基于DS18B20和AT89C52的溫度測量和顯示系統(tǒng)

0 引言

傳統(tǒng)的溫度檢測大多以熱敏電阻為溫度傳感器，而熱敏電阻的可靠性差，測量溫度準(zhǔn)確率低，且必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后才能由單片機(jī)進(jìn)行處理，在高精度要求的溫度檢測應(yīng)用中，熱敏電阻已經(jīng)被精度高、準(zhǔn)確性好的集成溫度采集設(shè)備所代替。DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型數(shù)字溫度傳感器。它在溫度精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面有很大改進(jìn)，因而被廣泛應(yīng)用于溫度采集與處理、數(shù)字溫度計(jì)及各種溫控系統(tǒng)中。本文采用DS18B20設(shè)計(jì)的溫度測量與顯示系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)測量并顯示的溫度范圍為-55～125℃。系統(tǒng)可設(shè)置溫度上限和溫度下限，當(dāng)測量溫度高于上限或者低于下限溫度時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警。

1 溫度傳感器DS18B20

DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，該傳感器的可測溫度范圍為-55～125℃，可編程分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度為0．5℃、0．25℃、0．125℃和0．062 5℃。DS18B20的測量輸出為數(shù)字信號，并可單線串行發(fā)送給CPU，并支持多點(diǎn)組網(wǎng)。DS18B20有3腳和8腳兩種結(jié)構(gòu)，而8腳的結(jié)構(gòu)又有不同的封裝形式，圖1所示是DS18B20的引腳圖。本文采用三極管形狀的3腳DS18B20。

事實(shí)上，無論是3腳結(jié)構(gòu)還是8腳的結(jié)構(gòu)，DS18B20在實(shí)際電路中都只有3個(gè)引腳參與連接，即電源(VDD)、地(GND)和信號輸入輸出(DQ)。

電路中的單片機(jī)采用AT89C52，DS18B20采用外部電源供電方式，其DQ端子與單片機(jī)的P3．7相連。采用兩個(gè)4連排共陽極數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度，分別用于顯示整數(shù)部分和小數(shù)部分。數(shù)碼管的段選線與單片機(jī)的P1口相連，位選線與P2口相連。圖中顯示的正是最高溫度125℃，由于在proteus軟件中DS18B20無法設(shè)置小數(shù)，所以小數(shù)部分只能顯示零了。DS18B20的最高分辨率為0．0625℃，所以理論上應(yīng)該能顯示4位小數(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三部分，一是溫度測量部分，二是溫度顯示部分，還有一個(gè)是報(bào)警部分。

DS18B20通過嚴(yán)格的單線通信協(xié)議來保證數(shù)據(jù)完整。該協(xié)議中定義了復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫0、寫1、讀0、讀1等幾種信號形式。其中，只有存在脈沖是由總線受控(即DS18B20)發(fā)出，其他的全部由總線主控(即單片機(jī))發(fā)出。

3．1 初始化

DS18B20的初始化包括來自單片機(jī)的復(fù)位脈沖和接下來由DS18B20發(fā)出的存在脈沖。其初始化時(shí)序圖如圖3所示。

當(dāng)DS18B20響應(yīng)單片機(jī)的復(fù)位而發(fā)出存在脈沖時(shí)，單片機(jī)便知道DS18B20在線上并已準(zhǔn)備好。單片機(jī)發(fā)送復(fù)位脈沖，即拉低總線至少480 μs，然后單片機(jī)釋放總線并進(jìn)入接收模式。當(dāng)DS18B20檢測到復(fù)位脈沖后，等待15～60 μs，然后發(fā)送存在脈沖，即拉低總線60～240μs。由于DS18B20的DQ引腳接了一個(gè)上拉電阻，所以，總線的空閑狀態(tài)為高電平，存在脈沖結(jié)束后，總線自動(dòng)恢復(fù)到高電平狀態(tài)。單片機(jī)所要做的就是發(fā)出復(fù)位脈沖并檢測DS18B20的存在脈沖，其參考程序如下：

3．2 寫時(shí)序

單片機(jī)可在寫時(shí)隙向DS18B20寫入數(shù)據(jù)，在讀時(shí)隙從DS18B20讀出數(shù)據(jù)，每個(gè)時(shí)隙總線上只傳送一位數(shù)據(jù)。寫時(shí)隙有“寫1”時(shí)隙和“寫0”時(shí)隙兩種。單片機(jī)通過寫1時(shí)隙向DS18B20寫入一個(gè)邏輯1，并通過寫0時(shí)隙向DS18B20寫入一個(gè)邏輯0。所有的寫時(shí)隙必須至少持續(xù)60 μs，并在每個(gè)獨(dú)立的寫時(shí)隙之間至少有1 μs的恢復(fù)時(shí)間。兩種寫時(shí)隙都是由單片機(jī)拉低總線開始的，如圖3所示。

要產(chǎn)生寫1時(shí)隙，單片機(jī)在拉低總線后必須在15 μs之內(nèi)釋放總線?？偩€被釋放后，上拉電阻將把總線拉高。要產(chǎn)生寫0時(shí)隙，單片機(jī)在拉低總線后必須繼續(xù)保持總線低電平使時(shí)隙至少60μs。DS18B20在時(shí)隙開始后15～60 μs之間的時(shí)間段內(nèi)對總線進(jìn)行采樣，如果總線是高電平，則向DS18B20寫入一個(gè)1，如果總線是低電平，則向DS18B20寫入一個(gè)0。

下面是向DS18B20寫入一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的程序代碼：

3．3 讀時(shí)序

所有的讀時(shí)隙必須至少持續(xù)60μs，并在每個(gè)獨(dú)立的讀時(shí)隙之間至少有1μs的恢復(fù)時(shí)間。讀時(shí)隙開始后，先由單片機(jī)拉低總線至少1μs，然后單片機(jī)釋放總線。讀時(shí)隙開始后，DS18B20將開始向總線發(fā)送1或0。發(fā)送0時(shí)，DS18B20釋放總線直到時(shí)隙結(jié)束，此后上拉電阻將把總線拉回到高電平的空閑狀態(tài)。DS18B20的數(shù)據(jù)在讀時(shí)隙開始之后15μs之內(nèi)有效，因此，單片機(jī)在時(shí)隙開始后，必須釋放總線，然后在15 μs之內(nèi)對總線進(jìn)行采樣。下面是從DS18B20讀出一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的程序：

3．4 主要命令

DS18B20有5個(gè)ROM操作命令，6個(gè)存儲(chǔ)器操作命令，表1所列是DS18B20的操作命令。

本系統(tǒng)主要使用了表1中的3個(gè)命令，即跳過ROM、溫度變換和讀暫存器命令。

3．5 顯示程序

DS18B20提供的溫度數(shù)據(jù)有兩個(gè)字節(jié)，其中低8位的末4位是小數(shù)部分，因此，程序中對溫度數(shù)據(jù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分要分別進(jìn)行處理。如t=t>>4；即得到溫度值的整數(shù)部分，t=t&0x0f；則得到溫度值的小數(shù)部分，然后分別在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示。

3．6 報(bào)警部分

在程序中設(shè)置溫度上限和溫度下限后，測量溫度將與門限值進(jìn)行比較。如果測量溫度高于溫度上限或者低于溫度下限，系統(tǒng)就發(fā)出報(bào)警。

4 結(jié)語

本文基于數(shù)字溫度傳感器DS18B20設(shè)計(jì)并仿真了一個(gè)溫度測量與顯示系統(tǒng)，同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置了溫度上限和溫度下限，當(dāng)測量溫度超出溫度門限值時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)報(bào)警。事實(shí)上，具有顯示與報(bào)警功能的溫度測量系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，而且DS18B20可以支持多點(diǎn)組網(wǎng)，因此可以同時(shí)測量多點(diǎn)溫度。