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51单片机 | DS18B20 温度传感器实验

2023-05-16

文章目录

    • 一、DS18B20介绍
    • 二、硬件设计
    • 三、软件设计
      • 1.数码管显示函数
      • 2.DS18B20 初始化函数及温度读取函数
      • 4.主函数
    • 四、实验现象

  这一节我们来学习精度较高的外部 DS18B20 数字温度传感器，由于此传感器是 单总线接口，所以需要使用 51 单片机的一个 IO 口模拟单总线时序与 DS18B20 通信，将检测的环境温度读取出来。开发板上集成了 1 个 DS18B20 温度传感器接口，需插上 DS18B20 温度传感器后才能测试温度。本节要实现的功能是：系统运行时，插上 DS18B20 温度传感器，数码管显示检测的温度值。

一、DS18B20介绍

  DS18B20 是由 DALLAS 半导体公司推出的一种的“一线总线（单总线）”接口的温度传感器。与传统的热敏电阻等测温元件相比，它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。
  DS18B20 温度传感器具有如下特点：

  1. 适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
  2. 独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。
  3. DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
  4. DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
  5. 温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃
  6. 可编程的分辨率为 9～12 位，对应的可分辨温度分别为 0.5℃、0.25℃、0.125℃ 和0.0625℃，可实现高精度测温。
  7. 在 9 位分辨率时最多在 93.75ms 内把温度转换为数字，12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字，速度更快。
  8. 测量结果直接输出数字温度信号，以"一根总线"串行传送给 CPU，同时可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
  9. 负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

   DS18B20 外观实物如下图所示：
在这里插入图片描述
从 DS18B20 外观图可以看到，当我们正对传感器切面（传感器型号字符那一面）时，传感器的管脚顺序是从左到右排列。管脚 1 为 GND，管脚 2 为数据DQ，管脚 3 为 VDD。如果把传感器插反，那么电源将短路，传感器就会发烫，很容易损坏，所以一定要注意传感器方向，通常我们在开发板上都会标出传感器的凸起出，所以只需要把传感器凸起的方向对着开发板凸起方向插入即可。
  DS18B20 内部结构如下图所示：
在这里插入图片描述
  ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列号。64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位（28H）是产品类型标号，接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码。光刻 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的。
  DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速的暂存器 RAM 和一个非易失性的可电擦除的 EEPROM，后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL 和配置寄存器。
  配置寄存器是配置不同的位数来确定温度和数字的转化，配置寄存器结构如下：

TM R1 R0 1 1 1 1 1

  低五位一直都是"1"，TM 是测试模式位，用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测试模式。在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0，用户不需要去改动。R1 和R0 用来设置 DS18B20 的精度（分辨率），可设置为 9，10，11 或 12 位，对应的分辨率温度是 0.5℃，0.25℃，0.125℃和 0.0625℃。R0 和 R1 配置如下图：
在这里插入图片描述
  在初始状态下默认的精度是 12 位，即 R0=1、R1=1。
  高速暂存存储器由 9 个字节组成，其分配如下：

在这里插入图片描述
  当温度转换命令（44H）发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第 0 和第 1 个字节。存储的两个字节，高字节的前 5 位是符号位 S，单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如下：
在这里插入图片描述
  如果测得的温度大于 0，这 5 位为‘ 0’，只要将测到的数值乘以 0.0625（默认精度是 12 位）即可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为‘ 1’，测到的数值需要取反加 1 再乘以 0.0625 即可得到实际温度。温度与数据对应关系如下：
在这里插入图片描述
  比如我们要计算+85 度，数据输出十六进制是 0X0550，因为高字节的高 5 位为 0，表明检测的温度是正温度，0X0550 对应的十进制为 1360，将这个值乘以 12 位精度 0.0625，所以可以得到+85 度。
  知道了怎么计算温度，接下来我们就来看看如何读取温度数据，由于 DS18B20是单总线器件，所有的单总线器件都要求采用严格的信号时序以保证数据的完整性。DS18B20 时序包括如下几种：初始化时序、写（0 和 1）时序、 读（0
和 1）时序。 DS18B20 发送所有的命令和数据都是字节的低位在前。这里我们简单介绍这几个信号的时序：

  1. 初始化时序
      单总线上的所有通信都是以初始化序列开始。主机输出低电平，保持低电平时间至少 480us（该时间的时间范围可以从 480 到 960 微妙），以产生复位脉冲。接着主机释放总线，外部的上拉电阻将单总线拉高，延时 15～60 us，并进入接收模式。接着 DS18B20 拉低总线 60~240 us，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，还要做延时，其延时的时间从外部上拉电阻将单总线拉高算起最少要480 微妙。初始化时序图如下：
    在这里插入图片描述
  2. 写时序
      写时序包括写 0 时序和写 1 时序。所有写时序至少需要 60us，且在 2 次独立的写时序之间至少需要 1us 的恢复时间，两种写时序均起始于主机拉低总线。写 1 时序：主机输出低电平，延时 2us，然后释放总线，延时 60us。写 0 时序：主机输出低电平，延时 60us，然后释放总线，延时 2us。写时序图如下：
    在这里插入图片描述
  3. 读时序
      单总线器件仅在主机发出读时序时，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。所有读时序至少需要 60us，且在 2 次独立的读时序之间至少需要 1us 的恢复时间。每个读时序都由主机发起，至少拉低总线 1us。主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的 15us 之内采样总线状态。读时序图如下：
    在这里插入图片描述
      典型的读时序过程为：主机输出低电平延时 2us，然后主机转入输入模式延时 12us，然后读取单总线当前的电平，然后延时 50us。
      在了解了单总线时序之后，我们来看看 DS18B20 的典型温度读取过程，DS18B20 的典型温度读取过程：复位→发 SKIP ROM 命令（0XCC）→发开始转换命令（0X44）→延时→复位→发送 SKIP ROM 命令（0XCC）→发读存储器命令（0XBE）→连续读出两个字节数据(即温度)→结束。

二、硬件设计

  本实验使用到硬件资源如下：

  • 动态数码管
  • DS18B20

  动态数码管电路在前面章节已介绍，这里就不再重复。下面来看下开发板上DS18B20 模块电路，如下图所示：
在这里插入图片描述
  从上图可以看出，传感器接口的单总线管脚接至单片机 P3.7 IO 口上，在介绍单总线的时候我们说过，为了让单总线默认为高电平，通常会在单总线上接上拉电阻，在图中并没有看到有上拉电阻，这是因为单片机 IO 都外接了 10K 上拉电阻，当单片机 IO 口连接到传感器的总线管脚时即相当于它们外接上拉电阻，所以此处可以省去。

三、软件设计

  本节所要实现的功能是：插上 DS18B20 温度传感器，数码管显示检测的温度值。
  程序框架如下：

  • 编写公共文件
    打开public.c，代码如下：

    #include "public.h"

/*
函 数 名 : delay_10us
函数功能 : 延时函数，ten_us=1 时，大约延时 10us
输 入 : ten_us
输 出 : 无
*/
void delay_10us(u16 ten_us)
{
	while(ten_us--);
}

/*
函 数 名 : delay_ms
函数功能 : ms 延时函数，ms=1 时，大约延时 1ms
输 入 : ten_us
输 出 : 无
*/
void delay_ms(u16 ms)
{
	u16 i,j;
	for (i=ms;i>0;i--)
	{
		for (j=110;j>0;j--);
	}
}

    其头文件public.h为：

    /*
头文件作用如下：包含头文件，定义全局变量，声明函数
*/
#ifndef _public_H
#define _public_H

#include "reg52.h"

//对系统默认数据类型进行重定义 
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

//函数声明
void delay_10us(u16 ten_us);
void delay_ms(u16 ms);


#endif

  • 编写数码管显示功能

  • 编写 DS18B20 读取温度功能

  • 编写主函数

1.数码管显示函数

  本实验要显示温度值，就存在小数和符号位，所以不能直接使用前面的数码管显示函数，需要做一点点小改动，打开smg.c，代码如下：

#include "smg.h"

//使用数组保存共阴极数码管0-F的段码数据
u8 gsmg_code[17] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,
					0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};


/*
函 数 名 : smg_display
函数功能 : 动态数码管显示
输入 ： 无
输出 ： 无
*/
void smg_display(u8 dat[],u8 pos)
{
	u8 i = 0;
	u8 pos_temp = pos - 1; //位置与位选进行统一
	for (i=pos_temp;i<8;i++)
	{
		//位选
		switch (i)
		{
			case 0 : LSC = 1;LSB = 1;LSA = 1;break;
			case 1 : LSC = 1;LSB = 1;LSA = 0;break;
			case 2 : LSC = 1;LSB = 0;LSA = 1;break;
			case 3 : LSC = 1;LSB = 0;LSA = 0;break;
			case 4 : LSC = 0;LSB = 1;LSA = 1;break;
			case 5 : LSC = 0;LSB = 1;LSA = 0;break;
			case 6 : LSC = 0;LSB = 0;LSA = 1;break;
			case 7 : LSC = 0;LSB = 0;LSA = 0;break;
		}
		//给当前位传送段选数据
		SMG_A_DP_PORT = dat[i-pos_temp];
		delay_10us(100);  //延时1ms，循环一轮8ms，小于肉眼可区分的24ms
		SMG_A_DP_PORT =0x00; //消音，消除上一次数码管段选数据对下一次的影响
	}
}

可以看到此处没有直接使用数码管段码数据，而是通过外部提供处理好的数码管段码数据传入进来，这样可使数码管显示更加灵活，后面实验我们都将采用这种方式。因为要让外部提前处理好数码管段码数据，所以段码数组 gsmg_code 就要定义为全局变量，需在 smg.h 头文件中声明下即可：extern u8 gsmg_code[17];。
  其头文件smg.h为

#ifndef _smg_H
#define _smg_H

#include "public.h"

//使用宏定义数码管段码口
#define SMG_A_DP_PORT P0
//定义数码管位选信号控制管脚
sbit LSA = P2^2;
sbit LSB = P2^3;
sbit LSC = P2^4;

extern u8 gsmg_code[17];

void smg_display(u8 dat[],u8 pos);

#endif

2.DS18B20 初始化函数及温度读取函数

  打开ds18b20c.c，代码如下：

#include "ds18b20.h"
#include "intrins.h"

/*
* 函 数 名 : ds18b20_reset
* 函数功能 : 复位 DS18B20，初始化时序
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*/
void ds18b20_reset(void)
{
	DS18B20_PORT = 0;  //拉低 DQ
	delay_10us(75);	//延时750us
	DS18B20_PORT = 1; //DQ=1,释放总线
	delay_10us(2); //延时20us
}

/*
* 函 数 名 : ds18b20_check
* 函数功能 : 检测 DS18B20 是否存在
* 输 入 : 无
* 输 出 : 1:未检测到 DS18B20 的存在，0:存在
*/
u8 ds18b20_check(void)
{
	u8 time_temp = 0;
	
	while (DS18B20_PORT && time_temp < 20)//等待 DQ 为低电平,且时间低于200us
	{
		time_temp++;
		delay_10us(1);
	}		

	if(time_temp>=20) //如果超时则强制返回 1
		return 1; 
	else 
		time_temp=0;  //清零

	//DS18B20在响应了信号后就会处于空闲状态（DQ为高电平）
	while((!DS18B20_PORT)&&time_temp<20) //等待 DQ 为高电平,且时间低于200us
	{
		time_temp++;
		delay_10us(1);
	}
	if(time_temp>=20) //如果超时则强制返回 1
		return 1; 
	return 0;
}

/*
* 函 数 名 : ds18b20_init
* 函数功能 : 初始化 DS18B20 的 IO 口 DQ 同时检测 DS 的存在
* 输 入 : 无
* 输 出 : 1:不存在，0:存在
*/
u8 ds18b20_init(void)
{
	ds18b20_reset();
	return ds18b20_check();
}

/*
* 函 数 名 : ds18b20_write_byte
* 函数功能 : 从主机向ds18b20温度传感器写入字节
* 输 入 : dat
* 输 出 :
*/
void ds18b20_write_byte(u8 dat)
{
	u8 i = 0;
	u8 temp = 0; //保存低位数据

	for (i=0;i<8;i++) //循环 8 次将一个字节传出，先传低再传高位
	{
		temp = dat & 0x01;	//得到dat的最低位
		dat >>= 1; //右移一位,次低位移至最低位
		if (temp) //写1时序
		{
			DS18B20_PORT = 0;
			_nop_();_nop_();  //输出低电平 2us	
			DS18B20_PORT = 1; //释放总线，延时60us
			delay_10us(6);

		}
		else //写 0 时序
		{
			//主机输出低电平，延时 60us，然后释放总线，延时 2us
			DS18B20_PORT = 0;
			delay_10us(6);
			DS18B20_PORT = 1;
			_nop_();_nop_();
		}
	}
}

/*
* 函 数 名 : ds18b20_read_bit
* 函数功能 : 读bit
* 输 入 :
* 输 出 :dat
*/
u8 ds18b20_read_bit(void)
{
	u8 dat = 0;

	//主机输出低电平延时 2us
	DS18B20_PORT = 0;
	_nop_();_nop_();
	DS18B20_PORT=1;	
	_nop_();_nop_(); //该段时间不能过长，必须在15us内读取数据
	if (DS18B20_PORT)dat = 1;
	else dat = 0;
	delay_10us(5); 
	return dat;
}

/*
* 函 数 名 : ds18b20_read_byte
* 函数功能 : 读字节时序
* 输 入 : 
* 输 出 :  dat
*/
u8 ds18b20_read_byte(void)
{
	u8 i = 0;
	u8 temp = 0; //保存位
	u8 dat = 0; //保存字节
	

	for (i=0;i<8;i++)//循环读取8位数据，先接收最低位，再接收最高位
	{
		temp = ds18b20_read_bit(); //将总线上得到的每一位进行保存
		dat >>= 1;
		dat |= (temp << 7);
	}
	return dat;
}

/*
* 函 数 名 : ds18b20_start
* 函数功能 : 开始温度转换
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*/
void ds18b20_start(void)
{
	ds18b20_reset();//复位
	ds18b20_check();//检查 DS18B20
	ds18b20_write_byte(0xcc);//SKIP ROM
	ds18b20_write_byte(0x44);//转换命令
}

/*
* 函 数 名 : ds18b20_read_temperture
* 函数功能 : 从 ds18b20 得到温度值
* 输 入 : 无
* 输 出 : 温度数据
*`DS18B20` 的典型温度读取过程：复位→发 `SKIP ROM` 命令（`0XCC`）→发开始转换命令（`0X44`）→延时→复位→发送 `SKIP ROM` 命令（`0XCC`）→发读存储器命令（`0XBE`）→连续读出两个字节数据(即温度)→结束。
*/
float ds18b20_read_temperture(void)
{
	float temp;	 //存储温度
	u8 dath=0;
	u8 datl=0;
	u16 value=0;

	ds18b20_start();//开始转换
	ds18b20_reset();//复位
	ds18b20_check();
	ds18b20_write_byte(0xcc);//SKIP ROM
	ds18b20_write_byte(0xbe);//读存储器,ds18b20返回数据到总线上
	
	datl=ds18b20_read_byte();//低字节
	dath=ds18b20_read_byte();//高字节
	value=(dath<<8)+datl;//合并为 16 位数据

	if((value&0xf800)==0xf800)//判断符号位，负温度
	{
		value=(~value)+1; //数据取反再加 1
		temp=value*(-0.0625);//乘以精度
	}
	else //正温度
	{
		temp=value*0.0625;
	}
	return temp;	
}

可以看到：在初始化 DS18B20 之后，我们就可以按照前面介绍的 DS18B20 的典型温度读取过程来编写温度读取函数，最终将 2 个字节的温度数据读取出来，判断最高字节的高 5 位是否为 0，如果为 0 表明读取的温度值为正温度，直接乘以 0.0625 即可，否则为负温度，需取反后加 1 再乘以 0.0625。
  其头文件ds18b20.h为

#ifndef _ds18b20_H
#define _ds18b20_H

#include "public.h"

//定义DS18B20的控制管脚
sbit DS18B20_PORT = P3^7;

//声明函数
void ds18b20_reset(void);
u8 ds18b20_check(void);
u8 ds18b20_init(void);
void ds18b20_write_byte(u8 dat);
u8 ds18b20_read_bit(void);
u8 ds18b20_read_byte(void);
void ds18b20_start(void);
float ds18b20_read_temperture(void);

#endif

4.主函数

  编写好 DS18B20 初始化和温度读取函数后，接下来就可以编写主函数了，代码如下：

/*
实验名称：DS18B20 温度传感器实验
接线说明：
实验现象：下载程序后，插上 DS18B20 温度传感器，数码管显示检测的温度值
注意事项：注意温度传感器的方向，在接口处我们已经用丝印画了一个凸起，所以只需要将温度传感器对应插入即可
*/
#include "public.h"
#include "smg.h"
#include "ds18b20.h"
						

/*
* 函 数 名 : main
* 函数功能 : 主函数
* 说明 : 检测按键是否按下，然后根据返回的键值操作对应功能，最后是将按键调节的值显示在后 3 位数码管上。
*/
void main(void)
{
   	u8 i=0;
	int temp_value;
	u8 temp_buf[5]; //保存数码管的段码数据

	ds18b20_init();//初始化 DS18B20

	while (1)
	{
		i++;
		if(i%50==0)//间隔一段时间读取温度值，间隔时间要大于温度传感器转换温度时间
			temp_value=ds18b20_read_temperture()*10;//保留温度值小数后一位
		if(temp_value<0)//负温度
		{
			temp_value=-temp_value;
			temp_buf[0]=0x40;//显示负号
		}
		else
		{
			temp_buf[0]=0x00;//不显示
		}
		temp_buf[1]=gsmg_code[temp_value/1000];//百位
		temp_buf[2]=gsmg_code[temp_value%1000/100];//十位
		temp_buf[3]=gsmg_code[temp_value%1000%100/10]|0x80;//个位+小数点
		temp_buf[4]=gsmg_code[temp_value%1000%100%10];//小数点后一位
		smg_display(temp_buf,4);
	}
}

  主函数代码很简单，首先调用所需外设头文件，然后初始化 DS18B20，在 while循环中间隔一定时间读取温度数据，并将温度值保留小数点后一位，然后将读取的温度数据转换为数码管可显示的段码，最后调用数码管显示函数。

四、实验现象

  使用 USB 线将开发板和电脑连接成功后（电脑能识别开发板上 CH340 串口），把编译后产生的.hex 文件烧入到芯片内，实现现象如下：插上 DS18B20 温度传感器，数码管显示检测的温度值。
在这里插入图片描述

实验说明：DS18B20 默认起始温度是 85 度，之后就会进入到正常温度检测，如果条件允许可以在零下温度下检测看看。
注意：一定要注意温度传感器的方向，在接口处我们已经用丝印画了一个凸起，所以只需要将温度传感器对应插入即可。
在这里插入图片描述

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