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温度传感器DS18B20

2016-12-19 14:08:06 | 人围观 | 评论:

  DS18B20是美信公司的一款温度传感器,单片机可以通过1-Wire和DS18B20进行通信,最终将温度读出。1-Wire总线的硬件接口很简单,只需要把18B20的数据引脚和单片机的一个IO口接上就可以通信。硬件的简单,随之而来的,就是软件时序的复杂。1-Wire总线的时序比较复杂,很多同学在这里独立看时序图都看不明白,所以这里还要带着大家来研究18B20的时序图。我们先来看一下DS18B20的硬件原理图,如图1所示。

DS18B20

图1 DS18B20

  DS18B20通过编程,可以实现最高12位的温度存储值,在寄存器中,以补码的格式存储,如图2所示。

DS18B20温度表示

图2 DS18B20温度表示

  一共2个字节,LSB是低字节,MSB是高字节,其中MSb是字节的高位,LSb是字节的低位。大家可以看出来,二进制数字,每一位代表的温度的含义,都表示出来了。其中S表示的是符号位,低11位都是2的幂,用来表示最终的温度。DS18B20的温度测量范围是从-55度到+125度,而温度数据的表现形式,有正负温度,寄存器中每个数字如同卡尺的刻度一样分布,如图3所示。

DS18B20温度显示

图3 DS18B20温度显示

  二进制数字最低位变化1,代表温度变化0.0625度的映射关系。当0度的时候,那就是0x0000,当温度125度的时候,对应十六进制是0x07D0,当温度是零下55度的时候,对应的数字是0xFC90。反过来说,当数字是0x0001的时候,那温度就是0.0625度了。

  首先,我先根据手册上DS18B20工作协议过程大概讲解一下。

  1、初始化。和I2C的寻址类似,1-Wire总线开始也需要检测这条总线上是否存在DS18B20这个器件。如果这条总线上存在DS18B20,总线会根据时序要求返回一个低电平脉冲,如果不存在的话,也就不会返回脉冲,即总线保持为高电平,所以习惯上称之为检测存在脉冲。此外,获取存在脉冲不仅仅是检测是否存在DS18B20,还要通过这个脉冲过程通知DS18B20准备好,单片机要进行操作它了,如图4所示。

 获取存在脉冲  

图4 获取存在脉冲

  大家注意看图,实粗线是我们单片机IO口拉低这个引脚,虚粗线是DS18B20拉低这个引脚,细线是单片机和DS18B20释放总线后,依靠上拉电阻的作用把IO口引脚拉上去的。这个我们前边提到过了,51单片机释放总线就是给高电平即可。

  存在脉冲检测过程,首先我们单片机要拉低这个引脚,持续大概480us到960us之间的时间即可,我们的程序中持续了500us。然后,单片机释放总线,就是给高电平,DS18B20等待大概15到60us后,会主动拉低这个引脚大概是60到240us,而后DS18B20会主动释放总线,这样IO口会被上拉电阻自动拉高。

  有的同学还是不能够彻底理解,程序列出来逐句解释。首先,由于DS18B20时序要求非常严格,所以在操作时序的时候,为了防止中断干扰总线时序,先关闭总中断。然后第一步,拉低DS18B20这个引脚,持续500us;第二步,延时60us;第三步,读取存在脉冲,并且等待存在脉冲结束。

  bit Get18B20Ack(void)  //复位总线,获取存在脉冲,以启动一次读写操作

{

    bit ack;

    

    EA = 0;   //禁止总中断

    IO_18B20 = 0;     //产生500us复位脉冲

    DelayX10us(50);

    IO_18B20 = 1;

    DelayX10us(6);    //延时60us

    ack = IO_18B20;   //读取存在脉冲

    while(!IO_18B20); //等待存在脉冲结束

    EA = 1;   //重新使能总中断

    

    return ack;

}

  很多同学对第二步不理解,时序图上明明是DS18B20等待15us到60us,为什么要延时60us呢?举个例子,妈妈在做饭,告诉你大概5分钟到10分钟饭就可以吃了,那么我们什么时候去吃,能够绝对保证吃上饭呢?很明显,10分钟以后去吃肯定可以吃上饭。同样的道理,DS18B20等待大概是15us到60us,我们要保证读到这个存在脉冲,那么60us以后去读肯定可以读到。当然,不能延时太久,太久,超过75us,就可能读不到了,为什么是75us,大家自己思考一下。

  2、ROM操作指令。我们学I2C总线的时候,总线上可以挂多个器件,通过不同的器件地址来访问不同的器件。同样,1-Wire总线也可以挂多个器件,但是他只有一条线,如何区分不同的器件呢?

   在每个DS18B20内部都有一个唯一的64位长的序列号,这个序列号值就存在DS18B20内部的ROM中。开始的8位是产品类型编码(DS18B20是10H),接着的48位是每个器件唯一的序号,最后的8位是CRC校验码。DS18B20可以引出去很长的线,最长可以到几十米,测不同位置的温度。单片机可以通过和DS18B20之间的通信,获取每个传感器所采集到的温度信息,也可以同时给所有的DS18B20发送一些指令。这些指令相对来说比较复杂,而且应用很少,所以这里大家有兴趣自己查手册自己完成,我们这里只讲一条总线上只接一个器件的指令和程序。

  Skip ROM(跳过ROM):0xCC。当总线上只有一个器件的时候,可以跳过ROM,不进行ROM检测。                 

  3、RAM存储器操作指令。

  RAM读取指令,只讲2条,其他的大家有需要可以随时去查资料。

  Read Scratchpad(读暂存寄存器):0xBE

  这里要注意的是,我们的DS18B20的温度数据是2个字节,我们读取数据的时候,先读取到的是低字节的低位,读完了第一个字节后,再读高字节的低位,一直到两个字节全部读取完毕。

  Convert Temperature(启动温度转换):0x44

  当我们发送一个启动温度转换的指令后,DS18B20开始进行转换。从转换开始到获取温度,DS18B20是需要时间的,而这个时间长短取决于DS18B20的精度。前边说DS18B20最高可以用12位来存储温度,但是也可以用11位,10位和9位一共四种格式。位数越高,精度越高,9位模式最低位变化1温度变化0.5度,同时转换速度也要快一些,如图5所示。

DS18B20温度转换时间

图5 DS18B20温度转换时间

  其中寄存器R1和R0决定了转换的位数,出场默认值就是11,也就是12位表示温度,最大的转换时间是750ms。当启动转换后,至少要再等750ms之后才能读取温度,否则读到的温度有可能是错误的值。这就是为什么很多同学读DS18B20的时候,第一次读出来的是85度,这个值要么是没有启动转换,要么是启动转换了,但还没有等待一次转换彻底完成,读到的是一个错误的数据。

  4、DS18B20的位读写时序。

  DS18B20的时序图不是很好理解,大家对照时序图,结合我的解释学明白。写时序图如图6所示。

DS18B20位写入时序

图6 DS18B20位写入时序

  当要给DS18B20写入‘0’的时候,单片机直接将引脚拉低,持续时间大于60us小于120us就可以了。图上显示的意思是,单片机先拉低15us之后,DS18B20会在从15us到60us之间的时间来读取这一位,DS18B20最早会15us的时刻读取,典型值是30us的时刻读取,最多不会超过60us,DS18B20必然读取完毕,所以持续时间超过60us即可。

  当要给DS18B20写入‘1’的时候,单片机先将这个引脚拉低,拉低时间大于1us,然后马上释放总线,即拉高引脚,并且持续时间也要大于60us。和写‘0’类似的是,DS18B20会在15到60us之间来读取这个‘1’。

  可以看出来,DS18B20的时序比较严格,写的过程中最好不要有中断打断,但是在两个“位”之间的间隔,是大于1小于无穷的,那在这个时间段,我们是可以开中断来处理其他程序的。发送一个字节的数据程序如下。

void Write18B20(unsigned char dat)  //向DS18B20写入一个字节数据

{

    unsigned char mask;

    

    EA = 0;   //禁止总中断

    for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1)  //低位在先,依次移出8个bit

    {

        IO_18B20 = 0;         //产生2us低电平脉冲

         _nop_();

        _nop_();

        if ((mask&dat) == 0)  //输出该bit值

            IO_18B20 = 0;

        else

            IO_18B20 = 1;

        DelayX10us(6);        //延时60us

         IO_18B20 = 1;         //拉高通信引脚

     }

    EA = 1;   //重新使能总中断

}

  读时序图如图7所示。

DS18B20位读取时序

图7 DS18B20位读取时序

  当要读取DS18B20的数据的时候,我们的单片机首先要拉低这个引脚,并且至少保持1us的时间,然后释放引脚,释放完毕后要尽快读取。从拉低这个引脚到读取引脚状态,不能超过15us。大家从图7可以看出来,主机采样时间,也就是MASTER SAMPLES,是在15us之内必须完成的,读取一个字节数据的程序如下。

 

unsigned char Read18B20(void)  //从DS18B20读取一个字节数据

{

    unsigned char dat;

    unsigned char mask;

    

    EA = 0;   //禁止总中断

     for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1)  //低位在先,依次采集8个bit

    {

         IO_18B20 = 0;         //产生2us低电平脉冲

        _nop_();

        _nop_();

        IO_18B20 = 1;         //结束低电平脉冲,等待18B20输出数据

        _nop_();              //延时2us

        _nop_();

         if (!IO_18B20)        //读取通信引脚上的值

        dat &= ~mask;

        else

            dat |= mask;

        DelayX10us(6);        //再延时60us

    }

    EA = 1;   //重新使能总中断

 

    return dat;

}

  DS18B20所表示的温度值中,有小数和整数两部分。常用的带小数的数据处理方法有两种,一种是定义成浮点型直接小数整数处理,第二种是定义成整型,然后把小数和整数部分分离出来,在合适的位置点上小数点即可。我们在程序中使用的是第二种方法,下面我们就写一个程序,将我们读到的温度值显示在1602液晶上,并且保留一位小数数字。

/***********************lcd1602.c文件程序源代码*************************/

 

#include <reg52.h>

 

#define LCD1602_DB   P0

 

sbit LCD1602_RS = P1^0;

sbit LCD1602_RW = P1^1;

sbit LCD1602_E  = P1^5;

 

void LcdWaitReady()  //等待液晶准备好

{

    unsigned char sta;

    

    LCD1602_DB = 0xFF;

    LCD1602_RS = 0;

    LCD1602_RW = 1;

    do

    {

        LCD1602_E = 1;

        sta = LCD1602_DB; //读取状态字

        LCD1602_E = 0;

    } while (sta & 0x80); //bit7等于1表示液晶正忙,重复检测直到其等于0为止

}

void LcdWriteCmd(unsigned char cmd)  //写入命令函数

{

    LcdWaitReady();

    LCD1602_RS = 0;

    LCD1602_RW = 0;

    LCD1602_DB = cmd;

    LCD1602_E  = 1;

    LCD1602_E  = 0;

}

void LcdWriteDat(unsigned char dat)  //写入数据函数

{

    LcdWaitReady();

    LCD1602_RS = 1;

    LCD1602_RW = 0;

    LCD1602_DB = dat;

    LCD1602_E  = 1;

    LCD1602_E  = 0;

}

void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, const unsigned char *str)  //显示字符串,屏幕起始坐标(x,y),字符串指针str

{

    unsigned char addr;

    

    //由输入的显示坐标计算显示RAM的地址

    if (y == 0)

        addr = 0x00 + x; //第一行字符地址从0x00起始

    else

        addr = 0x40 + x; //第二行字符地址从0x40起始

    

    //由起始显示RAM地址连续写入字符串

    LcdWriteCmd(addr | 0x80); //写入起始地址

    while (*str != '/0')      //连续写入字符串数据,直到检测到结束符

    {

        LcdWriteDat(*str);

        str++;

    }

}

void LcdInit()  //液晶初始化函数

{

    LcdWriteCmd(0x38);  //16*2显示,5*7点阵,8位数据接口

    LcdWriteCmd(0x0C);  //显示器开,光标关闭

    LcdWriteCmd(0x06);  //文字不动,地址自动+1

    LcdWriteCmd(0x01);  //清屏

}

/***********************DS18B20.c文件程序源代码*************************/

 

#include <reg52.h>

#include <intrins.h>

 

sbit IO_18B20 = P3^2;  //DS18B20通信引脚

 

void DelayX10us(unsigned char t)  //软件延时函数,延时时间(t*10)us

{

    do {

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

    } while (--t);

}

bit Get18B20Ack(void)  //复位总线,获取存在脉冲,以启动一次读写操作

{

    bit ack;

    

    EA = 0;   //禁止总中断

    IO_18B20 = 0;     //产生500us复位脉冲

    DelayX10us(50);

    IO_18B20 = 1;

    DelayX10us(6);    //延时60us

    ack = IO_18B20;   //读取存在脉冲

    while(!IO_18B20); //等待存在脉冲结束

    EA = 1;   //重新使能总中断

    

    return ack;

}

void Write18B20(unsigned char dat)  //向DS18B20写入一个字节数据

{

    unsigned char mask;

    

    EA = 0;   //禁止总中断

    for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1)  //低位在先,依次移出8个bit

    {

         IO_18B20 = 0;         //产生2us低电平脉冲

        _nop_();

         _nop_();

        if ((mask&dat) == 0)  //输出该bit值

            IO_18B20 = 0;

        else

            IO_18B20 = 1;

         DelayX10us(6);        //延时60us

         IO_18B20 = 1;         //拉高通信引脚

    }

    EA = 1;   //重新使能总中断

}

unsigned char Read18B20(void)  //从DS18B20读取一个字节数据

{

    unsigned char dat;

    unsigned char mask;

    

    EA = 0;   //禁止总中断

     for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1)  //低位在先,依次采集8个bit

    {

        IO_18B20 = 0;         //产生2us低电平脉冲

         _nop_();

         _nop_();

         IO_18B20 = 1;         //结束低电平脉冲,等待18B20输出数据

         _nop_();              //延时2us

         _nop_();

        if (!IO_18B20)        //读取通信引脚上的值

         dat &= ~mask;

        else

            dat |= mask;

         DelayX10us(6);        //再延时60us

     }

    EA = 1;   //重新使能总中断

 

    return dat;

}

 

bit Start18B20()  //启动一次18B20温度转换,返回值代表是否启动成功

{

    bit ack;

    

    ack = Get18B20Ack();   //执行总线复位,并获取18B20应答

    if (ack == 0)          //如18B20正确应答,则启动一次转换

    {

     Write18B20(0xCC);  //跳过ROM操作

     Write18B20(0x44);  //启动一次温度转换

    }

    return ~ack;  //ack==0表示操作成功,所以返回值为其取反值

}

 

bit Get18B20Temp(int *temp)  //读取DS18B20温度值,返回值代表是否读取成功

{

    bit ack;

    unsigned char LSB, MSB; //16bit温度值的低字节和高字节

    

    ack = Get18B20Ack();    //执行总线复位,并获取18B20应答

    if (ack == 0)           //如18B20正确应答,则读取温度值

    {

     Write18B20(0xCC);   //跳过ROM操作

     Write18B20(0xBE);   //发送读命令

     LSB = Read18B20();  //读温度值的低字节

     MSB = Read18B20();  //读温度值的高字节

        *temp = ((int)MSB << 8) + LSB;  //合成为16bit整型数

    }

return ~ack;  //ack==0表示操作应答,所以返回值为其取反值

}

/***********************main.c文件程序源代码*************************/

 

#include <reg52.h>

 

bit flag1s = 0;          //1s定时标志

unsigned char T0RH = 0;  //T0重载值的高字节

unsigned char T0RL = 0;  //T0重载值的低字节

 

void ConfigTimer0(unsigned int ms);

unsigned char IntToString(unsigned char *str, int dat);

extern bit Start18B20();

extern bit Get18B20Temp(int *temp);

extern void LcdInit();

extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, const unsigned char *str);

 

void main ()

{

    bit res;

    int temp;        //读取到的当前温度值

    int intT, decT;  //温度值的整数和小数部分

    unsigned char len;

    unsigned char str[12];

 

    LcdInit();        //初始化液晶

    Start18B20();     //启动DS18B20

    ConfigTimer0(10); //T0定时10ms

    EA = 1;           //开总中断

    

    while(1)

    {

        if (flag1s)  //每秒更新一次温度

        {

            flag1s = 0;

            res = Get18B20Temp(&temp);  //读取当前温度

            if (res)                    //读取成功时,刷新当前温度显示

            {

                intT = temp >> 4;             //分离出温度值整数部分

                decT = temp & 0xF;            //分离出温度值小数部分

                len = IntToString(str, intT); //整数部分转换为字符串

                str[len++] = '.';             //添加小数点

                decT = (decT*10) / 16;        //二进制的小数部分转换为1位十进制位

                str[len++] = decT + '0';      //十进制小数位再转换为ASCII字符

                while (len < 6)               //用空格补齐到6个字符长度

                {

                    str[len++] = ' ';

                }

                str[len] = '/0';              //添加字符串结束符

                LcdShowStr(0, 0, str);        //显示到液晶屏上

            }

            else                        //读取失败时,提示错误信息

            {

                LcdShowStr(0, 0, "error!");

            }

            Start18B20();               //重新启动下一次转换

        }

    }

}

 

unsigned char IntToString(unsigned char *str, int dat)  //整型数转换为十进制字符串,返回值为转换后的字符串长度

{

    signed char i;

    unsigned char len = 0;

    unsigned char buf[6];

    

    if (dat < 0)  //如果为负数,首先取绝对值,并添加负号

    {

        dat = -dat;

        *str++ = '-';

        len++;

    }

    for (i=0; i<=4; i++)  //由低到高转换为十进制位

    {

        buf[i] = dat % 10;

        dat /= 10;

    }

    for (i=4; i>=1; i--)  //查找有效数字最高位,以忽略更高位的‘0’

    {

        if (buf[i] != 0)

        {

            break;

        }

    }

    for ( ; i>=0; i--)  //有效数字位转换为ASCII码

    {

        *str++ = buf[i] + '0';

        len++;

    }

    *str = '/0';        //添加字符串结束符

    

    return len;  //返回字符串长度

}

 

void ConfigTimer0(unsigned int ms)  //T0配置函数

{

    unsigned long tmp;

    

    tmp = 11059200 / 12;      //定时器计数频率

    tmp = (tmp * ms) / 1000;  //计算所需的计数值

    tmp = 65536 - tmp;        //计算定时器重载值

    tmp = tmp + 12;           //修正中断响应延时造成的误差

    

    T0RH = (unsigned char)(tmp >> 8);  //定时器重载值拆分为高低字节

    T0RL = (unsigned char)tmp;

    TMOD &= 0xF0;   //清零T0的控制位

    TMOD |= 0x01;   //配置T0为模式1

    TH0 = T0RH;     //加载T0重载值

    TL0 = T0RL;

    ET0 = 1;        //使能T0中断

    TR0 = 1;        //启动T0

}

void InterruptTimer0() interrupt 1  //T0中断服务函数

{

    static unsigned char tmr1s = 0;

    

    TH0 = T0RH;  //定时器重新加载重载值

    TL0 = T0RL;

    tmr1s++;

    if (tmr1s >= 100)  //定时1s

    {

        tmr1s = 0;

        flag1s = 1;

    }





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