51單片機1-Wire匯流排及應用實例

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1-Wire匯流排

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• 只使用一根導線（地址線、數據線、控制線合一）
• 可以傳輸時鐘和數據
• 雙向傳輸
• 信號線上可掛許多測控對象，電源也由這根信號線提供
• 適用於單Master，多個Slave。
  • 當只有一個Slave時，系統按照單節點系統操作
  • 當有多個Slave時，系統按照多節點系統操作
• 優點：
  • 綜合性：
    • 感測器、控制器、輸入/輸出設備均可按1-Wire協議接入網路
  • 簡捷性：
    • 1-Wire單匯流排的設置和安裝只需一條普通三芯電線連接至各從機接入點
    • 當系統需要增加Slave時，只需要從該匯流排拉出延長線即可
  • 可靠性：
    • 每個從機均有絕對唯一的地址碼
    • 數據傳輸均採用CRC校驗碼
    • 1-Wire單匯流排上傳輸的是數字信號
• 缺點：傳輸速率較低

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DS18B20

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• 改進型智能數字溫度感測器
• 只需要一根導線就能讀出被測溫度，並實現雙向通信
• 根據需求實現9-12位數字值的讀數方式，精度分別為0.5，0.25，0.125，0.0625
• 適應電壓範圍寬，電壓範圍為3.0-5.5V，寄生電源方式下可由數據線供電
• 支持多點組網功能，多個DS18B20通過並聯方式，實現多點組網測溫
• 不需要任何外圍元件，感測元件及轉換電路已經集成了
• 溫度範圍-55~+125℃，在-10~+85℃時，精度為±0.5℃
• 轉換速度較快。在9位解析度時，最多在93.75ms內把溫度轉換為數字，12位解析度時最多在750ms內把溫度值轉換為數字
• 測試結果直接輸出數字溫度信號，以一條匯流排串列傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力
• 負壓特性，當電源極性接反時，晶元不會因發熱而燒毀，但也無法正常工作

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三種封裝形式及引腳說明

• 當信號線DQ為高電平時，DQ為晶元供電，並且內部電容器儲存電能
• 當信號線DQ為低電平時，內部電容器為晶元供電，直至下一個高電平到來重新充電

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內部結構：

• 64位ROM
  • 廠家激光刻錄的一個64位二進位ROM代碼，是該晶元的標號

• 8位分類編號：10H，是DS18B20的分類號
• 
• 

• 溫度感測器
  • 溫度範圍-55~+125℃。9-12位解析度，轉換精度分別為0.5，0.25，0.125，0.0625
  • 出廠時預設為16位轉換精度
  • 當接收到溫度轉換命令（44H）後開始轉換，轉換完成後的溫度以16位帶符號擴展的二進位補碼形式表示。存儲在高速緩存器RAM的第0、1位元組中，二進位數的前5位為符號位。
    • 如果溫度>0，則該5位為0，只要將測到的數值乘上0.0625即可得到實際溫度。
    • 如果溫度<0，則該5位為1，測到的數值需要取反+1再乘上0.0625。
• 高速緩存器：包含以下兩個組件
  • 高速暫存器RAM：連續8位元組的存儲器
    • 前2位元組是測得的溫度信息，第1位元組存放溫度的低8位，第2位元組存放溫度的高8位
    • 第3/4/5位元組分別是高溫觸發器、低溫觸發器、配置寄存器的易失性複製
    • 前5位元組的內容在每次上電覆位時被刷新
    • 第6/7/8位元組用於暫時保留為1
  • 非易失性可電擦除EEPROM
    • 
• 配置寄存器
  • 用於確定溫度值的數字轉換解析度，按此寄存器的解析度將溫度轉換為相應精度的數值，是高速緩存器的第5個位元組
  • 該位元組定義：

• TM是測試模式位，用於設置DS18B20在工作模式還是測試模式。工作模式時該位為0，用戶不必改動。R1和R0用來設置解析度，其餘5位均固定為1。
• 解析度設置：

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測溫工作原理：由以下部分組成

• 斜率累加器：
  • 用於補償和修正測溫過程中的非線性
  • 其輸出用於修正減法計數器的預置值
• 溫度繫數振蕩器：
  • 用於產生減法計數器脈衝信號
  • 低溫度繫數振蕩器受溫度的影響很小，用於產生固定頻率的脈衝信號送給減法計數器1
  • 高溫度繫數振蕩器受溫度的影響較大，隨溫度的變化，其振蕩頻率明顯改變，產生的信號作為減少計數器2的輸入脈衝
• 減法計數器
  • 減法計數器1對低溫度繫數振蕩器產生的脈衝信號進行減法計數，當減法計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將+1。
  • 之後，減法計數器1的預置將重新被裝入。減法計數器1重新開始對低溫度繫數振蕩器產生的脈衝信號進行計數，迴圈操作直到減法計數器2計數減到0，才會停止溫度寄存器的值的累加。此時，溫度寄存器中的數值即為所測溫度。
  • 只要計數門未關閉就重覆上述過程，直至溫度寄存器的值達到被測溫度值。
• 溫度寄存器
  • 暫存溫度數值
• 計數門
  • 當計數門打開時，DS18B20就對低溫繫數震蕩器產生的時鐘脈衝進行計數，從而完成溫度測量。
  • 開啟時間由高溫度繫數振蕩器決定。
  • 每次測量前，首先將-55℃所對應的基數分別置入減法計數器1和高溫寄存器中，減法計數器1和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個基數值。

p.s. 每個晶元的信息交換是分時完成的，均有嚴格的讀/寫是時序要求，系統對DS18B20的操作協議為：

初始化DS18B20（發複位脈衝）→ 發ROM功能命令 → 發存儲器操作命令 → 處理數據

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ROM命令

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基於1-Wire的DS18B20測量溫度的實例

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實現效果：

實現代碼：

  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; //小數點
 14 uchar temp1, temp2; //通過temp1和temp2存儲溫度低位和高位
 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; //數據左移
 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); //跳過ROM,當前只有一個Slave
 61     WriteByte(0x44); //啟動溫度轉換
 62     Delay(10);
 63     Init();
 64     WriteByte(0xcc); //跳過ROM
 65     WriteByte(0xbe); //讀取暫存器內容
 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         /* 讀取溫度 */
 77         ReadTemp();
 78 
 79         /* 溫度轉化 */
 80         temp = temp1 & 0x0f; //temp存入溫度低8位並保留低4位
 81         if (temp2 > 127) //temp2 > 01111111時,溫度為負
 82         {
 83             flag = 1;
 84             temp1 = ~temp1;
 85             temp2 = ~temp2; //高低各取反
 86             temp = temp1 & 0x0f;
 87             temp += 0x01;  //取反後+1,得到負數值
 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         /* 溫度顯示 */
 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 }