摘 要：在分布式測(cè)溫系統(tǒng)中應(yīng)用了大量的新型傳感器DS18B20，DS18B20是單總線數(shù)字溫度傳感器其硬件接線簡單，但時(shí)序非常復(fù)雜。正確使用單總線數(shù)字溫度傳感器，分析其時(shí)序關(guān)系，基于時(shí)序編制正確程序具有及其重要意義。文中結(jié)合時(shí)序圖對(duì)初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并給出了實(shí)現(xiàn)各種時(shí)序的軟件程序。應(yīng)用初始化時(shí)序和讀寫時(shí)序?qū)崿F(xiàn)了溫度采集，并以傳感器64位序列號(hào)讀取程序的設(shè)計(jì)說明了時(shí)序的綜合應(yīng)用。說明了溫度采集程序的設(shè)計(jì)思路。并給出了分布式測(cè)溫系統(tǒng)中的溫度顯示。文中基于時(shí)序進(jìn)行溫度的正確讀取與顯示已經(jīng)應(yīng)用于分布式測(cè)溫系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：寫時(shí)序;讀時(shí)序;溫度傳感器;溫度采集
1.引 言
在分布式測(cè)溫系統(tǒng)中應(yīng)用了大量的新型傳感器DS18B20，DS18B20是單總線數(shù)字溫度傳感器其硬件接線簡單，但時(shí)序非常復(fù)雜。要實(shí)現(xiàn)溫度的正確讀取，既要有對(duì)DS18B20的ROM操作命令，又有一些功能命令。這些命令的執(zhí)行，既有一定順序，又有特定含義。都需要基于數(shù)字溫度傳感器初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序，按照嚴(yán)格的時(shí)序配合才能完成溫度正確采集與讀取。因此要想正確使用單總線數(shù)字溫度傳感器，必須分析其時(shí)序關(guān)系，并且基于時(shí)序編制正確程序。單總線數(shù)字溫度傳感器時(shí)序分析與應(yīng)用研究具有及其重要意義。
2.數(shù)字溫度傳感器時(shí)序
DS18B20與單片機(jī)只通過一條數(shù)據(jù)線連接，所以其數(shù)據(jù)的傳輸方式為串行方式。為了正確讀取溫度值，必須嚴(yán)格按照時(shí)序配合關(guān)系，進(jìn)行程序編制。 DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。通信協(xié)議規(guī)定了總線上的多種信號(hào)的時(shí)序。如：復(fù)位脈沖、響應(yīng)脈沖、寫0、寫1、讀0和讀 1等信號(hào)的時(shí)序。DS18B20是在嚴(yán)格的時(shí)序控制下進(jìn)行正常操作的。換句話講，就是用較為復(fù)雜的軟件來換取簡單的硬件接口。因此要正確使用 DS18B20，就必須了解其初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序。
2.1 數(shù)字溫度傳感器初始化時(shí)序
初始化時(shí)序有時(shí)也稱復(fù)位時(shí)序，它是數(shù)據(jù)線上所有傳輸過程的開始。整個(gè)初始化過程由主設(shè)備發(fā)出的復(fù)位脈沖和DS18B20的響應(yīng)脈沖組成。在主設(shè)備初始化的過程中，主設(shè)備通過拉低數(shù)據(jù)線至少480μS ，DS18B20即認(rèn)為是接收到一個(gè)初始化脈沖，接著主設(shè)備釋放數(shù)據(jù)線，在數(shù)據(jù)線上上拉電阻的作用下，數(shù)據(jù)線電平被拉高，并且主設(shè)備進(jìn)入接收模式。在DS18B20檢測(cè)到上升沿后，延時(shí)15～60μS ，接著通過拉低總線60～240μS以產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。初始化時(shí)序如圖2所示。圖1是圖2、圖3和圖4的線型示意圖。
圖1 線型示意圖
圖2 初始化時(shí)序
在分布式測(cè)溫系統(tǒng)中CPU采用AT89S52，溫度讀取的初始化程序如下所示：
DAT BIT P1.0
INI10: SETB DAT
MOV R2, #185
INI11: CLR DAT
DJNZ R2, INI11 ; 復(fù)位脈沖時(shí)間600us
SETB DAT ; 釋放數(shù)據(jù)線
MOV R2, #28
INI12: DJNZ R2, INI12 ; 等待60us
CLR C
ORL C, DAT ; 有無應(yīng)答低電平
JC INI10 ; 若無應(yīng)答，初始化失敗
MOV R6, #40
INI13: ORL C, DAT
JC INI14 ; 數(shù)據(jù)線變高。初始化成功
DJNZ R6, INI13 ; 低電平最多240us
SJMP INI10 ; 低電平持續(xù)大于240us,失敗
INI14: MOV R2, #222
INI15: DJNZ R2, INI15 ; 應(yīng)答信號(hào)至少要持續(xù)480us
RET
2.2 數(shù)字溫度傳感器寫時(shí)序
寫時(shí)序包括寫“0”時(shí)序和寫“1”時(shí)序。寫“1”時(shí)序用于主設(shè)備向DS18B20寫入1，寫“0”時(shí)序用于主設(shè)備向DS18B20寫入0。無論是哪種寫時(shí)序都至少需要60μS ，且在兩次獨(dú)立的寫時(shí)序之間至少需要1μS的恢復(fù)時(shí)間。兩種寫時(shí)序均起始于主設(shè)備拉低數(shù)據(jù)線電平。對(duì)于寫“1”時(shí)序，主設(shè)備在拉低數(shù)據(jù)線之后，緊接著必須在15μS之內(nèi)釋放數(shù)據(jù)線，由上拉電阻將數(shù)據(jù)線拉至高電平;而對(duì)于寫“0”時(shí)序，在主設(shè)備拉低數(shù)據(jù)線后，只需在整個(gè)時(shí)序內(nèi)保持低電平即可至少60μS。在寫時(shí)序開始后的15～60μS期間內(nèi)，DS18B20讀取數(shù)據(jù)線電平狀態(tài)。如果此期間數(shù)據(jù)線為高電平 ，則對(duì)器件寫入邏輯1，否則寫入邏輯0。寫時(shí)序如圖3所示。
圖3 數(shù)字溫度傳感器寫時(shí)序
寫一位程序如下所示。程序中DAT為I/O口P1.0。
WIR11: SETB DAT ; 拉高電平
MOV R4, #5
NOP
CLR DAT ; 高電平持續(xù)2us后拉低
WIR12: DJNZ R4, WIR12 ; 等待10微秒
MOV DAT, C ; 發(fā)送1位
MOV R4, #23
WIR13: DJNZ R4, WIR13 ; 保證寫時(shí)間大于60us
SETB DAT
RET
2.3 溫度傳感器讀時(shí)序
DS18B20只有在檢測(cè)到主設(shè)備啟動(dòng)讀時(shí)序后才向主設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。所以一般在主設(shè)備發(fā)送了讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時(shí)序，以便DS18B20能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有的讀時(shí)序都至少需要60μS，且在兩次獨(dú)立的讀時(shí)序之間至少需要1μS的恢復(fù)時(shí)間。每個(gè)讀時(shí)序都由主設(shè)備發(fā)起，先使數(shù)據(jù)線為高電平，然后拉低數(shù)據(jù)線至少1μS，再釋放數(shù)據(jù)線。在主設(shè)備發(fā)出讀時(shí)序之后，DS18B20開始在數(shù)據(jù)線上發(fā)送數(shù)據(jù)0或1。若其發(fā)送1，則保持?jǐn)?shù)據(jù)線為高電平。若發(fā)送 0，則DS18B20拉低數(shù)據(jù)線，在該時(shí)序結(jié)束后釋放數(shù)據(jù)線。DS18B20發(fā)出的數(shù)據(jù)在起始時(shí)序之后15μS內(nèi)保證可靠有效。因而主設(shè)備在讀時(shí)序期間必須釋放數(shù)據(jù)線，并且要在時(shí)序開始后的15μS之內(nèi)讀取數(shù)據(jù)線狀態(tài)。寫時(shí)序如圖4所示。
圖4 數(shù)字溫度傳感器讀時(shí)序
讀一位程序如下所示：
RE11: SETB DAT ; 使數(shù)據(jù)線為高電平
NOP
NOP
CLR DAT ; 高電平持續(xù)2us后拉低數(shù)據(jù)線
MOV R4, #4
NOP ; 持續(xù)低電平2us
SETB DAT ; 釋放數(shù)據(jù)線
RE12: DJNZ R4, RE12 ; 等待8us
MOV C, DAT ; 讀入一位
MOV R5, #28
RE13: DJNZ R5, RE13 ; 保證一個(gè)讀周期持續(xù)60us
SETB DAT ; 使數(shù)據(jù)線為高電平
RET
3.初始化以及讀寫時(shí)序應(yīng)用
3.1 溫度采集程序設(shè)計(jì)
單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20要完成溫度的采集需要按順序完成如下幾個(gè)步驟：初始化、跳過ROM匹配、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、等待轉(zhuǎn)換完成、初始化、匹配 ROM、讀便箋式存儲(chǔ)器、CRC校驗(yàn)、溫度格式轉(zhuǎn)換、保存溫度值以及顯示等其他處理。按照此步驟，程序設(shè)計(jì)時(shí)首先就要按照初始化時(shí)序執(zhí)行2.1所介紹的初始化程序INI10，其次要將跳過ROM匹配命令（代碼為CCH）寫入到DS18B20中，此時(shí)需根據(jù)2.2所介紹的數(shù)字溫度傳感器寫時(shí)序編寫對(duì) DS18B20一個(gè)寫入字節(jié)程序WRITE，將跳過ROM匹配命令寫入DS18B20。為了完成溫度啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，需要將啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令寫入DS18B20中。用延時(shí)750ms等待轉(zhuǎn)換完成。隨后再按照初始化時(shí)序執(zhí)行本文中2.1所介紹的初始化程序INI10，用寫入一個(gè)字節(jié)程序?qū)⑵ヅ銻OM命令（代碼為 55H）寫入到DS18B20中。為了完成讀便箋式存儲(chǔ)器操作，需要先結(jié)合數(shù)字溫度傳感器寫時(shí)序?qū)⒆x便箋式存儲(chǔ)器命令（代碼為BEH）寫入到 DS18B20中，再用溫度傳感器讀時(shí)序編寫的讀一個(gè)字節(jié)程序READ，連續(xù)讀取DS18B20便箋式存儲(chǔ)器中9個(gè)字節(jié)的內(nèi)容。由此可見，要想實(shí)現(xiàn)溫度正確采集，需要結(jié)合上述所介紹的初始化時(shí)序、溫度傳感器寫時(shí)序和溫度傳感器讀時(shí)序，才可以將所需的命令寫入與讀出。完成溫度的正確讀取。
3.2 溫度傳感器序列號(hào)讀取程序設(shè)計(jì)
每個(gè)單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20出廠時(shí)都有唯一的一個(gè)64位序列號(hào)，在使用溫度傳感器之前，需事先將每個(gè)溫度傳感器逐一掛接在I/O口如 P1.0上，再讀取溫度傳感器的序列號(hào)。當(dāng)I/O口上掛接一個(gè)溫度傳感器DS18B20時(shí)，可以用讀ROM命令完成64位序列號(hào)的讀取。程序設(shè)計(jì)思路是首先將讀ROM命令（代碼為33H）送入累加器A中，隨后調(diào)用寫入一個(gè)字節(jié)程序WRITE，然后調(diào)用讀64位序列號(hào)程序DXLH。在寫入一個(gè)字節(jié)程序 WRITE中，置循環(huán)次數(shù)為8，再調(diào)用寫入一位子程序，嚴(yán)格按照時(shí)序關(guān)系，執(zhí)行傳感器寫時(shí)序，循環(huán)8次寫完一個(gè)字節(jié)。在讀64位序列號(hào)程序DXLH中，置內(nèi)部RAM首地址為30H，置循環(huán)次數(shù)為8，調(diào)用讀一個(gè)字節(jié)程序READ，將讀取數(shù)據(jù)存放在內(nèi)部RAM中。循環(huán)8次讀完8個(gè)字節(jié)即64位序列號(hào)。讀出的 64位序列號(hào)將存放到內(nèi)部RAM 30H ～ 37H單元中。讀一個(gè)字節(jié)程序READ如下所示。
READ: MOV R6, #8 ; 循環(huán)次數(shù)為8
SETB DAT ; 讀出一位程序，執(zhí)行傳感器讀時(shí)序
NOP
NOP
RD11: CLR DAT
MOV R4, #4
NOP ; 持續(xù)低電平2us
SETB DAT ; 釋放數(shù)據(jù)線
RD12: DJNZ R4, RD12 ; 等待8us
MOV C, DAT ; 讀入一位
RRC A ; 將讀入數(shù)據(jù)移入累加器A
MOV R5, #28
RD13: DJNZ R5, RD13 ; 保證一個(gè)讀周期持續(xù)60us
DJNZ R6, RD11 ; 循環(huán)8次讀一個(gè)字節(jié)
SETB DAT
RET
上述程序執(zhí)行完畢，可將溫度傳感器的64位序列號(hào)存放在單片機(jī)內(nèi)部RAM 30H ～ 37H單元中。
4.分布式測(cè)溫系統(tǒng)中溫度顯示
分布式測(cè)溫系統(tǒng)中，采用液晶顯示可以實(shí)現(xiàn)房間號(hào)的顯示，實(shí)際溫度的顯示，報(bào)警上限值的顯示以及報(bào)警發(fā)生時(shí)的時(shí)間。還可以循環(huán)顯示多個(gè)房間的實(shí)際溫度和上限值。如圖5所示。
圖5 分布式測(cè)溫系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)房間溫度以及報(bào)警上限顯示
5.結(jié)束語
正確讀取多個(gè)單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的溫度在分布式測(cè)溫系統(tǒng)中是非常重要的。由于在程序設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系，因此本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是詳細(xì)闡述了初始化時(shí)序、讀寫時(shí)序等復(fù)雜邏輯關(guān)系，設(shè)計(jì)了正確的溫度序列號(hào)讀取程序和溫度讀寫程序并能夠進(jìn)行液晶顯示。由于單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)是通過各種ROM命令與操作功能命令實(shí)現(xiàn)的，這些命令一環(huán)扣著一環(huán)，每個(gè)環(huán)都是一個(gè)時(shí)序的集合。在進(jìn)行程序調(diào)試時(shí)，不能像調(diào)試其它程序一樣用單步執(zhí)行來進(jìn)行跟蹤，因此對(duì)錯(cuò)誤查找和程序優(yōu)化帶來了很大的難度。在遇到程序運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)，只能夠根據(jù)錯(cuò)誤現(xiàn)象來分析、推測(cè)、修改和再運(yùn)行來解決，而不能直接定位。文中所介紹的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20程序設(shè)計(jì)思路與方法，目前已較好地應(yīng)用于分布式測(cè)溫系統(tǒng)中，并且滿足一定精度要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 沙占友，智能化集成溫度傳感器原理與應(yīng)用[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2002
[2] 周月霞，孫傳友，DS18B20硬件連接及軟件編程 [J]，傳感器世界，2001.12
[3] Dallas Semiconductor. DS18B20 1-Wire Digital Thermometer [Z]. Dallas Semiconductor Co, 2002
[4] 徐維濤，郝曉弘，OCXO恒溫槽溫度控制系統(tǒng)控制方法研究[J]，微計(jì)算機(jī)信息，2006年第 3 期
