基於單總線器件DS18B20的溫度測量儀

2020-11-21 電子產品世界

　　1 引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/87493.htm

　　許多情況下需要測量溫度參數。通常測溫系統的主要器件是熱敏電阻，由於它體積小、重複性好、測量方法簡單，所以在測溫系統中廣泛應用。但採用熱敏電阻的測溫系統需要A／D轉換，而且測量精度不高。本文採用Dallas公司生產的一種新型溫度傳感器DS18B20，它集溫度測量、A／D轉換於一體，其測量範圍寬(-55℃～+125℃)，精度高(0.0625℃)，DS18B20是一款具有單總線結構的器件。

　　由DS18B20組建的溫度測量單元體積小，便於攜帶、安裝。同時，DS18B20的輸出為數字量，可以直接與單片機連接，無需後級A／D轉換，控制簡單。由於DS18B20具有單總線特性，便於擴展，可在一根總線上掛接多個DS18B20來組建溫度測量網絡。

　　2 硬體電路設計

　　本系統設計採用 Mega8單片機控制DS18B20，由顯示電路顯示當前溫度。其系統硬體電路如圖1所示。Atmel的Mega8單片機採用RTSC(精簡指令集)，指令執行速度快，內嵌8 KB Flash程序存儲器，支持ISP(在系統編程)，片內含有大容量的RAM區，具有SPT總線、I2C總線、ADC功能。Mega8單片機體積小，功能強，具有PDIP-28封裝及TQFP封裝。

　　DS18B20採用單總線方式和Mega8單片機相連，即DS18B20的1引腳和3引腳接地，2引腳通過一隻240 Ω的電阻接至Mega8的PB7引腳，同時將PB7引腳採用一隻4.7 kΩ的電阻上拉至VCC。

　　單總線即只用一根信號線，既供電，又傳輸數據，而且數據傳輸是雙向的，單總線具有"線與"功能，連接方便，便於擴展。

　　由於DS18B20採用 CMOS技術，耗電量很小，從總線上"偷"一點電保存到DS18B20內的電容中就可供給器件工作。串聯240 Ω電阻的目的是防止有缺陷的程序損壞DS18B20，如果沒有正確地採用OC(集電極開路)或OD(漏極開路)結構驅動DS18B20，而是選擇推挽方式，DS18B20可能被燒壞。 2.1 DS18B20的控制時序

　　由於DS18B20是採用一根I／O總線讀寫數據，因此，DS18B20對讀寫數據位有嚴格的時序要求。DS18B20遵循相應的通信協議從而保證數據傳輸的正確性和完整性。該通信協議定義了多種信號時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將單片機作為主機，DS18B20作為從機。每一次命令和數據傳輸都是從主機啟動寫時序開始，如果要求從機回送數據，在寫命令後，主機需啟動讀時序接收數據。所有的讀、寫時序至少需要60μs，且每兩個獨立的時序之間至少需要1μs的恢復時間。數據和命令的傳輸都足低位優先。

　　DS18B20的復位時序包括主機發出的復位脈衝和從機發出的應答脈衝。上機通過拉低單總線並保持至少480μs產十復位脈衝，然後由主機釋放總線，進入接收模式。主機釋放總線時，會產生一個由低電半跳變為高電平的上升沿，DS18B20檢測到該上升沿後，延時15μs～60μs，接著DS18B20通過拉低總線60μs～240μs產生應答脈衝。主機接收到DB18B20的應答脈衝後就開始對DS18B20進行ROM命令和功能命令操作。DS18B20的復位時序如圖2所示。

　　DS18B20的讀時序分為讀0時序和讀1時序。DS18B20的讀時序是主機將單總線拉為低電平，在15μs之內釋放單總線，以便使DS18B20將數據傳輸到單總線上。若DS18B20發送1，總線保持高電平，若發送0，則總線為低電平。由於DS18B20發送數據後保持15μs有效時間，因此，主機在讀時序時必須釋放總線，且保持15μs的採樣總線狀態，以便接收DS18B20發送數據。DS18B20的讀時序如圖3所示。

 　　DS18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序。但DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同。DS18B20寫0時序時，單總線需要被拉低至少60μs，保證DS18B20能夠在15μs～45μs能夠正確地採樣I／O總線上的"0"電平；DS18B20寫1時序時，單總線被拉低，並在15μs內釋放單總線。DS18B20的寫時序如圖4所示。
 

 

　　DS18B20具有下面控制命令，如表1所示。

　　2.2 DS18B20的控制命令


 　　單片機向DS18B20發送這些控制命令，完成相應操作。例如，向DS18B20發送0x44命令，則DS18B20開始啟動溫度轉換。 

　　3 軟體設計

　　Mega8單片機對DS18B20的控制嚴格遵循單總線的復位及讀、寫時序要求，同時，需要寫入必要的控制字控制DS18B20完成相應工作。當寫入0x44控制字啟動DS18B20溫度轉換後，需要等待至少800 ms，在這個時間段內DS18B20完成溫度的採集和A／D轉換，此時讀取的數據才是正確的。軟體程序流程圖如圖5所示。

　　主程序如下所示：


　　4 結束語 

　　DS18B20集溫度測量、A／D轉換於一體，具有體積小、動態範圍寬、測量精度高、單總線結構等特點。經試驗，基於Mega8單片機和DS18B20的溫度測量儀，設計簡單，控制方便，測量準確，測溫範圍寬，完全可以取代水銀溫度計和熱敏電阻測量。利用單總線具有很強的擴展性，還可以組建多點的溫度檢測網絡。因此，基於Mega8單片機和DS18B20的溫度測量儀，具有廣泛的應用前景。

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