51单片机--DS18B20温度感应器
文章目录
- DS18B20的介绍
- 内部结构框图
- DS18B20存储器
- 单总线的介绍
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- 硬件结构
- 单总线的时序结构
- 温度存储格式
- DS18B20操作流程
- 在LCD屏上显示温度实例
DS18B20的介绍
DS18B20是一种常用的数字温度传感器；
下面介绍它的特点和功能：
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封装和引脚定义：DS18B20常见的封装为TO-92，也有其他封装形式可选。其针脚定义包括供电（VCC）、地（GND）以及数据线（DQ）。
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数字输出：DS18B20采集到的温度数据以数字信号形式输出，可直接连接到微处理器等设备进行数据处理和控制。
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单线接口方式：DS18B20与微处理器之间仅需要一条通信线，大大简化了连接和使用的复杂性。
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适应电压范围广：DS18B20可以在3.0~5.5V的电压范围内工作，在寄生电源方式下甚至可以通过数据线供电。
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高精度测温：DS18B20具有高精度的温度测量能力，支持的测量分辨率可通过程序设定为9~12位。
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抗干扰能力强：DS18B20采用了数字信号传输，具备较好的抗干扰能力，适用于各种非极限温度场合。
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应用广泛：DS18B20的外观可以根据应用场合的不同进行调整，例如管道式、螺纹式、磁铁吸附式和不锈钢包裹式等，适用于电缆沟测温、锅炉测温、机房测温、农业大棚测温等领域。
内部结构框图
主要由4部分组成：温度传感器、温度报警触发器TH和TL、配置寄存器（EEPROM）、64位ROM；
64位ROM：作为器件地址，用于总线通信的寻址，对于每个DS18B20来说，它们的64位系列号均不相同；这样的作用能使一根总线链接多个DS18B20；
SCRATCHPAD（暂存器）：用于总线的数据交互；一般位于CPU内部中，用于快速访问和暂存计算过程的临时结果或变量；在这里是用来暂存温度的读数；并且链接着多个器件；
温度传感器：用于测量周围温度的设备，将温度转换为电信号来实现测量；
温度报警触发器TH和TL：这是一种电路或者是设备，用于监测周围温度并在温度超过设定阈值时触发报警。
配置寄存器（EEPROM）：可电擦写可编程只读存储器；用于保存温度触发阈值和配置参数；
CRC GENNERATOR：循环冗余校验，用于检测和纠正数据或存储过程中的错误。
DS18B20存储器
上图为DS18B20的存储器结构，存储器由一个暂存SRAM和一个存储高低报警值TH和TL以及非易失性电可擦除EEPROM组成。
注意当报警功能不使用时，TH和 TL 寄存器可以被当作普通寄存器使用；
位 0 和位 1 为测得温度信息的 LSB 和 MSB。这两个字节是只读的。第 2 和第 3 字节是 TH 和 TL 的拷贝。位 4 包含配置寄存器数据；位5，6 和 7 被器件保留，禁止写入；这些数据在读回时全部表现为逻辑 1。高速暂存器的位 8 是只读的，包含以上八个字节的 CRC 码；
单总线的介绍
单总线是一种用于在电子系统中传输信息的通信协议。它通过在系统中使用单根导线来连接多个设备，并且每个设备都可以发送和接收数据。
单总线协议通常由一个主设备和多个从设备组成。主设备负责控制通信的发起和结束，而从设备则相应地执行主设备的指令。单总线上的通信是通过发送特定格式的数据包来实现的。
在单总线中，数据以位的形式进行传输。每个设备通过读取或写入单根导线上的数据位来接收或发送数据。为了实现多个设备之间的通信，每个设备通过独特的地址标识来进行识别。
单总线的优点之一是减少了系统中需要的导线数量。由于只有一根导线用于数据传输，这使得系统设计更加简单。此外，由于通信是在一个主设备和多个从设备之间进行的，因此主设备可以轻松地控制和管理整个系统。
然而，单总线也存在一些限制。由于所有设备共享同一个导线，因此通信可能会受到干扰或冲突的影响。此外，在大型系统中，单总线可能会受到传输速率的限制。
硬件结构
设备的DQ均要配置成开漏输出模式
DQ添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右
若此总线的从机采取寄生供电，则主机还应配一个强上拉输出电路
开漏输出模式（Open-Drain Output Mode）是一种电路输出结构，常见于数字电路中。它可以实现多个设备共享同一根数据线的连接，并且能够提供电平控制和信号共享功能。
在开漏输出模式下，输出引脚通常由一个晶体管和一个外部上拉电阻（Pull-up Resistor）组成。晶体管充当开关，控制电路是否将该引脚连接到地（GND）或断开连接。
当晶体管导通时，输出引脚连接到地，形成低电平（逻辑0）。而当晶体管关闭时，外部上拉电阻将引脚拉高至正电压，形成高电平（逻辑1）。
单总线的时序结构
在单总线的时序结构里，设备之间通过时序协议进行通信；一般分为初始化、发送位、接收位、发送一个字节、接收一个字节；
初始化：主机将总线拉低至少480us，然后释放总线，等待15-60us后，存在的从机会拉低总线60~240us以响应主机，之后从机将释放总线；
代码：
sbit OneWire_DQ=P3^7;//DQ在单片机中对应的寄存器
unsigned char OneWire_Init()
{
unsigned char i;
unsigned char AckBit;
OneWire_DQ=1;//确保在单总线拉低之前为高电平
OneWire_DQ=0;//单总线被拉低
_nop_(); //延迟500us
i = 227;
while (--i);
OneWire_DQ=1; //释放总线
_nop_(); //延迟70us
i = 31;
while (--i);
AckBit=OneWire_DQ; //从设备取到信号响应主设备
_nop_(); //延迟500us
i = 227;
while (--i);
return AckBit;
}
发送一位：主机将总线拉低60-120us，然后释放总线，表示发送0；主机将总线拉低1~15us，然后释放总线，表示发送1。从机将在总线拉低30us后（典型值）读取电平，整个时间片应大于60us；
代码：
void OneWire_SendBit(unsigned char Bit)
{
unsigned char i;
OneWire_DQ=0;//总线拉低
_nop_(); //延迟10us
i = 3;
while (--i);
OneWire_DQ=Bit;//总线发送信号（1或0）
i = 22; //延迟50us
while (--i);
OneWire_DQ=1;//释放总线
}
这里将两种可能结果通过赋值的方式来发送一个位；先将总线拉低至10us，然后对总线收到主设备的信号，如果为1，那么延迟这50us总是为高电平，为0，那么延迟这50us总是为低电平；
接收一位：主机将总线拉低1~15us，然后释放总线，并在拉低后15us内读取总线电平（尽量贴近15us的末尾），读取为低电平则为接收0，读取为高电平则为接收1 ，整个时间片应大于60us；
代码：
unsigned char OneWire_ReceiveBit()
{
unsigned char i;
unsigned char Bit;
OneWire_DQ=0;//将总线拉低
_nop_(); //延迟5us
i = 1;
while (--i);
OneWire_DQ=1;//释放总线
_nop_(); //延迟5us
i = 1;
while (--i);
Bit=OneWire_DQ;//读取总线的电平信号
i = 22; //延迟50us
while (--i);
return Bit;
}
通过在拉低5us后释放总线，如果读取总线的电平信号为1，那么后一直保持高电平状态；如果读取总线的电平信号为0，那么会有50us一直为低电平；
发送接收一个字节：连续调用8次发送一位的时序，依次发送/接收一个字节的8位（低位在前）；
代码：
void OneWire_SendByte(unsigned char Byte)
{
unsigned char i;
for(i=0;i<8;i++)
{
OneWire_SendBit(Byte&(0x01<<i));
}
}
unsigned char OneWire_ReceiveByte()
{
unsigned char i;
unsigned char Byte=0x00;
for(i=0;i<8;i++)
{
if(OneWire_ReceiveBit())
{
Byte|=(0x01<<i);
}
}
return Byte;
}
温度存储格式
DS18B20温度感应器能精确到小数点后4位；LS字节存储的是较低位的，而MS存储的是较高位的；
图为温度十进制转换为二进制输出的形式，再由二进制转换为十六进制；
要注意的是存储是以补码形式进行存储，所以输出也同样以补码形式输出；
补码知识章节
DS18B20操作流程
一般通过初始化+ ROM指令 + 功能指令来实现；
初始化：从机复位，主机判断从机是否响应
ROM操作：ROM指令+本指令需要的读写操作
功能操作：功能指令+本指令需要的读写操作
这里只是介绍了对应操作的指令；
SKIP ROM [CCh] (忽略 ROM 指令)
这条指令允许总线控制器不用提供 64 位 ROM 编码就使用功能指令。例如，总线控制器可以先发出一条忽略 ROM 指令，然后发出温度转换指令[44h]，从而完成温度转换操作。注意：当只有一只从机在总线上时，无论如何，忽略 ROM 指令之后只能跟着发出一条读取暂存器指令[BEh]。在单点总线情况下使用该命令，器件无需发回 64 位 ROM 编码，从而节省了时间。如果总线上有不止一只从机，若发出忽略 ROM 指令，由于多只从机同时传送信号，总线上就会发生数据冲突。
CONVERT T [44h] (温度转换指令)
这条命令用以启动一次温度转换。温度转换指令被执行，产生的温度转换结果数据以 2 个字节的形式被存储在高速暂存器中，而后 DS18B20 保持等待状态。
READ SCRATCHPAD [BEh] （读暂存器指令）
这条命令读取暂存器的内容。读取将从字节 0 开始，一只进行下去，知道第 9 字节（字节 8，CRC）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。
我们只实现温度转换和读温度的操作；
代码：
//DS18B20指令
#define DS18B20_SKIP_ROM 0xCC
#define DS18B20_CONVERT_T 0x44
#define DS18B20_READ_SCRATCHPAD 0xBE
void DS18B20_Convert()
{
OneWire_Init(); //初始化，使温度感应器应答
OneWire_SendByte(DS18B20_SKIP_ROM); //主机发送跳过ROM指令给DS18B20
OneWire_SendByte(DS18B20_CONVERT_T); //让DS18B20进行温度转换
}
float DS18B20_ReadT()
{
unsigned char TLSB,TMSB;
short Temp;
float T;
OneWire_Init();//初始化
OneWire_SendByte(DS18B20_SKIP_ROM);//跳过ROM指令
OneWire_SendByte(DS18B20_READ_SCRATCHPAD);//发送读操作指令
TLSB=OneWire_ReceiveByte();//接收总线返回的字节
TMSB=OneWire_ReceiveByte();
Temp=(TMSB<<8)|TLSB;//TSMB进行左移，与TSMB按位或合成一个16位的
T=Temp/16.0;//需要将温度精确到小数后4位（2^4)
return T;
}
在LCD屏上显示温度实例
OneWire.h
#ifndef __ONEWIRE_H__
#define __ONEWIRE_H__
//对总线初始化
unsigned char OneWire_Init();
//主机发送一个位
void OneWire_SendBit(unsigned char Bit);
//主机接收一个位
unsigned char OneWire_ReceiveBit();
//主机发送一个字节
void OneWire_SendByte(unsigned char Byte);
//主机接收一个字节
unsigned char OneWire_ReceiveByte();
#endif
OneWire.c
include <REGX52.H>
#includeDS18B20.h
#ifndef __DS18B20_H__
#define __DS18B20_H__
//DS18B20开始温度变换
void DS18B20_Convert();
//DS18B20读取温度
float DS18B20_ReadT();
#endif
DS28B20.c
#include Delay.h
#ifndef __DELAY_H__
#define __DELAY_H__
void Delayms(unsigned int x);
#endif
Delay.c
void Delayms(unsigned int x) //@11.0592MHz
{
unsigned char i, j;
while(x--)
{
i = 2;
j = 199;
do
{
while (--j);
} while (--i);
}
}
LCD1602.h
#ifndef __LCD1602_H__
#define __LCD1602_H__
//用户调用函数：
void LCD_Init();
void LCD_ShowChar(unsigned char Line,unsigned char Column,char Char);
void LCD_ShowString(unsigned char Line,unsigned char Column,char *String);
void LCD_ShowNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length);
void LCD_ShowSignedNum(unsigned char Line,unsigned char Column,int Number,unsigned char Length);
void LCD_ShowHexNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length);
void LCD_ShowBinNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length);
#endif
LCD1602.c
#include main.c
#include 由于上电复位后温度会有一个初始值，所以需要在上电时转换温度，并且延迟一秒钟转换，让我们屏蔽它的初始值状况；然后就是在循环中转换温度，可以达到实时进行温度感应，并且对温度进行读取，对于小数部分的数字，要在屏幕上以整数形式显示，就将它转换为整数再取余即可；