基于1-wire总线的温度数据采集与硬件设计

左现刚，刘艳昌

（河南科技学院 信息工程学院，新乡 453003）

0 引言

单片机系统除了可以对电信号进行测量外，还可以通过外接传感器对温度信号进行测量。传统的温度检测大多以热敏电阻为传感器，但热敏电阻可靠性差、测量的温度不够准确，且必须经专门的接口电路转成数字信号后才能被单片机处理。DS18B20是一种集成数字温度传感器，采用单总线与单片机连接即可实现温度的测量。

系统是以AT89S51单片机、DS18B20单线温度转换器和LED为主要元器件得的一个对温度进行数据采集并在LED上进行显示的系统。它实现的功能就是把模拟的温度信号以数字化的形式在LED上显示出来，使人们更直接方便的读出温度值。系统整体框图如下图1所示。

图1 系统整体框图

1 DS18B20工作原理

DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号供单片机处理，可实现温度的精度测量与控制。测温范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃时精度为±0.5℃，分辨率可通过编程控制设置为0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。

1.1 工作原理

DS18B20的内部框图如图2所示，主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速贮存器、用于存储用户设定的温度上下限值、触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等7部分。

图2 DS18B20内部框图

高速寄存器RAM由9个字节的存储器组成。其中，第0、1字节是温度转换有效位，第0字节的低3位存放了温度的高位，高5位存放温度的正负值；第1字节的高4位存放温度的低位，后4位存放温度的小数部分；第2和第3个字节是DS18B20的与内部E2PROM的有关的TH和TL，用来存储温度上限和下限，可以通过程序设计把温度的上下限从单片机中读到TH和TL中，并通过程序再复制到DS18B20内部E2PROM中，同时TH和TL在器件加电后复制E2PROM的内容；第4个字节是配置寄存器，第4个字节的数字也可以更新；第5，6，7三个字节是保留的。

DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，通过16位符号扩展的2进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，如表1所示。

表1 高速寄存器RAM

1.2 硬件连接

DS18B20是单片机外设，单片机为主器件，DS18B20为从器件。图3的接法是单片机与一个DS18B20通信，单片机只需要一个I/O口就可以控制DS18B20，为了增加单片机I/O口驱动的可靠性，总线上接有上拉电阻。对如果要控制多个DS18B20进行温度采集，只要将所有DS18B20的DQ全部连接到总线上就可以了，在操作时，通过读取每个DS18B20内部芯片的序列号来识别。

1.3 DS18B20工作时序

由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了三种信号的时序：初始化时序、读时序和写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。下面分别介绍操作步骤。

图3 单片机与一个DS18B20通信

1）初始化

初始化是单片机对DS18B20的基本操作，主要目的是单片机感知DS18B20存在并为下一步操作做准备，同时启动DS18B20，程序设计根据时序进行。DS18B20初始化操作步骤为：

（1）先将数据线置高电平1，然后延时（可有可无）；

（2）数据线拉到低电平0。然后延时750μs（该时间范围可以在480～960μs），调用延时函数决定；

（3）数据线拉到高电平1。如果单片机P1.0接DS18B20的DQ引脚，则P1.0 此时设置高电平，称为单片机对总线电平管理权释放。此时，P1.0的电平高低由DS18B20的DQ输出决定；

（4）延时等待。如果初始化成功，则在15～60ms总线上产生一个由DS18B20返回的低电平0，据该状态可以确定它的存在。但是应注意，不能无限地等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时判断；

（5）若单片机读到数据线上的低电平0后，说明DS18B20存在并相应，还要进行延时，其延时的时间从发出高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要 480μs；

（6）将数据线再次拉到高电平1，结束初始化步骤。

从单片机对DS18B20的初始化过程来看，单片机与DS18B20之间的关系如同有人与人之间对话，单片机要对DS18B20操作，必须先证实DS18B20的存在，当DS18B2响应后，单片机才能进行下面的操作。

2）对DS18B20写数据

（1）数据线先置低电平0，数据发送的起始信号；

（2）延时确定的时间为15μs；

（3）按低位到高位顺序发送数据（一次只发送一位）；

（4）延时时间为45μs，等待DS18B20接收；

（5）将数据线拉到高电平1，单片机释放总线；

（6）重复（1）～（5）步骤，直到发送完整个字节；

（7）最后将数据线拉高，单片机释放总线。

3）DS18B20读数据

（1）将数据线拉高；

（2）延时 2μs；

（3）将数据线拉低到0；

（4）延时6μs，延时时比写数据时间短；

（5）将数据线拉高到1，释放总线；

（6）延时 4μs；

（7）读数据线的状态得到一个状态位，并进行数据处理；

（8）延时 30μs；

（9）重复（1）～（7）步骤，直到读取完一个字节。

只有在熟悉了DS18B20操作时序后，才能对器件进行编程，由于DS18B20有器件编号、温度数据有低位高位、另外还有温度的上线限，读取的数据较多，所以DS18B20提供了自己的指令。

1.4 DS18B20指令

1）ROM操作指令

DS18B20指令主要有ROM操作指令、温度操作指令两类。ROM操作指令主要针对DS18B20的内部ROM。每一个DS18B20都有自己独立的编号，存放在DS18B20内部64位ROM中，ROM内容见表2所示。64位ROM中的序列号是出厂前已经固化好，它可以看做该DS18B20的地址序列码。其各位排列顺序是，开始8位为产品类型标号，接下来48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的CRC循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

表264 位 ROM 定义

ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一条总线上挂接多个DS18B20的目的。ROM操作指令如表3所示。

在实际应用中，如果总线上只存在一个DS18B20，就不需要读取ROM编码以及匹配ROM编码了，只要跳过ROM(CCH)命令，就可进行如下温度转换和读取操作。

2）温度操作指令

温度操作指令见表4所示，DS18B20在出厂时温度数值默认为12位，其中最高位为符号位，即

表3 ROM 操作指令

温度值共11位，单片机在读取数据时，依次从高速寄存器第0、1地址读2字节共16位，读完后将低11位的二进制数转转换为实际温度值。0地址对应的1个字节的前5个数字为符号位，这5位同时变化，前5位为1时，读取的温度为负值；前5位为0时，读取的温度为正值，且温度为正值时，只要将测得的数值乘以0.0625即可得到实际温度值。

表4 温度操作指令

2 数字温度计

2.1 电路原理

AT89S51单片机和DS18B20的硬件连接图如图4所示，单片机的P10口和DS18B20的数据口相连接。单片机通过P10口对DS18B20进行初始化，DS18B20将转换后的数字温度值通过P10口传给单片机。

2.2 系统软件设计

图4 温度采集系统硬件连接图

本程序采用Keil 公司IDE软件uVision3设计和编译。主要包括温度检测和显示，按键驱动和温度控制等。其中温度检测是单片机通过调用初始化函数对DS18B20按照初始化时序进行初始化，启动温度的转换，再将转换后的数字传给单片机，单片机通过计算将数字温度转换成实际的温度值，通过数码管显示出来，并和设置的温度值进行比较，如何大于设置的温度上限或者小于设置的温度的下限，则给P11管脚一个低电平信号，则PNP三极管8550导通，驱动蜂鸣器发出告警声音；同时调用控制程序来控制P12管脚以便吸合或者断开，达到根据温度来控制的目的。其初始化函数可以根据上面介绍的过程写出，下面详细的介绍对DS18B20的温度读取函数。主程序流程图如图5所示。

/*******************************

* 读取温度函数

*******************************/

uint ReadTemperature(void)

{

unsigned char a=0,b=0;

Init_DS18B20(); //DS18B20初始化函数

WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作

WriteOneChar(0x44); //启动温度转换

delay(200); //延迟一段时间，等待温度转换完毕

图5 主程序流程图

Init_DS18B20(); //在读温度值前必须重新初始化18b20;

WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作

WriteOneChar(0xBE); //读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度

a=ReadOneChar();//读温度值低8位，赋给变量a。

b=ReadOneChar();//读温度值高8位，赋给变量b。

t=b;

t＜＜=8; //

t=t|a; //把温度值低8位和温度值高8位赋给变量t。

tt=t*0.0625; //12位分辨率，乘以温度分辨率0.0625后为温度值

t=tt*10+0.5; //取小数点后一位值，因此要放大10倍后加0.5输出，即四舍五入。

return(t); //返回温度值，送LED显示并和设置的温度值进行比较。

}

3 结束语

DS18B20体积小、精度高、接口简单、硬件开销低、附加功能强。将温度检测与温度数据输出都集成在一个微小的芯片上，不需要A/D转换，并且能自动产生CRC检验码，从而使得其的抗干扰纠错能力很强、可靠性更高、使用更为方便。基于AT89S51系列单片机和DS18B20数字温度传感器的温度测量系统结构简单、成本低、操方便，比较好推广，而且也可以根据情况进行扩展，比如进行多点采集等。

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