温度传感器DS18B20

时间:2023-03-13作者:佚名

  DS18B20是美信公司的一款温度传感器,单片机可以通过1-Wire和DS18B20进行通信,最终将温度读出。1-Wire总线的硬件接口很简单,只需要把18B20的数据引脚和单片机的一个IO口接上就可以通信。硬件的简单,随之而来的,就是软件时序的复杂。1-Wire总线的时序比较复杂,很多同学在这里独立看时序图都看不明白,所以这里还要带着大家来研究18B20的时序图。我们先来看一下DS18B20的硬件原理图,如图1所示。

温度传感器DS18B20

图1 DS18B20

  DS18B20通过编程,可以实现最高12位的温度存储值,在寄存器中,以补码的格式存储,如图2所示。

温度传感器DS18B20

图2 DS18B20温度表示

  一共2个字节,LSB是低字节,MSB是高字节,其中MSb是字节的高位,LSb是字节的低位。大家可以看出来,二进制数字,每一位代表的温度的含义,都表示出来了。其中S表示的是符号位,低11位都是2的幂,用来表示最终的温度。DS18B20的温度测量范围是从-55度到 125度,而温度数据的表现形式,有正负温度,寄存器中每个数字如同卡尺的刻度一样分布,如图3所示。

温度传感器DS18B20

图3 DS18B20温度显示

  二进制数字最低位变化1,代表温度变化0.0625度的映射关系。当0度的时候,那就是0x0000,当温度125度的时候,对应十六进制是0x07D0,当温度是零下55度的时候,对应的数字是0xFC90。反过来说,当数字是0x0001的时候,那温度就是0.0625度了。

  首先,我先根据手册上DS18B20工作协议过程大概讲解一下。

  1、初始化。和I2C的寻址类似,1-Wire总线开始也需要检测这条总线上是否存在DS18B20这个器件。如果这条总线上存在DS18B20,总线会根据时序要求返回一个低电平脉冲,如果不存在的话,也就不会返回脉冲,即总线保持为高电平,所以习惯上称之为检测存在脉冲。此外,获取存在脉冲不仅仅是检测是否存在DS18B20,还要通过这个脉冲过程通知DS18B20准备好,单片机要进行操作它了,如图4所示。

温度传感器DS18B20

图4 获取存在脉冲

  大家注意看图,实粗线是我们单片机IO口拉低这个引脚,虚粗线是DS18B20拉低这个引脚,细线是单片机和DS18B20释放总线后,依靠上拉电阻的作用把IO口引脚拉上去的。这个我们前边提到过了,51单片机释放总线就是给高电平即可。

  存在脉冲检测过程,首先我们单片机要拉低这个引脚,持续大概480us到960us之间的时间即可,我们的程序中持续了500us。然后,单片机释放总线,就是给高电平,DS18B20等待大概15到60us后,会主动拉低这个引脚大概是60到240us,而后DS18B20会主动释放总线,这样IO口会被上拉电阻自动拉高。

  有的同学还是不能够彻底理解,程序列出来逐句解释。首先,由于DS18B20时序要求非常严格,所以在操作时序的时候,为了防止中断干扰总线时序,先关闭总中断。然后第一步,拉低DS18B20这个引脚,持续500us;第二步,延时60us;第三步,读取存在脉冲,并且等待存在脉冲结束。

  bit Get18B20Ack(void) //复位总线,获取存在脉冲,以启动一次读写操作

{

bit ack;

EA = 0; //禁止总中断

IO_18B20 = 0; //产生500us复位脉冲

DelayX10us(50);

IO_18B20 = 1;

DelayX10us(6); //延时60us

ack = IO_18B20; //读取存在脉冲

while(!IO_18B20); //等待存在脉冲结束

EA = 1; //重新使能总中断

return ack;

}

  很多同学对第二步不理解,时序图上明明是DS18B20等待15us到60us,为什么要延时60us呢?举个例子,妈妈在做饭,告诉你大概5分钟到10分钟饭就可以吃了,那么我们什么时候去吃,能够绝对保证吃上饭呢?很明显,10分钟以后去吃肯定可以吃上饭。同样的道理,DS18B20等待大概是15us到60us,我们要保证读到这个存在脉冲,那么60us以后去读肯定可以读到。当然,不能延时太久,太久,超过75us,就可能读不到了,为什么是75us,大家自己思考一下。

  2、ROM操作指令。我们学I2C总线的时候,总线上可以挂多个器件,通过不同的器件地址来访问不同的器件。同样,1-Wire总线也可以挂多个器件,但是他只有一条线,如何区分不同的器件呢?

   在每个DS18B20内部都有一个唯一的64位长的序列号,这个序列号值就存在DS18B20内部的ROM中。开始的8位是产品类型编码(DS18B20是10H),接着的48位是每个器件唯一的序号,最后的8位是CRC校验码。DS18B20可以引出去很长的线,最长可以到几十米,测不同位置的温度。单片机可以通过和DS18B20之间的通信,获取每个传感器所采集到的温度信息,也可以同时给所有的DS18B20发送一些指令。这些指令相对来说比较复杂,而且应用很少,所以这里大家有兴趣自己查手册自己完成,我们这里只讲一条总线上只接一个器件的指令和程序。

  Skip ROM(跳过ROM):0xCC。当总线上只有一个器件的时候,可以跳过ROM,不进行ROM检测。

  3、RAM存储器操作指令。

  RAM读取指令,只讲2条,其他的大家有需要可以随时去查资料。

  Read Scratchpad(读暂存寄存器):0xBE

  这里要注意的是,我们的DS18B20的温度数据是2个字节,我们读取数据的时候,先读取到的是低字节的低位,读完了第一个字节后,再读高字节的低位,一直到两个字节全部读取完毕。

  Convert Temperature(启动温度转换):0x44

  当我们发送一个启动温度转换的指令后,DS18B20开始进行转换。从转换开始到获取温度,DS18B20是需要时间的,而这个时间长短取决于DS18B20的精度。前边说DS18B20最高可以用12位来存储温度,但是也可以用11位,10位和9位一共四种格式。位数越高,精度越高,9位模式最低位变化1温度变化0.5度,同时转换速度也要快一些,如图5所示。

温度传感器DS18B20

图5 DS18B20温度转换时间

  其中寄存器R1和R0决定了转换的位数,出场默认值就是11,也就是12位表示温度,最大的转换时间是750ms。当启动转换后,至少要再等750ms之后才能读取温度,否则读到的温度有可能是错误的值。这就是为什么很多同学读DS18B20的时候,第一次读出来的是85度,这个值要么是没有启动转换,要么是启动转换了,但还没有等待一次转换彻底完成,读到的是一个错误的数据。

  4、DS18B20的位读写时序。

  DS18B20的时序图不是很好理解,大家对照时序图,结合我的解释学明白。写时序图如图6所示。

温度传感器DS18B20

图6 DS18B20位写入时序

  当要给DS18B20写入‘0’的时候,单片机直接将引脚拉低,持续时间大于60us小于120us就可以了。图上显示的意思是,单片机先拉低15us之后,DS18B20会在从15us到60us之间的时间来读取这一位,DS18B20最早会15us的时刻读取,典型值是30us的时刻读取,最多不会超过60us,DS18B20必然读取完毕,所以持续时间超过60us即可。

  当要给DS18B20写入‘1’的时候,单片机先将这个引脚拉低,拉低时间大于1us,然后马上释放总线,即拉高引脚,并且持续时间也要大于60us。和写‘0’类似的是,DS18B20会在15到60us之间来读取这个‘1’。

  可以看出来,DS18B20的时序比较严格,写的过程中最好不要有中断打断,但是在两个“位”之间的间隔,是大于1小于无穷的,那在这个时间段,我们是可以开中断来处理其他程序的。发送一个字节的数据程序如下。

void Write18B20(unsigned char dat) //向DS18B20写入一个字节数据

{

unsigned char mask;

EA = 0; //禁止总中断

for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在先,依次移出8个bit

{

IO_18B20 = 0; //产生2us低电平脉冲

_nop_();

_nop_();

if ((mask

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