一文解析數(shù)字溫度傳感器DS18B20的應(yīng)用案例

概述

溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)，與人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著密切的關(guān)系，在電力供應(yīng)中離不開溫度測量。液壓操作動(dòng)機(jī)的斷路器是電網(wǎng)的重要設(shè)備，保證斷路器液壓操作機(jī)構(gòu)油路的正常運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)保證電網(wǎng)安全具有重要意義。當(dāng)環(huán)境溫度降低到一定程度后，斷路器的油路流動(dòng)受到影響，液壓油黏度增大不利于油路的流動(dòng)，影響斷路器的特性。正常情況下，該裝置顯示當(dāng)時(shí)溫度值。當(dāng)氣溫升高或降低到規(guī)定值時(shí)，此裝置會(huì)立即自動(dòng)安全關(guān)閉或打開加溫裝置，防止發(fā)生事故，是變電站不可缺少的保護(hù)裝置。因此研究溫度的測量方法和測量裝置在實(shí)際生產(chǎn)中有著重要的意義。

測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器。隨著技術(shù)飛速發(fā)展，傳感器已進(jìn)入第三代數(shù)字傳感器。本測溫系統(tǒng)采用的DS18B20就是屬于這種傳感器。

DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20是一種但總線溫度傳感器屬于新一代是配微處理器的智能溫度傳感器，這種傳感器具有體積小、精度高、接口方便、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域的控制儀器、測控系統(tǒng)中。

二 DS18B20的介紹

1.DS18B20的幾個(gè)特點(diǎn)：

a. DS18B20因?yàn)椴捎昧藛?a target="_blank">總線技術(shù)，可通過串行口線，也可通過其他I/O口線與微機(jī)直接接 傳感器直接輸出被測溫度值（二進(jìn)制數(shù)）。

b.其測量溫度范圍為：-55℃————+125℃，

c.測量分辨率為：0.0625℃，是其他傳感器無法相比的。

圖1 DS18B20外部形狀及管腳

d.內(nèi)含64位只讀存儲(chǔ)器ROM，（內(nèi)存出廠序列號(hào)，是對(duì)應(yīng)每一個(gè)器件的唯一號(hào)），還又RAM 存有溫度當(dāng)前轉(zhuǎn)換值及符號(hào)。

e.用戶可分別設(shè)定每個(gè)器件的溫度上、下限。

f.內(nèi)含寄生電源。

2. DS18b20的結(jié)構(gòu)：

a. 64位光刻ROM ，可以看作是DS18B20的地址序列號(hào)，如表一所示。

表1

b.高速暫存器RAM共占0、1兩個(gè)單元：

表2

兩個(gè)8位的RAM中，存放二進(jìn)制的數(shù)，高五位是符號(hào)位，如果溫度大于0OC，這五位數(shù)為0，將測到的數(shù)值乘以0.0625，即得到實(shí)際的溫度值;如果溫度小于0OC，高五位為1，測到的數(shù)值需要取反加1，再乘以0.0625 ，才得到實(shí)際的溫度值。

c. 九個(gè)寄存器的名稱及作用：

表3

三 DS18B20 的控制方法

DS18B20的操作是通過執(zhí)行操作命令實(shí)現(xiàn)的， 其控制程序是按照DS18B20的通訊協(xié)議編制的。單片機(jī)與DS18B20交換數(shù)據(jù)，CPU按照單總線協(xié)議在總線上產(chǎn)生復(fù)位時(shí)序和讀寫時(shí)序來實(shí)現(xiàn)的。其中包含復(fù)位脈沖、響應(yīng)脈沖、讀、寫時(shí)序，只有響應(yīng)脈沖是DS18B20發(fā)出的，其他都有單片機(jī)發(fā)出。時(shí)序的具體要求如下：

（1） 復(fù)位脈沖：單片機(jī)發(fā)出一個(gè)寬為480—960μs的負(fù)脈沖之后再發(fā)出5—60μs的正脈沖，此時(shí)DS18B20會(huì)發(fā)出一個(gè)60—240μs的響應(yīng)脈沖，復(fù)位時(shí)序結(jié)束。也就是呼應(yīng)階段。

（2） 寫時(shí)間片：寫一位二進(jìn)制的信息，周期至少為61μS，其中含1μS的恢復(fù)時(shí)間，單片機(jī)啟動(dòng)寫程序后15—60μs期間DS18B20自動(dòng)采樣數(shù)據(jù)線，低電平為“0”，高電平為“1”。單片機(jī)寫“0”時(shí)，要持續(xù)低電平60—120μs，寫“1”時(shí)，要在啟動(dòng)后15μs之內(nèi)使數(shù)據(jù)線變?yōu)楦唠娖健?/p>

（3） 讀時(shí)間片：讀一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，周期及恢復(fù)時(shí)間要求與寫時(shí)間片相同。單片機(jī)啟動(dòng)讀時(shí)序之后，至少保持1μs低電平，然后在接近啟動(dòng)后15μs之前讀入數(shù)據(jù)。低電平為“0”，高電平為“1”。

（4） ROM 操作命令的執(zhí)行：

在 ROM 操作命令中，有兩條命令專門用于獲取傳感器序列號(hào)：讀ROM命令（33H）和搜索ROM命令（FOH）。讀ROM命令只在總線上只有一個(gè)傳感器的情況下使用。具體 的 搜 索過程為：（1）單片機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖進(jìn)行初始化，連接在P3。5口上的傳感器則發(fā)出存在脈沖做出響應(yīng)。（2）單片機(jī)在單總線上發(fā)出搜索ROM命令。（3）單片機(jī)從單總線上讀一位數(shù)據(jù)。ds18b20的工作時(shí)序分別有初始化時(shí)序、寫時(shí)序、讀時(shí)序、轉(zhuǎn)換時(shí)序等，根據(jù)傳感器的這些時(shí)序要求編寫出子程序、主程序

表4

四 測溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇體積小、成本低、內(nèi)帶2K EEPROM的89C2051作為控制芯片，晶振采用12MHZ，用74LS07，74LS04驅(qū)動(dòng)三個(gè)LED數(shù)碼管和一個(gè)繼電器線圈從而驅(qū)動(dòng)電加熱設(shè)備。P3.5口作為采集溫度信號(hào)線，P1口作為顯示數(shù)據(jù)線，與P3.3，P3.4組成顯示的個(gè)位、十位及符號(hào)位，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。在本系統(tǒng)中測控一路溫度信號(hào)，DS18B20通過單總線方式連接在單片機(jī)的P3。5.引腳上，用戶可設(shè)定所需的溫度測定值（包括上限值和下限值），P3.1引腳控制電熱設(shè)備啟動(dòng)與停止，從而達(dá)到控制溫度效果。整個(gè)硬件系統(tǒng)簡單、明晰。

圖4 DS18B20測溫硬件原理圖

五 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：

系統(tǒng)對(duì)溫度檢測控并實(shí)時(shí)顯示溫度值。所選用的溫度傳感器芯片DS18B20屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器，時(shí)序復(fù)雜，在編程及運(yùn)行中均須嚴(yán)格安照時(shí)序進(jìn)行。

測溫系統(tǒng)的工作流程：初始化——-獲取序列號(hào)的ROM操作命令——-寫存儲(chǔ)器操作命令——-讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)——-處理數(shù)據(jù)—-顯示溫度—-啟動(dòng)控制設(shè)備。主程序功能是調(diào)用各功能子程序、控制電熱設(shè)備開啟與停止。子程序包括：對(duì)DS18B20初始化子程序、讀子程序、寫子程序、溫度轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)值計(jì)算子程序、顯示子程序。（見程序方框圖）

此系統(tǒng)程序編寫雖然比AD590測溫復(fù)雜，但省去A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)硬件，提高精度及抗干擾能力，系統(tǒng)穩(wěn)定。

結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)采用的是DS18B20是最新的單線數(shù)字溫度傳感器，其技術(shù)含量高，時(shí)序復(fù)雜，但成本低，在測溫要求精度高的情況下也能滿足，是首選元器件。本裝置采用89C2051單片機(jī)+串行智能傳感器來完成此功能。不管從經(jīng)濟(jì)還是技術(shù)上看都是優(yōu)等的選擇。

編輯：hfy