系統的硬件基礎

測溫系統的主要組成部分有溫度傳感器DS18B20、EEPROM、人機界面（鍵盤、LCD顯示器）和STC15單片機，結構框圖如圖1所示。

系統以單總線的形式掛接多個傳感器于MCU的某一I/O端口。MCU通過單總線完成于傳感器節點的通訊，主要工作包括：節點地址的讀取及識別，對選定節點讀取或傳輸數據。EEPROM可以用于對各個傳感器64位序列號的存儲和簡單的溫度記錄。顯示模塊選用字符型液晶顯示器LCD1602，對測量結果進行顯示。

本設計中的EEPROM可以存儲各個傳感器的64位序列號并進行簡單的溫度記錄。此處選用的是ATMEL公司基于I2C總線接口的24C64。對于24C64，要在I2C總線上連續發送兩個器件子地址，其尋址范圍可達16KB。

3 多點識別的實現與軟件設計

對DS18B20的訪問分為3個步驟。（1）初始化：單片機通過單總線，向DS18B20發送一個復位脈沖，單總線上的所有傳感器都被復位。（2）序列號訪問命令：MCU發送某一個DS18B20的序列號。單總線上所有相連的DS18B20都進行編碼匹配，只有編碼一致的從芯片才被激活。（3）內存訪問命令：MCU對選中的DS18B20發送內存訪問命令。

3.1 關于DS18B20的時序

單總線（1-Wire）是美國Dallas公司推出的外圍串行擴展總線。所有單總線的器件都掛在這跟線上，即僅通過1條連接線，便可以完成全部的控制、通信甚至是供電。與I2C、SPI等芯片間的通信協議不同，單總線協議中并沒有專門的時鐘線，所以嚴格的時序控制是通信得以實現的基礎。DS18B20的通信協議主要包括復位和應答脈沖時序、寫時序和讀時序。

對DS18B20的每一次操作，都是由復位開始的。復位時序如圖2。

首先由單片機發送復位脈沖，然后釋放之。若總線上有正常工作的芯片，在15-60us后，傳感器芯片會發送存在脈沖——60-240us的低電平信號。此時DS18B20的復位與應答已經完成了，適當延時后既可對其進行讀寫操作。

寫時序是單片機主動發出的，其開始是主機將單總線從高電平拉為低電平，時序如圖3。

讀時序和寫時序類似，由主機發起，不同的是主機會進入采樣狀態，接收數據。

3.2 DS18B20的序列號采集

在系統的實際應用中，需要測溫節點的數字地址與物理位置相一致。即用戶需要知道所顯示的溫度是哪個測溫節點測出來的，否則一切都沒有意義。

當新的DS18B20接入系統時，需要讀取其64位序列號，將該序列號與用戶賦予的人工編碼相對應，并存入EEPROM中。如此一來，即使系統掉電以后，各個傳感器芯片的序列號也能得以被保存。

傳感器芯片的64位序列號采集流程如圖4所示。當單片機發出復位脈沖并受到芯片的應答信號，就對DS18B20發送讀ROM命令，即對總線寫#33H。此時，傳感器芯片會做出發送64位ROM序列號的準備，但是數據的讀時序依然是由主機發起。當64位的ROM序列號讀取完畢后，就可以將當前單總線器件的序列號存入EEPROM為其開辟的存儲空間內。

3.3 主程序設計

模塊設計是使程序結構化的有效方法。該測溫系統的主程序主要分為DS18B20初始化模塊、溫度轉換模塊、數據處理模塊、顯示模塊以及上文提到的傳感器ROM序列號采集模塊，其中序列號采集模塊是獨立于溫度檢測之外的。

初始化模塊的主要任務是設置DS18B20的上、下限報警溫度及傳感器的分辨率，其操作對象是芯片內部高速暫存器RAM的第2、3、4字節。DS18B20內部的高速RAM是由9個字節的高速暫存器和非易失性電擦寫EEPROM集成的，其中EEPROM用于存儲TH、TL和配置存儲器的值。數據是先寫入RAM，經校驗后在傳給EEPROM，這樣就可以保證本次設置的參數在下次開機復位之后還會有效。此模塊編寫為子程序“DS18B20_INT”。

在溫度轉換模塊中，采用了統一轉換，逐個讀取的算法。系統中，設置DS18B20為12位分辨率，溫度轉換的時間為750ms（實際的程序延時設置為1s）。所以，如果要等傳感器逐一進行溫度轉換并讀取的話，會對影響系統的實時性：第一個傳感器和最后一個傳感器測得溫度的時間差是分鐘級的。所以在溫度轉換模塊中，我們先復位所有的DS18B20，然后發送“跳過ROM”命令（#0CCH）和“溫度轉換”命令（#44H），這就可以實現用一秒的時間使全部傳感器完成溫度轉換，然后再逐一讀取并保存，其中最后一步操作只需要極端的時間。此模塊編寫為子程序“TEMP_RD”，其流程見圖5。

DS18B20作為溫度傳感器，突出特點就是它向主機傳輸的并不是電壓或電流等模擬信號，而是不易失真的數字信號。既然是數字信號，其結果就有特定的格式。在DS18B20內部，測溫結果存儲在暫存RAM中，其字節1的高5位是符號位，字節0的低4位是小數部分，中間7位是整數部分。

當數據上傳到單片機之后，需要經過數據轉換才可以存入顯示緩沖區供顯示子程序讀取。數據轉換模塊的功能是將二進制數據通過查表的方法轉換為按十進制位存儲的ASCII碼，存入顯示緩沖區。此模塊編寫為子程序“DS18B20_DIV”，具體流程見圖6。

4 結語

基于DS18B20的單總線多點測溫系統具有硬件簡單的突出優點，易于擴展，成本低廉。在本課題中，由外接的EEPROM保存單總線器件的獨有序列號和物理地址，使用方便。本設計經試驗條件下測試，工作穩定，使用帶屏蔽的三芯電纜，在80米內可準確傳輸數據。

參考文獻

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