51單片機開發之DS18B20溫度傳感器

4.5 DS18B20溫度傳感器

4.5.1 原理圖介紹

圖4-5-1

 

實驗板上的DS18B20模塊接在單片機的P3.7 IO口上，在插入DS18B20芯片時，圓弧朝上插入，具體效果能夠看上面圖片。

4.5.2 DS18B20溫度傳感器介紹

DS18B20是經常使用的數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號，它的溫度檢測與數字數據輸出全集成於一個芯片之上，從而抗干擾力更強。

DS18B20的主要特徵以下：

(1)、全數字溫度轉換及輸出。

(2)、先進的單總線數據通訊。(一根線便可採集溫度)

(3)、最高 12 位分辨率，精度可達土 0.5 攝氏度。

(4)、12 位分辨率時的最大工做週期爲 750 毫秒。

(5)、可選擇寄生工做方式。

(6)、檢測溫度範圍爲–55° C ~+125° C (–67° F ~+257° F)

(7)、內置 EEPROM，限溫報警功能。

(8)、64位光刻 ROM，內置產品序列號，方便多機掛接。(支持一根線操做多個芯片)

(9)、多樣封裝形式，適應不一樣硬件系統，封裝能夠看下面的圖片。

圖4-5-3

圖片裏芯片的引腳功能：GND電壓地 、DQ單數據總線、VDD電源電壓、NC 空引腳

4.5.3  DS18B20的工做原理介紹

DS18B20的溫度檢測與數字數據輸出全集成於一個芯片之上，從而抗干擾力更強。

它的一個工做週期可分爲兩個部分，溫度檢測和數據處理。

DS18B20內部有三種形態的存儲器：

 (1) ROM只讀存儲器：用於存放 DS18B20ID 編碼，其前 8 位是單線系列編碼（DS18B20 的編碼是19H），後面 48 位是芯片惟一的序列號，最後8位是以上56的位的 CRC 碼（冗餘校驗），數據在芯片出廠時設置不可由用戶更改。DS18B20 共 64 位 ROM(8+48+8)。

(2) RAM數據暫存器：用於內部計算和數據存取，數據在掉電後丟失，DS18B20 共 9 個字節 RAM，每一個字節爲 8 位。第 一、 2 個字節是溫度轉換後的數據值信息，第 三、 4 個字節是用戶 EEPROM（經常使用於溫度報警值儲存）的鏡像。在上電覆位時其值將被刷新。第 5 個字節則是用戶第 3 個 EEPROM的鏡像。第 六、 七、 8 個字節爲計數寄存器，是爲了讓用戶獲得更高的溫度分辨率而設計的，一樣也是內部溫度轉換、計算的暫存單元。第 9 個字節爲前 8 個字節的 CRC 碼。

(3) EEPROM非易失性記憶體：用於存放長期須要保存的數據。好比: 上下限溫度報警值和校驗數據，DS18B20共有3個字節的EEPROM，並在 RAM 都存在鏡像，以方便用戶操做。

圖4-5-4

DS18B20默認工做在12位分辨率模式，轉換後獲得的12位數據，存儲在DS18B20的兩個8比特的RAM中(最前面的兩個字節)，二進制中的前面5位是符號位，若是測得的溫度大於0，這5位爲0，只要將測到的數值乘於0.0625便可獲得實際溫度；若是溫度小於0，這5位爲1，測到的數值須要取反加1再乘於0.0625便可獲得實際溫度。

數據提取也可使用位運算，讀取出來的數據是2個字節一共16位(H和L)，最低4位是小數位，剩下的是整數位。若是讀取的數據是負數，須要-1再取反便可獲得真實數據。

例如:

（硬件平臺說明：CPU是STC90C516RD 、晶振頻率12MHZ 、工做在12T模式下、一個機器週期爲1us時間)

 

int temp=0;temp=DS18B20_ReadTemp(); //讀取一次DS18B20採集的溫度（返回H+L位）if(temp<0) //若是溫度是負數{ temp=temp-1; temp=~temp; printf("DS18b20=-%d.%d\r\n",temp>>4,temp&0xF);}else{printf("DS18b20=%d.%d\r\n",temp>>4,temp&0xF);}

4.5.4  DS18B20操做ROM/RAM的經常使用指令介紹

1. 讀取64位ROM編碼指令：0x33

    這個命令容許總線控制器讀到DS18B20的64位ROM。只有當總線上只存在一個 DS18B20的時候纔可使用此指令，若是掛接不僅一個，當通訊時將會發生數據衝突。

2. 匹配芯片指令：0x55

    這個指令後面緊跟着由控制器發出的64 位序列號，當總線上有多隻 DS18B20 時，只有與控制發出的序列號相同的芯片才能夠作出反應，其它芯片將等待下一次復位。這條指令適應單芯片和多芯片掛接。

3. 跳過ROM編碼匹配：0xCC

這條指令使芯片不對 ROM 編碼作出反應，在單總線的狀況之下，爲了節省時間則能夠選用此指令。若是在多芯片掛接時使用此指令將會出現數據衝突，致使錯誤出現。

4. 啓動溫度轉換：0x44

收到此指令後芯片將進行一次溫度轉換，將轉換的溫度值放入 RAM 的第 一、 2 地址。此後因爲芯片忙於溫度轉換處理，當控制器發一個讀時間隙時，總線上輸出「0」，當儲存工做完成時，總線將輸出「1」。在寄生工做方式時必須在發出此指令後馬上超用強上拉並至少保持 500MS，來維持芯片工做。

5. 從RAM中讀數據指令：0xBE

此指令將從 RAM中讀數據，讀地址從地址0開始，一直能夠讀到地址 9，完成整個 RAM 數據的讀出。芯片容許在讀過程當中用復位信號停止讀取，便可以不讀後面不須要的字節以減小讀取時間。

4.5.5 DS18B20時序圖

(1).  DS18B20復位與應答時序圖

圖4-5-5 復位及應答時序圖

 

圖4-5-6

 

每一次與DS18B20通訊以前都必須進行復位，復位的時間、等待時間、迴應時間應嚴格按時序編程。

 

(2) 寫數據時序

圖4-5-7 寫數據時序圖

 

上面的時序圖是向DS18B20寫數據的時序圖，該圖分爲兩部分，左邊部分是發送數據0的時序圖，右邊部分是發送數據1的時序圖。

根據時序圖提示(右邊部分)，每次發送數據以前(不論是數據0仍是數據1)都須要先將總線拉低至少1us。

若是接下來發送的數據是0，那麼須要將數據線拉低至少60us的時間，DS18B20對總線的採樣時間在15~60us內；在採樣時間內，若是總線爲低電平，則表示寫0，若是總線爲高電平，則表示寫1。

若是接下來發送的數據是1，那麼也須要將數據線拉低至少60us的時間，DS18B20對總線的採樣時間在15~60us內；在採樣時間內，若是總線爲低電平，則表示寫0，若是總線爲高電平，則表示寫1。

注意： 在通訊時，是以一個字節爲單位向DS18B20進行傳輸，字節的讀或者寫是從低位開始的。

(3) 讀數據時序

圖4-5-8 讀數據時序圖

 

上面的時序圖是從DS18B20讀取數據的時序圖，該圖分爲兩部分展現，左邊部分是讀取數據0時，總線電平變化過程，右邊部分是讀取數據1時，總線電平的變化過程。

根據時序圖提示(右邊部分)，每次讀取數據以前(不論是數據0仍是數據1)，總線都須要由主機拉低至少1us，而後再釋放總線(拉高)；

 隨後須要等待15us的時間，才能夠讀取總線數據。DS18B20會在隨後的45us內維持總線的電平，這段時間內讀取總線的數據都是有效數據。

注意: 再總線拉低1us以後，必須等待15us以後才能夠讀取總線數據，這樣才能保證總線數據是準確的。

在通訊過程當中，DS18B20輸出的數據是從低位開始傳輸的。

4.5.6 讀取溫度的步驟

總線上只有單隻DS18B20的情景(讀取一次DS18B20的溫度)：

1.  向總線發送復位脈衝並檢測DS18B20的響應信號(能夠確保DS18B20硬件沒有問題)

2.  發送指令跳過ROM編號檢查 (指令0xCC)

3.  發送溫度轉換命令(指令0x44)

(DS18B20在轉換溫度的過程當中，總線會一直保持高電平狀態，不會響應總線命令)

4.  向總線發送復位脈衝並檢測DS18B20的響應信號

5.  發送指令跳過ROM編號檢查 (指令0xCC)

6.  發送讀取溫度的指令(指令 0xBE)

7.  接着讀取溫度數據低8位

8.  接着讀取溫度數據高8位

4.5.7 讀取DS18B20溫度示例代碼(單隻DS18B20情景)

下面代碼演示了循環讀取DS18B20溫度的過程，在主函數裏1秒的間隔讀取一次溫度。

在編寫DS18B20時序代碼時，要注意時間的把控。

當前實驗板的環境：採用STC90C516RD單片機，晶振是12MHZ，工做在12T模式下，代碼中執行一條i++語句大概消耗的時間是12us。程序中的延時時間，都是經過該時間推算的，若是程序要移植到其餘單片機上，要注意時間的問題。

示例代碼:

（硬件平臺說明：CPU是STC90C516RD 、晶振頻率12MHZ 、工做在12T模式下、一個機器週期爲1us時間)

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#include <reg51.h>/*DS18B20硬件接口: P3.7*/sbit DS18B20_GPIO=P3^7;int DS18B20_ReadTemp(void);/*說明: 在12MHZ晶振下,12T模式下，i++消耗的時間差很少是12us*//*函數名稱：u8 DS18B20_Init(void)函數功能：向DS18B20發送復位脈衝,並檢測應答信號返 回 值：1表示失敗,0表示成功說明: 51單片機IO口默認輸出高電平*/u8 DS18B20_ResetSignal(void){    u8 i=0;    //1. 發送復位信號    DS18B20_GPIO=0;//將總線拉低480us    i=50;       while(i--){}   //延時600us ,最少480us    i=0;    DS18B20_GPIO=1;//而後釋放(拉高)總線，若是DS18B20作出反應會將在15us~60us後總線拉低    //2. 等待DS18B20拉低總線    while(DS18B20_GPIO)    {        i++; if(i>10)return 1;//失敗 ,大概120us
 }    //3. 等待DS18B20釋放總線    i=0;    while(DS18B20_GPIO==0) //60us~240us    {        i++;        if(i>20)return 1;//失敗,大概240us    }    return 0;//初始化成功}/*函數名稱：u8 DS18B20_WriteByte(void)函數功能：向DS18B20寫入一個字節的數據函數形參：寫入的字節數據*/void DS18B20_WriteByte(u8 byte){    u16 i=0,j=0;    for(j=0;j<8;j++)    { DS18B20_GPIO=0;//每寫入一位數據以前先把總線拉低1us        i++; //+1消耗的時間是12us        DS18B20_GPIO=byte&0x01;//而後寫入一個數據，從最低位開始        i=6;        while(i--){}//持續時間最少60us，這裏大概72us       DS18B20_GPIO=1;//而後釋放總線        byte>>=1;//繼續發送    }}/*函數名稱：u8 DS18B20_ReadByte(void)函數功能：從DS18B20讀取一個字節的數據返 回 值：讀到的數據*/u8 DS18B20_ReadByte(void){    u8 byte=0;    u16 i=0,j=0;        for(j=0;j<8;j++)    {        DS18B20_GPIO=0;//先將總線拉低1us        i++;//+1消耗的時間是12us        DS18B20_GPIO=1;//而後釋放總線        i++;         i++;//至少等待15us的時間，在讀取數據        byte>>=1; //先從低位開始接收數據        if(DS18B20_GPIO)byte|=0x80;                           i=4; //讀取完以後等待48us再接着讀取下一個數據        while(i--){}    }                   return byte;}/*函數名稱：u16 DS18B20_ReadTemp(void)函數功能：讀取一次DS18B20的溫度數據返 回 值：讀取的溫度值注意: 返回值要使用有符號的數據類型，由於溫度能夠返回負數。*/int DS18B20_ReadTemp(void){    int temp=0;//存放溫度數據    u8 TH,TL;    //第一步: 啓動溫度轉換    DS18B20_ResetSignal(); //發送復位脈衝並檢測應答信號    DS18B20_WriteByte(0xcc);//跳過ROM操做命令          DS18B20_WriteByte(0x44);//溫度轉換命令    //第二步: 讀取溫度    DS18B20_ResetSignal();//發送復位脈衝並檢測應答信    DS18B20_WriteByte(0xcc);//跳過ROM操做命令    DS18B20_WriteByte(0xbe);//發送讀取溫度命令    TL=DS18B20_ReadByte();//讀取溫度值共16位，先讀低字節    TH=DS18B20_ReadByte();//再讀高字節    temp=TH<<8|TL; //合併成16位    return temp;}int main(){    int temp=0;    UART_Init();        //初始化串口波特率爲4800    while(1)    {        temp=DS18B20_ReadTemp();        if(temp<0) //若是溫度是負數        {            temp=temp-1;            temp=~temp;            printf("DS18b20=-%d.%d\r\n",temp>>4,temp&0xF);        }        else        {            printf("DS18b20=%d.%d\r\n",temp>>4,temp&0xF);        }        DelayMs(1000);    }}