單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20時序的溫度采集與讀取研究

1、引言

在分布式測溫系統(tǒng)中應用了大量的新型傳感器DS18B20，DS18B20是單總線數(shù)字溫度傳感器其硬件接線簡單，但時序非常復雜。要實現(xiàn)溫度的正確讀取，既要有對DS18B20的ROM操作命令，又有一些功能命令。這些命令的執(zhí)行，既有一定順序，又有特定含義。都需要基于數(shù)字溫度傳感器初始化時序、寫時序和讀時序，按照嚴格的時序配合才能完成溫度正確采集與讀取。因此要想正確使用單總線數(shù)字溫度傳感器，必須分析其時序關(guān)系，并且基于時序編制正確程序。單總線數(shù)字溫度傳感器時序分析與應用研究具有及其重要意義。

2．數(shù)字溫度傳感器時序

DS18B20與單片機只通過一條數(shù)據(jù)線連接，所以其數(shù)據(jù)的傳輸方式為串行方式。為了正確讀取溫度值，必須嚴格按照時序配合關(guān)系，進行程序編制。DS18B20有嚴格的通信協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。通信協(xié)議規(guī)定了總線上的多種信號的時序。如：復位脈沖、響應脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1等信號的時序。DS18B20是在嚴格的時序控制下進行正常操作的。換句話講，就是用較為復雜的軟件來換取簡單的硬件接口。因此要正確使用DS18B20，就必須了解其初始化時序、寫時序和讀時序。

2．1 數(shù)字溫度傳感器初始化時序

初始化時序有時也稱復位時序，它是數(shù)據(jù)線上所有傳輸過程的開始。整個初始化過程由主設(shè)備發(fā)出的復位脈沖和DS18B20的響應脈沖組成。在主設(shè)備初始化的過程中，主設(shè)備通過拉低數(shù)據(jù)線至少480μS ，DS18B20即認為是接收到一個初始化脈沖，接著主設(shè)備釋放數(shù)據(jù)線，在數(shù)據(jù)線上上拉電阻的作用下，數(shù)據(jù)線電平被拉高，并且主設(shè)備進入接收模式。在DS18B20檢測到上升沿后，延時15~60μS ，接著通過拉低總線60~240μS以產(chǎn)生應答脈沖。初始化時序如圖2所示。圖1是圖2、圖3和圖4的線型示意圖。

圖1 線型示意圖

圖2 初始化時序

在分布式測溫系統(tǒng)中CPU采用AT89S52，溫度讀取的初始化程序如下所示：

DAT BIT P1.0

INI10： SETB DAT

MOV R2， #185

INI11： CLR DAT

DJNZ R2， INI11 ; 復位脈沖時間600us

SETB DAT ; 釋放數(shù)據(jù)線

MOV R2， #28

INI12： DJNZ R2， INI12 ; 等待60us

CLR C

ORL C， DAT ; 有無應答低電平

JC INI10 ; 若無應答，初始化失敗

MOV R6， #40

INI13： ORL C， DAT

JC INI14 ; 數(shù)據(jù)線變高。初始化成功

DJNZ R6， INI13 ; 低電平最多240us

SJMP INI10 ; 低電平持續(xù)大于240us，失敗

INI14： MOV R2， #222

INI15： DJNZ R2， INI15 ; 應答信號至少要持續(xù)480us

RET

2．2 數(shù)字溫度傳感器寫時序

寫時序包括寫“0”時序和寫“1”時序。寫“1”時序用于主設(shè)備向DS18B20寫入1，寫“0”時序用于主設(shè)備向DS18B20寫入0。無論是哪種寫時序都至少需要60μS ，且在兩次獨立的寫時序之間至少需要1μS的恢復時間。兩種寫時序均起始于主設(shè)備拉低數(shù)據(jù)線電平。對于寫“1”時序，主設(shè)備在拉低數(shù)據(jù)線之后，緊接著必須在15μS之內(nèi)釋放數(shù)據(jù)線，由上拉電阻將數(shù)據(jù)線拉至高電平；而對于寫“0”時序，在主設(shè)備拉低數(shù)據(jù)線后，只需在整個時序內(nèi)保持低電平即可至少60μS。在寫時序開始后的15~60μS期間內(nèi)，DS18B20讀取數(shù)據(jù)線電平狀態(tài)。如果此期間數(shù)據(jù)線為高電平 ，則對器件寫入邏輯1，否則寫入邏輯0。寫時序如圖3所示。

圖3 數(shù)字溫度傳感器寫時序

寫一位程序如下所示。程序中DAT為I/O口P1.0。

WIR11： SETB DAT ; 拉高電平

MOV R4， #5

NOP

CLR DAT ; 高電平持續(xù)2us后拉低

WIR12： DJNZ R4， WIR12 ; 等待10微秒

MOV DAT， C ; 發(fā)送1位

MOV R4， #23

WIR13： DJNZ R4， WIR13 ; 保證寫時間大于60us

SETB DAT

RET

2．3 溫度傳感器讀時序

DS18B20只有在檢測到主設(shè)備啟動讀時序后才向主設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。所以一般在主設(shè)備發(fā)送了讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以便DS18B20能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有的讀時序都至少需要60μS，且在兩次獨立的讀時序之間至少需要1μS的恢復時間。每個讀時序都由主設(shè)備發(fā)起，先使數(shù)據(jù)線為高電平，然后拉低數(shù)據(jù)線至少1μS，再釋放數(shù)據(jù)線。在主設(shè)備發(fā)出讀時序之后，DS18B20開始在數(shù)據(jù)線上發(fā)送數(shù)據(jù)0或1。若其發(fā)送1，則保持數(shù)據(jù)線為高電平。若發(fā)送0，則DS18B20拉低數(shù)據(jù)線，在該時序結(jié)束后釋放數(shù)據(jù)線。DS18B20發(fā)出的數(shù)據(jù)在起始時序之后15μS內(nèi)保證可靠有效。因而主設(shè)備在讀時序期間必須釋放數(shù)據(jù)線，并且要在時序開始后的15μS之內(nèi)讀取數(shù)據(jù)線狀態(tài)。寫時序如圖4所示。

圖4 數(shù)字溫度傳感器讀時序

讀一位程序如下所示：

RE11： SETB DAT ; 使數(shù)據(jù)線為高電平

NOP

NOP

CLR DAT ; 高電平持續(xù)2us后拉低數(shù)據(jù)線

MOV R4， #4

NOP ; 持續(xù)低電平2us

SETB DAT ; 釋放數(shù)據(jù)線

RE12： DJNZ R4， RE12 ; 等待8us

MOV C， DAT ; 讀入一位

MOV R5， #28

RE13： DJNZ R5， RE13 ; 保證一個讀周期持續(xù)60us

SETB DAT ; 使數(shù)據(jù)線為高電平

RET

3．初始化以及讀寫時序應用

3．1 溫度采集程序設(shè)計

單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20要完成溫度的采集需要按順序完成如下幾個步驟：初始化、跳過ROM匹配、啟動轉(zhuǎn)換、等待轉(zhuǎn)換完成、初始化、匹配ROM、讀便箋式存儲器、CRC校驗、溫度格式轉(zhuǎn)換、保存溫度值以及顯示等其他處理。按照此步驟，程序設(shè)計時首先就要按照初始化時序執(zhí)行2.1所介紹的初始化程序INI10，其次要將跳過ROM匹配命令（代碼為CCH）寫入到DS18B20中，此時需根據(jù)2.2所介紹的數(shù)字溫度傳感器寫時序編寫對DS18B20一個寫入字節(jié)程序WRITE，將跳過ROM匹配命令寫入DS18B20。為了完成溫度啟動轉(zhuǎn)換，需要將啟動轉(zhuǎn)換命令寫入DS18B20中。用延時750ms等待轉(zhuǎn)換完成。隨后再按照初始化時序執(zhí)行本文中2.1所介紹的初始化程序INI10，用寫入一個字節(jié)程序?qū)⑵ヅ銻OM命令（代碼為55H）寫入到DS18B20中。為了完成讀便箋式存儲器操作，需要先結(jié)合數(shù)字溫度傳感器寫時序?qū)⒆x便箋式存儲器命令（代碼為BEH）寫入到DS18B20中，再用溫度傳感器讀時序編寫的讀一個字節(jié)程序READ，連續(xù)讀取DS18B20便箋式存儲器中9個字節(jié)的內(nèi)容。由此可見，要想實現(xiàn)溫度正確采集，需要結(jié)合上述所介紹的初始化時序、溫度傳感器寫時序和溫度傳感器讀時序，才可以將所需的命令寫入與讀出。完成溫度的正確讀取。

3．2 溫度傳感器序列號讀取程序設(shè)計

每個單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20出廠時都有唯一的一個64位序列號，在使用溫度傳感器之前，需事先將每個溫度傳感器逐一掛接在I/O口如P1.0上，再讀取溫度傳感器的序列號。當I/O口上掛接一個溫度傳感器DS18B20時，可以用讀ROM命令完成64位序列號的讀取。程序設(shè)計思路是首先將讀ROM命令（代碼為33H）送入累加器A中，隨后調(diào)用寫入一個字節(jié)程序WRITE，然后調(diào)用讀64位序列號程序DXLH。在寫入一個字節(jié)程序WRITE中，置循環(huán)次數(shù)為8，再調(diào)用寫入一位子程序，嚴格按照時序關(guān)系，執(zhí)行傳感器寫時序，循環(huán)8次寫完一個字節(jié)。在讀64位序列號程序DXLH中，置內(nèi)部RAM首地址為30H，置循環(huán)次數(shù)為8，調(diào)用讀一個字節(jié)程序READ，將讀取數(shù)據(jù)存放在內(nèi)部RAM中。循環(huán)8次讀完8個字節(jié)即64位序列號。讀出的64位序列號將存放到內(nèi)部RAM 30H ~ 37H單元中。讀一個字節(jié)程序READ如下所示。

READ： MOV R6， #8 ; 循環(huán)次數(shù)為8

SETB DAT ; 讀出一位程序，執(zhí)行傳感器讀時序

NOP

NOP

RD11： CLR DAT

MOV R4， #4

NOP ; 持續(xù)低電平2us

SETB DAT ; 釋放數(shù)據(jù)線

RD12： DJNZ R4， RD12 ; 等待8us

MOV C， DAT ; 讀入一位

RRC A ; 將讀入數(shù)據(jù)移入累加器A

MOV R5， #28

RD13： DJNZ R5， RD13 ; 保證一個讀周期持續(xù)60us

DJNZ R6， RD11 ; 循環(huán)8次讀一個字節(jié)

SETB DAT

RET

上述程序執(zhí)行完畢，可將溫度傳感器的64位序列號存放在單片機內(nèi)部RAM 30H ~ 37H單元中。

4．分布式測溫系統(tǒng)中溫度顯示

分布式測溫系統(tǒng)中，采用液晶顯示可以實現(xiàn)房間號的顯示，實際溫度的顯示，報警上限值的顯示以及報警發(fā)生時的時間。還可以循環(huán)顯示多個房間的實際溫度和上限值。如圖5所示。

圖5 分布式測溫系統(tǒng)中對應房間溫度以及報警上限顯示

5．結(jié)束語

正確讀取多個單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的溫度在分布式測溫系統(tǒng)中是非常重要的。由于在程序設(shè)計時必須根據(jù)嚴格的時序關(guān)系，因此本文作者創(chuàng)新點是詳細闡述了初始化時序、讀寫時序等復雜邏輯關(guān)系，設(shè)計了正確的溫度序列號讀取程序和溫度讀寫程序并能夠進行液晶顯示。由于單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20各個功能的實現(xiàn)是通過各種ROM命令與操作功能命令實現(xiàn)的，這些命令一環(huán)扣著一環(huán)，每個環(huán)都是一個時序的集合。在進行程序調(diào)試時，不能像調(diào)試其它程序一樣用單步執(zhí)行來進行跟蹤，因此對錯誤查找和程序優(yōu)化帶來了很大的難度。在遇到程序運行出錯時，只能夠根據(jù)錯誤現(xiàn)象來分析、推測、修改和再運行來解決，而不能直接定位。文中所介紹的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20程序設(shè)計思路與方法，目前已較好地應用于分布式測溫系統(tǒng)中，并且滿足一定精度要求。

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