第18章数字温度传感器的应用.

第18章数字温度传感器的应用——基于DS18B20的温度测量模块设计18.1设计任务118.2设计原理218.1设计任务本设计在Proteus中仿真实现。选用AT89S51控制数字温度传感器DS18B20，读取数据，并对DS18B20转换后的数据进行处理，最后在数码管上显示DS18B20测出的温度。要求使用6位数码管显示，最高位为符号位，如果温度值为“正”不显示，如果温度为“负”,则显示负号；第2~4位显示温度值的整数部分,并在第4位数据上显示小数点；第5位显示一位小数，最低位显示摄氏度符号“C”。18.1设计任务通过本设计应达到以下设计目的:掌握DS18B20数字温度传感器的工作原理及使用方法;掌握对DS18B20转换数据进行处理的方法;学习用数码管显示复杂数据的方法。18.2设计原理图18-1基于DS18B20的测温系统结构图18.2.1系统结构基于DS18B20的测温系统结构图如图18-1所示。18.2设计原理DS18B20的典型接法如图中所示，74LS245为数码管的驱动芯片，P3.0-P3.5输出数码管的位选信号。18.2.2DS18B20数字温度传感器DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。用它来组成一个测温系统，线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。18.2设计原理DS18B20产品的特点：只要求一个端口即可实现通信；在DS18B20中每个器件上都有独一无二的序列号；实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温；测量温度范围在－55℃到＋125℃之间；数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择；内部有温度上、下限告警设置。18.2设计原理TO－92封装的DS18B20的引脚排列见图18-2其引脚功能描述见下表。序号名称引脚功能描述1GND接地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。图18-2DS18B20引脚结构图（底视图）18.2设计原理1）DS18B20的内部结构DS18B20的内部框图如图18-3所示。图18-3DS18B20的内部框图18.2设计原理其64位ROM存储器件具有独一无二的序列号。暂存器包含两字节(0和1字节)的温度寄存器，用于存储温度传感器的数字输出。它还提供一个字节的上线警报触发(TH)和下线警报触发(TL)寄存器(2和3字节)，和一个字节的配置寄存器(4字节)，使用者可以通过配置寄存器来设置温度转换的精度。暂存器的5、6和7字节器件内部保留使用。第8字节含有循环冗余码（CRC）。使用寄生电源时，DS18B20不需额外的供电电源；当总线为高电平时，功率由单总线上的上拉电阻通过DQ引脚提供；高电平总线信号同时也向内部电容CPP充电，CPP在总线低电平时为器件供电。18.2设计原理DS18B20加电后，处在空闲状态。要启动温度测量和模拟到数字的转换，处理器须向其发出ConvertT[44h]命令；转换完后，DS18B20回到空闲状态。温度数据是以带符号位的18-bit补码存储在温度寄存器中的，如图18-4所示：图18-4温度寄存器格式18.2设计原理符号位说明温度值的正、负，正值时S=0，负值时S=1。表18-2给出了一些数字输出数据与对应的温度值的例子。表18-2温度/数据的关系18.2设计原理2）DS18B20的命令序列：1.初始化；2.ROM命令跟随着需要交换的数据；3.功能命令跟随着需要交换的数据。访问DS18B20必须严格遵守这一命令序列，如果丢失任何一步或序列混乱，DS18B20都不会响应主机（除了SearchROM和AlarmSearch这两个命令，在这两个命令后，主机都必须返回到第一步）。18.2设计原理①初始化●DS18B20所有的数据交换都由一个初始化序列开始。包括主机发出的复位脉冲和跟在其后的由DS18B20发出的应答脉冲构成。●当DS18B20发出响应主机的应答脉冲时，即向主机表明它已处在总线上并且准备工作。②ROM命令：●ROM命令通过每个器件64-bit的ROM码，使主机指定某一特定器件（如果有多个器件挂在总线上）与之进行通信。DS18B20的ROM如表18-3所示，每个ROM命令都是8bit长。18.2设计原理命令描述协议此命令发出后1Wire总线上的活动SEARCHROM识别总线上挂着的所有DS18B20的ROM码F0h所有DS18B20向主机传送ROM码READROM当只有一个DS18B20挂在总线上时，可用此命令来读取ROM码33hDS18B20向主机传送ROM码MATCHROM主机用ROM码来指定某一DS18B20，只有匹配的DS18B20才会响应55h主机向总线传送一个ROM码SKIPROM用于指定总线上所有的器件CCh无ALARMROM与SEARCHROM命令类似，但只有温度超出警报线的DS18B20才会响应ECh超出警报线DS18B20向主机传送ROM码表18-3DS18B20ROM命令18.2设计原理③功能命令：●主机通过功能命令对DS18B20进行读/写Scratchpad存储器，或者启动温度转换。●DS18B20的功能命令如表18-4所示。18.2设计原理命令描述协议此命令发出后1Wire总线上的活动温度转换命令ConvertT开始温度转换44hDS18B20向主机传送转换状态（寄生电源不适用）存储器命令ReadScratchpad读暂存器完整的数据BEhDS18B20向主机传送总共9字节的数据WriteScratchpad向暂存器的2、3和4字节写入数据（TH，TL和精度）4Eh主机向DS18B20传送3个字节的数据CopyScratchpad将TH，TL和配置寄存器的数据复制到EEPROM48h无RecallE2将TH，TL和配置寄存器的数据从EEPROM中调到暂存器中B8hDS18B20向主机传送调用状态ReadPowerSupply向主机示意电源供电状态B4hDS18B20向主机传送供电状态表18-4DS18B20功能命令18.2设计原理3）DS18B20的信号方式DS18B20采用严格的单总线通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。除了应答脉冲所有这些信号都由主机发出同步信号。总线上传输的所有数据和命令都是以字节的低位在前。18.2设计原理①初始化序列：复位脉冲和应答脉冲●在初始化过程中，主机通过拉低单总线至少480μs，以产生复位脉冲(TX)。然后主机释放总线并进入接收(RX)模式。●当总线被释放后，5kΩ的上拉电阻将单总线拉高。DS18B20检测到这个上升沿后，延时15μs~60μs，通过拉低总线60μs~240μs产生应答脉冲。●初始化波形如图18-5所示。18.2设计原理②读和写时隙●在写时隙期间，主机向DS18B20写入数据；而在读时隙期间，主机读入来自DS18B20的数据。●在每一个时隙，总线只能传输一位数据。读/写时隙如图18-6所示。图18-5初始化脉冲18.2设计原理图18-6DS18B20读/写时隙图18.2设计原理●写时隙▲存在两种写时隙：“写1”和“写0”。▲主机在写1时隙向DS18B20写入逻辑1，而在写0时隙向DS18B20写入逻辑0。所有写时隙至少需要60μs，且在两次写时隙之间至少需要1μs的恢复时间。▲两种写时隙均以主机拉低总线开始。▲产生写1时隙：主机拉低总线后，必须在15μs内释放总线，然后由上拉电阻将总线拉至高电平。▲产生写0时隙：主机拉低总线后，必须在整个时隙期间保持低电平（至少60μs）。▲在写时隙开始后的15μs~60μs期间，DS18B20采样总线的状态。如果总线为高电平，则逻辑1被写入DS18B20；如果总线为低电平，则逻辑0被写入DS18B20。18.2设计原理●读时隙▲DS18B20只能在主机发出读时隙时才能向主机传送数据。所以主机在发出读数据命令后，必须马上产生读时隙，以便DS18B20能够传送数据。▲所有读时隙至少60μs，且在两次独立的读时隙之间至少需要1μs的恢复时间。▲每次读时隙由主机发起，拉低总线至少1μs。主机发起读时隙之后，若DS18B20发送1，则保持总线为高电平；若发送0，则拉低总线。传送0时，DS18B20在该时隙结束时释放总线，再由上拉电阻将总线拉回空闲高电平状态。18.2设计原理DS18B20发出的数据在读时隙下降沿起始后的15μs内有效，因此主机必须在读时隙开始后的15μs内释放总线，并且采样总线状态。DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。只需将DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20,就可实现单点或多点温度检测。18.2设计原理4）小数的显示方法DS18B20转换后的数据有四位二进制小数，精度为0.0625，可连续表示一位十进制小数，因此在数码显示时，只显示1位小数。在对四位二进制小数进行处理时，可先计算出这四位二进制小数对应的四位十进制小数，然后对这四位十进制小数舍弃后三位，保留一位。在编写程序时，可编制一个反映二进制小数与显示码对应关系的表格，根据四位二进制小数的十六种不同情况查找对应的一位十进制小数的段码，具体映射关系如表18-5所示。18.2设计原理二进制小数位四位十进制小数保留一位对应显示码（共阴）00000.000003FH00010.0625106H00100.1250106H00110.187525BH01000.250034FH01010.312534FH01100.3750466H01110.4375466H10000.500056DH10010.562567DH10100.625067DH10110.6875707H11000.750087FH11010.812587FH11100.875096FH11110.937596FH表18-5二进制小数与显示码的对应关系18.2设计原理调试好程序后，进行编译运行，可得到预计结果。18.2.3参考源代码（略）习题与思考题习题1.DS18B20数字温度传感器有哪些特点？2.试根据本章所给程序画出本设计的程序框图。