2020年02月18日 | 基于PIC单片机的测温网络的开发

简介：介绍一种利用PIC单片机和DS18B20构造单总线测温网络的方法，文章给出了系统硬件结构和软件流程图。

本测温网络应用在磁致伸缩液位传感器上，利用附在不锈钢管内壁的不同位置上的三个DS18B20，测量不同液位层的温度 。

1硬件设计

整个系统由上位机和下位机组成。上位机用PC机，下位机用PIC16C63（原理框图见图1）。系统硬件部分主要有PIC16C63、AT24C01、DS18B20、显示电路、电源电路、时钟电路和通信电路。用户需要时可通过上位机下达测量命令，下位机进行测量并把结果送给上位机或显示在液晶显示模块上。三个温度点任何一路发生故障，都会传给上位机一个默认值，用户可以据此在线更换新的温度传感器，系统能够自动找到并启用它。用户每次开机都通过上位机给下位机下达命令，对通信、AT24C01、DS18B20进行自检，自检失败会给上位机返回警告信号。系统具有掉电保护功能，当掉电时，参数的设定值可以保存在AT24C01中。上下位机之间采用RS－485串行总线进行通信。

1．1微处理器电路

PIC16C63A单片机有可编程编码（加密）保护功能，采用宽字单周期指令、哈佛双总线和RISC结构，其数据吞吐率最高可达6MIPS。数据输入线允许有25mA的倒灌电流，可以直接驱动LED。片内有可直接寻址的4K个字的程序存贮器、192个8位数据寄存器、3个8位I／O口、2个8位和1个16位的定时器／计数器、2个捕捉／比较／脉宽调制（CCP）部件、同步串行口（SSP）部件、串行通信接口（SCI）部件。可选择振荡器类别：RC型、XT型、HS型和LP型。有多级中断功能，可编程ID标识码，在线串行编程。

PIC单片机主要完成掉电保护电路、温度测量电路的操作控制，并对信号进行加工处理和最终输出。

1．2温度测量电路

DS18B20是可组网数字式温度传感器，测量范围为－55℃～125℃，精度达到0．0625℃。DS18B20有3个引脚分别接地、电源和信号。每个DS18B20包括一个唯一的64位长的ROM编码（表1），因此多个DS18B20和一个主控单元可以组成1－WIRE网络。图2为DS18B20内部存储器结构，它包括一个暂存RAM和一个非易失性电可擦除EERAM。暂存存储器作用是在单线通信时确保数据的完整性，它包括9个字节，头两个字节表示测得的温度数，温度／数据对应关系为＋125℃→7D0H，0℃→000H，－55℃→FC90H。用户可自设定非易失性温度报警上下限值TH和TL（掉电后依然存在），DS18B20在完成温度变换后，所测温度值将自动与贮存在TH和TL内的报警值相比较，如果高于TH或低于TL，DS18B20内部的告警标志就会被置位。DS18B20内部暂存存储器的第5个字节是结构寄存器，它的第5位R0和第6位R1主要用于确定温度值的数字转换分辨率。

1．3掉电保护电路

AT24C01是电可擦除的串口存储器，其内部组合为128＊8位，并有多种工作电压可供不同用户选择。只要把它的地线、电源线、数据线和时钟线分别接主控单元的地、电源和两个I／O引脚，主控单元就可以通过两条I／O线采用I2C总线的操作时序来操作它。

2软件设计

2．11－WIRE的操作时序及软件实现

1－WIRE网络是一种具有一个总线主机和一个或若干个从机的系统。从机采用类似集电极开路的形式输出，因此要求上拉电阻。1－WARE网络的通讯协议有三种类型：初始化、读时间片和写时间片。

初始化时序：主机向总线发一复位脉冲（至少480μs的低电平），然后释放总线并进入接收状态，这时总线被上拉电阻拉高，从机在检测到信号线上的上升沿之后，等待15～60μs，然后发出存在脉冲（60～240μs的低电平）（图3）。

写时序：主机将数据线从高电平拉至低电平，在15μs之内将所需写的位送到数据线上，从机在15～60μs之间对数据线进行采样，整个过程持续60～120μs，再延时至少1μs之后，开始一轮新的过程（图4）。

读时序：主机把数据线从高电平拉至低电平时，必须保持在低电平至少1μs，然后释放总线，从机将在15μs之内输出数据，整个过程最短持续期限为60μs，再延时至少1μs之后，开始一轮新的过程（图4）。

1－WIRE网络可保证在100米内数据通信正常，可挂接150个从机。为了更远距离传输或重载，可以利用一段网络作为主干，其余为网络分支，根据需要用耦合器DS2409添加或去除分支，同时可以利用其他耦合器来作为接点控制，以在分支上添加或去除其他网络。

2．2I2C总线操作时序及软件实现

I2C是两线制（只用串行时钟线SCK和串行数据线SDA）串行通信接口。为了实现总线的“线与”功能，SDA（数据）线在输出时采用开漏极，所以一般需要加上拉电阻，以保证总线在没有器件把其拉成低电平时为高电平。由总线时序知，当SCL保持高而SDA由高变低时，为启动信号：当SCL保持高而SDA由低变高时，为停止信号。数据传输过程中，数据线SDA只能在SCL为低电平时产生高低电平的变化。I2C总线的操作由四个基本的时间片组成：写时间片、读时间片、开始和停止。

2．3DS18B20工作过程的软件实现

系统对DS18B20的操作以ROM命令和存储器命令形式出现，DS18B20的工作遵循严格的单总线协议：

（1）主机首先发一复位脉冲，使信号线上所有的DS18B20芯片复位，并等待接收存在脉冲。

（2）接着发送ROM操作命令，包括读取（33H）、匹配（55H）、搜索（F0H）、跳过（CCH）序列号操作等工作，使序列号匹配的DS18B20被激活。

（3）准备接收下面的存储器操作命令；存储器操作命令控制被激活的DS18B20的工作状态，包括写报警值、写结构寄存器、温度转换、读取温度等工作。

本系统对DS18B20进行的操作主要包括三个子过程：1．自动搜索3个DS18B20的序列号（程序流程略），主机首先发一复位脉冲，等收到返回的存在脉冲后，发出搜索器件的序列号命令（F0H），读取DS18B20的序列号；2．写暂存存储器（程序流程如图5），主机在收到返回的存在脉冲后，发出匹配器件的序列号命令（55H），跟着发送一DS18B20的序列号，再发送写暂存器命令（4EH），写数据；3．启动DS18B20作温度转换并读取温度值（程序流程如图6），主机在收到返回的存在脉冲后，发出跳过器件的序列号命令（CCH），跟着发出温度转换命令（44H），再次复位并收到返回的存在脉冲后，发出匹配器件的序列号命令（55H），跟着发送一DS18B20的序列号，再发送读暂存器命令（BEH），读出数据。

2．4AT24C01工作过程的软件实现

AT24C01的读写操作过程都由上面介绍的I2C总线的四种操作时间片组成。AT24C01的写操作分为写字节和写页面两种方式。在本系统中采用了写字节的方式，写字节操作分为5个阶段：

（1）主机启动开始。

（2）主机通过SDA输入一个写器件命令（10100000B）。如果写入成功，AT24C01在第9个周期输出“0”表示确认（（3）、（4）同）。

（3）主机通过SDA输入8位数据地址。

（4）主机通过SDA输入8位数据。

（5）停止信号。

AT24C01的读操作分为立即读取、随机寻址读取和顺序读取3种方式。在本系统中采用了随机寻址读取的方式，具体读取过程分为7个阶段：

（1）主机启动开始。

（2）主机通过SDA输入一个写器件命令（10100000B）。如果写入成功，AT24C01在第9个周期输出“0”表示确认（（3）、（5）同）。

（3）主机通过SDA输入8位数据地址。

（4）主机启动开始。

（5）主机通过SDA输入一个读器件命令（10100001B）。

（6）AT24C01通过SDA输出8位数据。

（7）停止信号。

3硬件和软件调试

硬件调试上需要注意接口问题。DS18B20的工作电流高达1mA，当温度变换时信号线上必须提供足够的功率，因此选用了4．7k的上拉电阻。AT24C01数据线上的上拉电阻不能太大，否则AT24C01输出数据时不能获得足够的电流；也不能太小，否则AT24C01工作不稳定，必须经过调试选择一定阻值的上拉电阻。

本系统的主要调试任务集中在软件调试上，需要注意时间的把握，因为DS18B20和AT24C01的操作时序对时间要求比较严格。PIC单片机除分支指令是双周期外，其他所有指令都是单周期指令，本系统选用的晶振为4MHz，执行一条单周期指令需要250ns，执行一条分支指令需要500ns。

4总结

本套系统为广东康宇测控仪器仪表工程有限公司设计，已经进入试运行阶段。从目前的情况来看，它能够精确、及时地反映所测液体及周围环境的温度，而且现场调整方便灵活，反映良好。

参考文献：

［1］吕瑜，等．基于单片机和TDC的磁尺数字化技术研究［J］．仪表技术，2003，（4）．

［2］DS18B20 Programmable Resolution One－Wire Digital Thermometer［Z］．Dallas Corp．