单片机学习 14

2024-06-02 09:29| 来源: 网络整理| 查看: 265

DS18B20 温度传感器实验

本次实验我们来学习精度较高的外部 DS18B20 数字温度传感器，由于此传感器是单总线接口，所以需要使用 51 单片机的一个 IO 口模拟单总线时序与 DS18B20 通信，将检测的环境温度读取出来。开发板上集成了 1 个 DS18B20 温度传感器接口，需插上 DS18B20 温度传感器后才能测试温度。本章要实现的功能是：系统运行时，插上 DS18B20 温度传感器，数码管显示检测的温度值。

DS18B20介绍

DS18B20 是由 DALLAS 半导体公司推出的一种的“一线总线（单总线）”接口的温度传感器。与传统的热敏电阻等测温元件相比，它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。

DS18B20 温度传感器具有如下特点：

1、适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。很少这样操作，一般直接用电源供电。 2、独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。 3、DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。 4、DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。 5、温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃ 6、可编程的分辨率为 9～12 位，对应的可分辨温度分别为 0.5℃、0.25℃、0.125℃ 和 0.0625℃，可实现高精度测温。默认工作在12位。 7、在 9 位分辨率时最多在 93.75ms 内把温度转换为数字，12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字，时间越长越准确。 8、测量结果直接输出数字温度信号，以"一根总线"串行传送给 CPU，同时可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。 9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

DS18B20 外观实物如下图所示：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Xl49ECS8-1688028305523)(C:\Users\10789\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220710201114900.png)]$

从 DS18B20 外观图可以看到，当我们正对传感器切面（传感器型号字符那一面）时，传感器的管脚顺序是从左到右排列。管脚 1 为 GND，管脚 2 为数据DQ，管脚 3 为 VDD。如果把传感器插反，那么电源将短路，传感器就会发烫，很容易损坏，所以一定要注意传感器方向，通常我们在开发板上都会标出传感器的凸起出，所以只需要把传感器凸起的方向对着开发板凸起方向插入即可。

DS18B20 内部结构如下图所示：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-xySk2fni-1688028305524)(C:\Users\10789\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220710201146084.png)]$

ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列号。64 位光刻 ROM 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。

DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速的暂存器 RAM 和一个非易失性的可电擦除的 EEPROM,后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL 和配置寄存器。

配置寄存器是配置不同的位数来确定温度和数字的转化，配置寄存器结构如下：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Kuih7gfd-1688028305524)(C:\Users\10789\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220710201237473.png)]$

低五位一直都是"1"，TM 是测试模式位，用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测试模式。在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0，用户不需要去改动。R1 和R0 用来设置 DS18B20 的精度（分辨率），可设置为 9，10，11 或 12 位，对应的分辨率温度是 0.5℃，0.25℃，0.125℃和 0.0625℃。R0 和 R1 配置如下图：

在初始状态下默认的精度是 12 位，即 R0=1、R1=1。高速暂存存储器由 9 个字节组成，其分配如下：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-VfiOKUCN-1688028305524)(C:\Users\10789\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220710201330268.png)]$

当温度转换命令（44H）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。存储的两个字节，高字节的前 5 位是符号位 S，其余9位为数值位。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。数据格式如下：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-XxQAbzju-1688028305525)(C:\Users\10789\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220710201405037.png)]$

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（默认精度是 12 位）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。温度与数据对应关系如下：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-y2PlWXwl-1688028305525)(C:\Users\10789\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220710201422781.png)]$

比如我们要计算+85 度，数据输出十六进制是 0X0550，因为高字节的高 5位为 0，表明检测的温度是正温度，0X0550 对应的十进制为 1360，将这个值乘以 12 位精度 0.0625，所以可以得到+85 度。如果是负温度，则将数据位取反+1，然后再进行计算。知道了怎么计算温度，接下来我们就来看看如何读取温度数据，由于 DS18B20是单总线器件，所有的单总线器件都要求采用严格的信号时序，以保证数据的完整性。DS18B20 时序包括如下几种：初始化时序、写（0 和 1）时序、读（0和 1）时序。 DS18B20 发送所有的命令和数据都是字节的低位在前。这里我们简单介绍这几个信号的时序：（1）初始化时序单总线上的所有通信都是以初始化序列开始。主机输出低电平，保持低电平时间至少 480us（该时间的时间范围可以从 480 到 960 微妙），以产生复位脉冲。接着主机释放总线，外部的上拉电阻将单总线拉高，延时 15～60 us，并进入接收模式。接着 DS18B20 拉低总线 60~240 us，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，还要做延时，其延时的时间从外部上拉电阻将单总线拉高算起最少要480 微妙。初始化时序图如下：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-VgUwopzZ-1688028305525)(C:\Users\10789\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220710201625243.png)]$

（2）写时序写时序包括写 0 时序和写 1 时序。所有写时序至少需要 60us，且在 2 次独立的写时序之间至少需要 1us 的恢复时间，两种写时序均起始于主机拉低总线。写 1 时序：主机输出低电平，延时 2us，然后释放总线，延时 60us。写 0时序：主机输出低电平，延时 60us，然后释放总线，延时 2us。写时序图如下：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-cyDHLKs4-1688028305525)(C:\Users\10789\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220710201650163.png)]$

（3）读时序单总线器件仅在主机发出读时序时，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。所有读时序至少需要 60us，且在 2 次独立的读时序之间至少需要 1us 的恢复时间。每个读时序都由主机发起，至少拉低总线 1us。主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的 15us 之内采样总线状态。读时序图如下：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-6CbQHFiY-1688028305526)(C:\Users\10789\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220710201716621.png)]$

典型的读时序过程为：主机输出低电平延时 2us，然后主机转入输入模式延时 12us，然后读取单总线当前的电平，然后延时 50us。

在了解了单总线时序之后，我们来看看 DS18B20 的典型温度读取过程，DS18B20 的典型温度读取过程为：复位→发 SKIP ROM 命令（0XCC）→发开始转换命令（0X44）→延时→复位→发送 SKIP ROM 命令（0XCC）→发读存储器命令（0XBE）→连续读出两个字节数据(即温度)→结束。

硬件设计

本实验使用到硬件资源如下：（1）动态数码管（2）DS18B20 开发板上DS18B20 模块电路，如下图所示：

左边为A2-A4，右边为A5-A7开发板电路图。

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-p6LR0aOG-1688028305526)(C:\Users\10789\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220710201848063.png)]$

A5-A7开发板电路图从上图中可以看出，该电路是独立的，并且该接口可以支持 DS18B20 温度传感器和 DHT11 温湿度传感器。传感器接口的单总线管脚接至 J14 端子上，在介绍单总线的时候我们说过，为了让单总线默认为高电平，通常会在单总线上接上拉电阻。

由于该模块电路是独立的，所以传感器接口的 DQ 管脚可以使用任意单片机管脚连接，为了与我们例程程序配套，这里使用单片机的 P3.7 管脚连接传感器的单总线接口 J14 端子。

软件设计

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7yhKlUoi-1688028305526)(C:\Users\10789\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220710162451328.png)]$

程序框架如下：（1）编写数码管显示功能（2）编写 DS18B20 读取温度功能。通过时序图，编写温度传感器的函数。（3）编写主函数

public.h:

#ifndef _public_H #define _public_H//名称与头文件名字相同 #include"reg52.h" typedef unsigned int u16; typedef unsigned char u8; void delay_1ms(u16 ms); void delay_10us(u16 ten_us); #endif

public.c:

#include"public.h" void delay_1ms(u16 ms) { u16 i,j; for(i=ms;i>0;i++) for(j=110;j>0;j--); } void delay_10us(u16 ten_us) { while(ten_us--); }

smg.h:

#ifndef _smg_H #define _smg_H #include"public.h" #define SMG_A_DP_PORT P0 sbit LSA=P2^2; sbit LSB=P2^3; sbit LSC=P2^4; extern u8 gsmg_code[16];//必须加extern void smg_display(u8 dat[],u8 pos); #endif

smg.c

#include "smg.h" u8 gsmg_code[16]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f, 0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71}; void smg_display(u8 dat[],u8 pos) { u8 i=0; u8 pos_temp=pos-1; for(i=pos_temp;i case 0: LSC=1;LSB=1;LSA=1;break; case 1: LSC=1;LSB=1;LSA=0;break; case 2: LSC=1;LSB=0;LSA=1;break; case 3: LSC=1;LSB=0;LSA=0;break; case 4: LSC=0;LSB=1;LSA=1;break; case 5: LSC=0;LSB=1;LSA=0;break; case 6: LSC=0;LSB=0;LSA=1;break; case 7: LSC=0;LSB=0;LSA=0;break; } SMG_A_DP_PORT=dat[i-pos_temp];//传送段选数据 delay_10us(100);//延时一段时间，等待显示稳定 SMG_A_DP_PORT=0x00;//消音 } }

ds18b20.h:

#ifndef _ds18b20_H #define _ds18b20_H #include"public.h" sbit DS18B20_PORT=P3^7; void ds18b20_reset(void); u8 ds18b20_check(void); u8 ds18b20_init(void); void ds18b20_write_byte(u8 dat); u8 ds18b20_read_bit(void); u8 ds18b20_read_byte(void); void ds18b20_start(void); float ds18b20_read_temperture(void); #endif

ds18b20.c:

#include"ds18b20.h" #include"intrins.h" void ds18b20_reset(void)//复位 DS18B20(初始化) { DS18B20_PORT=0; delay_10us(75);//延时大于480ms DS18B20_PORT=1; delay_10us(2); } u8 ds18b20_check(void)//检测 DS18B20 是否存在 { u8 time_temp=0; while(DS18B20_PORT&&time_temp time_temp++; delay_10us(1); } if(time_temp>=20)return 1;//如果超时则强制返回1 return 0;//成功则返回0 } u8 ds18b20_init(void)//初始化 DS18B20 的 IO 口 DQ 同时检测 DS 的存在 { ds18b20_reset(); return ds18b20_check(); } //=============================================// void ds18b20_write_byte(u8 dat)//写字节函数 { u8 i=0; u8 temp=0; for(i=0;i DS18B20_PORT=0; _nop_();_nop_();//当晶振为12HZ时，_nop_()刚好为1us DS18B20_PORT=1; delay_10us(6); } else { DS18B20_PORT=0; delay_10us(6); DS18B20_PORT=1; _nop_();_nop_(); } } } u8 ds18b20_read_bit(void) { u8 dat=0; DS18B20_PORT=0; _nop_();_nop_(); if(DS18B20_PORT)dat=1;//数据采样 else dat=0; delay_10us(5); return dat; } u8 ds18b20_read_byte(void)//读字节函数 { u8 i=0; u8 temp=0; u8 dat=0; for(i=0;i ds18b20_reset();//复位 ds18b20_check();//检查 DS18B20 ds18b20_write_byte(0xcc);//SKIP ROM ds18b20_write_byte(0x44);//转换命令 } float ds18b20_read_temperture(void)//从 ds18b20 得到温度值 { u8 dath=0;//保存高字节 u8 datl=0;//保存低字节 u8 value=0;//保存温度 float temp=0; ds18b20_start(); ds18b20_reset(); ds18b20_check(); ds18b20_write_byte(0xcc);//SKIP ROM ds18b20_write_byte(0x44);//转换命令 datl=ds18b20_read_byte(); dath=ds18b20_read_byte(); value=(dath temp=value*0.0625; } return temp; }

main.c:

#include"public.h" #include"smg.h" #include"ds18b20.h" void main() { int temp_value=0; u8 temp_buf[5]; u8 i=0; ds18b20_init();//初始化 DS18B2 while(1) { i++; if(i%50==0)//间隔一段时间读取温度值，间隔时间要大于温度传感器转换温度时间 temp_value=ds18b20_read_temperture()*10;//保留温度值小数后一位 if(temp_value

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