基于DS18B20的单片机控制测温电路的设计及仿真

2015-05-09田小明安徽机械工业学校安徽淮南305淮南舜泰化工有限责任公司安徽淮南305

天津中德应用技术大学学报 2015年3期

胡　娜，田小明（.安徽机械工业学校，安徽淮南305 .淮南舜泰化工有限责任公司，安徽淮南305）

胡娜1，田小明2
（1.安徽机械工业学校，安徽淮南232052 2.淮南舜泰化工有限责任公司，安徽淮南232052）

摘要：采用AT89S52型单片机作为主控制器的数字式温度计，它用单总线式温度传感器DS18B20采集环境温度，并用三位LED数码管显示。文章介绍这种温度计的电路硬件结构设计和软件设计，并进行Protues仿真分析及硬件电路实验，展示了其电路的功能效果。

关键词：DS18B20；单片机；Protues仿真；亚龙YL-236

2.田小明（1979-），男，安徽舜泰化工有限公司工程师，本科，研究方向为机械自动化。

温度是日常生活生产中常常需要检测的物理量，随着单片机技术的发展，结合温度传感器实现实时自动化控制，不仅误差低，测量速度快，精度高，而且适合各种环境下的自动检测。本文的设计目的是模拟DS18B20作为传感器的测温电路，利用中等职业学校技能大赛“单片机控制装置安装与调试”的设备，验证了电路的正确性和灵活性，设计了由单片机作为控制器，数码管为显示器的测温电路，该电路简单易操作，读数直接，分辨率高。设计的理论依据包括：DS18B20传感器的工作原理、单片机输入输出I/O口的应用以及Keil uVision4和Protues仿真软件的使用。

一、DS18B20传感器

DS18B20内部有四个数字部件：64位光刻ROM，温度传感器，配置寄存器，非易失性温度报警触发器TH和TL。与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，通过设置配置寄存器中的R0、R1实现9～12位的数值读取方式，相应的精度分别为：0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃。温度传感器可以测量温度，得到的温度值用16位数据表示，高5位是符号位，全1为负温度，全0为正温度，低4位为温度的小数部分，中间7位为温度的整数部分。64位光刻ROM包括前8位产品类型标号，中间48位序列号，后8位校验码。9字节RAM数据暂存器包括9个字节的暂存单元，每个字节有8位，见表1。

表1数据暂存器结构表

（一）单总线信号类型

由于DS18B20采用一根总线DQ传输数据，必须严格遵守通信协议，才能保证数据完整有序。发送或者接收数据都是靠操作总线上的时间顺序来实现的，不管是发送还是接收数据都是先低位数据再高位数据。

1.初始化时序

单片机将总线拉低至少480μs，最多不能超过960μs，然后释放总线，数据线为高电平“1”，从低电平到高电平的时间间隔为15～60μs，此后检测总线状态，若为低电平，说明DS18B20器件是存在的，复位成功，低电平持续时间为60～240μs，若主机检测到低电平后，还需要延时，持续的时间为从释放总线开始至少480μs；若为高电平，说明器件不存在，复位失败。

2.位写入（包括1和0）时序

主机把总线从高电平拉到低电平，开始写“1”或写“0”。所有写时序至少要持续60μs，并且两次写时序间隔时间至少1μs。写时序开始后主机在15μs后释放总线，DS18B20在此后的15μs～60μs内采样总线数据，若DQ引脚为高电平，就是主机对DS18B20写“1”，若是低电平，就是主机对DS18B20写“0”。主机写时序时每次只能向DS18B20写一位数据，使用语句DQ=dat&0x01获得低位，再使用语句dat=dat>>1获得次高位，先低后高，重复8次，向DS18B20写入一个字节。

3.位读取（包括1和0）时序

当主机发出读暂存器指令后，DS18B20向主机传输数据。主机将总线从高电平拉到低电平“0”，保持至少1μs，然后释放总线到高电平“1”，此时检测总线状态，若为低电平，主机读到的数据为“0”，若为高电平，主机读到的数据为“1”。不管是读“1”时序还是读“0”时序，每个时序至少持续60μs，并且两次读取时序间隔时间至少1μs。由于总线每次只能发送一位数据，所以主机在读取一个字节时，要重复8次位读取命令。由于先读的是低位数据，因此使用语句k＝（j＜＜7）｜（k＞＞1）将8次读取的数据组成为一个字节。读取位操作时，DS18B20发出数据后，在起始时隙之后保持15μs的有效时间。

（二）ROM操作命令

当器件存在时，单片机即可向总线发送ROM操作命令。包括：读ROM数据，读出64位激光ROM代码；指定匹配芯片，用于指定某一DS18B20进行操作；跳过ROM，当总线上只有一个DS18B20时，执行此操作命令；芯片搜索，确定总线上的节点数以及所有节点的序列号；报警芯片搜索，用于识别超出程序设定的报警温度界限的节点。由于DS18B20依靠一个单总线端口通信，必须先建立ROM操作协议才能进行存储器的控制操作。因此主机必须先执行ROM操作命令后，再写入RAM操作命令。

（三）RAM操作命令

RAM操作命令总共有6条，代码及操作说明如表2。

二、硬件电路设计

硬件电路主要由时钟电路、复位电路、温度采集电路、数码管显示驱动电路组成，DS18B20采用外部电源供电方式，电路图1和图2：

表2 RAM命令集

图1DS18B20初始化及读写控制时序

图2硬件电路图

三、软件设计

系统软件分函数序和子函数。主函数要完成系统的初始化，跳过ROM程序，启动温度转换，读取温度值，数码管显示温度，温度报警程序。子程序有毫秒、微秒延时子函数，数码管段选、位选、显示子函数，DS18B20初始化、位读取、读字节、写字节、温度值读取子函数。

（一）主函数

系统主函数要完成系统的初始化，调用读取温度值子函数，分离出温度的百位、十位、个位送给数码管显示，报警程序，流程图如图3所示。当测得的温度高于用户设定值或低于用户设定值时，采用红灯、黄灯报警，温度正常时绿灯显示。

图3主程序流程图

（二）DS18B20温度值读取子函数

读取温度包括五个步骤：（1）复位DS18B20；（2）跳过ROM命令；（3）发出读暂存器命令；（4）读两字节的温度；（5）温度格式转换。温度转换值采用默认的12位分辨率，单片机接收到数据后，先左移八位变为高八位字节，再与接收到的低八位数据组成16字节，若是负值,读取出来的数值是用补码表示的,可直接赋值给int型变量value，再将变量value乘以0.0625，即可得到实际温度，将数值放大10倍,使显示时可显示小数点后1位,并对小数点后第二进行4舍5入，具体函数内容如下：

uint read_temperature()

{

unsigned int tmpvalue; int value; float t;

unsigned char low,high; sendReadCmd(); low=readByte(); high=readByte(); tmpvalue=high; tmpvalue<<=8; tmpvalue|=low; value=tmpvalue; t=value*0.0625; value=t*10+(value>0?0.5:-0.5);

return value;

}

四、仿真与实验

在Keil软件中，首先新建工程，再新建C语言文件，并添加到工程文件中，编写程序并编译、调试，生成HEX文件，导入到Protues ISIS硬件电路图中，设置单片机的编辑元件里的Program File属性，将DS18B20设置为25.0℃时，点击“开始”按键运行仿真，在数码管上显示相应的温度值，如图4所示。