温度传感器DS18B20

　　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。

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。

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。

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。

  

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。

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。

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&dat) == 0)  //输出该bit值

            IO_18B20 = 0;

        else

            IO_18B20 = 1;

        DelayX10us(6);        //延时60us

         IO_18B20 = 1;         //拉高通信引脚

     }

    EA = 1;   //重新使能总中断

}

　　读时序图如图7所示。

图7 DS18B20位读取时序

　　当要读取DS18B20的数据的时候，我们的单片机首先要拉低这个引脚，并且至少保持1us的时间，然后释放引脚，释放完毕后要尽快读取。从拉低这个引脚到读取引脚状态，不能超过15us。大家从图7可以看出来，主机采样时间，也就是MASTER SAMPLES，是在15us之内必须完成的，读取一个字节数据的程序如下。

 

unsigned char Read18B20(void)  //从DS18B20读取一个字节数据

{

    unsigned char dat;

    unsigned char mask;

    

    EA = 0;   //禁止总中断

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

    {

         IO_18B20 = 0;         //产生2us低电平脉冲

        _nop_();

        _nop_();

        IO_18B20 = 1;         //结束低电平脉冲，等待18B20输出数据

        _nop_();              //延时2us

        _nop_();

         if (!IO_18B20)        //读取通信引脚上的值

        dat &= ~mask;

        else

            dat |= mask;

        DelayX10us(6);        //再延时60us

    }

    EA = 1;   //重新使能总中断

 

    return dat;

}

　　DS18B20所表示的温度值中，有小数和整数两部分。常用的带小数的数据处理方法有两种，一种是定义成浮点型直接小数整数处理，第二种是定义成整型，然后把小数和整数部分分离出来，在合适的位置点上小数点即可。我们在程序中使用的是第二种方法，下面我们就写一个程序，将我们读到的温度值显示在1602液晶上，并且保留一位小数数字。

/***********************lcd1602.c文件程序源代码*************************/

 

#include <reg52.h>

 

#define LCD1602_DB   P0

 

sbit LCD1602_RS = P1^0;

sbit LCD1602_RW = P1^1;

sbit LCD1602_E  = P1^5;

 

void LcdWaitReady()  //等待液晶准备好

{

    unsigned char sta;

    

    LCD1602_DB = 0xFF;

    LCD1602_RS = 0;

    LCD1602_RW = 1;

    do

    {

        LCD1602_E = 1;

        sta = LCD1602_DB; //读取状态字

        LCD1602_E = 0;

    } while (sta & 0x80); //bit7等于1表示液晶正忙，重复检测直到其等于0为止

}

void LcdWriteCmd(unsigned char cmd)  //写入命令函数

{

    LcdWaitReady();

    LCD1602_RS = 0;

    LCD1602_RW = 0;

    LCD1602_DB = cmd;

    LCD1602_E  = 1;

    LCD1602_E  = 0;

}

void LcdWriteDat(unsigned char dat)  //写入数据函数

{

    LcdWaitReady();

    LCD1602_RS = 1;

    LCD1602_RW = 0;

    LCD1602_DB = dat;

    LCD1602_E  = 1;

    LCD1602_E  = 0;

}

void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, const unsigned char *str)  //显示字符串，屏幕起始坐标(x,y)，字符串指针str

{

    unsigned char addr;

    

    //由输入的显示坐标计算显示RAM的地址

    if (y == 0)

        addr = 0x00 + x; //第一行字符地址从0x00起始

    else

        addr = 0x40 + x; //第二行字符地址从0x40起始

    

    //由起始显示RAM地址连续写入字符串

    LcdWriteCmd(addr | 0x80); //写入起始地址

    while (*str != '\0')      //连续写入字符串数据，直到检测到结束符

    {

        LcdWriteDat(*str);

        str++;

    }

}

void LcdInit()  //液晶初始化函数

{

    LcdWriteCmd(0x38);  //16*2显示，5*7点阵，8位数据接口

    LcdWriteCmd(0x0C);  //显示器开，光标关闭

    LcdWriteCmd(0x06);  //文字不动，地址自动+1

    LcdWriteCmd(0x01);  //清屏

}

/***********************DS18B20.c文件程序源代码*************************/

 

#include <reg52.h>

#include <intrins.h>

 

sbit IO_18B20 = P3^2;  //DS18B20通信引脚

 

void DelayX10us(unsigned char t)  //软件延时函数，延时时间(t*10)us

{

    do {

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

    } while (--t);

}

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;

}

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&dat) == 0)  //输出该bit值

            IO_18B20 = 0;

        else

            IO_18B20 = 1;

         DelayX10us(6);        //延时60us

         IO_18B20 = 1;         //拉高通信引脚

    }

    EA = 1;   //重新使能总中断

}

unsigned char Read18B20(void)  //从DS18B20读取一个字节数据

{

    unsigned char dat;

    unsigned char mask;

    

    EA = 0;   //禁止总中断

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

    {

        IO_18B20 = 0;         //产生2us低电平脉冲

         _nop_();

         _nop_();

         IO_18B20 = 1;         //结束低电平脉冲，等待18B20输出数据

         _nop_();              //延时2us

         _nop_();

        if (!IO_18B20)        //读取通信引脚上的值

         dat &= ~mask;

        else

            dat |= mask;

         DelayX10us(6);        //再延时60us

     }

    EA = 1;   //重新使能总中断

 

    return dat;

}

 

bit Start18B20()  //启动一次18B20温度转换，返回值代表是否启动成功

{

    bit ack;

    

    ack = Get18B20Ack();   //执行总线复位，并获取18B20应答

    if (ack == 0)          //如18B20正确应答，则启动一次转换

    {

     Write18B20(0xCC);  //跳过ROM操作

     Write18B20(0x44);  //启动一次温度转换

    }

    return ~ack;  //ack==0表示操作成功，所以返回值为其取反值

}

 

bit Get18B20Temp(int *temp)  //读取DS18B20温度值，返回值代表是否读取成功

{

    bit ack;

    unsigned char LSB, MSB; //16bit温度值的低字节和高字节

    

    ack = Get18B20Ack();    //执行总线复位，并获取18B20应答

    if (ack == 0)           //如18B20正确应答，则读取温度值

    {

     Write18B20(0xCC);   //跳过ROM操作

     Write18B20(0xBE);   //发送读命令

     LSB = Read18B20();  //读温度值的低字节

     MSB = Read18B20();  //读温度值的高字节

        *temp = ((int)MSB << 8) + LSB;  //合成为16bit整型数

    }

return ~ack;  //ack==0表示操作应答，所以返回值为其取反值

}

/***********************main.c文件程序源代码*************************/

 

#include <reg52.h>

 

bit flag1s = 0;          //1s定时标志

unsigned char T0RH = 0;  //T0重载值的高字节

unsigned char T0RL = 0;  //T0重载值的低字节

 

void ConfigTimer0(unsigned int ms);

unsigned char IntToString(unsigned char *str, int dat);

extern bit Start18B20();

extern bit Get18B20Temp(int *temp);

extern void LcdInit();

extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, const unsigned char *str);

 

void main ()

{

    bit res;

    int temp;        //读取到的当前温度值

    int intT, decT;  //温度值的整数和小数部分

    unsigned char len;

    unsigned char str[12];

 

    LcdInit();        //初始化液晶

    Start18B20();     //启动DS18B20

    ConfigTimer0(10); //T0定时10ms

    EA = 1;           //开总中断

    

    while(1)

    {

        if (flag1s)  //每秒更新一次温度

        {

            flag1s = 0;

            res = Get18B20Temp(&temp);  //读取当前温度

            if (res)                    //读取成功时，刷新当前温度显示

            {

                intT = temp >> 4;             //分离出温度值整数部分

                decT = temp & 0xF;            //分离出温度值小数部分

                len = IntToString(str, intT); //整数部分转换为字符串

                str[len++] = '.';             //添加小数点

                decT = (decT*10) / 16;        //二进制的小数部分转换为1位十进制位

                str[len++] = decT + '0';      //十进制小数位再转换为ASCII字符

                while (len < 6)               //用空格补齐到6个字符长度

                {

                    str[len++] = ' ';

                }

                str[len] = '\0';              //添加字符串结束符

                LcdShowStr(0, 0, str);        //显示到液晶屏上

            }

            else                        //读取失败时，提示错误信息

            {

                LcdShowStr(0, 0, "error!");

            }

            Start18B20();               //重新启动下一次转换

        }

    }

}

 

unsigned char IntToString(unsigned char *str, int dat)  //整型数转换为十进制字符串，返回值为转换后的字符串长度

{

    signed char i;

    unsigned char len = 0;

    unsigned char buf[6];

    

    if (dat < 0)  //如果为负数，首先取绝对值，并添加负号

    {

        dat = -dat;

        *str++ = '-';

        len++;

    }

    for (i=0; i<=4; i++)  //由低到高转换为十进制位

    {

        buf[i] = dat % 10;

        dat /= 10;

    }

    for (i=4; i>=1; i--)  //查找有效数字最高位，以忽略更高位的‘0’

    {

        if (buf[i] != 0)

        {

            break;

        }

    }

    for ( ; i>=0; i--)  //有效数字位转换为ASCII码

    {

        *str++ = buf[i] + '0';

        len++;

    }

    *str = '\0';        //添加字符串结束符

    

    return len;  //返回字符串长度

}

 

void ConfigTimer0(unsigned int ms)  //T0配置函数

{

    unsigned long tmp;

    

    tmp = 11059200 / 12;      //定时器计数频率

    tmp = (tmp * ms) / 1000;  //计算所需的计数值

    tmp = 65536 - tmp;        //计算定时器重载值

    tmp = tmp + 12;           //修正中断响应延时造成的误差

    

    T0RH = (unsigned char)(tmp >> 8);  //定时器重载值拆分为高低字节

    T0RL = (unsigned char)tmp;

    TMOD &= 0xF0;   //清零T0的控制位

    TMOD |= 0x01;   //配置T0为模式1

    TH0 = T0RH;     //加载T0重载值

    TL0 = T0RL;

    ET0 = 1;        //使能T0中断

    TR0 = 1;        //启动T0

}

void InterruptTimer0() interrupt 1  //T0中断服务函数

{

    static unsigned char tmr1s = 0;

    

    TH0 = T0RH;  //定时器重新加载重载值

    TL0 = T0RL;

    tmr1s++;

    if (tmr1s >= 100)  //定时1s

    {

        tmr1s = 0;

        flag1s = 1;

    }