基于單總線(xiàn)器件DS18B20的溫度測量?jì)x

　　1 引言

　　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，由于它體積小、重復性好、測量方法簡(jiǎn)單，所以在測溫系統中廣泛應用。但采用熱敏電阻的測溫系統需要A／D轉換，而且測量精度不高。本文采用Dallas公司生產(chǎn)的一種新型溫度傳感器DS18B20，它集溫度測量、A／D轉換于一體，其測量范圍寬(-55℃～+125℃)，精度高(0.0625℃)，DS18B20是一款具有單總線(xiàn)結構的器件。

　　由DS18B20組建的溫度測量單元體積小，便于攜帶、安裝。同時(shí)，DS18B20的輸出為數字量，可以直接與單片機連接，無(wú)需后級A／D轉換，控制簡(jiǎn)單。由于DS18B20具有單總線(xiàn)特性，便于擴展，可在一根總線(xiàn)上掛接多個(gè)DS18B20來(lái)組建溫度測量網(wǎng)絡(luò )。

　　2 硬件電路設計

　　本系統設計采用 Mega8單片機控制DS18B20，由顯示電路顯示當前溫度。其系統硬件電路如圖1所示。Atmel的Mega8單片機采用RTSC(精簡(jiǎn)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(xiàn)、I2C總線(xiàn)、ADC功能。Mega8單片機體積小，功能強，具有PDIP-28封裝及TQFP封裝。

　　DS18B20采用單總線(xiàn)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(guò)一只240 Ω的電阻接至Mega8的PB7引腳，同時(shí)將PB7引腳采用一只4.7 kΩ的電阻上拉至VCC。

　　單總線(xiàn)即只用一根信號線(xiàn)，既供電，又傳輸數據，而且數據傳輸是雙向的，單總線(xiàn)具有"線(xiàn)與"功能，連接方便，便于擴展。

　　由于DS18B20采用 CMOS技術(shù)，耗電量很小，從總線(xiàn)上"偷"一點(diǎn)電保存到DS18B20內的電容中就可供給器件工作。串聯(lián)240 Ω電阻的目的是防止有缺陷的程序損壞DS18B20，如果沒(méi)有正確地采用OC(集電極開(kāi)路)或OD(漏極開(kāi)路)結構驅動(dòng)DS18B20，而是選擇推挽方式，DS18B20可能被燒壞。 2.1 DS18B20的控制時(shí)序

　　由于DS18B20是采用一根I／O總線(xiàn)讀寫(xiě)數據，因此，DS18B20對讀寫(xiě)數據位有嚴格的時(shí)序要求。DS18B20遵循相應的通信協(xié)議從而保證數據傳輸的正確性和完整性。該通信協(xié)議定義了多種信號時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序。所有時(shí)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(dòng)寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始，如果要求從機回送數據，在寫(xiě)命令后，主機需啟動(dòng)讀時(shí)序接收數據。所有的讀、寫(xiě)時(shí)序至少需要60μs，且每?jì)蓚€(gè)獨立的時(shí)序之間至少需要1μs的恢復時(shí)間。數據和命令的傳輸都足低位優(yōu)先。

　　DS18B20的復位時(shí)序包括主機發(fā)出的復位脈沖和從機發(fā)出的應答脈沖。上機通過(guò)拉低單總線(xiàn)并保持至少480μs產(chǎn)十復位脈沖，然后由主機釋放總線(xiàn)，進(jìn)入接收模式。主機釋放總線(xiàn)時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)由低電半跳變?yōu)楦唠娖降纳仙?，DS18B20檢測到該上升沿后，延時(shí)15μs～60μs，接著(zhù)DS18B20通過(guò)拉低總線(xiàn)60μs～240μs產(chǎn)生應答脈沖。主機接收到DB18B20的應答脈沖后就開(kāi)始對DS18B20進(jìn)行ROM命令和功能命令操作。DS18B20的復位時(shí)序如圖2所示。

　　DS18B20的讀時(shí)序分為讀0時(shí)序和讀1時(shí)序。DS18B20的讀時(shí)序是主機將單總線(xiàn)拉為低電平，在15μs之內釋放單總線(xiàn)，以便使DS18B20將數據傳輸到單總線(xiàn)上。若DS18B20發(fā)送1，總線(xiàn)保持高電平，若發(fā)送0，則總線(xiàn)為低電平。由于DS18B20發(fā)送數據后保持15μs有效時(shí)間，因此，主機在讀時(shí)序時(shí)必須釋放總線(xiàn)，且保持15μs的采樣總線(xiàn)狀態(tài)，以便接收DS18B20發(fā)送數據。DS18B20的讀時(shí)序如圖3所示。

 　　DS18B20的寫(xiě)時(shí)序仍然分為寫(xiě)0時(shí)序和寫(xiě)1時(shí)序。但DS18B20寫(xiě)0時(shí)序和寫(xiě)1時(shí)序的要求不同。DS18B20寫(xiě)0時(shí)序時(shí)，單總線(xiàn)需要被拉低至少60μs，保證DS18B20能夠在15μs～45μs能夠正確地采樣I／O總線(xiàn)上的"0"電平；DS18B20寫(xiě)1時(shí)序時(shí)，單總線(xiàn)被拉低，并在15μs內釋放單總線(xiàn)。DS18B20的寫(xiě)時(shí)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(fā)送這些控制命令，完成相應操作。例如，向DS18B20發(fā)送0x44命令，則DS18B20開(kāi)始啟動(dòng)溫度轉換。 

　　3 軟件設計

　　Mega8單片機對DS18B20的控制嚴格遵循單總線(xiàn)的復位及讀、寫(xiě)時(shí)序要求，同時(shí)，需要寫(xiě)入必要的控制字控制DS18B20完成相應工作。當寫(xiě)入0x44控制字啟動(dòng)DS18B20溫度轉換后，需要等待至少800 ms，在這個(gè)時(shí)間段內DS18B20完成溫度的采集和A／D轉換，此時(shí)讀取的數據才是正確的。軟件程序流程圖如圖5所示。

　　主程序如下所示：


　　4 結束語(yǔ) 

　　DS18B20集溫度測量、A／D轉換于一體，具有體積小、動(dòng)態(tài)范圍寬、測量精度高、單總線(xiàn)結構等特點(diǎn)。經(jīng)試驗，基于Mega8單片機和DS18B20的溫度測量?jì)x，設計簡(jiǎn)單，控制方便，測量準確，測溫范圍寬，完全可以取代水銀溫度計和熱敏電阻測量。利用單總線(xiàn)具有很強的擴展性，還可以組建多點(diǎn)的溫度檢測網(wǎng)絡(luò )。因此，基于Mega8單片機和DS18B20的溫度測量?jì)x，具有廣泛的應用前景。