【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 組建傳感器網(wǎng)絡(luò) 變得輕松，在構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng)理論方面引進(jìn)了 全新 的 概念?，F(xiàn)在，新一代的“ DS18B20” 傳感器 在工藝方面體積越來(lái)越 小 、 靈活 性更高、價(jià)格普遍下降 。 DS18B20 可以 改變出廠 設(shè)置 程序 ， 設(shè)定 9~12 位的 不同的 分辨率， 測(cè)溫精度達(dá)到177。 ℃。 還可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)置 的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在 EEPROM 中，掉電后依然保存。 DS18B20 的性能是新一代產(chǎn)品中較好的， 性價(jià)比也較好 。 （ 2） DS18B20 的主要特性 1） 電壓范圍： ～ ，在寄生電源方式下， 數(shù)據(jù)線 為 DS18B20 提供電力 ； 2）單線接口 ， DS18B20 與微處理器 的數(shù)據(jù)只依靠一條線連接，從而實(shí)現(xiàn)雙向通訊 ； 3） DS18B20 能夠 實(shí)現(xiàn) 多點(diǎn)組網(wǎng) 功能 ，多個(gè) DS18B20 由一根數(shù)據(jù)線作為總線，相互并聯(lián)的組合，多點(diǎn)測(cè)溫就得以實(shí)施 ； 4） DS18B20 可以獨(dú)立使用，而不用 外圍元件 加以輔助，半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器 及 模數(shù) 轉(zhuǎn)換電路集成 一個(gè)芯片中，外形就像三極管 ； 5）溫度測(cè)量 范圍 為 － 55℃～＋ 125℃，在 10～ +85℃時(shí) ，測(cè)溫 誤差不超過(guò) 177。 ℃； 6） DS18B20 的 分辨率 可以通過(guò)內(nèi)部程序修改得以改變， 9～ 12 位的不同分辨率，相應(yīng)的能夠 分辨 出的溫度 為 ℃、 ℃、 ℃和 ℃； 7）在 9位分辨率時(shí)最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字， 12位分辨率時(shí)最多在 750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快； 8）測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以 一線總線 串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送 CRC校驗(yàn)碼 ； 9） DS18B20 不會(huì)因?yàn)殡娫礃O性接反了而導(dǎo)致發(fā)熱繼而燒毀元件， 然而 DS18B20 不會(huì)正常運(yùn)作 。 （ 3） DS18B20 外形及 內(nèi)部結(jié) 構(gòu) DS18B20外形及管腳排列如圖 31所示，半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路集成，外形似三極管。 DS18B20 由 64位光刻 ROM、溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、 溫度傳感器、 配置寄 存器，其 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 32所示。 圖 31 DS18B20外形 及引腳 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 8 圖 32 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu) （ 4） DS18B20 溫度芯片的引腳說(shuō)明 ： 1)DQ 端口是 數(shù)字信號(hào) 輸入輸出端口 ； 2)GND 是 接地 端 ； 3)VDD 是外部電源輸入端（如果采用寄生電源方式，此端口為 接 地 端 ）。 （ 5） DS18B20 的 工作原理： DS18B20 的溫度采集與數(shù)字信號(hào)的輸出 集成 在同一個(gè) 芯片 上，因此 抗干擾能力強(qiáng)。 溫度檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理 構(gòu)成了一個(gè)完整的工作周期 。 DS18B20 的存儲(chǔ)器資源分為三種： ROM 只讀存儲(chǔ)器， 數(shù)據(jù)在出廠時(shí) 已經(jīng) 設(shè)置 好， 用戶 不得 更改。 DS18B20 內(nèi)部有 64位 ROM； RAM 數(shù)據(jù)暫存器， 掉電后 ，數(shù)據(jù)容易 丟失， DS18B20 有 9個(gè)字節(jié) RAM，每個(gè)字節(jié)由 8位 組成 。系統(tǒng)選擇此芯片正是因?yàn)樗芎玫募?A/D 轉(zhuǎn)換與溫度測(cè)量，降低了成本，同時(shí)方便我們的讀取溫度，芯片只有三個(gè)引腳，相對(duì)簡(jiǎn)單，方便使 用。 （ 6） DS18B20 的 4 個(gè)數(shù)據(jù)元件 ： 1）光刻 ROM 中的 64 位序列號(hào)在出廠前已被設(shè)置好，可 以 當(dāng)作 DS18B20 的地址序列碼。64 位光刻 ROM 的排列是： 產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào) 由開始的 8 位表示 ， 之后 48位為 自身的序列號(hào)，最后 8 位可以作為 前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM 使每一個(gè)DS18B20 都不相同，這樣就能在 一根總線上掛接多個(gè) DS18B20。 2） DS18B20 中的溫度傳感元件對(duì)溫度實(shí)施 測(cè)量 。舉例 12 位分辨率轉(zhuǎn)化 ，以二進(jìn)制補(bǔ)碼的 16 位符號(hào)形式展示 ， 如表 31所示。 12位 分 辨率 轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 18B20 的兩個(gè) 8 比特的 RAM 中， 溫度值格式 前 5 位為符號(hào)位，若測(cè)量 溫度大于 0，前 5 位 設(shè)定 為 0，將測(cè)得 的數(shù)值乘于 就可以 得 出 實(shí)際溫度；若 溫度小于 0，前 5位 設(shè)定 為 1，測(cè)量得的溫度值 取反加 1再乘于 就可以得出 實(shí)際溫度。 存儲(chǔ)器和控制器 高速 緩存 存儲(chǔ)器 溫度靈敏元件 低溫觸發(fā)器 TL 高溫觸發(fā)器 TH 配置寄存器 8 位 CRC 生成器 64 位 ROM 和 單線 接口 電 源 檢 測(cè) 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 例如 +85℃的數(shù)字 對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制 輸出為 0550H， +℃的數(shù)字輸出為 00A2H，55℃的數(shù)字輸出為 FC90H，如表 31 所示 。 表 31 DS18B20溫度數(shù)據(jù)表 Temperature Digital output (Binary) Digital output (Hex) +125℃ 0000 0111 1101 0000 07D0h +85℃ 0000 0101 0101 0000 0550h +℃ 0000 0001 1001 0001 0191h +℃ 0000 0000 1010 0010 00A2h +℃ 0000 0000 0000 1000 0008h 0℃ 0000 0000 0000 0000 0000h ℃ 1111 1111 1111 1000 FFF8h ℃ 1111 1111 0101 1110 FF5Eh ℃ 1111 1110 0110 1111 FE6Fh 55℃ 1111 1100 1001 0000 FC90h 3） DS18B20 的存儲(chǔ)器 內(nèi)部存儲(chǔ)器包括 高速暫存 RAM、 可擦除 RAM，可擦除 RAM 用來(lái) 存放觸發(fā)器 TH（高溫度） 、TL（低溫度） 和結(jié)構(gòu)寄存器。 4）配置寄存器 寄存器各位 如表 32所示。 表 32 配置寄存器結(jié)構(gòu) TM R1 R0 1 1 1 1 1 低五位填 1。 測(cè)試模式位 TM， TM 是 判斷 DS18B20 處于工作模式還是處于 測(cè)試模式。一般情況， DS18B20 出廠時(shí) ， TM設(shè)置為 0，不需 改動(dòng)。 R1 和 R0 是 分辨率 設(shè)置位 ，如表 33所示 （ 一般情況， 出廠時(shí) ， DS18B20 被設(shè)置為 12 位） 。 表 33 分辨率設(shè)置表 R1 R0 分辨率 溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 0 0 9位 0 1 10位 1 0 11位 375ms 1 1 12位 750ms （ 7） 高速暫存寄存 器 高速暫存寄存 器由 9個(gè)字節(jié)組成，其分配如表 34所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換執(zhí)行時(shí) ，經(jīng)轉(zhuǎn)換后， 所得的溫度值以二字節(jié) 補(bǔ)碼形式 ， 存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第 0和第 1 個(gè)字節(jié)。 表 34 DS18B20暫存寄存器 寄存器內(nèi)容 字節(jié)地址 溫度值低位（ LS Byte） 0 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 10 寄存器內(nèi)容 字節(jié)地址 溫度值高位（ MS Byte） 1 高溫限值（ TH） 2 低溫限值（ TL） 3 配置寄存器 4 保留 5 保留 6 保留 7 CRC校驗(yàn)值 8 單片機(jī) 通過(guò)單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表 35所示。 表 35 DS18B20 溫度值格式表 Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 LS Byte 23 22 21 20 21 22 23 24 Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit9 Bit8 MS Byte S S S S S 26 25 24 若符號(hào)位 S=0，將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；若 S=1，將補(bǔ)碼轉(zhuǎn)變?cè)a，然后計(jì)算十進(jìn)制值。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。 根據(jù) DS18B20 通訊 協(xié)議， DS18B20 要 實(shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換 ，需要 三個(gè)步驟： 讀寫之前 ， 需要對(duì) DS18B20 復(fù)位，之 后發(fā)送一條 ROM 指令 如表 36所示 。 表 36 ROM指令 指令 約定代碼 功能 讀 ROM 33H 讀 DS18B20芯片 ROM中的編碼 。 符合 ROM 55H 發(fā)出此指令之后，然后 發(fā)出 64位 ROM編碼，訪問(wèn)單總線上與之對(duì)應(yīng) 的 DS18B20，作出響應(yīng)，為下一步 讀寫作準(zhǔn)備。 搜索 ROM 0F0H 確定 同一總線上 ， DS18B20的個(gè)數(shù)和識(shí)別 64位 ROM地址，為運(yùn)行各 器件作好準(zhǔn)備。 指令 約定代碼 功能 跳過(guò) ROM 0CCH 忽略 64位 ROM地址， 向 DS18B20發(fā) 布溫度變換指令 。 警告搜索命令 0ECH 當(dāng)溫度超限的片 子才做出 這個(gè) 響應(yīng)。 最后發(fā)送 RAM 指令 如表 37 所示 。 這樣動(dòng)作后， DS18B20 才能獲得 預(yù)定的操作。 對(duì)DS18B20 進(jìn)行 復(fù)位 ，則 主 CPU 需 將數(shù)據(jù)線下拉 500us，然后釋放， 當(dāng) DS18B20 收到信號(hào)后 ，等待 大約 16～ 60us，這之后，主 CPU 發(fā)送 低 平 脈沖， 持續(xù) 60～ 240us。若 主 CPU收到這個(gè)信號(hào) ，則代表 復(fù)位成功。 表 37 RAM指令表 指令 約定代碼 功能 溫度變換 44H 啟動(dòng) DS18B20開始 溫度轉(zhuǎn)換， 12 位 最長(zhǎng) 轉(zhuǎn)換時(shí)間 為 750ms(9第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 位為 )， 結(jié)果存入內(nèi)部 9字節(jié) RAM中 。 讀暫存器 0BEH 讀 出 RAM中 9字節(jié)的內(nèi)容 寫暫存器 4EH 發(fā)出向內(nèi)部 RAM的 4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，之后， 傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。 復(fù)制暫存器 48H 將 RAM中第 4字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到 E2PROM中。 重調(diào) EEPROM 0B8H 將 E2PROM中內(nèi)容恢復(fù)到 RAM 中的第 4字節(jié)。 讀供電方式 0B4H 寄生供電時(shí) ， DS18B20發(fā)送“ 0”； 外接電源供電 時(shí)， DS18B20發(fā)送“ 1”。 本次測(cè)溫系統(tǒng) ，考慮到 針 對(duì)室溫、 水溫等等常見的環(huán)境，采用了防水型 DS18B20 溫度探頭如圖 33 所示 。 圖 33 防水型 DS18B20實(shí)物 輸出引線：紅色（ VCC），藍(lán)色（ DQ） ,黑色（ GND） 。 溫度采集模塊接口電路 DS18B20 測(cè)溫系統(tǒng) 測(cè)溫 簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用 端口 少等優(yōu)點(diǎn)。列舉 DS18B20的幾個(gè)不同應(yīng)用方式下的測(cè)溫電路：① DS18B20 寄生 電影供電方式 ② DS18B20 寄生電源強(qiáng)上拉供電方式 ③ DS18B20 的外部電源供電方式。 DS18B20 最佳的工作方式 是外部電源供電方式，穩(wěn)定可靠，抗干擾，電路 簡(jiǎn)單， 還可以開發(fā) 多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。 與 寄生電源方式相比，多接了 一根 VCC 引線 。當(dāng)外接電源方式時(shí)，將 DS18B20 電源電壓范圍寬的 優(yōu)點(diǎn) 充分發(fā)揮。若 電壓 VCC 只有 3V時(shí) ,依然能夠達(dá)到要求的精度 。 如果采用外部電源供電 ，由 VDD引腳接入 DS18B20 所需的工作電源 ， 這種供電方式使I/O 線可以不接強(qiáng)上拉電阻，電源的電流不足問(wèn)題就得以解決，并且 轉(zhuǎn)換精度 能夠得以 保證， 理論 上， 任意多個(gè) DS18B20 傳感器 可以同時(shí)掛接在單總線上 ， 從而實(shí)現(xiàn) 測(cè)溫系統(tǒng) 多點(diǎn)測(cè)溫 。 外部供電時(shí) ， GND 端口不能懸空，否則 溫度 轉(zhuǎn)換不了，導(dǎo)致溫度總是顯示 85℃。 如圖 34 所示 。 DS18B20 連接到 單片機(jī)的 I/O 端 口上， DS18B20 的數(shù)據(jù)線為漏極開路，第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 12 則 接 10K 的 強(qiáng) 上拉電阻。當(dāng)采用寄生工作時(shí)， 將 1端口（ VDD）與數(shù)據(jù) 線 （ DQ）端口并聯(lián)，除此之外， 寄生工作方式 針對(duì)程序也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)線提出一些特殊的要求，所以比較之下， 外部電源供電方式 是 比較 合適 。 W E N 123U15DS18B 20R1110KGN DVC C 圖 34 DS18B20接口電路 數(shù)據(jù)處理模塊 單片機(jī)說(shuō)明 單片機(jī) 選用 的是 比較通用的 51單片機(jī)，生產(chǎn) 51 單片機(jī)的公司有很多 ， 例如 AT公司，Philips 公司， Intel 公司等。 目前市場(chǎng)上流行的芯片主要是 C51系列 ， STC89C52 單片機(jī)比傳統(tǒng)的 51 系列 8位單片機(jī)具有更加豐富的資源，而且數(shù)據(jù)處理速度快，具備單片機(jī)最小系統(tǒng)電路外還包括電源電路、復(fù)位電路，體積小，可靠性高。所以選擇了宏晶公司的STC89C52。 芯片介紹 STC89C52 是 宏晶 公司生產(chǎn)的一種 功耗 低 、 性能優(yōu)良的 CMOS 8位微型控制器。 STC89C52使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機(jī)不具備的功能。而且還 有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 看門狗定時(shí)器， 8K 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 內(nèi)置 4KB EEPROM，