基于DS18B20 温度传感器的数字温度计

收稿日期 :2007202206 ; 　定稿日期 :2007204218 基金项目 :国家重点基础研究发展 (973)计划资助项目 (2004CB217702204201) 基于 DS18B20 温度传感器的数字温度计 张 　越1 , 张 　炎2 , 赵延军1 (1. 河北理工大学 计算机与自动控制学院 , 河北 唐山 　063009 ; 2. 唐山供电公司 , 河北 唐山 　063000) 　 摘　要 : 　详细介绍了一种基于 51 单片机和 DS18B20 数字温度传感器来进行温度测量的方法 ,包 括温度传感器芯片的选取、单片机与温度传感器接口电路的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ,以及实现温度信息采集和数据传 输的软件设计。DS18B20 数字温度传感器是单总线器件 ,与 51 单片机组成一个测温系统 ,具有线 路简单、体积小等特点 ,而且在一根通信线上 ,可以挂接很多这样的测温系统 ,十分方便。 关键词 : 　数字温度计 ; 单片机 ; 温度传感器 ; 单线技术 中图分类号 : 　TP212. 11 　　　　　　　文献标识码 : 　A 　　　　　　　文章编号 :100423365 (2007) 0520709203 　 Digital Temperature Measurement System Based on DS18B20 ZHAN G Yue1 , ZHAN G Yan2 , ZHAO Yan2jun1 (1 . School of Com puter and A utomatic Cont rol Engineering , Hebei Pol y technic Universi t y , Tangshan , Hebei 063009 , P. R. China; 2 . Tangshan Power S up pl y Com pany , Tangshan , Hebei 063000 , P. R. China) 　 Abstract : 　A practical temperature measuring method based on microcontroller and DS18B20 digital temperature sensor was presented. The selection of temperature sensor chip was discussed and the design of hardware interface circuit and related software were dealt with in more details. The proposed design is simple in hardware connection lines and small in size. In addition , it is applicable for different temperature measuring systems based on DS18B20 temperature sensors hung on one communication line. Key words :　Temperature measurement system ; Microcontroller ; Temperature sensor ; 12wire technology EEACC : 　1200 　 1 　引　言 单片机在测控领域中具有十分广泛的应用 ,它 既可以测量电信号 ,又可以测量温度、湿度等非电信 号。由单片机构成的温度检测、温度控制系统可广 泛应用于很多领域。本文讨论应用 51 单片机进行 温度测量的问题。 2 　设计思路 单片机的接口信号是数字信号。要想用单片机 获取温度这类非电信号的信息 ,必须使用温度传感 器 ,将温度信息转换为电流或电压输出。如果转换 后的电流或电压输出是模拟信号 ,还必须进行 A/ D 转换 ,以满足单片机接口的需要。 传统的温度检测大多以热敏电阻作为温度传感 器。但是 ,热敏电阻的可靠性较差、测量温度准确率 低 ,而且还必须经专门的接口电路转换成数字信号 后才能由单片机进行处理。本文介绍一种采用数字 温度传感器实现的基于单片机的数字温度计。 设计单片机数字温度计需要考虑以下 3 个方面 : ·温度传感器芯片的选择 ; ·单片机和温度传感器的接口电路 ; ·控制温度传感器实现温度信息采集以及数据 传输的软件。 2 . 1 　温度传感器 DSl8B20 DSl8B20 是美国达拉斯 (Dallas) 公司的单线数 第 37 卷第 5 期 2007 年 10 月 微 电 子 学 Microelect ronics Vol137 , No . 5 Oct12007 字温度传感器芯片 , 与传统的热敏电阻不同 , DSl8B20 可直接将被测温度转换为串行数字信号 , 供单片机处理。通过编程 ,DSl8B20 可以实现 9～ 12 位的温度读数。信息经过单线接口送入 DSl8B20 ,或从 DS18B20 送出 ,因此 ,从单片机到 DS18B20 仅需连接一条信号线和地线。另外 ,每片 DSl8B20 都设有惟一的产品序列号 ,存放在它的内 部 ROM 中 ,单片机通过简单的 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 就能识别这个 序列号。因此 ,多个 DSl8B20 可以挂接于同一条单 线总线上 ,特别适合构成多点温度测控系统。 2 . 2 　单线( 12wire)技术 目前 ,微机和外设之间数据传输的串行总线常 用的有 I2 C 总线、SPI 总线等。其中 , I2 C 总线采用 同步串行两线 (一根时钟线、一根数据线) 方式 ,而 SPI 总线采用同步串行三线 (一根时钟线、一根输入 线、一根数据输出线)方式。美国达拉斯半导体公司 推出了一项特有的单线 (12wire) 技术。该技术与上 述总线不同 ,它采用单根信号线 ,既可传输时钟 ,又 能传输数据 ,而且数据传输是双向的。这种单线技 术具有线路简单、便于扩展的优点。 单线技术适用于单主机系统 ,单主机能够控制 一个或多个从机设备 ,它们之间的数据交换、控制都 由这根线来完成。主机和从机之间的通信主要分为 3 个步骤 :初始化单线器件、识别单线器件和单线数 据传输。由于只有一根线通信 ,所以它们必须是严 格的主从结构 ,只有主机呼叫从机时 ,从机才能应 答 ,主机访问每个单线器件必须严格遵循单线命令 序列 ,如果命令序列混乱 ,单线器件将不会响应主 机。 3 　硬件电路 单片 机 选 用 Atmel 公 司 的 单 片 机 芯 片 A T89C52 ,完全可以满足本系统中要求的采集、控 制和数据处理的需要。温度传感器选用 DSl8B20 (8 引脚 SOIC 封装) ,其引脚分布如图 1 所示。 图 1 　DSl8B20 引脚分布图 Fig. 1 　Pinout s of DB18B20 引脚功能如下 : NC(1、2、6、7、8 脚) :空引脚 ,悬空不使用 ; V DD (3 脚) :可选电源脚 ,电源电压范围 3～5. 5 V。工作于寄生电源时 ,此引脚应接地 ; DQ (4 脚) :数据输入/ 输出脚 ,漏极开路 ,常态 下高电平。 DSl8820 的核心功能部件是它的数字温度传感 器 ,其分辨率可配置为 9、10、11 和 12 位 ,出厂默认 设置为 12 位分辨率 ,对应的温度值分辨率分别为 0. 5 、0. 25 、0. 125 和 0. 0625。温度信息的低位、高 位字节内容中 ,还包括了符号位 S(是正温度还是负 温度)和二进制小数部分 ,具体形式为 : 低位字节 : 23 22 21 20 2 - 1 2 - 2 2 - 3 2 - 4 MSB 　　　　　　　　　　　　L SB 高位字节 : S S S S S 26 25 24 MSB 　　　　　　　　　　　　L SB 这是 12 位分辨率的情况 ,如果配置为低的分辨 率 ,则其中无意义位为 0。 实测温度和数字输出的对应关系如表 1 所示。 表 1 　实测温度和数字输出的对应关系 　Table 1 　Relationship between measured temperatures and digital output 温度/ ℃ 数字输出 (二进制) 数字输出(十六进制) + 125 0000 0111 1101 0000 07D0 H + 85 0000 0101 0101 0000 0550 H + 25. 0625 0000 0001 1001 0001 0191 H + 10. 125 0000 0000 1010 0010 00A2 H + 0. 5 0000 0000 0000 1000 0008 H 0 0000 0000 0000 0000 0000 H - 0. 5 1111 1111 1111 1000 FFF8 H - 10. 125 1111 1111 0101 1110 FF5 EH - 25. 0625 1111 1110 0110 1111 FF6F H - 55 1111 1100 1001 0000 FC90 H 在 DSl8B20 完成温度变换之后 ,温度值与储存 在 T H 和 TL 内的告警触发值进行比较。由于是 8 位寄存器 ,所以 9～12 位在比较时忽略。T H 或 TL 的最高位直接对应于 16 位温度寄存器的符号位。 如果温度测量的结果高于 T H 或低于 TL ,那么器 件内告警标志将置位 ,每次温度测量都会更新此标 志。只要告警标志置位 ,DSl8B20 就将响应告警搜 索命令 ,这也就允许单线上多个 DSl8B20 同时进行 温度测量 ,即使某处温度越限 ,也可以识别出正在告 　710 张 　越等 : 基于 DS18B20 温度传感器的数字温度计 2007 年 　 警的器件。 图 2 是系统的电路原理图。图 2 中 ,U1 为单片 机 A T89C52 ,它的 P0 和 P2 口与数码管电路连接 (本设计中略去) ,以控制温度的数字显示。P3. 7 口 和 DSl8B20 的引脚 DQ 连接 ,作为单一数据线。U2 即为温度传感芯片 DSl8B20 ,本设计虽然只使用了 一片 DSl8B20 ,但由于不存在远程温度测量的考虑 , 所以为了简单起见 ,采用外部供电的方式 ,如图 2 所 示。测温电缆采用屏蔽 4 芯双绞线 ,其中一对线接 地线与信号线 ,另一对接 V CC和地线 ,屏蔽层在源端 单点接地。 图 2 　基于 DSl8B20 的数字温度计电路原理图 　Fig. 2 　Schematics of digital temperature measurement system based on DS18B20 4 　软件设计 DSl8B20 是单线器件 ,在一根数据线上实现数 据的双向传输 ,因此需要一定的协议来对读写数据 提出严格的时序要求。而 A T89C52 单片机并不支 持单线传输 ,必须采用软件的方法来模拟单线的协 议时序。 4 . 1 　DSl8B20 的单线协议和命令 主机操作单线器件 DSl8B20 遵循下面的顺序 : 初始化 :主机通过拉低单线 480μs 以上 ,产生 复位脉冲 ,然后释放该线 ,进入 Rx 接收模式。主机 释放总线时 , 会产生一个上升沿。单线器件 DSl8B20 检测到该上升沿后 ,延时 15～60μs ,通过 拉低总线 60～240μs 来产生应答脉冲。主机接收 到从机的应答脉冲后 ,说明有单线器件在线。 ROM 操作命令 :一旦总线主机检测到应答脉 冲 ,便可以发起 ROM 操作命令。 内存操作命令 :在成功执行了 ROM 操作命令 之后 ,才可以使用内存操作命令。 数据处理 :DSl8B20 有严格的时序来保证数据 的完整性。在单线 DQ 上 ,存在复位脉冲、应答各脉 冲、写“0”、写“l”、读“0”和读“1”几种信号类型。 4 . 2 　程序流程 单片机实现温度转换读取温度数值程序的流程 如图 3 所示。 图 3 　单片机实现温度转换读取温度数值程序流程 　Fig. 3 　Flowchart for microcontroller to read temperature values converted program 5 　结束语 传统的温度检测大多以热敏电阻作为温度传感 器 ,但是热敏电阻的可靠性较差、测量温度准确率 低 ,而且还必须经过专门的接口电路转换成数字信 　　　　 (下转第 716 页) 　第 5 期 张 　越等 : 基于 DS18B20 温度传感器的数字温度计 711 　 路功耗和设计难度 ; 设计了一款用于 10 位 300 M Hz 采用率 4 路并行流水线 A/ D 转换器前端采 样/ 保持电路模块和乘法增益电路模块的运算放大 器。理论计算和电路仿真结果证明了此低功耗设计 方法的显著效果及可行性。 表 1 　仿真电路的性能指标 Table 1 　Specif ications of the op2amp 主要指标 本文设计 文献[8 ] 工艺 0. 35μm CMOS 0. 25μm CMOS 电源电压/ V 3. 3 2. 5 直流增益/ dB 106 102 单位增益带宽/ M Hz 402 822 相位裕度/ (°) 79 62. 5 输出摆幅/ V 2. 5 2 负载/ p F 4 4 建立精度/ % 0. 05 0. 05 建立时间/ ns 8. 8 3. 5 功耗/ mW 8. 57 35 参 考 文 献 : [ 1 ] BLACK W C J , HOD GES D A. 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[3 ] 郭庭吉. 8051 单片机实践与应用 [ M ] . 北京 : 清华大 学出版社 , 2002. 作者简介 :张 　越 (1964 - ) ,男 (汉族) ,江 苏省镇江人 ,副教授 ,硕士生导师 ,1993 年 毕业于哈尔滨工业大学机器人研究所 ,获 硕士学位 ,1998 年获中国政府资助 ,赴美 国普渡大学机器人视觉实验室作访问学 者 ,主要研究方向为机器人的三维视觉、智 能控制、室内导航机器人的计算机控制、图 像理解及复原 ,以及网络控制等。 　716 张思栋等 : 基于优化时间重叠技术的并行流水线 A/ D 转换器 2007 年