基于单总线器件DS18B20的温度测量仪

　　1 引言

许多情况下需要测量温度参数。通常测温系统的主要器件是热敏电阻，由于它体积小、重复性好、测量方法简单，所以在测温系统中广泛应用。但采用热敏电阻的测温系统需要A／D转换，而且测量精度不高。本文采用Dallas公司生产的一种新型温度传感器DS18B20，它集温度测量、A／D转换于一体，其测量范围宽(-55℃～+125℃)，精度高(0.0625℃)，DS18B20是一款具有单总线结构的器件。

由DS18B20组建的温度测量单元体积小，便于携带、安装。同时，DS18B20的输出为数字量，可以直接与单片机连接，无需后级A／D转换，控制简单。由于DS18B20具有单总线特性，便于扩展，可在一根总线上挂接多个DS18B20来组建温度测量网络。

　　2 硬件电路设计

本系统设计采用 Mega8单片机控制DS18B20，由显示电路显示当前温度。其系统硬件电路如图1所示。Atmel的Mega8单片机采用RTSC(精简指令集)，指令执行速度快，内嵌8 KB Flash程序存储器，支持ISP(在系统编程)，片内含有大容量的RAM区，具有SPT总线、I2C总线、ADC功能。Mega8单片机体积小，功能强，具有PDIP-28封装及TQFP封装。

DS18B20采用单总线方式和Mega8单片机相连，即DS18B20的1引脚和3引脚接地，2引脚通过一只240 Ω的电阻接至Mega8的PB7引脚，同时将PB7引脚采用一只4.7 kΩ的电阻上拉至VCC。

单总线即只用一根信号线，既供电，又传输数据，而且数据传输是双向的，单总线具有"线与"功能，连接方便，便于扩展。

由于DS18B20采用 CMOS技术，耗电量很小，从总线上"偷"一点电保存到DS18B20内的电容中就可供给器件工作。串联240 Ω电阻的目的是防止有缺陷的程序损坏DS18B20，如果没有正确地采用OC(集电极开路)或OD(漏极开路)结构驱动DS18B20，而是选择推挽方式，DS18B20可能被烧坏。 2.1 DS18B20的控制时序

由于DS18B20是采用一根I／O总线读写数据，因此，DS18B20对读写数据位有严格的时序要求。DS18B20遵循相应的通信协议从而保证数据传输的正确性和完整性。该通信协议定义了多种信号时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将单片机作为主机，DS18B20作为从机。每一次命令和数据传输都是从主机启动写时序开始，如果要求从机回送数据，在写命令后，主机需启动读时序接收数据。所有的读、写时序至少需要60μs，且每两个独立的时序之间至少需要1μs的恢复时间。数据和命令的传输都足低位优先。

DS18B20的复位时序包括主机发出的复位脉冲和从机发出的应答脉冲。上机通过拉低单总线并保持至少480μs产十复位脉冲，然后由主机释放总线，进入接收模式。主机释放总线时，会产生一个由低电半跳变为高电平的上升沿，DS18B20检测到该上升沿后，延时15μs～60μs，接着DS18B20通过拉低总线60μs～240μs产生应答脉冲。主机接收到DB18B20的应答脉冲后就开始对DS18B20进行ROM命令和功能命令操作。DS18B20的复位时序如图2所示。

DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序。DS18B20的读时序是主机将单总线拉为低电平，在15μs之内释放单总线，以便使DS18B20将数据传输到单总线上。若DS18B20发送1，总线保持高电平，若发送0，则总线为低电平。由于DS18B20发送数据后保持15μs有效时间，因此，主机在读时序时必须释放总线，且保持15μs的采样总线状态，以便接收DS18B20发送数据。DS18B20的读时序如图3所示。

 　　DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序。但DS18B20写0时序和写1时序的要求不同。DS18B20写0时序时，单总线需要被拉低至少60μs，保证DS18B20能够在15μs～45μs能够正确地采样I／O总线上的"0"电平；DS18B20写1时序时，单总线被拉低，并在15μs内释放单总线。DS18B20的写时序如图4所示。
 

 

　　DS18B20具有下面控制命令，如表1所示。

2.2 DS18B20的控制命令

 　　单片机向DS18B20发送这些控制命令，完成相应操作。例如，向DS18B20发送0x44命令，则DS18B20开始启动温度转换。 

　　3 软件设计

Mega8单片机对DS18B20的控制严格遵循单总线的复位及读、写时序要求，同时，需要写入必要的控制字控制DS18B20完成相应工作。当写入0x44控制字启动DS18B20温度转换后，需要等待至少800 ms，在这个时间段内DS18B20完成温度的采集和A／D转换，此时读取的数据才是正确的。软件程序流程图如图5所示。

主程序如下所示：


　　4 结束语 

　　DS18B20集温度测量、A／D转换于一体，具有体积小、动态范围宽、测量精度高、单总线结构等特点。经试验，基于Mega8单片机和DS18B20的温度测量仪，设计简单，控制方便，测量准确，测温范围宽，完全可以取代水银温度计和热敏电阻测量。利用单总线具有很强的扩展性，还可以组建多点的温度检测网络。因此，基于Mega8单片机和DS18B20的温度测量仪，具有广泛的应用前景。