51单片机DS18B20温度传感器原理及实验

DS18B20简介

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。

• 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。
  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。
  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，速度更快。
  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。

外部结构

• 外部实物图
  

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。

内部结构

• 内部结构图
  

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。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
  结构：
  

配置寄存器是配置不同的位数来确定温度和数字的转化，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℃。在初始状态下默认的精度是 12 位，即 R0=1、 R1=1。
R0 和 R1 配置如图：

• 高速暂存存储器
  高速暂存存储器由 9个字节组成，其分配如下：
  

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。

如图，存储的两个字节，一个字节8位共16位，高字节的前 5 位是符号位 S，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。
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。
举个例子：

以85度为例，温度大于0，所以看到两个字节的前5位为0，然后二进制转十进制：2⁶⁺²4+2²⁺²0=85.
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

数据温度的读取

• 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。
• 初始化时序：
  

单总线上的所有通信都是以初始化时序开始。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（外部上来电阻接高电平），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。

• 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。

• 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。

• 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。

实验

• 实现功能
  系统运行时，插上 DS18B20 温度传感器，数码管显示检测的温度值。
• 实现原理
  动态数码管显示原理
  （查看动态数码管显示原理笔记）
  DS18B20温度读取原理
  原理图：
  

程序实现

第一部分

• 头文件

#ifndef __TEMP_H_
#define __TEMP_H_
#include

//---重定义关键词---//
#ifndef uchar //条件定义 
#define uchar unsigned char //无符号字符型 
#endif

#ifndef uint 
#define uint unsigned int  //无符号整型 
#endif

//--定义使用的IO口--//
sbit DSPORT=P3^7;

//--声明全局函数--//
void Delay1ms(uint );
uchar Ds18b20Init();
void Ds18b20WriteByte(uchar com);
uchar Ds18b20ReadByte();
void  Ds18b20ChangTemp();
void  Ds18b20ReadTempCom();
int Ds18b20ReadTemp();

#endif

第二部分

• 传感器温度读取过程
  （1）初始化时序
  

如图，先将总线拉高，延时后，DS18B20做出相应将总线拉低，则初始化完成。

uchar Ds18b20Init()
{
	uchar i;
	DSPORT = 0;			 //将总线拉低480us~960us
	i = 70;	
	while(i--);//延时642us
	DSPORT = 1;			//然后拉高总线，如果DS18B20做出反应会将在15us~60us后总线拉低
	i = 0;
	while(DSPORT)	//等待DS18B20拉低总线
	{
		Delay1ms(1);
		i++;
		if(i>5)//等待>5MS，说明总线没有被拉低，初始化失败
		{
			return 0;//初始化失败
		}
	
	}
	return 1;//若为低电平，直接跳过while循环初始化成功
}

（2）写时序

void Ds18b20WriteByte(uchar dat)
{
	uint i, j;

	for(j=0; j<8; j++)//8位数据
	{
		DSPORT = 0;	     	  //每写入一位数据之前先把总线拉低1us
		i++;
		DSPORT = dat & 0x01;  //然后写入一个数据，从最低位开始。位运算的与运算，只要数据中有0，则相与后为0，只有为1相与为1
		i=6;//延时初值
		while(i--); //延时68us，因为持续时间最少60us
		DSPORT = 1;	//然后释放总线，至少1us给总线恢复时间才能接着写入第二个数值
		dat >>= 1; //移位，从低位向高位写入数据，所以，最低为写入后，向右移，原来的次低位代替原来的低位。
	}
}

（3）读时序

uchar Ds18b20ReadByte()
{
	uchar byte, bi;
	uint i, j;	
	for(j=8; j>0; j--)
	{
		DSPORT = 0;//先将总线拉低1us
		i++;
		DSPORT = 1;//然后释放总线
		i++;
		i++;//延时6us等待数据稳定
		bi = DSPORT;	 //读取数据，从最低位开始读取
		/*将byte左移一位，然后与上右移7位后的bi，注意移动之后移掉那位补0。*/
		byte = (byte >> 1) | (bi << 7);	 //先将byte右移1位，然后bi左移7位，相或得到数据					  
		i = 4;		//读取完之后等待48us再接着读取下一个数
		while(i--);
	}				
	return byte;
}

• 指令操作
  RAM指令表
  

ROM指令表

（1）转换温度启动指令

void  Ds18b20ChangTemp() 
{
	Ds18b20Init(); //初始化
	Delay1ms(1);  //延时
	Ds18b20WriteByte(0xcc);		//写入跳过ROM操作命令（cc）		 
	Ds18b20WriteByte(0x44);	    //温度转换命令(44)
	//Delay1ms(100);	//等待转换成功，而如果你是一直刷着的话，就不用这个延时了  
}

（2）读取温度命令

void  Ds18b20ReadTempCom()
{	
	Ds18b20Init();
	Delay1ms(1);
	Ds18b20WriteByte(0xcc);	 //跳过ROM操作命令
	Ds18b20WriteByte(0xbe);	 //发送读取温度命令
}

(3)读取温度

共16字节，先读低位再读高位

int Ds18b20ReadTemp()
{
	int temp = 0;
	uchar tmh, tml;
	Ds18b20ChangTemp();			 	//先写入转换命令
	Ds18b20ReadTempCom();			//然后等待转换完后发送读取温度命令
	tml = Ds18b20ReadByte();		//读取温度值共16位，先读低字节
	tmh = Ds18b20ReadByte();		//再读高字节
	temp = tmh;
	temp <<= 8; //移位运算，高字节左移8位，变为16位的高字节
	temp |= tml; //位运算中的或运算，组合
	return temp;  //高8位和低8位的组合
}

第三部分

• 主函数

#include "reg52.h"			 //此文件中定义了单片机的一些特殊功能寄存器
#include"temp.h"	

typedef unsigned int u16;	  //对数据类型进行声明定义
typedef unsigned char u8;

sbit LSA=P2^2;
sbit LSB=P2^3;
sbit LSC=P2^4;

char num=0;
u8 DisplayData[8];
u8 code smgduan[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; //数码管段选数据

/*******************************************************************************
* 函 数 名         : delay
* 函数功能		   : 延时函数，i=1时，大约延时10us
*******************************************************************************/
void delay(u16 i)
{
	while(i--);	
}


/*
* 函 数 名         : datapros()
* 函数功能		   : 温度读取处理转换函数
* 输    入         : temp
* 输    出         : 无
*/

void datapros(int temp) 	 
{
   	float tp;  
	if(temp< 0)				//当温度值为负数
  	{
		DisplayData[0] = 0x40; 	
		//因为读取的温度是实际温度的补码，所以减1，再取反求出原码
		temp=temp-1;
		temp=~temp;
		tp=temp;
		temp=tp*0.0625*100+0.5;	
		//留两个小数点就*100，+0.5是四舍五入，因为C语言浮点数转换为整型的时候把小数点
		//后面的数自动去掉，不管是否大于0.5，而+0.5之后大于0.5的就是进1了，小于0.5的就
		//算加上0.5，还是在小数点后面。
 
  	}
 	else
  	{			
		DisplayData[0] = 0x00;
		tp=temp;//因为数据处理有小数点所以将温度赋给一个浮点型变量
		//如果温度是正的那么，那么正数的原码就是补码它本身
		temp=tp*0.0625*100+0.5;	
	}
	DisplayData[1] = smgduan[temp/10000];
	DisplayData[2] = smgduan[temp % 10000/ 1000];
	DisplayData[3] = smgduan[temp % 10000%1000/100]|0x80;
	DisplayData[4] = smgduan[temp % 100/10];
	DisplayData[4] = smgduan[temp % 100%10];
}


/*******************************************************************************
* 函数名         :DigDisplay()
* 函数功能		 :数码管显示函数
* 输入           : 无
* 输出         	 : 无
*******************************************************************************/
void DigDisplay()
{
	u8 i;
	for(i=0;i<6;i++)
	{
		switch(i)	 //位选，选择点亮的数码管，
		{
			case(0):
				LSA=1;LSB=1;LSC=1; break;//显示第0位
			case(1):
				LSA=0;LSB=1;LSC=1; break;//显示第1位
			case(2):
				LSA=1;LSB=0;LSC=1; break;//显示第2位
			case(3):
				LSA=0;LSB=0;LSC=1; break;//显示第3位
			case(4):
				LSA=1;LSB=1;LSC=0; break;//显示第4位
			case(5):
				LSA=0;LSB=1;LSC=0; break;//显示第5位
		}
		P0=DisplayData[i];//发送数据
		delay(100); //间隔一段时间扫描	
		P0=0x00;//消隐
	}		
}

/*
* 函 数 名       : main
* 函数功能		 : 主函数
* 输    入       : 无
* 输    出    	 : 无
*/
void main()
{	
	while(1)
	{
		datapros(Ds18b20ReadTemp());	 //数据处理函数
		DigDisplay();//数码管显示函数		
	}		
}

附

数码管显示原理
编程讲解