摘要：設(shè)計(jì)了一種基于單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測溫系統(tǒng)，給出了DS18B20傳感器特性和控制命令及時(shí)序，在Proteus環(huán)境下進(jìn)行了測溫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)采用。Keil軟件完成了系統(tǒng)主程序、DS18B20驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行了系統(tǒng)Proteus仿真，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率，并獲得了良好的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：溫度傳感器；DS18B20；控制命令；驅(qū)動(dòng)程序；Proteus仿真

0 引言
    溫度是基本物理量之一，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中經(jīng)常需要測試的重要參數(shù)，溫度測量亦是應(yīng)用頻率最高的技術(shù)之一，在糧食倉庫存儲(chǔ)、環(huán)境監(jiān)測、過程溫度監(jiān)測、中央空調(diào)監(jiān)測、醫(yī)學(xué)體溫檢測等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的溫度檢測方式一般采用熱電偶或熱敏電阻，輸出模擬信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后才能送入單片機(jī)處理器，檢測電路復(fù)雜。
    因此，本文采用單總線智能型數(shù)字溫度傳感器DS18B20，以AT89C51單片機(jī)為核心處理器，進(jìn)行測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在Proteus環(huán)境中進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，并結(jié)合軟件進(jìn)行了仿真，降低了開發(fā)成本，提高了開發(fā)效率。

1 DS18B20傳感器特性與控制時(shí)序
    DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司的單總線智能型數(shù)字溫度傳感器，它通過單總線與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主要由64位ROM、溫度敏感元件、非易失性溫度告警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器組成。供電范圍為3．0～5．5 V；測溫范圍為-55～125℃，可根據(jù)系統(tǒng)需求通過設(shè)置配置寄存器中的R1，R0位調(diào)整為9～12位分辨率，對應(yīng)的可分辨溫度和最大轉(zhuǎn)換時(shí)間如表1所示；每個(gè)DS18B20器件有惟一的序列號(hào)，多個(gè)DS18B20器件可接至同一個(gè)單總線上構(gòu)成多點(diǎn)分布式溫度測量系統(tǒng)；具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。

    DS18B20的TO-92封裝如圖1所示，針腳1為電源地線，針腳2為數(shù)據(jù)輸入／輸出線，針腳3為可選電源線。

    DS18B20的單總線訪問協(xié)議由如下4個(gè)步驟構(gòu)成。
    (1)主機(jī)對DS18B20進(jìn)行復(fù)位初始化，初始化時(shí)序如圖2(a)所示，主機(jī)在t1時(shí)刻在單總線上發(fā)出一持續(xù)480～960μs的低電平脈沖的復(fù)位脈沖，在t2時(shí)刻釋放單總線至少等待480μs確保應(yīng)答正確，并接收采樣，DS18B20等待15～60 μs，在t3時(shí)刻發(fā)出60～240μs的低電平存在脈沖，如圖中加粗虛線所示；

    (2)主機(jī)向DS18B20寫ROM操作指令，一旦檢測到總線上有從屬期間存在，主機(jī)便可發(fā)送ROM操作命令，主要包含讀ROM[33h]、匹配ROM[55h]、跳過ROM、搜索ROM、告警搜索命令；
    (3)主機(jī)向DS18B20寫RAM操作指令以啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換(44h)、讀暫存器(BEh)、寫暫存器(4Eh)、復(fù)制暫存器(43h)、重新調(diào)出E2(B8h)、獲取供電方式(B4h)；
    (4)主機(jī)與DS18B20進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
    寫ROM命令、RAM命令和收發(fā)數(shù)據(jù)都通過單總線傳輸，單總線通過時(shí)間片來讀寫數(shù)據(jù)，每個(gè)時(shí)間片傳送1位數(shù)據(jù)，分寫時(shí)間片和讀時(shí)間片。兩種時(shí)間片都必須持續(xù)最短60μs，兩個(gè)時(shí)間片之間必須插入至少1μs的恢復(fù)時(shí)間，讀／寫時(shí)序如圖2(b)，(c)所示。讀操作通過讀時(shí)間片控制完成，分讀“0”和讀“1”時(shí)間片；寫操作通過寫時(shí)間片控制完成，分寫“0”和寫“1”時(shí)間片。
    溫度變換結(jié)束后，主機(jī)向DS18B20發(fā)送讀溫度命令(BEh)，DS18B20以16位、符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式發(fā)送到數(shù)據(jù)總線，低位在前，高位在后。

2 測溫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、DS18B20傳感器溫度采集電路、數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路、LED報(bào)警電路組成，DS18B20采用外部電源供電方式，抗干擾性強(qiáng)，系統(tǒng)硬件電路如圖3所示。

3 測溫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件分兩層設(shè)計(jì)，上層是應(yīng)用層，負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化、溫度符號(hào)、百位、十位、個(gè)位、十分位數(shù)據(jù)提取，溫度異常報(bào)警等；底層負(fù)責(zé)DS18B20初始化、讀寫驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動(dòng)，DS18B20與處理器采用串行數(shù)據(jù)傳輸，在對其進(jìn)行初始化、讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格保證讀寫時(shí)序，否則將出現(xiàn)錯(cuò)誤。
3．1 系統(tǒng)應(yīng)用層主程序設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主程序主要完成系統(tǒng)初始化，調(diào)用讀取DS18B20溫度轉(zhuǎn)換值函數(shù)，溫度符號(hào)、百位、十位、個(gè)位、十分位數(shù)據(jù)的提取，溫度數(shù)據(jù)顯示，溫度異常報(bào)警等工作，系統(tǒng)主程序流程如圖4所示，當(dāng)檢測到的溫度高于最大閾值或低于最小閾值時(shí)，分別采用紅燈、黃燈報(bào)警，溫度正常時(shí)綠燈點(diǎn)亮。

3．2 DS18B20驅(qū)動(dòng)層程序設(shè)計(jì)
    DS18B20溫度轉(zhuǎn)換值采用12位分辨率，總線控制器接收到16位數(shù)據(jù)后保存在2個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元，高字節(jié)保存的值左移8位與低字節(jié)相加，便得DS18B20溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果，讀取溫度轉(zhuǎn)換值函數(shù)如下：
   

4 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果
    在單片機(jī)開發(fā)環(huán)境Keil軟件中，選擇AT89C51單片機(jī)新建項(xiàng)目，采用C語言編寫系統(tǒng)程序，編譯生成目標(biāo)代碼HEX文件，并導(dǎo)入到Proteus ISIS硬件電路圖中單片機(jī)的Edit Component設(shè)置的Program File屬性中進(jìn)行仿真運(yùn)行，系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，數(shù)碼管左數(shù)第一位的“1”表示零上，第七位的“C”表示溫度單位攝氏度。

5 結(jié)語
    以AT89C51單片機(jī)為核心處理器，在Proteus環(huán)境下完成了基于單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了仿真。首先給出了DS18B20傳感器特性和控制命令及時(shí)序，設(shè)計(jì)了DS18B20的檢測電路，同時(shí)采用Keil軟件完成了系統(tǒng)主程序、DS18B20驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行了系統(tǒng)Proteus仿真，降低了設(shè)計(jì)成本，提高了開發(fā)效率，并獲得了良好仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。