基于单总线数字温度传感器DS18B20的测温系统设计

摘要：设计了一种基于单总线数字温度传感器DS18B20的测温系统，给出了DS18B20传感器特性和控制命令及时序，在Proteus环境下进行了测温系统硬件设计，同时采用。Keil软件完成了系统主程序、DS18B20驱动程序的设计；最后进行了系统Proteus仿真，提高了系统开发效率，并获得了良好的仿真实验结果。
关键词：温度传感器；DS18B20；控制命令；驱动程序；Proteus仿真

0 引言
    温度是基本物理量之一，是工农业生产和日常生活中经常需要测试的重要参数，温度测量亦是应用频率最高的技术之一，在粮食仓库存储、环境监测、过程温度监测、中央空调监测、医学体温检测等领域有着广泛应用。传统的温度检测方式一般采用热电偶或热敏电阻，输出模拟信号，经A／D转换后才能送入单片机处理器，检测电路复杂。
    因此，本文采用单总线智能型数字温度传感器DS18B20，以AT89C51单片机为核心处理器，进行测温系统设计，在Proteus环境中进行系统硬件设计，并结合软件进行了仿真，降低了开发成本，提高了开发效率。

1 DS18B20传感器特性与控制时序
    DS18B20是美国DALLAS半导体公司的单总线智能型数字温度传感器，它通过单总线与处理器进行数据传输，主要由64位ROM、温度敏感元件、非易失性温度告警触发器TH和TL、配置寄存器组成。供电范围为3．0～5．5 V；测温范围为-55～125℃，可根据系统需求通过设置配置寄存器中的R1，R0位调整为9～12位分辨率，对应的可分辨温度和最大转换时间如表1所示；每个DS18B20器件有惟一的序列号，多个DS18B20器件可接至同一个单总线上构成多点分布式温度测量系统；具有极强的抗干扰纠错能力。

    DS18B20的TO-92封装如图1所示，针脚1为电源地线，针脚2为数据输入／输出线，针脚3为可选电源线。

    DS18B20的单总线访问协议由如下4个步骤构成。
    (1)主机对DS18B20进行复位初始化，初始化时序如图2(a)所示，主机在t1时刻在单总线上发出一持续480～960μs的低电平脉冲的复位脉冲，在t2时刻释放单总线至少等待480μs确保应答正确，并接收采样，DS18B20等待15～60 μs，在t3时刻发出60～240μs的低电平存在脉冲，如图中加粗虚线所示；

    (2)主机向DS18B20写ROM操作指令，一旦检测到总线上有从属期间存在，主机便可发送ROM操作命令，主要包含读ROM[33h]、匹配ROM[55h]、跳过ROM、搜索ROM、告警搜索命令；
    (3)主机向DS18B20写RAM操作指令以启动温度转换(44h)、读暂存器(BEh)、写暂存器(4Eh)、复制暂存器(43h)、重新调出E2(B8h)、获取供电方式(B4h)；
    (4)主机与DS18B20进行数据传送。
    写ROM命令、RAM命令和收发数据都通过单总线传输，单总线通过时间片来读写数据，每个时间片传送1位数据，分写时间片和读时间片。两种时间片都必须持续最短60μs，两个时间片之间必须插入至少1μs的恢复时间，读／写时序如图2(b)，(c)所示。读操作通过读时间片控制完成，分读“0”和读“1”时间片；写操作通过写时间片控制完成，分写“0”和写“1”时间片。
    温度变换结束后，主机向DS18B20发送读温度命令(BEh)，DS18B20以16位、符号扩展的二进制补码形式发送到数据总线，低位在前，高位在后。

2 测温系统硬件设计
    系统硬件主要由单片机最小系统、DS18B20传感器温度采集电路、数码管显示驱动电路、LED报警电路组成，DS18B20采用外部电源供电方式，抗干扰性强，系统硬件电路如图3所示。

3 测温系统软件设计
    系统软件分两层设计，上层是应用层，负责系统初始化、温度符号、百位、十位、个位、十分位数据提取，温度异常报警等；底层负责DS18B20初始化、读写驱动和数据显示驱动，DS18B20与处理器采用串行数据传输，在对其进行初始化、读写编程时，必须严格保证读写时序，否则将出现错误。
3．1 系统应用层主程序设计
    系统主程序主要完成系统初始化，调用读取DS18B20温度转换值函数，温度符号、百位、十位、个位、十分位数据的提取，温度数据显示，温度异常报警等工作，系统主程序流程如图4所示，当检测到的温度高于最大阈值或低于最小阈值时，分别采用红灯、黄灯报警，温度正常时绿灯点亮。

3．2 DS18B20驱动层程序设计
    DS18B20温度转换值采用12位分辨率，总线控制器接收到16位数据后保存在2个字节的存储单元，高字节保存的值左移8位与低字节相加，便得DS18B20温度转换结果，读取温度转换值函数如下：
   

4 系统调试与运行结果
    在单片机开发环境Keil软件中，选择AT89C51单片机新建项目，采用C语言编写系统程序，编译生成目标代码HEX文件，并导入到Proteus ISIS硬件电路图中单片机的Edit Component设置的Program File属性中进行仿真运行，系统仿真实验结果如图5所示，数码管左数第一位的“1”表示零上，第七位的“C”表示温度单位摄氏度。

5 结语
    以AT89C51单片机为核心处理器，在Proteus环境下完成了基于单总线数字温度传感器DS18B20的测温系统的设计，并进行了仿真。首先给出了DS18B20传感器特性和控制命令及时序，设计了DS18B20的检测电路，同时采用Keil软件完成了系统主程序、DS18B20驱动程序的设计；最后进行了系统Proteus仿真，降低了设计成本，提高了开发效率，并获得了良好仿真实验结果。