2020年02月04日 | PIC单片机之温度采集

大家好， 通过前一期的学习， 我们已经对ICD2 仿真烧写器和增强型PIC 实验板的使用方法及学习方式有所了解与熟悉，学会了如何用单片机来控制发光管、继电器、蜂鸣器、按键、数码管、RS232 串口、步进电机等资源，体会到了学习板的易用性与易学性，看了前几期实例，当你实验成功后一定很兴奋，很有成就感吧！现在我们就趁热打铁，再向上跨一步，一起来学习一下DS18B20 数字温度传感器的工作原理及使用方法，这样我们用单片机来读取温度数值，可以做出很多温控方面的小产品来，如温度计，温度控制继电器的应用系统。

一、 单总线温度传感器DS18B20简介

DS18B20 是DALLAS 公司生产的单总线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、搞干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（提供9 位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。它具有3 引脚TO － 92 小体积封装形式，温度测量范围为－ 55℃～＋ 125℃，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20 可以并联到3 根或2 根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20 非常适用于远距离多点温度检测系统。

二、 DS18B20外形、引脚及时序

外形及引脚如图1 所示。

图1 管脚排列图

在TO-92 和SO-8 的封装中引脚有所不同，具体差别请查阅有关手册，在TO-92 封装中引脚分配如下：

1（GND）：地

2（DQ）：单总线数据输入输出引脚

3（VDD）：可选的电源引脚（在某些应用场合可以不接）

单总线有一个主机，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微处理器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。

当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作。主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连接到这个数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线，其内部等效电路图如图2 所示。单总线通常要求接一个约为4.7K 左右的上拉电阻，这样，当总线空闲时，其状态为高电平。主机和从机之间的通信可以通过三个步骤完成，分别是初始化单总线器件、识别单总线器件、数据交换。由于它们是主从结构，只有主机呼号从机时，从机才能应答，因此主机访问单总线器件时都必须严格遵循单总线命令序列。如果出现序列混乱，单总线器件将不响应主机。

图2 内部等效电路图

所有单总线器件的读、写时序至少需要60μS，且每两个独立的时序间至少需要1μS的恢复时间。在写时序中，主机将在拉低总线15μS 之内释放总线，并向单总线器件写“1”；如果主机拉低总线后能保持至少60μS 的低电平，则向总线器件写“0”。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，当主机向单总线器件发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便单总线器件能传输数据。

三、DS18B20工作过程

DS18B20 内部的“低温度系数振荡器”频率随温度变小，振荡信号送计数器1，“高温度系数振荡器”振荡频率随温度变化，振荡信号送计数器2。两者的计数差与温度成正比。DS18B20内部的温度寄存器中的温度值以9 位数据格式表示，最高位为符号位，其余8 位以二进制补码形式表示温度值。测温结束时，这9 位数据转存到暂存存储器的前两个字节中，符号位占用第一字节，8 位温度数据占据第二字节。但因符号位扩展成高8 位，所以最后以16 位补码形式读出。

DS18B20 内部的比较器以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。四舍五入最大量化误差为±1/2LSB，即0.25℃。

而一般模拟量输出的温度传感器我们还需要加上一个AD 模数转换电路才可以将数据传给单片机，但是DS18B20 的输出口可以直接和单片机I/O 口相连，我们只需要操作单片机的一个I/O 口，就可以获得温度值了，使用更加简单、方便。

现在，我们来一起看一个数字温度通过数码管显示的例子，通过一个实例，相信会给大家带来一个感性的认识。

四、温度采集应用实例

首先，我们来看一下增强型PIC 实验板上的DS18B20 温度传感器的接口电路，因为我们需要将软件和硬件相结合进行考虑如何来编程，完成该实验的硬件原理图如图3 所示，J5 为实验板上温度传感器的接口，传感器输出的数据与单片机的RD5 口相连，七段数码管D5、D7、D8组成了显示单元，字形码的数据通过RC 口送入，各数码管的显示片选信号分别不同的RA 口进行控制。

图3 硬件原理图

对于单片机软件的编程，我们使用MPLabIDE 软件来进行C 语言编程，它是我们的编程环境，同时我们可以通过使用ICD2 仿真烧写器和增强型PIC 实验板连接进行程序的仿真调试和烧写步骤，具体的操作步骤，我们已经在前几期做了详细的说明和介绍，在此就不再重复说明，读者朋友可以参阅以前的文章或直接登陆我们的网站查看资料。现在我们可以输入程序代码进行调试了，我们在MPLab IDE 软件中新建工程，加入源程序代码，同时进行芯片型号的选择和配置位的设置，我们实验所用的芯片型号为PIC16F877A。编写的程序代码如下：

#include // 包含头文件

#define uch unsigned char // 宏定义

# define DQ RD5 // 端口定义

# define DQ_DIR TRISD5 // 端口定义

# define DQ_HIGH（） DQ_DIR =1

# define DQ_LOW（） DQ = 0; DQ_DIR = 0

// 设置数据口为输出

// 变量定义

unsigned char TLV=0; // 采集到的温度高8 位

unsigned char THV=0; // 采集到的温度低8 位

unsigned char TZ=0;

// 转换后的温度值整数部分

unsigned char TX=0; // 转换后的温度值小数部分

unsigned int wd; // 转换后的温度值BCD 码形式

unsigned char shi; // 整数十位

unsigned char ge; // 整数个位

unsigned char shifen; // 十分位

unsigned char baifen; // 百分位

unsigned char table[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};

// 共阴LED 段码表 0-9 的显示代码

void delay（char x,char y）

// 函数功能： 数码管延时子程序

{

char z;

do{

z=y;

do{;}while（--z）；

}while（--x）；

}

void display（） // 函数功能： 数码管显示子程序

{

TRISA=0X00; // 设置A 口全为输出

PORTC=table[shi]; // 显示整数十位

PORTA=0xEF;

delay（10,70）；

PORTC=table[ge]&0x7F; // 显示整数个位，并

点亮小数点

PORTA=0xDF;

delay（10,70）；

PORTC=table[shifen]; // 显示小数十分位

PORTA=0xFB;

delay（10,70）；

PORTC=table[baifen]; // 显示小数百分位

}

void init（） // 函数功能： 系统初始化函数

{

ADCON1=0x07; // 设置A 口为普通数字口

TRISA=0x00; // 设置A 口方向为输出

TRISD=0x00; // 设置D 口方向为输出

TRISC=0x00;

PORTD=0xff;

}

reset（void） // 复位DS18B20 函数函数

{

char presence=1;

while（presence）

{

DQ_LOW（） ; // 主机拉至低电平

delay（2,70）； // 延时503us

DQ_HIGH（）； // 释放总线等电阻拉高总线，

并保持15~60us

delay（2,8）； // 延时70us

if（DQ==1）

presence=1;

// 没有接收到应答信号，继续复位

else

presence=0; // 接收到应答信号

delay（2,60）； // 延时430us

}

}

void write_byte（uch val）

// 写18b20 写字节函数函数

{

uch i;

uch temp;

for（i=8;i>0;i--）

{

temp=val&0x01; // 最低位移出

DQ_LOW（）；

NOP（）；

NOP（）；

NOP（）；

NOP（）；

NOP（）；

// 从高拉至低电平， 产生写时间隙

if（temp==1）

DQ_HIGH（）； // 如果写1, 拉高电平

delay（2,7）； // 延时63us

DQ_HIGH（）；

NOP（）；

NOP（）；

val=val》1; // 右移一位

}

}

uch read_byte（void）

// 函数功能：18b20 读字节函数函数

{

uch i;

uch value=0; // 读出温度

static bit j;

for（i=8;i>0;i--）

{

value》=1;

DQ_LOW（）；

NOP（）；

NOP（）；

NOP（）；

NOP（）；

NOP（）；

NOP（）； //6us

DQ_HIGH（）； // 拉至高电平

NOP（）；

NOP（）；

NOP（）；

NOP（）；

NOP（）； //4us

j=DQ;

if（j） value|=0x80;

delay（2,7）； //63us

}

return（value）；

}

void get_temp（）

// 函数功能： 启动温度转换函数函数

{

int i;

DQ_HIGH（）；

reset（）； // 复位等待从机应答

write_byte（0xCC）； // 忽略ROM 匹配

write_byte（0x44）； // 发送温度转化命令

for（i=20;i>0;i--）

{

display（）；

// 调用多次显示函数，确保温度转换完成所需要的时间

}

reset（）； // 再次复位，等待从机应答

write_byte（0xCC）； // 忽略ROM 匹配

write_byte（0xBE）； // 发送读温度命令

TLV=read_byte（）； // 读出温度低8 位

THV=read_byte（）； // 读出温度高8 位

DQ_HIGH（）； // 释放总线

TZ=（TLV》4）|（THV《4）&0x3f;

// 温度整数部分

TX=TLV《4; // 温度小数部分

if（TZ>100）

TZ/100; // 不显示百位

ge=TZ%10; // 整数部分个位

shi=TZ/10; // 整数十位

wd=0;

if （TX & 0x80）

wd=wd+5000;

if （TX & 0x40）

wd=wd+2500;

if （TX & 0x20）

wd=wd+1250;

if （TX & 0x10）

wd=wd+625;

// 以上4 条指令把小数部分转换为BCD 码形式

shifen=wd/1000; // 十分位

baifen=（wd%1000）/100; // 百分位

NOP（）；

}

void main（） // 主函数

{

init（）； // 调用系统初始化函数

while（1）

{

get_temp（）； // 调用温度转换函数

display（）； // 调用结果显示函数

}

}

编好程序后，读者朋友可以先将DS18B20温度传感器插上实验板，如图4 所示，然后将编译好的HEX 通过ICD2 仿真烧写器烧入单片机芯片，上电运行。

图4 DS18B20 插在增强型PIC 实验板上的样子

前面，我们输入了这么长一段程序后，作为初学者的读者一定对有些语句会有点疑问，程序中的关键语句和函数，请看程序中的注释部份，相信很多常用的函数，在前几期的教程中大家已经见过，不再陌生，这次的实例中，最主要的是温度转换函数，读者朋友可以将DS18B20 的数据手册和源程序相结合来进行分析，由于文章篇幅有限，我们在此不再延伸，如果在学习中碰到问题也可以登陆我们的网站进行交流。