基于DS18B20的溫度測量和顯示系統(tǒng)設(shè)計與仿真

摘要：基于美國DALLAS公司推出的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，給出了一個溫度測量與顯示系統(tǒng)的設(shè)計方法。該系統(tǒng)由51單片機(jī)AT89C52控制，并由8位數(shù)碼管顯示實時溫度，通過該系統(tǒng)可設(shè)置溫度上限與下限，以便在溫度超過限值時進(jìn)行報警。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；AT89C52；DS18B20；溫度測量

0 引言
    傳統(tǒng)的溫度檢測大多以熱敏電阻為溫度傳感器，而熱敏電阻的可靠性差，測量溫度準(zhǔn)確率低，且必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后才能由單片機(jī)進(jìn)行處理，在高精度要求的溫度檢測應(yīng)用中，熱敏電阻已經(jīng)被精度高、準(zhǔn)確性好的集成溫度采集設(shè)備所代替。DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型數(shù)字溫度傳感器。它在溫度精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面有很大改進(jìn)，因而被廣泛應(yīng)用于溫度采集與處理、數(shù)字溫度計及各種溫控系統(tǒng)中。本文采用DS18B20設(shè)計的溫度測量與顯示系統(tǒng)，可以實時測量并顯示的溫度范圍為-55～125℃。系統(tǒng)可設(shè)置溫度上限和溫度下限，當(dāng)測量溫度高于上限或者低于下限溫度時，系統(tǒng)將發(fā)出報警。

1 溫度傳感器DS18B20
    DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，該傳感器的可測溫度范圍為-55～125℃，可編程分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度為0．5℃、0．25℃、0．125℃和0．062 5℃。DS18B20的測量輸出為數(shù)字信號，并可單線串行發(fā)送給CPU，并支持多點組網(wǎng)。DS18B20有3腳和8腳兩種結(jié)構(gòu)，而8腳的結(jié)構(gòu)又有不同的封裝形式，圖1所示是DS18B20的引腳圖。本文采用三極管形狀的3腳DS18B20。
事實上，無論是3腳結(jié)構(gòu)還是8腳的結(jié)構(gòu)，DS18B20在實際電路中都只有3個引腳參與連接，即電源(VDD)、地(GND)和信號輸入輸出(DQ)。

2 系統(tǒng)仿真電路
    基于DS18B20的溫度測量與顯示系統(tǒng)仿真電路圖如圖2所示。

    電路中的單片機(jī)采用AT89C52，DS18B20采用外部電源供電方式，其DQ端子與單片機(jī)的P3．7相連。采用兩個4連排共陽極數(shù)碼管顯示實時溫度，分別用于顯示整數(shù)部分和小數(shù)部分。數(shù)碼管的段選線與單片機(jī)的P1口相連，位選線與P2口相連。圖中顯示的正是最高溫度125℃，由于在proteus軟件中DS18B20無法設(shè)置小數(shù)，所以小數(shù)部分只能顯示零了。DS18B20的最高分辨率為0．0625℃，所以理論上應(yīng)該能顯示4位小數(shù)。

3 軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括三部分，一是溫度測量部分，二是溫度顯示部分，還有一個是報警部分。
    DS18B20通過嚴(yán)格的單線通信協(xié)議來保證數(shù)據(jù)完整。該協(xié)議中定義了復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫0、寫1、讀0、讀1等幾種信號形式。其中，只有存在脈沖是由總線受控(即DS18B20)發(fā)出，其他的全部由總線主控(即單片機(jī))發(fā)出。
3．1 初始化
    DS18B20的初始化包括來自單片機(jī)的復(fù)位脈沖和接下來由DS18B20發(fā)出的存在脈沖。其初始化時序圖如圖3所示。
    當(dāng)DS18B20響應(yīng)單片機(jī)的復(fù)位而發(fā)出存在脈沖時，單片機(jī)便知道DS18B20在線上并已準(zhǔn)備好。單片機(jī)發(fā)送復(fù)位脈沖，即拉低總線至少480 μs，然后單片機(jī)釋放總線并進(jìn)入接收模式。當(dāng)DS18B20檢測到復(fù)位脈沖后，等待15～60 μs，然后發(fā)送存在脈沖，即拉低總線60～240μs。由于DS18B20的DQ引腳接了一個上拉電阻，所以，總線的空閑狀態(tài)為高電平，存在脈沖結(jié)束后，總線自動恢復(fù)到高電平狀態(tài)。單片機(jī)所要做的就是發(fā)出復(fù)位脈沖并檢測DS18B20的存在脈沖，其參考程序如下：
   
3．2 寫時序
    單片機(jī)可在寫時隙向DS18B20寫入數(shù)據(jù)，在讀時隙從DS18B20讀出數(shù)據(jù)，每個時隙總線上只傳送一位數(shù)據(jù)。寫時隙有“寫1”時隙和“寫0”時隙兩種。單片機(jī)通過寫1時隙向DS18B20寫入一個邏輯1，并通過寫0時隙向DS18B20寫入一個邏輯0。所有的寫時隙必須至少持續(xù)60 μs，并在每個獨(dú)立的寫時隙之間至少有1 μs的恢復(fù)時間。兩種寫時隙都是由單片機(jī)拉低總線開始的，如圖3所示。

    要產(chǎn)生寫1時隙，單片機(jī)在拉低總線后必須在15 μs之內(nèi)釋放總線。總線被釋放后，上拉電阻將把總線拉高。要產(chǎn)生寫0時隙，單片機(jī)在拉低總線后必須繼續(xù)保持總線低電平使時隙至少60μs。DS18B20在時隙開始后15～60 μs之間的時間段內(nèi)對總線進(jìn)行采樣，如果總線是高電平，則向DS18B20寫入一個1，如果總線是低電平，則向DS18B20寫入一個0。
    下面是向DS18B20寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)的程序代碼：
   
3．3 讀時序
    所有的讀時隙必須至少持續(xù)60μs，并在每個獨(dú)立的讀時隙之間至少有1μs的恢復(fù)時間。讀時隙開始后，先由單片機(jī)拉低總線至少1μs，然后單片機(jī)釋放總線。讀時隙開始后，DS18B20將開始向總線發(fā)送1或0。發(fā)送0時，DS18B20釋放總線直到時隙結(jié)束，此后上拉電阻將把總線拉回到高電平的空閑狀態(tài)。DS18B20的數(shù)據(jù)在讀時隙開始之后15μs之內(nèi)有效，因此，單片機(jī)在時隙開始后，必須釋放總線，然后在15 μs之內(nèi)對總線進(jìn)行采樣。下面是從DS18B20讀出一個字節(jié)數(shù)據(jù)的程序：
   
   
3．4 主要命令
    DS18B20有5個ROM操作命令，6個存儲器操作命令，表1所列是DS18B20的操作命令。
    本系統(tǒng)主要使用了表1中的3個命令，即跳過ROM、溫度變換和讀暫存器命令。

3．5 顯示程序
    DS18B20提供的溫度數(shù)據(jù)有兩個字節(jié)，其中低8位的末4位是小數(shù)部分，因此，程序中對溫度數(shù)據(jù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分要分別進(jìn)行處理。如t=t>>4；即得到溫度值的整數(shù)部分，t=t&0x0f；則得到溫度值的小數(shù)部分，然后分別在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示。
3．6 報警部分
    在程序中設(shè)置溫度上限和溫度下限后，測量溫度將與門限值進(jìn)行比較。如果測量溫度高于溫度上限或者低于溫度下限，系統(tǒng)就發(fā)出報警。

4 結(jié)語
    本文基于數(shù)字溫度傳感器DS18B20設(shè)計并仿真了一個溫度測量與顯示系統(tǒng)，同時，系統(tǒng)設(shè)置了溫度上限和溫度下限，當(dāng)測量溫度超出溫度門限值時，系統(tǒng)便會報警。事實上，具有顯示與報警功能的溫度測量系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，而且DS18B20可以支持多點組網(wǎng)，因此可以同時測量多點溫度。