温度传感器DS18B20与MCS-51单片机的接口

1.1温度传感器DS18B20与MCS-51单片机的接口数字温度传感器问世于20世纪90年代中期。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。数字温度传感器具有价格低、精度高、封装小、温度范围宽、使用方便等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。数字温度传感器一般内部包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器和相应的接口电路，有的还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。数字温度传感器的种类繁多，一般按总线形式可分为单总线(1-wire)接口、双总线(I2C)接口和三总线(SPI)接口。下面主要以单总线接口数字温度传感器芯片DS18B20为例来介绍数字温度传感器的使用。1.1.1DS18B20简介DS18B20是DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器芯片，具有3引脚TO-92小体积封装形式；温度测量范围为-55℃～+125℃；可编程为9～12位A/D转换精度；用户可自设定非易失性的报警上下限值；被测温度用16位补码方式串行输出；测温分辨率可达0.0625℃；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或两根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少。可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。1.1.2DS18B20的外部结构DS18B20可采用3脚TO-92小体积封装和8脚SOIC封装。其外形和引脚图如图7.17所示。123DALLASDS18B20GNDDQVDD123NCNCNCNCNCVDDDQGND(a)TO-92封装(b)SOIC封装图1.1DS18B20的外形及引脚图图中引脚定义如下。(1)DQ：数字信号输入/输出端。(2)GND：电源地。(3)VDD：外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。1.1.3DS18B20的内部结构DS18B20内部主要由4部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器等。其内部结构图如图7.18所示。DS18B20的存储部件有以下几种。1．光刻ROM存储器光刻ROM中存放的是64位序列号，出厂前已被光刻好，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同。64位序列号的排列是：开始8位(28H)是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。高速缓存存储器存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC生成器64位ROM和单总线接口电源检测DQVDDGNDVD1VD2图7.18DS18B20的内部结构图2．高速暂存存储器高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表7.6所示。第0和第1个字节存放转换所得的温度值；第2和第3个字节分别为高温度触发器TH和低温度触发器TL；第4个字节为配置寄存器；第5、6、7个字节保留；第8个字节为CRC校验寄存器。表7.6DS18B20高速暂存存储器的分布字节序号功能0温度转换后的低字节1温度转换后的高字节2高温度触发器TH3低温度触发器TL4配置寄存器5保留6保留7保留8CRC校验寄存器DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，当温度转换命令发布后，转换后的温度以补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节中。以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表示，其中S为符号位。表7.7是12位转化后得到的12位数据，高字节的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘以0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘以0.0625即可得到实际温度。表7.7DS18B20温度值格式表D7D6D5D4D3D2D1D0LSByte232221202-12-22-32-4D7D6D5D4D3D2D1D0MSByteSSSSS262524例如，+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。表7.8列出了DS18B20部分温度值与采样数据的对应关系。表7.8DS18B20部分温度数据表温度/℃16位二进制编码十六进制表示＋125000001111101000007D0H＋8500000101010100000550H+25.062500000001100100010191H+10.125000000001010001000A2H+0.500000000000010000008H000000000000000000000H-0.51111111111111000FFF8H-10.1251111111101011110FF5EH-25.06251111111001101111FE6FH-551111110010010000FC90H高温度触发器和低温度触发器分别存放温度报警的上限值TH和下限值TL；DS18B20完成温度转换后，就把转换后的温度值T与温度报警的上限值TH和下限值TL作比较，若T＞TH或T＜TL，则把该器件的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。配置寄存器用于确定温度值的数字转换分辨率，该字节各位的意义如下：D7D6D5D4D3D2D1D0TMR1R011111其中：低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20是在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如表7.9所示(DS18B20出厂时被设置为12位)。表7.9温度值分辨率设置表R1R0分辨率/位温度最大转换时间/ms00993.750110187.51011275.001112750.00CRC校验寄存器存放的是前8个字节的CRC校验码。1.1.4DS18B20的温度转换过程根据DS18B20的通信协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。DS18B20的ROM指令和RAM指令如表7.10和表7.11所示。表7.10ROM指令表指令约定代码功能读ROM33H读DS18B20温度传感器ROM中的编码(即64位地址)匹配ROM55H发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS18B20使之作出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址。为操作各器件做好准备跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS1820发温度变换命令。适用于单片工作告警搜索命令0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才作出响应表7.11RAM指令表指令约定代码功能温度变换44H启动DS18B20进行温度转换，12位转换时最长为750ms(9位为93.75ms)。结果存入内部9字节RAM中读暂存器0BEH读内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据复制暂存器48H将RAM中第3、4字节的内容复制到EEPROM中重调EEPROM0B8H将EEPROM中的内容恢复到RAM中的第3、4字节读供电方式0B4H读DS18B20的供电模式。寄生供电时DS18B20发送“0”，外接电源供电时DS18B20发送“1”每一步骤都有严格的时序要求，所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在前。时序可分为初始化时序、读时序和写时序。复位时要求主CPU将数据线下拉500s，然后释放，DS18B20收到信号后等待15～60s左右，后发出60～240s的低电平，主CPU收到此信号则表示复位成功。读时序分为读“0”时序和读“1”时序两个过程。对于DS18B20的读时序是从主机把单总线拉低之后，在15s之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20完成一个读时序过程至少需要60s。对于DS18B20的写时序仍然分为写“0”时序和写“1”时序两个过程。DS18B20写“0”时序和写“1”时序的要求不同，当要写“0”时，单总线要被拉低至少60s，以保证DS18B20能够在15s到45s之间正确地采样I/O总线上的“0”电平；当要写“1”时，单总线被拉低之后，在15s之内就得释放单总线。1.1.5DS18B20与51单片机的接口DS18B20与51单片机的连接非常简单，只须把DS18B20的数据线DQ与51单片机的一根并口线连接即可，51单片机通过这根并口就能实现对DS18B20的所有操作，这根并口线一般通过电阻接电源。DS18B20的电源可采用外部电源供电，也可采用内部寄生电源供电。当外部电源供电时，VDD接外部电源，GND接地地。当采用内部寄生电源供电时，VDD与GND一起接地。另外，也可用多片DS18B20连接组网形成多点测温系统，在多片连接时，DS18B20必须采用外部电源供电方式。P15P15P16P16P17P17P27P27P26P25P24P23P22P21P20P20P21P22P23P24P25P26XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C52D714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3LCDLM016L-3.2DQ2VCC3GND1U2DS18B20R110kX1CRYSTALC11nFC21nFC31nFR2200图7.19单片DS18B20与51单片机的一种连接图图7.19是单片DS18B20与51单片机的连接电路，DS18B20的数据线DQ连接在51单片机的P1.0上，并通过上拉电阻接电源，采用外部电源供电方式。为了便于显示温度结果，在图7.19中加一块LCD显示器用显示DS18B20测量的当前温度值。由于DS18B20对时间非常敏感，如果延时时间不准确不能对DS18B20进行正确的操作。因此不同的系统时钟，编制的程序会有所区别，在这里假定系统时钟频率为12MHZ，测量的温度范围-55℃～+99℃，精度为小数点后一位，相应程序如下。汇编语言程序：;*********************************************************************;程序适合单个DS18B20和MCS-51单片机的连接,晶振为12MHz;测量的温度范围-55℃～+99℃，温度精确到小数点后一位;*********************************************************************TEMPER_LEQU30H;存放从DS18