【文章內(nèi)容簡介】 18B20 的主要特性： (1)、適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍： ～ ，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電 (2)、獨(dú)特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時僅需 要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊 (3)、 DS18B20 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫 發(fā)射端 接收端 溫度傳感器 微處理器 無線發(fā)射芯片 微處理器 顯示 無線發(fā)射芯片 基于無線傳感器網(wǎng)路的溫度采集顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 (4)、 DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi) (5)、溫范圍－ 55℃ ～＋ 125℃ ，在 10～ +85℃ 時精度為 177?！? (6)、可編程的分辨率為 9～ 12 位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、℃ 和 ℃ ，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫 (7)、在 9 位分 辨率時最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字， 12 位分辨率時最多在 750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快 (8)、測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以 一線總線 串行傳送給 CPU，同時可傳送 CRC 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力 (9)、負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 DS18B20 的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu) ： DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 引腳定義： (1)、 DQ 為數(shù)字信號輸入 /輸出端； (2)、 GND 為電源地； (3)、 VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。 DS18B20 的計(jì)數(shù)特性： DS18B20 內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計(jì)數(shù)器 1 提供一頻率穩(wěn)定的計(jì)數(shù)脈沖。 高溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率對溫度很敏感的振蕩器，為計(jì)數(shù)器 2 提供一個頻率隨溫度變化的計(jì)數(shù)脈沖。 初始時，溫度寄存器被預(yù)置成 55℃ ，每當(dāng)計(jì)數(shù)器 1從預(yù)置數(shù)開始減計(jì)數(shù)到 0 時，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加 1℃ ，這個過程重復(fù)進(jìn)行，直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì) 數(shù)到 0 時便停止。初始時，計(jì)數(shù)器 1 預(yù)置的是與 55℃ 相對應(yīng)的一個預(yù)置值。以后計(jì)數(shù)器 1 每一個循環(huán)的預(yù)置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補(bǔ)償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預(yù)置數(shù)也隨溫度相應(yīng)變化。計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置數(shù)也就是在給定溫度處使溫度寄存器寄存值增加 1℃ 計(jì)數(shù)器所需要的計(jì)數(shù)個數(shù)。 DS18B20 內(nèi)部的比較器以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器的最低有效位。在計(jì)數(shù)器 2 停止計(jì)數(shù)后，比較器將計(jì)數(shù)器 1 中的計(jì)數(shù)剩余值轉(zhuǎn)換為溫度值后與 ℃基于無線傳感器網(wǎng)路的溫度采集顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 進(jìn)行比較，若低于 ℃ ，溫度寄存器的最低位就置 0；若高于 ℃ ，最低位 就置1；若高于 ℃ 時，溫度寄存器的最低位就進(jìn)位然后置 0。這樣，經(jīng)過比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，其最后位代表 ℃ ，四舍五入最大量化誤差為 177。1/2LSB，即 ℃ 。 溫度寄存器中的溫度值以 9 位數(shù)據(jù)格式表示，最高位為符號位，其余 8 位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示溫度值。測溫結(jié)束時，這 9 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存存儲器的前兩個字節(jié)中，符號位占用第一字節(jié)， 8 位溫度數(shù)據(jù)占據(jù)第二字節(jié)。 DS18B20 測量溫度時使用特有的溫度測量技術(shù)。 DS18B20 內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號；同樣的，高 溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時， DS18B20 進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補(bǔ)償。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)該為 9 位，但因符號位擴(kuò)展成高 8 位，所以最后以16 位補(bǔ)碼形式讀出。 DS18B20 工作過程一般遵循以下協(xié)議：初始化 ——ROM 操作命令 ——存儲器操作命令 ——處理數(shù)據(jù) 。 （ 1） 初始化 單總線上的所有處理均從初始化序列開始。初始化序列包括總線主機(jī)發(fā)出一復(fù)位脈沖，接著由從屬器件送出存在脈沖。存在脈沖 讓總線控制器知道 DS1820 在總線上且已準(zhǔn)備好操作。 （ 2） ROM 操作命令 一旦總線主機(jī)檢測到從屬器件的存在，它便可以發(fā)出器件 ROM 操作命令之一。所有 ROM 操作命令均為 8 位長。這些命令列 舉 如下： Read ROM(讀 ROM)[33h] 此命令允許總線主機(jī)讀 DS18B20 的 8 位產(chǎn)品系列編碼，唯一的 48 位序列號，以及 8 位的 CRC。此命令只能在總線上僅有一個 DS18B20 的情況下可以使用。如果總線上存在多于一個的從屬器件，那么當(dāng)所有從片企圖同時發(fā)送時將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的現(xiàn)象（漏極開路會產(chǎn)生線與的結(jié)果）。 Match ROM( 符合 ROM)[55h] 此命令后繼以 64 位的 ROM 數(shù)據(jù)序列，允許總線主機(jī)對多點(diǎn)總線上特定的DS18B20 尋址。只有與 64 位 ROM 序列嚴(yán)格相符的 DS18B20 才能對后繼的存貯器操基于無線傳感器網(wǎng)路的溫度采集顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 作命令作出響應(yīng)。所有與 64 位 ROM 序列不符的從片將等待復(fù)位脈沖。此命令在總線上有單個或多個器件的情況下均可使用。 Skip ROM( 跳過 ROM )[CCh] 在單點(diǎn)總線系統(tǒng)中，此命令通過允許總線主機(jī)不提供 64 位 ROM 編碼而訪問存儲器操作來節(jié)省時間。如果在總線上存在多于一個的從屬器件而且在 Skip ROM 命令之后發(fā)出讀命令，那么由于多個從片同時發(fā)送數(shù)據(jù)，會在總線上發(fā)生數(shù)據(jù)沖突（漏極開路下拉會產(chǎn)生線與的效果）。 Search ROM( 搜索 ROM)[F0h] 當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，總線主機(jī)可能不知道單線總線上的器件個數(shù)或者不知道其64 位 ROM 編碼。搜索 ROM 命令允許總線控制器用排除法識別總線上的所有從機(jī)的64 位編碼。 Alarm Search(告警搜索 )[ECh] 此命令的流程與搜索 ROM 命令相同。但是，僅在最近一次溫度測量出現(xiàn)告警的情況下， DS18B20 才對此命令作出響應(yīng)。告警的條件定義為溫度高于 TH 或低于 TL。只要 DS18B20 一上電，告警條件就保持在設(shè)置狀態(tài)，直到另一次溫度測量顯示出非告警值或者改變 TH 或 TL 的設(shè)置，使得測量值再一次位于允許的范圍之內(nèi)。貯存在EEPROM 內(nèi)的觸發(fā)器值用于告警。 測溫系統(tǒng)電路連接 系統(tǒng)的測溫部分用 DS18B20 芯片來完成，由于 DS18B20 有兩種封裝形式，在這里我們選擇八引腳 SOSI 封裝，其引腳情況如圖 7 所述 。 它與單片機(jī)的連接電路如圖7 所示： D S 18 B 2 0P 3 . 7V C C 圖 7 DS18B20 與單片機(jī)連接圖 系統(tǒng)顯示部分電路設(shè)計(jì) 我們最常用的顯示是七段式和八段式 LED 數(shù) 碼管，八段比七段多了一個小數(shù)點(diǎn)，其他的基本相同。所謂的八段就是指數(shù)碼管里有八個小 LED 發(fā)光二極管，通過控制基于無線傳感器網(wǎng)路的溫度采集顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 不同的 LED 的亮滅來顯示出不同的字形。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種類型，其實(shí)共陰極就是將八個 LED 的陰極連在一起，讓其接地，這樣給任何一個 LED 的另一端高電平，它便能點(diǎn)亮。而共陽極就是將八個 LED 的陽極連在一起。 此次設(shè)計(jì)所用到的數(shù)碼管接法就是共陽極接法 。 而現(xiàn)實(shí)中經(jīng)常用到的數(shù)碼管是制作成的數(shù)碼管芯片它將二極管集成到一個小芯片上，這樣可以直觀的顯現(xiàn) 09 的數(shù)字，它的樣式如圖 8 所示： abfcgdeDPY1234567abcdefg8 dpdp八段數(shù)碼管CO M 圖 8 八段數(shù) 碼管 共陽極的數(shù)碼管 0~f 的段編碼是這樣的： unsigned char code table[]={ //共陽極 0~f 數(shù)碼管編碼 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,//0~3 0x99,0x92,0x82,0xf8,//4~7 0x80,0x90,0x88,0x83,//8~b 0xc6,0xa1,0x86,0x8e //c~f}。 本系統(tǒng)中采用四片數(shù)碼管顯示溫度值，由于數(shù)碼管的驅(qū)動電流別較大，因此可以采用驅(qū)動芯片來產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動電流，以驅(qū)動數(shù)碼管。我們選用 74 系列的驅(qū)動芯片，有 74LS273 芯片 、 7545 740 74LS0 74LS04 等芯片。具體的連接圖參見附錄 1 硬件電路圖設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)無線傳輸部分電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的主要部分是無線傳輸部分，它負(fù)責(zé)信息的傳遞，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間的交流，其功能相當(dāng)于有線系統(tǒng)中的導(dǎo)線。在這里我們選用常見的無線傳輸芯片 PTR8000。它基于無線傳感器網(wǎng)路的溫度采集顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 的示意圖如圖 9 所示 : 圖 9 PTR8000 輸出口 圖中給出了 PTR8000 的用戶接口，該接口由 10 個數(shù)字輸入 /輸出 I/O 組成。按照工作可分為三種： 模式控制 該接口由 TRXCE,TXEN,PWR 組成 ，控制 PTR8000 的四種工作模式 ： 掉電和 SPI編程模式；待機(jī)和 SPI 編程模式；發(fā)射模式；接受模式；各種模式的控制模式見下表1： 表 1 PTR8000 的控制模式 PWR TRXCE TXEN 工作模式 0 X X 掉電和 SPI 編程模式 1 0 X 待機(jī)和 SPI 編程模式 1 1 0 接收 1 1 1 發(fā)射 說明： （ 1）待機(jī)模式下功耗約為 40 微安，此時發(fā)射接收電路均關(guān)閉，只有 SPI 接口工作。 （ 2）掉電模式下功耗約為 微安，此時所有電路關(guān)閉，進(jìn)入最省電狀 態(tài)。 （ 3）在待機(jī)和掉電模式下 PTR8000 均不能接收，發(fā)送數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行配置。 SPI 接口 SPI 接口由 SCK、 MISO、 MOSI 以及 CSN 組成： （ 1） 在配置模式下，單片機(jī)通過 SPI 接口配置 PTR8000 的工作參數(shù)； DR AM CD MISO MOSI SCK CSN PWR TRXEN TXEN Pin4 Pin3 Pin8 Pin7 Pin6 Pin12 Pin11 Pin10 Pin9 Pin2 模式控制 SPI 接口 狀態(tài)輸出 PTR8000 基于無線傳感器網(wǎng)路的溫度采集顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 （ 2） 在發(fā)射 /接收模式下，單片機(jī) SPI 接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)； 狀態(tài)輸出接口 提供載波檢測輸出 CD，地址匹配輸出 AM，數(shù)據(jù)就緒輸出 DR。 PTR8000 的引腳功能如下表 2 所示： 表 2 PTR8000 的引腳功能 管腳 功能 方向 Pin1 VCC 正電源 輸入 I Pin2 TXEN TXEN=“ 1”發(fā)射模式，“ 0”接收模式 I Pin3 TRXCE 使能發(fā)射 /接收模式（區(qū)別于配置模式） I Pin4 PWR Power down 模式 I Pin5 uCLK 時鐘分頻輸出 O Pin6 CD 載波檢測輸出 O Pin7 AM 地址匹配輸出 O Pin8 DR 數(shù)據(jù)就緒輸出 O Pin9 MISO SPI 輸出 O Pin10 MOSI SPI 輸入 I Pin11 SCK SPI 時鐘 I Pin12 CSN SPI 使能，低有效 I Pin13 GND 電源地 Pin14 GND 電源地 由于與 RF協(xié)議相關(guān)的高速信號處理部分已經(jīng)嵌入在模塊內(nèi)部 PTR8000可與各種低成本單片機(jī)配合使用也可以與 DSP等高速處理器配合使用 PTR8000提供一個 SPI 接速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定 在 RX模式中地址匹配 AM和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒 DR信號通知 MCU一個有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成微控制器即可通過SPI讀取接收的數(shù)據(jù)在 TX模式中 PTR8000自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和 CRC校驗(yàn)碼數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR信號通知 MCU數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成這意味著降低 MCU的存儲器需求也就是降低MCU成本同時縮短軟件開發(fā)時間。 配置編程 上電以后 MCU首先配置 PTR8000模塊先將 PWR TXEN TRX_CE設(shè)為配置模式，MCU通過 SPI將配置數(shù)據(jù)移入 PTR8000模塊在掉電和待機(jī)模式工作后配置內(nèi)容仍然有效配置數(shù)據(jù)只有當(dāng)電源撤除后才會丟失 。 發(fā)射模式 （ 1） 當(dāng) MCU有數(shù)據(jù)需要發(fā)往規(guī)定節(jié)點(diǎn)時接收節(jié)點(diǎn)的地址 TXaddress和有效數(shù)據(jù)TXpayload通過 SPI接口傳送給 PTR8000應(yīng)用協(xié)議或 MCU設(shè)置接口速度 。 基于無線傳感器網(wǎng)路的溫度采集顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 （ 2） MCU設(shè)置 TRX_CE TX_EN為高來啟動傳輸 （ 3） PTR8000內(nèi)部處理 無線系