单片机练习 - DS18B20温度转换与显示

Posted 2020-10-15

DS18B20 数字温度传感器(参考:智能温度传感器DS18B20的原理与应用)是DALLAS 公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计。DS18B20 产品的特点:

（1）、只要求一个I/O 口即可实现通信。
（2）、在DS18B20 中的每个器件上都有独一无二的序列号。
（3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
（4）、测量温度范围在－55 到＋125℃之间; 在-10 ~ +85℃范围内误差为±5℃;
（5）、数字温度计的分辨率用户可以从9 位到12 位选择。将12位的温度值转换为数字量所需时间不超过750ms;
（6）、内部有温度上、下限告警设置。

DS18B20引脚分布图

DS18B20 详细引脚功能描述:
1、GND 地信号；
2、DQ数据输入出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用在寄生电源下，此引脚可以向器件提供电源；漏极开路, 常太下高电平. 通常要求外接一个约5kΩ的上拉电阻.
3、VDD可选择的VDD 引脚。电压范围:3~5.5V; 当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

DS18B20存储器结构图

暂存储器的头两个字节为测得温度信息的低位和高位字节; 
第3, 4字节是TH和TL的易失性拷贝, 在每次电复位时都会被刷新;
第5字节是配置寄存器的易失性拷贝, 同样在电复位时被刷新;
第9字节是前面8个字节的CRC检验值.

配置寄存器的命令内容如下:

0

R1

R0

1

1

1

1

1

MSB                                                                LSB
R0和R1是温度值分辨率位, 按下表进行配置.默认出厂设置是R1R0 = 11, 即12位.

温度值分辨率配置表

R1	R0	分辨率	最大转换时间(ms)
0	0	9bit	93.75(tconv/8)
0	1	10bit	183.50(tconv/4)
1	0	11bit	375(tconv/2)
1	1	12bit	750 (tconv)

4种分辨率对应的温度分辨率为0.5℃, 0.25℃, 0.125℃, 0.0625℃(即最低一位代表的温度值)

12位分辨率时的两个温度字节的具体格式如下:
低字节:

2^3

2^2

2^1

2^0

2^-1

2^-2

2^-3

2^-4

高字节:

S

S

S

S

S

2^6

2^5

2^4

其中高字节前5位都是符号位S, 若分辨率低于12位时, 相应地使最低为0, 如: 当分辨率为10位时, 低字节为:

2^3

2^2

2^1

2^0

2^-1

2^-2

0

0

, 高字节不变....

一些温度与转换后输出的数字参照如下:

温度	数字输出	换成16进制
+125℃	00000111 11010000	07D0H
+85℃	00000101 01010000	0550H
+25.0625℃	00000001 10010001	0191H
+10.125℃	00000000 10100010	00A2H
+0.5℃	00000000 00001000	0008H
0℃	00000000 00000000	0000H
-0.5℃	11111111 11111000	FFF8H
-10.125℃	11111111 01011110	FFE5H
-25.0625℃	11111110 01101111	FF6FH
-55℃	11111100 10010000	FC90H

由上表可看出, 当输出是负温度时, 使用补码表示, 方便计算机运算(若是用C语言, 直接将结果赋值给一个int变量即可).

DS18B20 的使用方法:
由于DS18B20 采用的是1－Wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对单片机来说，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。
由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。
该协议定义了几种信号的时序：初始化时序(dsInit()实现)、读时序(readByte())、写时序(writeByte())。
所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。

DS18B20与单片机连接电路图:


利用软件模拟DS18B20的单线协议和命令:主机操作DS18B20必须遵循下面的顺序
1. 初始化
单线总线上的所有操作都是从初始化开始的. 过程如下: 
1)请求: 主机通过拉低单线480us以上, 产生复位脉冲, 然后释放该线, 进入Rx接收模式. 主机释放总线时, 会产生一个上升沿脉冲.
DQ : 1 -> 0(480us+) -> 1  
2)响应: DS18B20检测到该上升沿后, 延时15~60us, 通过拉低总线60~240us来产生应答脉冲. 
DQ: 1(15~60us) -> 0(60~240us)
3)接收响应: 主机接收到从机的应答脉冲后, 说明有单线器件在线. 至此, 初始化完成.
DQ: 0

2. ROM操作命令
当主机检测到应答脉冲, 便可发起ROM操作命令. 共有5类ROM操作命令, 如下表

命令类型	命令字节	功能
Read Rom   读ROM	33H	读取激光ROM中的64位,只能用于总线上单个DS18B20器件情况, 多挂时会发生数据冲突
Match Rom匹配ROM	55H	此命令后跟64位ROM序列号,寻址多挂总线上的对应DS18B20.只有序列号完全匹配的DS18B20才能响应后面的内存操作命令,其他不匹配的将等待复位脉冲.可用于单挂或多挂两种情况.
Skip Rom   跳过ROM	CCH	可无须提供64位ROM序列号即可运行内存操作命令, 只能用于单挂.
Search Rom搜索ROM	F0H	通过一个排除法过程, 识别出总线上所有器件的ROM序列号
Alarm Search告警搜索	ECH	命令流程与Search Rom相同, 但DS18B20只有最近的一次温度测量时满足了告警触发条件的, 才会响应此命令.

3. 内存操作命令
在成功执行ROM操作命令后, 才可使用内存操作命令. 共有6种内存操作命令:

命令类型	命令字节	功能
Write Scratchpad 写暂存器	4EH	写暂存器中地址2~地址4的3个字节(TH,TL和配置寄存器)在发起复位脉冲之前,3个字节都必须要写.
Read Scratchpad 读暂存器	BEH	读取暂存器内容,从字节0~一直到字节8, 共9个字节,主机可随时发起复位脉冲,停止此操作,通常我们只需读前5个字节.
Copy Scratchpad 复制暂存器	48H	将暂存器中的内容复制进EERAM, 以便将温度告警触发字节存入非易失内存. 如果此命令后主机产生读时隙, 那么只要器件还在进行复制都会输出0, 复制完成后输出1.
Convert T  温度转换	44H	开始温度转换操作. 若在此命令后主机产生时隙, 那么只要器件还在进行温度转换就会输出0, 转换完成后输出1.
Recall E2     重调E2暂存器	B8H	将存储在EERAM中的温度告警触发值和配置寄存器值重新拷贝到暂存器中,此操作在DS18B20加电时自动产生.
Read Power Supply 读供电方式	B4H	主机发起此命令后每个读数时隙内,DS18B20会发信号通知它的供电方式:0寄生电源, 1外部供电.

4. 数据处理
DS18B20要求有严格的时序来保证数据的完整性. 在单线DQ上, 有复位脉冲, 应答脉冲, 写0, 写1, 读0, 读1这6种信号类型. 除了应答脉冲外, 其它都由主机产生. 数据位的读和写是通过读、写时隙实现的.
1) 写时隙: 当主机将数据线从高电平拉至低电平时, 产生写时隙.所有写时隙都必须在60us以上, 各写时隙间必须保证1us的恢复时间.
写"1" : 主机将数据线DQ先拉低, 然后释放15us后, 将数据线DQ拉高;
写"0" : 主机将DQ拉低并至少保持60us以上.
2)读时隙: 当主机将数据线DQ从高电平拉至低电平时, 产生读时隙. 所有读时隙最短必须持续60us, 各读时隙间必须保证1us的恢复时间.
读: 主机将DQ拉低至少1us,. 此时主机马上将DQ拉高, 然后就可以延时15us后, 读取DQ即可.


源代码: (测量范围: 0 ~ 99度)

 

DS18B20
  1#include <reg51.H>
  2//通过DS18B20测试当前环境温度, 并通过数码管显示当前温度值
  3sbit wela = P2^7;  //数码管位选
  4sbit dula = P2^6;  //数码管段选
  5sbit ds = P2^2;
  6//0-F数码管的编码(共阴极)
  7unsigned char code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,
  8    0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};
  9//0-9数码管的编码(共阴极), 带小数点
 10unsigned char code tableWidthDot[]={0xbf, 0x86, 0xdb, 0xcf, 0xe6, 0xed, 0xfd, 
 11    0x87, 0xff, 0xef};
 12
 13//延时函数, 例i=10,则大概延时10ms.
 14void delay(unsigned char i)
 15{
 16    unsigned char j, k;
 17    for(j = i; j > 0; j--)
 18    {
 19        for(k = 125; k > 0; k--);
 20    }
 21}
 22
 23//初始化DS18B20
 24//让DS18B20一段相对长时间低电平, 然后一段相对非常短时间高电平, 即可启动
 25void dsInit()
 26{
 27    //一定要使用unsigned int型, 一个i++指令的时间, 作为与DS18B20通信的小时间间隔
 28    //以下都是一样使用unsigned int型
 29    unsigned int i;  
 30    ds = 0;
 31    i = 103;
 32    while(i>0) i--;
 33    ds = 1;
 34    i = 4;
 35    while(i>0) i--;
 36}
 37
 38//向DS18B20读取一位数据
 39//读一位, 让DS18B20一小周期低电平, 然后两小周期高电平, 
 40//之后DS18B20则会输出持续一段时间的一位数据
 41bit readBit()
 42{
 43    unsigned int i;
 44    bit b;
 45    ds = 0;
 46    i++;
 47    ds = 1; 
 48    i++; i++;
 49    b = ds;
 50    i = 8; 
 51    while(i>0) i--;
 52    return b;
 53}
 54
 55//读取一字节数据, 通过调用readBit()来实现
 56unsigned char readByte()
 57{
 58    unsigned int i;
 59    unsigned char j, dat;
 60    dat = 0;
 61    for(i=0; i<8; i++)
 62    {
 63        j = readBit();
 64        //最先读出的是最低位数据
 65        dat = (j << 7) | (dat >> 1);
 66    }
 67    return dat;
 68}
 69
 70//向DS18B20写入一字节数据
 71void writeByte(unsigned char dat)
 72{
 73    unsigned int i;
 74    unsigned char j;
 75    bit b;
 76    for(j = 0; j < 8; j++)
 77    {
 78        b = dat & 0x01;
 79        dat >>= 1;
 80        //写"1", 让低电平持续2个小延时, 高电平持续8个小延时
 81        if(b)   
 82        {
 83            ds = 0;
 84            i++; i++;
 85            ds = 1;
 86            i = 8; while(i>0) i--;
 87        }
 88        else  //写"0", 让低电平持续8个小延时, 高电平持续2个小延时
 89        {
 90            ds = 0;
 91            i = 8; while(i>0) i--;
 92            ds = 1;
 93            i++; i++;
 94        }
 95    }
 96}
 97
 98//向DS18B20发送温度转换命令
 99void sendChangeCmd()
100{
101    dsInit();    //初始化DS18B20
102    delay(1);    //延时1ms
103    writeByte(0xcc); //写入跳过序列号命令字
104    writeByte(0x44); //写入温度转换命令字
105}
106
107//向DS18B20发送读取数据命令
108void sendReadCmd()
109{
110    dsInit();
111    delay(1);
112    writeByte(0xcc); //写入跳过序列号命令字
113    writeByte(0xbe); //写入读取数据令字
114}
115
116//获取当前温度值
117unsigned int getTmpValue()
118{
119    unsigned int value; //存放温度数值
120    float t;
121    unsigned char low, high;
122    sendReadCmd();
123    //连续读取两个字节数据
124    low = readByte(); 
125    high = readByte();
126    //将高低两个字节合成一个整形变量
127    value = high;
128    value <<= 8;
129    value |= low;
130    //DS18B20的精确度为0.0625度, 即读回数据的最低位代表0.0625度
131    t = value * 0.0625;
132    //将它放大10倍, 使显示时可显示小数点后一位, 并对小数点后第二2进行4舍5入
133    //如t=11.0625, 进行计数后, 得到value = 111, 即11.1 度
134    value = t * 10 + 0.5;
135    return value;
136}
137
138//显示当前温度值, 精确到小数点后一位
139void display(unsigned int v) 
140{
141    unsigned char count;
142    unsigned char datas[] = {0, 0, 0};
143    datas[0] = v / 100;
144    datas[1] = v % 100 / 10;
145    datas[2] = v % 10;
146    for(count = 0; count < 3; count++)
147    {
148        //片选
149        wela = 0; 
150        P0 = ((0xfe << count) | (0xfe >> (8 - count))); //选择第(count + 1) 个数码管
151        wela = 1; //打开锁存, 给它一个下降沿量
152        wela = 0;
153        //段选
154        dula = 0;
155        if(count != 1)
156        {
157            P0 = table[datas[count]];  //显示数字
158        }
159        else
160        {
161            P0 = tableWidthDot[datas[count]]; //显示带小数点数字
162        }
163        dula = 1;  //打开锁存, 给它一个下降沿量
164        dula = 0;
165        delay(5); //延时5ms, 即亮5ms
166
167        //清除段先, 让数码管灭, 去除对下一位的影响, 去掉高位对低位重影
168        //若想知道影响效果如何, 可自行去掉此段代码
169        //因为数码管是共阴极的, 所有灭的代码为: 00H
170        dula = 0;
171        P0 = 0x00;  //显示数字
172        dula = 1; //打开锁存, 给它一个下降沿量
173        dula = 0;
174    }
175}
176
177void main()
178{
179    unsigned char i;
180    unsigned int value;
181    while(1)
182    {
183        //启动温度转换
184        sendChangeCmd();
185        value = getTmpValue();
186        //显示3次
187        for(i = 0; i < 3; i++)
188        {
189            display(value);
190        }
191    }
192}

显示效果:
 


流程图:


改进代码: 扩大测量范围, 使可测量范围为: -55度 ~ +125度, 严格按照上面的流程进行软件设计
3.15 1:34 修正display()函数中的下一位显示对上一位的影响

改进代码
  1#include <reg51.H>
  2#include<intrins.h>
  3#include <math.H>  //要用到取绝对值函数abs()
  4//通过DS18B20测试当前环境温度, 并通过数码管显示当前温度值, 目前显示范围: -55~ +125度
  5sbit wela = P2^7;  //数码管位选
  6sbit dula = P2^6;  //数码管段选
  7sbit ds = P2^2;
  8int tempValue;
  9
 10//0-F数码管的编码(共阴极)
 11unsigned char code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,
 12    0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};
 13//0-9数码管的编码(共阴极), 带小数点
 14unsigned char code tableWidthDot[]={0xbf, 0x86, 0xdb, 0xcf, 0xe6, 0xed, 0xfd, 
 15    0x87, 0xff, 0xef};
 16
 17//延时函数, 对于11.0592MHz时钟, 例i=10,则大概延时10ms.
 18void delay(unsigned int i)
 19{
 20    unsigned int j;
 21    while(i--)
 22    {
 23        for(j = 0; j < 125; j++);
 24    }
 25}
 26
 27//初始化DS18B20
 28//让DS18B20一段相对长时间低电平, 然后一段相对非常短时间高电平, 即可启动
 29void dsInit()
 30{
 31    //对于11.0592MHz时钟, unsigned int型的i, 作一个i++操作的时间大于为8us
 32    unsigned int i;  
 33    ds = 0;
 34    i = 100;   //拉低约800us, 符合协议要求的480us以上
 35    while(i>0) i--;
 36    ds = 1;    //产生一个上升沿, 进入等待应答状态
 37    i = 4;
 38    while(i>0) i--;
 39}
 40
 41void dsWait()
 42{
 43     unsigned int i;
 44     while(ds);  
 45     while(~ds);  //检测到应答脉冲
 46     i = 4;
 47     while(i > 0) i--;
 48}
 49
 50//向DS18B20读取一位数据
 51//读一位, 让DS18B20一小周期低电平, 然后两小周期高电平, 
 52//之后DS18B20则会输出持续一段时间的一位数据
 53bit readBit()
 54{
 55    unsigned int i;
 56    bit b;
 57    ds = 0;
 58    i++;   //延时约8us, 符合协议要求至少保持1us
 59    ds = 1; 
 60    i++; i++;  //延时约16us, 符合协议要求的至少延时15us以上
 61    b = ds;
 62    i = 8; 
 63    while(i>0) i--;  //延时约64us, 符合读时隙不低于60us要求
 64    return b;
 65}
 66
 67//读取一字节数据, 通过调用readBit()来实现
 68unsigned char readByte()
 69{
 70    unsigned int i;
 71    unsigned char j, dat;
 72    dat = 0;
 73    for(i=0; i<8; i++)
 74    {
 75        j = readBit();
 76        //最先读出的是最低位数据
 77        dat = (j << 7) | (dat >> 1);
 78    }
 79    return dat;
 80}
 81
 82//向DS18B20写入一字节数据
 83void writeByte(unsigned char dat)
 84{
 85    unsigned int i;
 86    unsigned char j;
 87    bit b;
 88    for(j = 0; j < 8; j++)
 89    {
 90        b = dat & 0x01;
 91        dat >>= 1;
 92        //写"1", 将DQ拉低15us后, 在15us~60us内将DQ拉高, 即完成写1
 93        if(b)   
 94        {
 95            ds = 0;
 96            i++; i++;  //拉低约16us, 符号要求15~60us内
 97            ds = 1;    
 98            i = 8; while(i>0) i--;  //延时约64us, 符合写时隙不低于60us要求
 99        }
100        else  //写"0", 将DQ拉低60us~120us
101        {
102            ds = 0;
103            i = 8; while(i>0) i--;  //拉低约64us, 符号要求
104            ds = 1;
105            i++; i++;  //整个写0时隙过程已经超过60us, 这里就不用像写1那样, 再延时64us了
106        }
107    }
108}
109
110//向DS18B20发送温度转换命令
111void sendChangeCmd()
112{
113    dsInit();    //初始化DS18B20, 无论什么命令, 首先都要发起初始化
114    dsWait();   //等待DS18B20应答
115    delay(1);    //延时1ms, 因为DS18B20会拉低DQ 60~240us作为应答信号
116    writeByte(0xcc); //写入跳过序列号命令字 Skip Rom
117    writeByte(0x44); //写入温度转换命令字 Convert T
118}
119
120//向DS18B20发送读取数据命令
121void sendReadCmd()
122{
123    dsInit();
124    dsWait();
125    delay(1);
126    writeByte(0xcc); //写入跳过序列号命令字 Skip Rom
127    writeByte(0xbe); //写入读取数据令字 Read Scratchpad
128}
129
130//获取当前温度值
131int getTmpValue()
132{
133    unsigned int tmpvalue;
134    int value; //存放温度数值
135    float t;
136    unsigned char low, high;
137    sendReadCmd();
138    //连续读取两个字节数据
139    low = readByte(); 
140    high = readByte();
141    //将高低两个字节合成一个整形变量
142    //计算机中对于负数是利用补码来表示的
143    //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型的value
144    tmpvalue = high;
145    tmpvalue <<= 8;
146    tmpvalue |= low;
147    value = tmpvalue;
148    
149    //使用DS18B20的默认分辨率12位, 精确度为0.0625度, 即读回数据的最低位代表0.0625度
150    t = value * 0.0625;
151    //将它放大100倍, 使显示时可显示小数点后两位, 并对小数点后第三进行4舍5入
152    //如t=11.0625, 进行计数后, 得到value = 1106, 即11.06 度
153    //如t=-11.0625, 进行计数后, 得到value = -1106, 即-11.06 度
154    value = t * 100 + (value > 0 ? 0.5 : -0.5); //大于0加0.5, 小于0减0.5
155    return value;
156}
157
158unsigned char const timeCount = 3; //动态扫描的时间间隔
159//显示当前温度值, 精确到小数点后一位
160//若先位选再段选, 由于IO口默认输出高电平, 所以当先位选会使数码管出现乱码
161void display(int v) 
162{
163    unsigned char count;
164    unsigned char datas[] = {0, 0, 0, 0, 0};
165    unsigned int tmp = abs(v);
166    datas[0] = tmp / 10000;
167    datas[1] = tmp % 10000 / 1000;
168    datas[2] = tmp % 1000 / 100;
169    datas[3] = tmp % 100 / 10;
170    datas[4] = tmp % 10;
171    if(v < 0)
172    {
173        //关位选, 去除对上一位的影响
174        P0 = 0xff; 
175        wela = 1; //打开锁存, 给它一个下降沿量
176        wela = 0;
177        //段选
178        P0 = 0x40; //显示"-"号
179        dula = 1;  //打开锁存, 给它一个下降沿量
180        dula = 0;
181
182        //位选
183        P0 = 0xfe; 
184        wela = 1; //打开锁存, 给它一个下降沿量
185        wela = 0;
186        delay(timeCount); 
187    }
188    for(count = 0; count != 5; count++)
189    {
190        //关位选, 去除对上一位的影响
191        P0 = 0xff; 
192        wela = 1; //打开锁存, 给它一个下降沿量
193        wela = 0;
194        //段选
195        if(count != 2)
196        {
197        /*    if((count == 0 && datas[count] == 0) 
198                || ((count == 1 && datas[count] == 0) && (count == 0 && datas[count - 1] == 0)))
199            {
200                P0 = 0x00; //当最高位为0时, 不作显示
201            }
202            else*/
203                P0 = table[datas[count]];  //显示数字
204        }
205        else
206        {
207            P0 = tableWidthDot[datas[count]]; //显示带小数点数字
208        }
209        dula = 1;  //打开锁存, 给它一个下降沿量
210        dula = 0;
211
212        //位选 
213        P0 = _crol_(0xfd, count); //选择第(count + 1) 个数码管
214        wela = 1; //打开锁存, 给它一个下降沿量
215        wela = 0;
216        delay(timeCount); 
217    }
218}
219
220void main()
221{
222    unsigned char i;
223    
224    while(1)
225    {
226        //启动温度转换
227        sendChangeCmd();
228        //显示5次
229        for(i = 0; i < 40; i++)
230        {
231            display(tempValue);
232        }
233        tempValue = getTmpValue();
234    }
235}

改进后的效果图:
只有一位小数
 
两位小数,  并消除下一位对上一位的影响