【正文】 片機，硬件很 簡單 1) DS18B20 的性能特點如下 [9]： 1) 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信； 2) 多個 DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能； 3) 無須外部器件； 4) 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為 ～ ； 5) 零待機功耗； 6) 溫度以 3位數(shù)字顯示； 7) 用戶可定義報警設置； 8) 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件； 9) 負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 (2) DS18B20 的內部結構 DS18B20 采用 3腳 PR－ 35封裝，如圖 所示； DS18B20 的內部結構， 引腳說明：地數(shù)據(jù)線可選 圖 2－ 2 DS18B20封裝 (3) DS18B20 內部結構主要由四部分組成 [5]： 4 1) 64 位光刻 ROM。 開始 8 位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有 48位，最后 8 位是前 56 位的 CRC 校驗碼，這也是多個 DS18B20 可以采用一線進行通信的原因 [10]。 64 位 閃速 ROM 的結構如下 . 表 2－ 1 ROM 結構 8b 檢驗 CRC 48b 序列號 8b 工廠代碼 （ 10H） MSB LSB MSB LSB MSB LSB 內部電源探測位和單線端口位產(chǎn)生器暫存器下限觸發(fā)上限觸發(fā)溫度傳感器存儲器和控制邏輯 圖 2－ 3 DS18B20內部結構 2) 非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限值。 3) 高速暫存存儲 ， 可以設置 DS18B20 溫度轉換的精度。 DS18B20 溫度傳感器的內部存儲器還包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的可電擦除的 E2PRAM。高速暫存 RAM 的結構為 8字節(jié)的存儲器，結構如圖 所示。頭 2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第 3和第 4 字節(jié) TH 和 TL 的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第 5 個字節(jié)，為配置寄存器，它的內容用于確定溫度值的數(shù)字轉換分辨率。 DS18B20 工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數(shù)值。它的內部存儲器結構和字節(jié)定義如圖 所示。低 5位一直為１， TM 是工作模式位，用于設置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式。 表 2－ 2 DS18B20內部存儲器結構 Byte0 溫度測量值 LSB（ 50H） Byte1 溫度測量值 MSB（ 50H） E2PROM Byte2 TH 高溫寄存器 ?? TH 高溫寄存器 Byte3 TL 低溫寄存器 ?? TL 低溫寄存器 5 Byte4 配位寄存器 ?? 配位寄存器 Byte5 預留（ FFH） Byte6 預留（ 0CH） Byte7 預留（ IOH） Byte8 循環(huán)冗余碼校驗（ CRC） 6 2) 非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限值。 3) 高速暫存存儲 ， 可以設置 DS18B20 溫度轉換的精度。 DS18B20 出廠時該位被設置 為 0，用戶要去改動， R1 和 R0決定溫度轉換的精度位數(shù)，來設置分辨率 ,如圖 。 圖 2－ 3 DS18B20字節(jié)定義 TM R1 R0 1 1 1 1 1 由表 可見，分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉換時間越長。因此，在實際應用中要將分辨率和轉換時間權衡考慮。 高速暫存 RAM 的第 8 字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯 1。第 9 字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的 CRC 碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。 當 DS18B20 接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉換完成后的溫度值就以 16 位帶 符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第 2 字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 ℃／ LSB 形式表示。 當符號位 S＝ 0 時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉換為十進制；當符號位 S＝ 1時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。 表 [6]。 表 2－ 4 DS18B20溫度轉換時間表 R1 R0 分辨率 /位 溫度最大轉向時間 /ms 0 0 9 0 1 10 1 0 11 375 1 1 12 750 表 2－ 5 一部分溫度對應值表 溫度 /℃ 二進制表示 十六進制表示 +125 0000 0111 1101 0000 07D0H +85 0000 0101 0101 0000 0550H + 0000 0001 1001 0000 0191H + 0000 0000 1010 0001 00A2H 7 + 0000 0000 0000 0010 0008H 0 0000 0000 0000 1000 0000H 1111 1111 1111 0000 FFF8H 續(xù)表 2－ 5 1111 1111 0101 1110 FF5EH 1111 1110 0110 1111 FE6FH 55 1111 1100 1001 0000 FC90H 4) CRC 的產(chǎn)生 在 64 b ROM 的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余校驗碼（ CRC）。主機根據(jù) ROM 的前 56位來計 算 CRC 值，并和存入 DS18B20 中的 CRC 值做比較，以判斷主機收到的 ROM 數(shù)據(jù)是否正確。 另外，由于 DS18B20 單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對 DS18B20 的各種操作按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初使化 DS18B20（發(fā)復位脈沖）→發(fā) ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)。 8 三、 DS18B20溫度傳感器簡介 溫度傳感器的歷史及簡介 溫度的測量是從金屬 (物質 )的熱脹冷縮開始。水銀溫度計至今仍是各種溫度測量的計量標準?？墒撬娜秉c是只能近距離觀測，而且水銀有毒，玻璃管易碎。代替水銀的有酒精 溫度計和金屬簧片溫度計，它們雖然沒有毒性，但測量精度很低，只能作為一個概略指示。不過在居民住宅中使用已可滿足要求。在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中為了配合遠傳儀表指示，出現(xiàn)了許多不同的溫度檢測方法，常用的有電阻式、熱電偶式、 PN結型、輻射型、光纖式及石英諧振型等。它們都是基于溫度變化引起其物理參數(shù) (如電阻值，熱電勢等 )的變化的原理。隨著大規(guī)模集成電路工藝的提高，出現(xiàn)了多種集成的數(shù)字化溫度傳感器。 DS18B20的工作原理 DS18B20工作時序 根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，主機控制 DS18B20 完成溫度轉換必須經(jīng)過三個步驟： 1. 每一次讀寫之前都 必須 要對 DS18B20 進行復位 ； 2. 復位成功后發(fā)送一條 ROM 指令 ； 3. 最后發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進行預定的操作。 復位要求主 CPU將數(shù)據(jù)線下拉 500 微秒，然后釋放， DS18B20 收到信號后等待 15～ 60微秒左右后發(fā)出 60～ 240微秒的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號表示復位成功。 其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序，具體工作方法如圖 ， ， 所示。 (1) 初始化時序 響應脈沖60 ~2 40等待1 5 60主機 最小4 80主機復位脈沖最小4 80 US 圖 3－ 1 初始化時序 9 總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，主機響應應答脈沖。應答脈沖使主機知道，總線上有從機設備，且準備就緒。主機輸出低電平，保持低電平時間至少 480us，以產(chǎn)生復位脈沖。接著主機釋放總線， ，延時 15～ 60us，并進入接受模式，以產(chǎn)生低電平應答脈沖，若為低電平，再延時 480us[12]。 (2) 寫時序 采樣15~45采樣15~4511主機寫1 時序主機寫0 時序 圖 3－ 2 寫時序 寫時序包括寫 0時序和寫 1 時序。所有寫時序至少 需要 60us，且在 2 次獨立的寫時序之間至少需要 1us 的恢復時間，都是以總線拉低開始。寫 1 時序，主機輸出低電平，延時2us，然后釋放總線，延時 60us。寫 0時序，主機輸出低電平，延時 60us，然后釋放總線，延時 2us[8]。 (3) 讀時序 主機采樣主機采樣454511主機寫1時 序主機寫0時 序 圖 3－ 3 讀時序 總線器件僅在主機發(fā)出讀時序是，才向主機傳輸數(shù)據(jù)，所以，在主機發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令 10 后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以便從機能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時序至少需要 60us，且在 2次獨立的讀時序之間至少需要 1us的 恢復時間。每個讀時序都由主機發(fā)起，至少拉低總線 1us。主機在讀時序期間必須釋放總線，并且在時序起始后的 15us之內采樣總線狀態(tài)。主機輸出低電平延時 2us，然后主機轉入輸入模式延時 12us，然后讀取總線當前電平，然后延時 50us[4] ROM操作命令 當主機收到 DSl8B20 的響應信號后，便可以發(fā)出 ROM 操作命令之一，這些命令如表： ROM操作命令。 DS18B20的測溫原理 DS18B20的測溫原理 : 每一片 DSl8B20在其 ROM中都存有其唯一的 48位序列號，在出廠 前已寫入片內 ROM 中。主機在進入操作程序前必須用讀 ROM(33H)命令將該 DSl8B20 的序列號讀出。 程序可以先跳過 ROM，啟動所有 DSl8B20 進行溫度變換，之后通過匹配 ROM，再逐一地讀回每個 DSl8B20 的溫度數(shù)據(jù)。 DS18B20 的測溫原理如圖 所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小 ，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器 2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù) 門打開時， DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器 產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量 。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將 55 ℃ 所對應的基數(shù) 分別置入減法計數(shù)器 1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器 1和溫度寄存器被預置在 55 ℃所對 應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器 1 的預置值減到 0 時溫度寄存器的值將加 1，減法計數(shù)器 1 的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器 1重 新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器 2計數(shù)到 0時， 停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所 測溫度。圖 于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值 . 表 3－ 1 ROM 操作命令 指令 約定代碼 功 能 讀 ROM 33H 讀 DS18B20 ROM 中的編碼 11 符合 ROM 55H 發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼，訪問單線總線上與該編碼相對應的 DS18B20 使之作出響應，為下一步對該 DS18B20 的讀寫作準備 搜索 ROM 0F0H 用于確定掛 接在同一總線上 DS18B20 的個數(shù)和識別 64 位ROM 地址，為操作各器件作好準備 跳過 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20 發(fā)溫度變換命令，適用于單片工作。 續(xù)表 3－ 1 告警搜索 命 令 0ECH 執(zhí)行后，只有溫度超過設定值上限或者下限的片子才做出響應 溫度變換 44H 啟動 DS18B20 進行溫度轉換，轉換時間最長為 500MS，結果存入內部 9字節(jié) RAM 中 讀暫存器 0BEH 讀內部 RAM 中 9 字節(jié)的內容 寫暫存器 4EH 發(fā)出向內部 RAM 的第 3， 4 字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令 ，緊跟讀命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù) 復制暫存器 48H 將 E2PRAM 中第 3， 4 字節(jié)內容復制到 E2PRAM 中 重調 E2PRAM 0BBH 將 E2PRAM 中內容恢復到 RAM 中的第 3， 4字節(jié) 讀 供 電