【文章內容簡介】 18B20 的主要特性： (1)、適應電壓范圍更寬，電壓范圍： ～ ，在寄生電源方式下可由數據線供電 (2)、獨特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時僅需 要一條口線即可實現微處理器與 DS18B20 的雙向通訊 (3)、 DS18B20 支持多點組網功能，多個 DS18B20 可以并聯在唯一的三線上，實現組網多點測溫 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 基于無線傳感器網路的溫度采集顯示系統設計 9 (4)、 DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內 (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，對應的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、℃ 和 ℃ ，可實現高精度測溫 (7)、在 9 位分 辨率時最多在 內把溫度轉換為數字， 12 位分辨率時最多在 750ms 內把溫度值轉換為數字，速度更快 (8)、測量結果直接輸出數字溫度信號，以 一線總線 串行傳送給 CPU，同時可傳送 CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力 (9)、負壓特性：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 的外形和內部結構 ： DS18B20 內部結構主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 引腳定義： (1)、 DQ 為數字信號輸入 /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 的計數特性： DS18B20 內部的低溫度系數振蕩器是一個振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計數器 1 提供一頻率穩(wěn)定的計數脈沖。 高溫度系數振蕩器是一個振蕩頻率對溫度很敏感的振蕩器，為計數器 2 提供一個頻率隨溫度變化的計數脈沖。 初始時，溫度寄存器被預置成 55℃ ，每當計數器 1從預置數開始減計數到 0 時，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加 1℃ ，這個過程重復進行，直到計數器 2 計 數到 0 時便停止。初始時，計數器 1 預置的是與 55℃ 相對應的一個預置值。以后計數器 1 每一個循環(huán)的預置數都由斜率累加器提供。為了補償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預置數也隨溫度相應變化。計數器 1的預置數也就是在給定溫度處使溫度寄存器寄存值增加 1℃ 計數器所需要的計數個數。 DS18B20 內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。在計數器 2 停止計數后，比較器將計數器 1 中的計數剩余值轉換為溫度值后與 ℃基于無線傳感器網路的溫度采集顯示系統設計 10 進行比較，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位然后置 0。這樣，經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 位數據格式表示，最高位為符號位，其余 8 位以二進制補碼形式表示溫度值。測溫結束時，這 9 位數據轉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 位溫度數據占據第二字節(jié)。 DS18B20 測量溫度時使用特有的溫度測量技術。 DS18B20 內部的低溫度系數振蕩器能產生穩(wěn)定的頻率信號；同樣的，高 溫度系數振蕩器則將被測溫度轉換成頻率信號。當計數門打開時， DS18B20 進行計數，計數門開通時間由高溫度系數振蕩器決定。芯片內部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補償。測量結果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應該為 9 位，但因符號位擴展成高 8 位，所以最后以16 位補碼形式讀出。 DS18B20 工作過程一般遵循以下協議：初始化 ——ROM 操作命令 ——存儲器操作命令 ——處理數據 。 （ 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發(fā)出一復位脈沖，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 在總線上且已準備好操作。 （ 2） ROM 操作命令 一旦總線主機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讀 DS18B20 的 8 位產品系列編碼，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，那么當所有從片企圖同時發(fā)送時將發(fā)生數據沖突的現象（漏極開路會產生線與的結果）。 Match ROM( 符合 ROM)[55h] 此命令后繼以 64 位的 ROM 數據序列，允許總線主機對多點總線上特定的DS18B20 尋址。只有與 64 位 ROM 序列嚴格相符的 DS18B20 才能對后繼的存貯器操基于無線傳感器網路的溫度采集顯示系統設計 11 作命令作出響應。所有與 64 位 ROM 序列不符的從片將等待復位脈沖。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] 在單點總線系統中，此命令通過允許總線主機不提供 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)送數據，會在總線上發(fā)生數據沖突（漏極開路下拉會產生線與的效果）。 Search ROM( 搜索 ROM)[F0h] 當系統開始工作時，總線主機可能不知道單線總線上的器件個數或者不知道其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告警的情況下， DS18B20 才對此命令作出響應。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 的設置，使得測量值再一次位于允許的范圍之內。貯存在EEPROM 內的觸發(fā)器值用于告警。 測溫系統電路連接 系統的測溫部分用 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 與單片機連接圖 系統顯示部分電路設計 我們最常用的顯示是七段式和八段式 LED 數 碼管，八段比七段多了一個小數點，其他的基本相同。所謂的八段就是指數碼管里有八個小 LED 發(fā)光二極管，通過控制基于無線傳感器網路的溫度采集顯示系統設計 12 不同的 LED 的亮滅來顯示出不同的字形。數碼管又分為共陰極和共陽極兩種類型，其實共陰極就是將八個 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，它便能點亮。而共陽極就是將八個 LED 的陽極連在一起。 此次設計所用到的數碼管接法就是共陽極接法 。 而現實中經常用到的數碼管是制作成的數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 09 的數字，它的樣式如圖 8 所示： abfcgdeDPY1234567abcdefg8 dpdp八段數碼管CO M 圖 8 八段數 碼管 共陽極的數碼管 0~f 的段編碼是這樣的： unsigned char code table[]={ //共陽極 0~f 數碼管編碼 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,//0~3 0x99,0x92,0x82,0xf8,//4~7 0x80,0x90,0x88,0x83,//8~b 0xc6,0xa1,0x86,0x8e //c~f}。 本系統中采用四片數碼管顯示溫度值，由于數碼管的驅動電流別較大，因此可以采用驅動芯片來產生足夠大的驅動電流，以驅動數碼管。我們選用 74 系列的驅動芯片，有 74LS273 芯片 、 7545 740 74LS0 74LS04 等芯片。具體的連接圖參見附錄 1 硬件電路圖設計。 系統無線傳輸部分電路設計 系統的主要部分是無線傳輸部分，它負責信息的傳遞，實現單片機之間的交流，其功能相當于有線系統中的導線。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路的溫度采集顯示系統設計 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 待機和 SPI 編程模式 1 1 0 接收 1 1 1 發(fā)射 說明： （ 1）待機模式下功耗約為 40 微安，此時發(fā)射接收電路均關閉，只有 SPI 接口工作。 （ 2）掉電模式下功耗約為 微安，此時所有電路關閉，進入最省電狀 態(tài)。 （ 3）在待機和掉電模式下 PTR8000 均不能接收，發(fā)送數據，可以進行配置。 SPI 接口 SPI 接口由 SCK、 MISO、 MOSI 以及 CSN 組成： （ 1） 在配置模式下，單片機通過 SPI 接口配置 PTR8000 的工作參數； 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 基于無線傳感器網路的溫度采集顯示系統設計 14 （ 2） 在發(fā)射 /接收模式下，單片機 SPI 接口發(fā)送和接收數據； 狀態(tài)輸出接口 提供載波檢測輸出 CD，地址匹配輸出 AM，數據就緒輸出 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 數據就緒輸出 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協議相關的高速信號處理部分已經嵌入在模塊內部 PTR8000可與各種低成本單片機配合使用也可以與 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定的接口速度決定 在 RX模式中地址匹配 AM和數據準備就緒 DR信號通知 MCU一個有效的地址和數據包已經各自接收完成微控制器即可通過SPI讀取接收的數據在 TX模式中 PTR8000自動產生前導碼和 CRC校驗碼數據準備就緒DR信號通知 MCU數據傳輸已經完成這意味著降低 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設為配置模式，MCU通過 SPI將配置數據移入 PTR8000模塊在掉電和待機模式工作后配置內容仍然有效配置數據只有當電源撤除后才會丟失 。 發(fā)射模式 （ 1） 當 MCU有數據需要發(fā)往規(guī)定節(jié)點時接收節(jié)點的地址 TXaddress和有效數據TXpayload通過 SPI接口傳送給 PTR8000應用協議或 MCU設置接口速度 。 基于無線傳感器網路的溫度采集顯示系統設計 15 （ 2） MCU設置 TRX_CE TX_EN為高來啟動傳輸 （ 3） PTR8000內部處理 無線系