【文章內容簡介】 總線，因此稱為一線式數(shù)據總線。與單片機接口的每個 I/O 口可掛接多個 DS18B20 器件。 每片 DS18B20 含有一個唯一的 64 位 ROM 編碼。頭八位是產品系列編碼，表示產品的分類編號；接著的 48 位是一個惟一的產品序列號，序列號是一個 15 位的十進制編碼，每個芯片惟一的編碼可以通過尋址將其識別出來，最后 8 位是前 56 位的循環(huán)冗余 (CRC)校驗碼，是數(shù)據通信中校驗數(shù)據傳輸是否正確的一種方法。所以多片 DS18B20 能夠連接在同一條數(shù)據線上而不會造成混亂。這為溫度的多點測量帶來了極大的方便。 DS18B20 傳感器的內部數(shù)據存儲器由 9 個字節(jié)組成。第一、二個字節(jié)是溫度數(shù)據 (MSB、 LSB)，可以在系統(tǒng)配置寄存器中自行設置數(shù)據位數(shù) (9~12 位 )，數(shù)據位越多溫度分辨率越高，多余的高位是溫度數(shù)據的符號擴展位。第三、四字節(jié)是溫度上下限過程設計論述 第 15頁 (共 59頁 ) 報警值 ( TH、 TL) 。第五字節(jié)是系統(tǒng)配置寄存器，寄存器各位定義如下：第八位用來設 置傳感器的工作狀態(tài)，“ 1” 為測試狀態(tài)，“ 0”為操作狀態(tài)，出廠設置為操作功能狀態(tài)，用戶不能修改；第七、六兩位是溫度轉換數(shù)據位的設置 (00、 0 11 分別對應 1 12 位溫度數(shù)據 )，出廠設置為 12 位溫度數(shù)據位，用戶可根據需要進行修改，其余位無效。第六、七、八字節(jié)保留未用。第 9 個字節(jié)是 CRC 校驗碼，是前面 8 個字節(jié)的循環(huán)校驗碼，用在通信中驗數(shù)據傳送的正確性。 圖 4 DS18B20 內部結構框圖（注明：本圖引于百度文庫） 溫度傳感器的轉換結果以 16 位二進制補碼的形式存放在便 箋式存儲器中，其中第一個字節(jié)（ Byte0）存放測溫結果的低位（ LS Byts），第二個字節(jié)（ Byte1）存放測溫結果的高位（ MS Byts）， S 為符號位，其它位為數(shù)據位，溫度為負時 S=1； 溫度為正時， S=0。格式如下： Bit0 Bit7 LSByts 23 22 21 20 21 22 23 24 Bit8 Bit15 MSByts S S S S S 26 25 24 無線壁掛爐溫控 器設計 (發(fā)射端 ) 第 16頁（共 59頁） 如果測量的溫度值高于溫度報警觸發(fā)器 TH 或低于 TL 中的值，則 DS18B20 內部的報警標志位就被置位，表示溫度測量值超出范圍。 DS18B20 的溫度轉換位數(shù)可以選擇 9~12 位，分別對應的測溫分辨率為 ℃ , ℃， ℃， ℃。不過溫度轉換位數(shù)越大，轉換時間也越長。 12 位精度的最大轉換時間為 750ms。 DS18B20 的測溫范圍為 55~+125℃，溫度轉換結果以 16 位二進制方式單線輸出 , 轉換的位數(shù)可通過寫配置寄存器（字節(jié) 4）設定 , 其格式如下 ： Bit7 Bit0 0 R1 R0 1 1 1 1 1 R R0 的設定值與位數(shù)、分辯率和最大轉換時間的關系如表 2 所示，可見位數(shù)每減少一位，分辯率同比減少而轉換時間則加快一倍 , 器件上電時默認分辯率為 12 位。 表 2 配置寄存器設置 R1 R0 分辨率 ℃ 最大轉換時間 ms 有效位數(shù) 0 0 9 位（ Bit11~Bit3） 0 1 10位（ Bit11~Bit2） 1 0 11 位（ Bit11~Bit1） 1 1 12位（ Bit11~Bit0） 溫度報警觸發(fā)器和設置寄存器都由非易失性電可擦寫存儲器 (EEPROM )組成，設置值通過相應命令寫入，一旦寫入后不會因為掉電而丟失。 （ 3） DS18B20 的測 溫原理 DS18B20 的溫度傳感器是通過溫度對振蕩器的頻率影響來測量溫度，如圖 5 所示。 DS18B20 內部有兩個不同溫度系數(shù)的振蕩器。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時鐘脈沖信過程設計論述 第 17頁 (共 59頁 ) 號通過由高溫系數(shù)振蕩器產生的門開通周期而被計數(shù)，通過該計數(shù)值來測量溫度。計數(shù)器被預置為與 55℃對應的一個基數(shù)值，如果計數(shù)器在高溫系數(shù)振蕩器輸出的門周期結束前計數(shù)到零，表示測量的溫度高于 55℃，被預置在 55℃的溫度寄存器的值就增加一個增量，同時為了補償和修正溫度振蕩器的非線性，計數(shù)器被斜率累加器所決定的值進行預置，時鐘再次使計數(shù)器計 數(shù)直至零，如果開門通時間仍未結束，那么重復此過程，直到高溫度系數(shù)振蕩器的門周期結束為止。這時溫度寄存器中的值就是被測的溫度值。這個值以 16 位二進制補碼的形式存放在便箋式存儲器中。溫度值由主機通過發(fā)讀存儲器命令讀出，經過取補和十進制轉換，得到實測的溫度值。 圖 5 DS18B20 測溫原理方框圖 （注明：本圖引于百度文庫） （ 4） DS18B20 的封裝和供電方式 DS18B20 是 DS1820 的升級產品，一般封裝為 TO92，比 DS1820 的 PR35 封裝更小。 DS18B20 只有三根外引線 ：單線數(shù)據傳輸端口 DQ、共用地線 GND、外供電源線 VDD。 DS18B20 有兩種供電方式：一種為數(shù)據線供電方式，此時 VDD 接地，它是通過內部電容在空閑時從數(shù)據線獲取能量，來完成溫度轉換，完成溫度轉換的時間較長。為了保證在有效的時鐘周期內，提供足夠的電流，這種情況下，用一個 MOSFET 管和單片機的一個 I/O 口來完成對 DS18B20 總線的上拉。另一種是外部供電方式 (VDD 接 +5V)，完成溫度測量的時間較短。當使用數(shù)據總線寄生供電時，供電端必須接地，無線壁掛爐溫控 器設計 (發(fā)射端 ) 第 18頁（共 59頁） 同時總線口在空閑的時候必須保持高電平，以 便對傳感器充電。但當所測溫度超過 100℃時， DS18B20 的漏電流增大，傳感器從 I/O 線上獲取的電流不足以維持DS18B20 通訊所需的電流，此時只能選用外部供電方式。比較而言，寄生電源方式少用一根導線，但它完成溫度測量所需的時間較長，而外部電源方式測量速度則要快些 。 無線收發(fā)電路的設計 （ 1） nRF401 芯片的介紹 射頻收發(fā)芯片 nRF401 工作在 433MHz 國際通用的 ISM 頻段； FSK 調制和解調，抗干擾能力強；采用 PLL 頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性好；靈敏度高達 105dBm，最大發(fā)射功率 達到 +10dBm；數(shù)據速率可達 20Kbit/S；可方便地嵌入各種測量和控制系統(tǒng)中；在儀器儀表數(shù)據采集系統(tǒng)、無線抄表系統(tǒng)、無線數(shù)據通信系統(tǒng)、計算機遙測遙控系統(tǒng)等中應用。 nRF401 具有兩個信號通道，適合需要多信道工作的特殊場合；可直接與微控制器接口；低工作電壓（ — ），功耗低，發(fā)射時電源電流 8mA，接收時電源電流 250μ A，接收待機狀態(tài)僅為 8μ A；僅需外接一個晶體和幾個阻容、電感元件，即可構成一個完整的射頻收發(fā)器，電路模塊尺寸為 30*22*6mm3。 nRF401 采用 20 腳 SSOIC 封裝，內部 電路可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路幾部分。發(fā)射電路包含有：射頻功率放大器，鎖相環(huán)（ PLL），壓控振蕩器（ VCO），頻率合成器等電路?；鶞收袷幤鞑捎猛饨泳w振蕩器產生電路所需的無源 回路濾波器和壓控振蕩器組成。壓控振蕩器由片內的振蕩電路和外接的電感組成。要發(fā)射的數(shù)據通過 DIN端（第 9腳）輸入。 9腳 DIN輸入數(shù)字信號和 10 腳 DOUT 輸出數(shù)字信號均為標準的邏輯電平信號，需要發(fā)射的數(shù)字信號通過 DIN輸入，解調出來的信號經過 DOUT 輸出； 12 腳通道選擇：CS=“ 0”為通道 （ ,MHz） ， CS=“ 1”為通道 2（ ）； 18 腳電源開關；PWR— UP=“ 0”為待機模式； 19腳發(fā)射允許： TXEN=“ 1”為發(fā)射模式； TXEN=“ 0”為接收模式。 nRF401 內部結構圖 4，引腳圖 5。 （ 2）典型應用電路說明 過程設計論述 第 19頁 (共 59頁 ) 我們使用的是 nRF401 快速開發(fā)開發(fā)套件，典型應用電路如 圖 8所示。 圖 6 nRF401 內部結構圖 圖 7 nRF401 引腳圖 圖 8 nRF401 典型應用電路 (注明：本圖引于中國電子設計論壇 ) 如圖 7所示， 1 腳和 20 腳之間連接的是震蕩電路，采用 4MHz 的晶震； 9腳是數(shù)據 的輸入引腳， 10 腳是數(shù)據的輸出引腳， 11 腳可以通過選擇不同的 R3 值調整發(fā)射功無線壁掛爐溫控 器設計 (發(fā)射端 ) 第 20頁（共 59頁） 率，當 R3＝ 22kΩ時，有最大發(fā)射功率＋ 10dBm； 15腳和 16 腳是環(huán)形天線的連接引腳；18腳可控制工作和待機模式； 19 腳可以控制發(fā)射和接收模式。 在無線溫度控制系統(tǒng)中， nRF401 主要完成對溫度數(shù)據和命令參數(shù)的無線傳輸。圖 7 是 單片機和收發(fā)芯片的接口電路 。 圖 9 單片機和收發(fā)芯片的接口電路 在圖 9中可以看出，微控制器的 I/O口 nRF401的片選端， 控 制 nRF401的 TXEN 端，即發(fā)送 /接收控制端，實現(xiàn)半雙工 通信功能； 口控制 nRF401 的POWER_UP 端，實現(xiàn)待機和上電的控制，達到節(jié)能目的。 過程設計論述 第 21頁 (共 59頁 ) 液晶顯示電路 圖 10 LCD 與單片機接口電路 控制電路 （ 1）控制原理 采用簡單的比較控制方式。具體來說，就是比較環(huán)境溫度和給定溫度的大小來確定加熱器的開關。但給定值大于測定值時，開加熱器，即開繼電器，是測定值增加，反之亦然。 （ 2）具體仿真 無線壁掛爐溫控 器設計 (發(fā)射端 ) 第 22頁（共 59頁） 圖 11 繼電器與單片機接口電路 軟件設計部分 溫度測量子程序 （ 1） 首先由下位機發(fā)出 DS18B20 地址，地址符合 ， DS18B20 回送本機地址，并改變 SM2， DS18B20 在與下位機建立聯(lián)系后，跟著以查詢方式接收下位機接著發(fā)送的 DS18B20 的 ROM 命令。然后單片機發(fā)送讀寄存器命令，把 DS18B20 寄存器內的數(shù)據先放入單片機 RAM 的指定地址中。 （ 2）子程序流程圖如下： 過程設計論述 第 23 頁 （共 59 頁） 圖 12 溫度測量程序流程圖 nRF401 的通信子程序 對于無線通訊，出現(xiàn)最大的問題就是通訊可靠性，因為無線通訊的通訊介質是無線電波，大氣穩(wěn)定性、同頻干擾、拍頻差頻干擾等，都會使通訊中斷，或者出現(xiàn)誤碼阻礙，所 以必須解決。解決這些問題的最好方法就是編寫通信協(xié)議。 nRF401 是一款 FSK 調制無線通訊芯片，有最大 20KBPS 速率通訊帶寬，實際上最大值在 19KBPS 左右，最低通訊頻率在 500BPS 左右，如果再低，芯片在后期運放低通比較譯碼時會出現(xiàn)數(shù)據逆轉，出現(xiàn)誤碼，正因為這樣，發(fā)送的數(shù)據不允許長的脈沖，也就是速率不能太低。 當從 RX 到 TX 模式時，數(shù)據輸入腳（ DIN）必須保持為高至少 1ms 才能發(fā)送數(shù)據。當從 TX 到 RX 模式時，數(shù)據輸出腳（ DOUT）要至少 3ms 以后有數(shù)據輸出。 從待機模式到接收模式， 當 PWR＿ UP 輸入設成 1 時，經過 3ms 時間后， DOUT 腳輸出數(shù)據才有效所示。從待機模式到發(fā)射模式，所需穩(wěn)定的最大時間是 2ms。 無線壁掛爐溫控 器設計 (發(fā)射端 ) 第 24頁（共 59頁） 從加電到發(fā)射模式過程中，為了避免開機時產生干擾和輻射，在上電過程中 TXEN 的輸入腳必須保持為低，以便于頻率合器進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。當由上電進入發(fā)射模式時， TXEN 必須保持 1ms 以后才可以往 DIN 發(fā)送數(shù)據。從上電到接收模式過程中，芯片將不會接收數(shù)據， DOUT 也不會有有效數(shù)據輸出，直到電壓穩(wěn)定達到 以上，并且至少保持 5ms。如果采用外部振蕩器，這 個時間可以縮短到 3ms。 下圖給出了發(fā)送端程序流程圖，以便更好的說明無線通信的協(xié)議。 圖 13 發(fā)送端程序流程圖 結果分析 第 25 頁 （共 59 頁） 5 結果分析 DS18B20 和 LCD 液晶顯示運行結果分析 在理論上分析，當硬件設計和軟件設計正確時，液晶顯示器的溫度會隨 著DS18B20 測量溫度的變化而實時變化，通過 proteus 仿真可以分析設計的正確與否。 實際仿真結果如下： （ 1）測量值為 43 C 時的仿真圖 1 圖 14 仿真圖 1 （ 2）測量值為 65 C 時的仿真圖 2無線壁掛爐溫控 器設計 (發(fā)射端 ) 第 26頁（共 59頁） 圖 15 仿真圖 2 （ 3）