51单片机1-Wire总线及应用实例

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1-Wire总线

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  • 只使用一根导线（地址线、数据线、控制线合一）
  • 可以传输时钟和数据
  • 双向传输
  • 信号线上可挂许多测控对象，电源也由这根信号线提供
  • 适用于单Master，多个Slave。
    • 当只有一个Slave时，系统按照单节点系统操作
    • 当有多个Slave时，系统按照多节点系统操作
  • 优点：
    • 综合性：

      • 传感器、控制器、输入/输出设备均可按1-Wire协议接入网络
    • 简捷性：
      • 1-Wire单总线的设置和安装只需一条普通三芯电线连接至各从机接入点
      • 当系统需要增加Slave时，只需要从该总线拉出延长线即可
    • 可靠性：
      • 每个从机均有绝对唯一的地址码
      • 数据传输均采用CRC校验码
      • 1-Wire单总线上传输的是数字信号
  • 缺点：传输速率较低

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DS18B20

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  • 改进型智能数字温度传感器
  • 只需要一根导线就能读出被测温度，并实现双向通信
  • 根据需求实现9-12位数字值的读数方式，精度分别为0.5，0.25，0.125，0.0625
  • 适应电压范围宽，电压范围为3.0-5.5V，寄生电源方式下可由数据线供电
  • 支持多点组网功能，多个DS18B20通过并联方式，实现多点组网测温
  • 不需要任何外围元件，传感元件及转换电路已经集成了
  • 温度范围-55~+125℃，在-10~+85℃时，精度为±0.5℃
  • 转换速度较快。在9位分辨率时，最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字
  • 测试结果直接输出数字温度信号，以一条总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力
  • 负压特性，当电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但也无法正常工作

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三种封装形式及引脚说明

  • 当信号线DQ为高电平时，DQ为芯片供电，并且内部电容器储存电能
  • 当信号线DQ为低电平时，内部电容器为芯片供电，直至下一个高电平到来重新充电

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内部结构：

  • 64位ROM

    • 厂家激光刻录的一个64位二进制ROM代码，是该芯片的标号

8位循环冗余检验
48位序列号
8位分类编号（10H）

MSB ... LSB
MSB ... LSB
MSB ... LSB
  • 8位分类编号：10H，是DS18B20的分类号
  • 温度传感器

    • 温度范围-55~+125℃。9-12位分辨率，转换精度分别为0.5，0.25，0.125，0.0625
    • 出厂时默认为16位转换精度
    • 当接收到温度转换命令（44H）后开始转换，转换完成后的温度以16位带符号扩展的二进制补码形式表示。存储在高速缓存器RAM的第0、1字节中，二进制数的前5位为符号位。
      • 如果温度>0，则该5位为0，只要将测到的数值乘上0.0625即可得到实际温度。
      • 如果温度<0，则该5位为1，测到的数值需要取反+1再乘上0.0625。
  • 高速缓存器：包含以下两个组件
    • 高速暂存器RAM：连续8字节的存储器

      • 前2字节是测得的温度信息，第1字节存放温度的低8位，第2字节存放温度的高8位
      • 第3/4/5字节分别是高温触发器、低温触发器、配置寄存器的易失性复制
      • 前5字节的内容在每次上电复位时被刷新
      • 第6/7/8字节用于暂时保留为1
    • 非易失性可电擦除EEPROM
  • 配置寄存器
    • 用于确定温度值的数字转换分辨率，按此寄存器的分辨率将温度转换为相应精度的数值，是高速缓存器的第5个字节
    • 该字节定义：

TM
R0
R1
1
1
1
1
1
  • TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是测试模式。工作模式时该位为0，用户不必改动。R1和R0用来设置分辨率，其余5位均固定为1。
  • 分辨率设置：

R1
R0
分辨率
最大转换时间/ms

0
0
9位
93.75

0
1
10位
187.5

1
0
11位
375

1
1
12位
750

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测温工作原理：由以下部分组成

  • 斜率累加器：

    • 用于补偿和修正测温过程中的非线性
    • 其输出用于修正减法计数器的预置值
  • 温度系数振荡器：
    • 用于产生减法计数器脉冲信号
    • 低温度系数振荡器受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1
    • 高温度系数振荡器受温度的影响较大，随温度的变化，其振荡频率明显改变，产生的信号作为减少计数器2的输入脉冲
  • 减法计数器
    • 减法计数器1对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将+1。
    • 之后，减法计数器1的预置将重新被装入。减法计数器1重新开始对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行计数，循环操作直到减法计数器2计数减到0，才会停止温度寄存器的值的累加。此时，温度寄存器中的数值即为所测温度。
    • 只要计数门未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器的值达到被测温度值。
  • 温度寄存器
    • 暂存温度数值
  • 计数门
    • 当计数门打开时，DS18B20就对低温系数震荡器产生的时钟脉冲进行计数，从而完成温度测量。
    • 开启时间由高温度系数振荡器决定。
    • 每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和高温寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。

p.s. 每个芯片的信息交换是分时完成的，均有严格的读/写是时序要求，系统对DS18B20的操作协议为：

初始化DS18B20（发复位脉冲）→ 发ROM功能命令 → 发存储器操作命令 → 处理数据

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ROM命令


操作
命令代码
详细说明

读ROM
33H
允许主设备读出64位二进制ROM代码

只适用于总线上存在单只DS18B20

匹配ROM
55H
若总线上有多个Slave，使用该命令可以选中某一指定的DS18B20，即只有与64位二进制ROM代码完成匹配的DS18B20才能响应其操作

跳过ROM
CCH
启动所有DS18B20转换之前或系统只有一个DS18B20时，该命令允许Master不提供64位二进制ROM代码就使用存储器操作命令

搜索ROM
F0H
确定系统中的Slave个数及其ROM代码

报警搜索ROM
ECH
鉴别和定位系统中超出程序设定的报警温度值

写暂存器
4EH
允许Master向DS18B20的暂存器写入2个字节的数据

可以在任何时刻发出复位命令中止数据写入

读暂存器
BEH
允许主设备读取暂存器的内容，从第1个字节开始，直到CRC读完第9个字节。也可以在任何时刻发出复位命令中止数据的读取操作

复制暂存器
48H
将高温触发器和低温触发器中的字节复制到非易失性EEPROM

若主机在该命令之后又发出读操作，而DS18B20正忙于复制过程时，DS18B20会输出一个0，复制结束时DS18B20会发出一个1。

如果使用寄生电源，则主设备发出该命令之后，立即发出强上拉并至少保持10ms以上时间。

温度转换
44H
启动一次温度转换

若主机在该命令之后又发出其他操作，DS18B20正忙于温度转换，则输出一个0，转换结束则输出一个1,。

若使用寄生电源，则Master发出该命令之后，立即发出强上拉并至少保持500ms以上的时间。

复制回暂存器
B8H
将高温触发器和低温触发器的字节从EEPROM复制回暂存器中。

若忙，同上

读电源使用模式
B4H
Master将该命令发给DS18B20后发出读操作，DS18B20会返回它的电源使用模式：0为寄生电源，1为外部电源

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基于1-Wire的DS18B20测量温度的实例

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实现效果：

实现代码：

  1 #include <reg52.h>
  2 typedef unsigned char uchar;
  3 typedef unsigned int uint;
  4 uchar code table[] =
  5 {
  6     0xfc, 0x60, 0xda, 0xf2, 0x66, 0xb6, 0xbe, 0xe0, 0xfe, 0xf6, 0xee, 0x3e, 0x9c
  7 };
  8 uchar code address[] =
  9 {
 10     0xfe, 0xfd, 0xfb, 0xf7, 0xef, 0xdf, 0xbf, 0x7f
 11 };
 12 sbit DQ = P3 ^ 0; //DQ控制位
 13 sbit dot = P1 ^ 0; //小数点
 14 uchar temp1, temp2; //通过temp1和temp2存储温度低位和高位
 15
 16 void Delay(uint m)
 17 {
 18     while(m--);
 19 }
 20 uchar ReadByte()
 21 {
 22     uchar byte = 0;
 23     uchar i;
 24     for (i = 0; i < 8; ++i)
 25     {
 26         DQ = 0;
 27         byte >>= 1;
 28         DQ = 1;
 29         if (DQ)
 30             byte = byte | 0x80;
 31         Delay(4);
 32     }
 33     return byte;
 34 }
 35 void WriteByte(uchar byte)
 36 {
 37     uchar i;
 38     for (i = 0; i < 8; ++i)
 39     {
 40         DQ = 0;
 41         byte >>= 1; //数据左移
 42         DQ = CY;
 43         Delay(5);
 44         DQ = 1;
 45     }
 46 }
 47 void Init()
 48 {
 49     DQ = 1;
 50     Delay(8);
 51     DQ = 0;
 52     Delay(80);
 53     DQ = 1;
 54     Delay(20);
 55 }
 56 void ReadTemp()
 57 {
 58     /* 初始化DS18B20 */
 59     Init();
 60     WriteByte(0xcc); //跳过ROM,当前只有一个Slave
 61     WriteByte(0x44); //启动温度转换
 62     Delay(10);
 63     Init();
 64     WriteByte(0xcc); //跳过ROM
 65     WriteByte(0xbe); //读取暂存器内容
 66     temp1 = ReadByte(); //低位存放在temp1中
 67     temp2 = ReadByte(); //高位存放在temp2中
 68 }
 69 void main()
 70 {
 71     bit flag;
 72     uint temp;
 73     uchar i;
 74     while(1)
 75     {
 76         /* 读取温度 */
 77         ReadTemp();
 78
 79         /* 温度转化 */
 80         temp = temp1 & 0x0f; //temp存入温度低8位并保留低4位
 81         if (temp2 > 127) //temp2 > 01111111时,温度为负
 82         {
 83             flag = 1;
 84             temp1 = ~temp1;
 85             temp2 = ~temp2; //高低各取反
 86             temp = temp1 & 0x0f;
 87             temp += 0x01;  //取反后+1,得到负数值
 88         }
 89         temp = temp * 625;
 90         temp1 = temp1 & 0xf0;
 91         temp1 = temp1 / 16;
 92         temp2 = temp2 * 16;
 93         temp1 += temp2;
 94         if (flag)
 95             temp1 += 0x01;
 96
 97         /* 温度显示 */
 98         for (i = 0; i < 4; ++i)
 99         {
100             P2 = address[i];
101             P1 = table[temp % 10];
102             Delay(750);
103             temp = temp / 10;
104         }
105         P2 = 0xef;
106         P1 = table[temp1 % 10];
107         dot = 1;
108         Delay(750);
109         if (temp1 / 100 || temp1 / 10)
110         {
111             P2 = 0xdf;
112             P1 = table[temp1 / 10 % 10];
113             Delay(750);
114         }
115         if (temp1 / 100)
116         {
117             P2 = 0xbf;
118             P1 = table[temp1 / 100 % 10];
119             Delay(800);
120         }
121         if (flag)
122         {
123             P2 = 0x7f;
124             P1 = 0x02;
125             Delay(750);
126             flag = 0;
127         }
128     }
129 }

时间： 2024-10-12 19:30:38

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