51单片机 | DS18B20 温度传感器实验_ds18b20信号输入单片机要处理吗

  这一节我们来学习精度较高的外部 DS18B20 数字温度传感器，由于此传感器是 单总线接口，所以需要使用 51 单片机的一个 IO 口模拟单总线时序与 DS18B20 通信，将检测的环境温度读取出来。开发板上集成了 1 个 DS18B20 温度传感器接口，需插上 DS18B20 温度传感器后才能测试温度。本节要实现的功能是：系统运行时，插上 DS18B20 温度传感器，数码管显示检测的温度值。

一、DS18B20介绍

  DS18B20 是由 DALLAS 半导体公司推出的一种的“一线总线（单总线）”接口的温度传感器。与传统的热敏电阻等测温元件相比，它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。
  DS18B20 温度传感器具有如下特点：

1. 适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
2. 独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。
3. DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
4. DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
5. 温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃
6. 可编程的分辨率为 9～12 位，对应的可分辨温度分别为 0.5℃、0.25℃、0.125℃ 和0.0625℃，可实现高精度测温。
7. 在 9 位分辨率时最多在 93.75ms 内把温度转换为数字，12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字，速度更快。
8. 测量结果直接输出数字温度信号，以"一根总线"串行传送给 CPU，同时可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
9. 负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

   DS18B20 外观实物如下图所示：

从 DS18B20 外观图可以看到，当我们正对传感器切面（传感器型号字符那一面）时，传感器的管脚顺序是从左到右排列。管脚 1 为 GND，管脚 2 为数据DQ，管脚 3 为 VDD。如果把传感器插反，那么电源将短路，传感器就会发烫，很容易损坏，所以一定要注意传感器方向，通常我们在开发板上都会标出传感器的凸起出，所以只需要把传感器凸起的方向对着开发板凸起方向插入即可。
  DS18B20 内部结构如下图所示：

  ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列号。64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位（28H）是产品类型标号，接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码。光刻 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的。
  DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速的暂存器 RAM 和一个非易失性的可电擦除的 EEPROM，后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL 和配置寄存器。
  配置寄存器是配置不同的位数来确定温度和数字的转化，配置寄存器结构如下：

TM R1 R0 1 1 1 1 1

  低五位一直都是"1"，TM 是测试模式位，用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测试模式。在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0，用户不需要去改动。R1 和R0 用来设置 DS18B20 的精度（分辨率），可设置为 9，10，11 或 12 位，对应的分辨率温度是 0.5℃，0.25℃，0.125℃和 0.0625℃。R0 和 R1 配置如下图：

  在初始状态下默认的精度是 12 位，即 R0=1、R1=1。
  高速暂存存储器由 9 个字节组成，其分配如下：

  当温度转换命令（44H）发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第 0 和第 1 个字节。存储的两个字节，高字节的前 5 位是符号位 S，单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如下：

  如果测得的温度大于 0，这 5 位为‘ 0’，只要将测到的数值乘以 0.0625（默认精度是 12 位）即可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为‘ 1’，测到的数值需要取反加 1 再乘以 0.0625 即可得到实际温度。温度与数据对应关系如下：

  比如我们要计算+85 度，数据输出十六进制是 0X0550，因为高字节的高 5 位为 0，表明检测的温度是正温度，0X0550 对应的十进制为 1360，将这个值乘以 12 位精度 0.0625，所以可以得到+85 度。
  知道了怎么计算温度，接下来我们就来看看如何读取温度数据，由于 DS18B20是单总线器件，所有的单总线器件都要求采用严格的信号时序以保证数据的完整性。DS18B20 时序包括如下几种：初始化时序、写（0 和 1）时序、 读（0
和 1）时序。 DS18B20 发送所有的命令和数据都是字节的低位在前。这里我们简单介绍这几个信号的时序：

1. 初始化时序
     单总线上的所有通信都是以初始化序列开始。主机输出低电平，保持低电平时间至少 480us（该时间的时间范围可以从 480 到 960 微妙），以产生复位脉冲。接着主机释放总线，外部的上拉电阻将单总线拉高，延时 15～60 us，并进入接收模式。接着 DS18B20 拉低总线 60~240 us，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，还要做延时，其延时的时间从外部上拉电阻将单总线拉高算起最少要480 微妙。初始化时序图如下：
   
2. 写时序
     写时序包括写 0 时序和写 1 时序。所有写时序至少需要 60us，且在 2 次独立的写时序之间至少需要 1us 的恢复时间，两种写时序均起始于主机拉低总线。写 1 时序：主机输出低电平，延时 2us，然后释放总线，延时 60us。写 0 时序：主机输出低电平，延时 60us，然后释放总线，延时 2us。写时序图如下：
   
3. 读时序
     单总线器件仅在主机发出读时序时，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。所有读时序至少需要 60us，且在 2 次独立的读时序之间至少需要 1us 的恢复时间。每个读时序都由主机发起，至少拉低总线 1us。主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的 15us 之内采样总线状态。读时序图如下：
   
     典型的读时序过程为：主机输出低电平延时 2us，然后主机转入输入模式延时 12us，然后读取单总线当前的电平，然后延时 50us。
     在了解了单总线时序之后，我们来看看 DS18B20 的典型温度读取过程，DS18B20 的典型温度读取过程：复位→发 SKIP ROM 命令（0XCC）→发开始转换命令（0X44）→延时→复位→发送 SKIP ROM 命令（0XCC）→发读存储器命令（0XBE）→连续读出两个字节数据(即温度)→结束。

二、硬件设计

  本实验使用到硬件资源如下：

• 动态数码管
• DS18B20

  动态数码管电路在前面章节已介绍，这里就不再重复。下面来看下开发板上DS18B20 模块电路，如下图所示：

  从上图可以看出，传感器接口的单总线管脚接至单片机 P3.7 IO 口上，在介绍单总线的时候我们说过，为了让单总线默认为高电平，通常会在单总线上接上拉电阻，在图中并没有看到有上拉电阻，这是因为单片机 IO 都外接了 10K 上拉电阻，当单片机 IO 口连接到传感器的总线管脚时即相当于它们外接上拉电阻，所以此处可以省去。

三、软件设计

  本节所要实现的功能是：插上 DS18B20 温度传感器，数码管显示检测的温度值。
  程序框架如下：

• 编写公共文件
  打开public.c，代码如下：

  #include "public.h"
  
  /*
  函 数 名 : delay_10us
  函数功能 : 延时函数，ten_us=1 时，大约延时 10us
  输 入 : ten_us
  输 出 : 无
  */
  void delay_10us(u16 ten_us)
  {
       
  	while(ten_us--);
  }
  
  /*
  函 数 名 : delay_ms
  函数功能 : ms 延时函数，ms=1 时，大约延时 1ms
  输 入 : ten_us
  输 出 : 无
  */
  void delay_ms(u16 ms)
  {
       
  	u16 i,j;
  	for (i=ms;i>0;i--)
  	{
       
  		for (j=110;j>0;j--);
  	}
  }
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  30

  其头文件public.h为：

  /*
  头文件作用如下：包含头文件，定义全局变量，声明函数
  */
  #ifndef _public_H
  #define 
  1
  2
  3
  4