基于AT89C51和DS18B20的最簡溫度測量系統(tǒng)

l 引 言

溫度的測量和控制在激光器、光纖光柵的使用及其他的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。溫度檢測的傳統(tǒng)方法是使用諸如熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)之類的模擬溫度傳感器。信號經(jīng)取樣、放大后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，再交自單片機(jī)處理。被測溫度信號從溫敏元件到單片機(jī)，經(jīng)過眾多器件，易受干擾、不易控制且精度不高。因此，本文介紹一種新型的可編程溫度傳感器DS18B20，他能代替模擬溫度傳感器和信號處理電路，直接與單片機(jī)溝通，完成溫度采集和數(shù)據(jù)處理。DS18B20與AT89C51結(jié)合實(shí)現(xiàn)最簡溫度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場溫度測量，有廣泛的應(yīng)用前景。

2 溫度測量系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[1]。這里通過上拉電阻直接驅(qū)動LED顯示。以增加線路復(fù)雜度為代價(jià)，減少芯片數(shù)量。

2．1數(shù)字溫度傳感器DS18B20

DS18B20是美國DALLAS公司推出的單總線數(shù)字測溫芯片。他具有獨(dú)特的單總線接口方式，僅需使用1個端口就能實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的雙向通訊。采用數(shù)字信號輸出提高了信號抗干擾能力和溫度測量精度。他的工作電壓使用范圍寬(3．0～5．5 V)，可
以采用外部供電方式，也可以采用寄生電源方式，即當(dāng)總線DQ為高電平時(shí)，竊取信號能量給DS18B20供電。他還有負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，DS18B20不會因接錯線而燒毀，但不能正常工作?？梢酝ㄟ^編程實(shí)現(xiàn)9～12位的溫度轉(zhuǎn)換精度設(shè)置。由表1[2]可見，設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間就越長，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。

DS18B20采用3腳TO-92封裝，形如三極管，同時(shí)也有8腳SOIC封裝，還有6腳的TSOC封裝。測溫范圍為－55～+125℃，在一10～85℃范圍內(nèi)，精度為±0．5℃。每一個DS18B20芯片的ROM中存放了一個64位ID號：前8位是產(chǎn)品類型編號，隨后48位是該器件的自身序號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。又因其可以采用寄生電源方式供電。因此，一條總線上可以同時(shí)掛接多個DS18B20，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫系統(tǒng)。另外用戶還可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定非易失性溫度報(bào)警上下限值TH和TL。DS18B20檢測到溫度值經(jīng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，自動存入存儲器中，并與設(shè)定值TH或TL進(jìn)行比較，當(dāng)測量溫度超出給定范圍時(shí)，就輸出報(bào)警信號，并自動識別是高溫超限還是低溫超限。

2．2 AT89C51單片機(jī)

AT89C51單片機(jī)是ATMEL公司生產(chǎn)的高性能8位單片機(jī)，主要功能特性如下：

①兼容MCS-51指令系統(tǒng)；

②32個雙向I/O口，兩個16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器；

③1個串行中斷，兩個外部中斷源；

④可直接驅(qū)動LED；

⑤低功耗空閑和掉電模式；

⑥4 kB可反復(fù)擦寫(>1 000次)FLASI ROM；

⑦全靜態(tài)操作O～24 MHz；

⑧128×8 b內(nèi)部RAM。

該款芯片的超低功耗和良好的性能價(jià)格比使其非常適合嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用。

3 溫度測量系統(tǒng)軟件

DS18B20簡單的硬件接口是以相對復(fù)雜的接口編程為代價(jià)。由于DS18B20通過單總線與單片機(jī)進(jìn)行通訊，所以其通訊功能是分時(shí)完成的。他與單片機(jī)的接口協(xié)議是通過嚴(yán)格的時(shí)序來實(shí)現(xiàn)的，只有在特定的時(shí)隙，才能實(shí)現(xiàn)DS18B20數(shù)據(jù)的寫入和讀出。這里以AT89C51和一個DS18B20通訊為例，列出部分通訊的匯編語言代碼。

3．1 初始化子程序(RESET)

與DS18B20的所有通訊都是由一個單片機(jī)的復(fù)位脈沖和一個DS18B20的應(yīng)答脈沖開始的。單片機(jī)先發(fā)一個復(fù)位脈沖，保持低電平時(shí)間最少480μs，最多不能超過960μs。然后，單片機(jī)釋放總線，等待DS18B20的應(yīng)答脈沖。DS18B20在接受到復(fù)位脈沖后等待15～60μs才發(fā)出應(yīng)答脈沖。應(yīng)答脈沖能保持60～240μs。單片機(jī)從發(fā)送完復(fù)位脈沖到再次控制總線至少要等待480 μs。程序代碼如下：

3．2 WRITE子程序

寫時(shí)隙需要15～75 μs，且在2次獨(dú)立的寫時(shí)隙之間至少需要1μs的恢復(fù)時(shí)間。寫時(shí)隙起始于單片機(jī)拉低總線。以要把單片機(jī)A中的數(shù)據(jù)發(fā)給DS18B20為例，程序代碼如下：

3．3 READ子程序

讀時(shí)隙需15～60 μs，且在2次獨(dú)立的讀時(shí)隙之間至少需要1 μs的恢復(fù)時(shí)間。讀時(shí)隙起始于單片機(jī)拉低總線至少1 μs。DSl8820在讀時(shí)隙開始15μs后開始采樣總線電平。以單片機(jī)讀取2 B的數(shù)據(jù)為例。程序代碼如下：

4 結(jié) 語

用DS18820測量溫度，在其內(nèi)部就能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字量與單片機(jī)直接通訊，無需外加A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度快，降低了成本，而且簡化了電路，提高了系統(tǒng)的集成度，使其滿足了最簡的要求。這個溫度傳感器稍加改良，配合半導(dǎo)體制冷器還能實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制功能。