51单片机DS18B20温度测量

大家好，通过以前的学习，我们已经对51单片机综合学习系统的使用方法及学习方式有所了解与熟悉，学会了步进电机控制的基本知识，体会到了综合学习系统的易用性与易学性，这一期我们将一起学习数字温度传感器DS18B20的基本原理与使用方法。
先看一下我们将要使用的51单片机综合学习系统能完成哪些实验与产品开发工作：分别有流水灯，数码管显示，液晶显示，按键开关，蜂鸣器奏乐，继电器控制，IIC总线，SPI总线，PS/2实验，AD模数转换，光耦实验，串口通信，红外线遥控，无线遥控，温度传感，步进电机控制等等。
单总线温度传感器DS18B20简介
DS18B20是DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、搞干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（提供9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。它具有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位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，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2根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。
DS18B20外形及引脚说明
在TO-92和SO-8的封装中引脚有所不同，具体差别请查阅PDF手册，在TO-92封装中引脚分配如下：
1（GND）：地
2（DQ）：单线运用的数据输入输出引脚
3（VDD）：可选的电源引脚
DS18B20工作过程及时序
DS18B20内部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供一频率稳定的计数脉冲。
高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。
初始时，温度寄存器被预置成-55℃，每当计数器1从预置数开始减计数到0时，温度寄存器中寄存的温度值就增加1℃，这个过程重复进行，直到计数器2计数到0时便停止。
初始时，计数器1预置的是与-55℃相对应的一个预置值。以后计数器1每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。计数器1的预置数也就是在给定温度处使温度寄存器寄存值增加1℃计数器所需要的计数个数。
DS18B20内部的比较器以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。在计数器2停止计数后，比较器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与0.25℃进行比较，若低于0.25℃，温度寄存器的最低位就置0；若高于0.25℃，最低位就置1；若高于0.75℃时，温度寄存器的最低位就进位然后置0。这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最后位代表0.5℃，四舍五入最大量化误差为±1/2LSB，即0.25℃。
温度寄存器中的温度值以9位数据格式表示，最高位为符号位，其余8位以二进制补码形式表示温度值。测温结束时，这9位数据转存到暂存存储器的前两个字节中，符号位占用第一字节，8位温度数据占据第二字节。
DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号；同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。当计数门打开时，DS18B20进行计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应该为9位，但因符号位扩展成高8位，所以最后以16位补码形式读出。
DS18B20工作过程一般遵循以下协议：初始化——ROM操作命令——存储器操作命令——处理数据
① 初始化
单总线上的所有处理均从初始化序列开始。初始化序列包括总线主机发出一复位脉冲，接着由从属器件送出存在脉冲。存在脉冲让总线控制器知道DS1820 在总线上且已准备好操作。
② ROM操作命令
一旦总线主机检测到从属器件的存在，它便可以发出器件ROM操作命令之一。所有ROM操作命令均为8位长。这些命令列表如下：
Read ROM(读ROM)[33h]
此命令允许总线主机读DS18B20的8位产品系列编码，唯一的48位序列号，以及8位的CRC。此命令只能在总线上仅有一个DS18B20的情况下可以使用。如果总线上存在多于一个的从属器件，那么当所有从片企图同时发送时将发生数据冲突的现象（漏极开路会产生线与的结果）。
Match ROM( 符合ROM)[55h]
此命令后继以64位的ROM数据序列，允许总线主机对多点总线上特定的DS18B20寻址。只有与64位ROM序列严格相符的DS18B20才能对后继的存贮器操作命令作出响应。所有与64位ROM序列不符的从片将等待复位脉冲。此命令在总线上有单个或多个器件的情况下均可使用。
Skip ROM( 跳过ROM )[CCh]
在单点总线系统中，此命令通过允许总线主机不提供64位ROM编码而访问存储器操作来节省时间。如果在总线上存在多于一个的从属器件而且在Skip ROM命令之后发出读命令，那么由于多个从片同时发送数据，会在总线上发生数据冲突（漏极开路下拉会产生线与的效果）。
Search ROM( 搜索ROM)[F0h]
当系统开始工作时，总线主机可能不知道单线总线上的器件个数或者不知道其64位ROM编码。搜索ROM命令允许总线控制器用排除法识别总线上的所有从机的64位编码。
Alarm Search(告警搜索)[ECh]
此命令的流程与搜索ROM命令相同。但是，仅在最近一次温度测量出现告警的情况下，DS18B20才对此命令作出响应。告警的条件定义为温度高于TH 或低于TL。只要DS18B20一上电，告警条件就保持在设置状态，直到另一次温度测量显示出非告警值或者改变TH或TL的设置，使得测量值再一次位于允许的范围之内。贮存在EEPROM内的触发器值用于告警。
③存储器操作命令
Write Scratchpad（写暂存存储器）[4Eh]
这个命令向DS18B20的暂存器中写入数据，开始位置在地址2。接下来写入的两个字节将被存到暂存器中的地址位置2和3。可以在任何时刻发出复位命令来中止写入。
Read Scratchpad（读暂存存储器）[BEh]
这个命令读取暂存器的内容。读取将从字节0开始，一直进行下去，直到第9（字节8，CRC）字节读完。如果不想读完所有字节，控制器可以在任何时间发出复位命令来中止读取。
Copy Scratchpad（复制暂存存储器）[48h]
这条命令把暂存器的内容拷贝到DS18B20的E2存储器里，即把温度报警触发字节存入非易失性存储器里。如果总线控制器在这条命令之后跟着发出读时间隙，而DS18B20又正在忙于把暂存器拷贝到E2存储器，DS18B20就会输出一个“0”，如果拷贝结束的话，DS18B20 则输出“1”。如果使用寄生电源，总线控制器必须在这条命令发出后立即起动强上拉并最少保持10ms。
Convert T（温度变换）[44h]
这条命令启动一次温度转换而无需其他数据。温度转换命令被执行，而后DS18B20保持等待状态。如果总线控制器在这条命令之后跟着发出读时间隙，而DS18B20又忙于做时间转换的话，DS18B20将在总线上输出“0”，若温度转换完成，则输出“1”。如果使用寄生电源，总线控制器必须在发出这条命令后立即起动强上拉，并保持500ms。
Recall E2（重新调整E2）[B8h]
这条命令把贮存在E2中温度触发器的值重新调至暂存存储器。这种重新调出的操作在对DS18B20上电时也自动发生，因此只要器件一上电，暂存存储器内就有了有效的数据。在这条命令发出之后，对于所发出的第一个读数据时间片，器件会输出温度转换忙的标识：“0”=忙，“1”=准备就绪。
Read Power Supply（读电源）[B4h]
对于在此命令发送至DS18B20之后所发出的第一读数据的时间片，器件都会给出其电源方式的信号：“0”=寄生电源供电，“1”=外部电源供电。
④ 处理数据
DS18B20的高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如图3所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后。
DS18B20温度数据表
上表是DS18B20温度采集转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于或等于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于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再乘于0.0625即可得到实际温度。
温度转换计算方法举例：
例如当DS18B20采集到+125℃的实际温度后，输出为07D0H，则：
实际温度=07D0H╳0.0625=2000╳0.0625=1250C。
例如当DS18B20采集到-55℃的实际温度后，输出为FC90H，则应先将11位数据位取反加1得370H（符号位不变，也不作为计算），则：
实际温度=370H╳0.0625=880╳0.0625=550C。
DS18B20软、硬件设计
本实例介绍DS18B20与单片机之间的软、硬件接口，通过单片机来读取DS18B20的温度值，并将温度值通过数码管显示出来。在实验中先要将功能选择开关调到DS18B20位置上。
/***************************************************************************/
/*DS18B20演示程序 */
/*目标器件：AT89S51 */
/*晶振:11.0592MHZ */
/*编译环境：Keil 7.50A */
/***************************************************************************/
/*********************************包含头文件********************************/
#include
/*******************************共阳LED段码表*******************************/
unsigned char code tab[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
/*********************************端口定义**********************************/
sbit DQ=P3^3; //数据传输线接单片机的相应的引脚
/*********************************定义全局变量******************************/
unsigned char tempL=0; //临时变量低位
unsigned char tempH=0; //临时变量高位
float temperature; //温度值
/****************************************************************************
函数功能:延时子程序
入口参数:k
出口参数:
/****************************************************************************/
void delay(unsigned int k)
{
unsigned int n;
n=0;
while(n < k)
{n++;}
return;
}
/****************************************************************************
函数功能:数码管扫描延时子程序
入口参数:
出口参数:
***************************************************************************/
void delay1(void)
{
int k;
for(k=0;k<400;k++);
}
/****************************************************************************
函数功能:数码管显示子程序
入口参数:k
出口参数:
/****************************************************************************/
void display(int k)
{
P2=0xfe;
P0=tab[k/1000];
delay1();
P2=0xfd;
P0=tab[k%1000/100];
delay1();
P2=0xfb;
P0=tab[k%100/10];
delay1();
P2=0xf7;
P0=tab[k%10];
delay1();
P2=0xff;
}
/****************************************************************************
函数功能:DS18B20初始化子程序
入口参数:
出口参数:
/****************************************************************************/
Init_DS18B20(void)
{
unsigned char x=0;
DQ=1; //DQ先置高
delay(8); //延时
DQ=0; //发送复位脉冲
delay(85); //延时（>480ms)
DQ=1; //拉高数据线
delay(14); //等待（15~60ms)
}
/****************************************************************************
函数功能:向DS18B20读一字节数据
入口参数:
出口参数:dat
/****************************************************************************/
ReadOneChar(void)
{
unsigned char i=0;
unsigned char dat=0;
for (i=8;i>0;i--)
{
DQ=1;
delay(1);
DQ=0;
dat>>=1;
DQ=1;
if(DQ)
dat|=0x80;
delay(4);
}
return(dat);
}
/****************************************************************************
函数功能:向DS18B20写一字节数据
入口参数:dat
出口参数:
****************************************************************************/
WriteOneChar(unsigned char dat)
{
unsigned char i=0;
for(i=8;i>0;i--)
{
DQ=0;
DQ=dat&0x01;
delay(5);
DQ=1;
dat>>=1;
}
delay(4);
}
/****************************************************************************
函数功能:向DS18B20读温度值
入口参数:
出口参数:temperature
****************************************************************************/
ReadTemperature(void)
{
Init_DS18B20(); //初始化
WriteOneChar(0xcc); //跳过读序列号的操作
WriteOneChar(0x44); //启动温度转换
delay(125); //转换需要一点时间，延时
Init_DS18B20(); //初始化
WriteOneChar(0xcc); //跳过读序列号的操作
WriteOneChar(0xbe); //读温度寄存器（头两个值分别为温度的低位和高位）
tempL=ReadOneChar(); //读出温度的低位LSB
tempH=ReadOneChar(); //读出温度的高位MSB
//温度转换，把高低位做相应的运算转化为实际温度
temperature=((tempH*256)+tempL)*0.0625;
delay(200);
return(temperature);
}
/****************************************************************************
函数功能:主程序
入口参数:
出口参数:
****************************************************************************/
void main()
{
float i;
while(1)
{
i=ReadTemperature();
display(i);
}
}
相信看到这里，你应该可以理解DS18B20数字温度传感器的原理是怎么样的了，你也可以根据自己的需要来写一下温度探测及相关控制的程序。由于篇幅有限，读者朋友可以通过网站或电子邮件一起交流与学习