嵌入式开发学习（STC51-13-温度传感器）

news2024/10/5 17:20:46

内容

通过DS18B20温度传感器，在数码管显示检测到的温度值；

DS18B20介绍

简介

DS18B20是由DALLAS半导体公司推出的一种的“一线总线（单总线）”接口的温度传感器；

与传统的热敏电阻等测温元件相比，它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器；

特点

DS18B20温度传感器具有如下特点：

  • 适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；
  • 温范围-55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；
  • 可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和 0.0625℃，可实现高精度测温；
  • 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，速度更慢；
  • 测量结果直接输出数字温度信号，以"一根总线"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：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作；

结构

DS18B20一共有三个管脚，当我们正对传感器切面（传感器型号字符那一面）时，传感器的管脚顺序是从左到右排列；

管脚1为GND，管脚2为数据DQ，管脚3为VDD；

如果把传感器插反，那么电源将短路，传感器就会发烫，很容易损坏，所以一定要注意传感器方向；

通常在开发板上都会标出传感器的凸起出，所以只需要把传感器凸起的方向对着开发板凸起方向插入即可；

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速的暂存器RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPROM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和配置寄存器；

配置寄存器是配置不同的位数来确定温度和数字的转化，配置寄存器结构如下：

TMR1R011111

低五位一直都是"1"，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不需要去改动；

R1和R0用来设置DS18B20的精度（分辨率），可设置为9，10，11或12位，对应的分辨率温度是0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃；

R0和R1配置如下图：
在这里插入图片描述
在初始状态下默认的精度是12位，即R0=1、R1=1；

高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如下：
在这里插入图片描述
当温度转换命令（44H）发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节；

存储由两个字节组成，高字节的前5位是符号位S，单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如下：
在这里插入图片描述
如果测得的温度大于0，这5位为‘0’，只要将测到的数值乘以0.0625（默认精度是12位）即可得到实际温度；
如果温度小于0，这5位为‘1’，测到的数值需要取反加1再乘以0.0625即可得到实际温度；

温度计算

温度与数据对应关系如下：
在这里插入图片描述
比如我们要计算+85度，数据输出十六进制是0X0550，因为高字节的高5位为0，表明检测的温度是正温度，0X0550对应的十进制为1360，将这个值乘以12位精度0.0625，所以可以得到+85度；

DS18B20使用

知道了怎么计算温度，接下来我们就来看看如何读取温度数据；

由于DS18B20是单总线器件，所有的单总线器件都要求采用严格的信号时序，以保证数据的完整性；

DS18B20时序包括如下几种：初始化时序、写（0和1）时序、 读（0和1）时序；

DS18B20发送所有的命令和数据都是字节的低位在前；

这里我们简单介绍这几个信号的时序：

初始化时序

初始化时序图如下：
在这里插入图片描述

单总线上的所有通信都是以初始化序列开始；

主机输出低电平，保持低电平时间至少480us（该时间的时间范围可以从480到960us），以产生复位脉冲；

接着主机释放总线，外部的上拉电阻将单总线拉高，延时15～60us，并进入接收模式；

接着DS18B20拉低总线60~240us，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，还要做延时，其延时的时间从外部上拉电阻将单总线拉高算起最少要480us；

写时序

写时序图如下：
在这里插入图片描述
写时序包括写0时序和写1时序；

所有写时序至少需要60us，且在2次独立的写时序之间至少需要1us的恢复时间，两种写时序均起始于主机拉低总线；

写1时序：主机输出低电平，延时2us，然后释放总线，延时60us；

写0时序：主机输出低电平，延时60us，然后释放总线，延时2us；

读时序

读时序图如下：
在这里插入图片描述
单总线器件仅在主机发出读时序时，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据；

所有读时序至少需要60us，且在2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间；

每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1us；

主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的15us之内采样总线状态；

一般的读时序过程为：主机输出低电平延时2us，然后主机转入输入模式延时12us，然后读取单总线当前的电平，然后延时50us；

完整过程

了解了单总线时序之后，我们来看看DS18B20的温度读取过程：
DS18B20的温度读取过程为：复位→发SKIP ROM命令（0XCC）→发开始转换命令（0X44）→延时→复位→发送SKIP ROM命令（0XCC）→发读存储器命令（0XBE）→连续读出两个字节数据(即温度)→结束；

原理图

在这里插入图片描述
由图可知，总线连接p37口，所以我们通过控制该io口的电位变化即可实现初始化以及读写时序；

思路

根据时序图编写初始化、读、写程序；（初始化包括复位和检测DS18B20是否存在）

编写检测DS18B20是否存在的程序（如果信号口一直为低电位，即判定为不存在）；

按使用步骤，读取温度值，转换为十进制后，使其在数码管上显示；

编码

User

main.c

/*
 * @Description: 通过DS18B20温度传感器，在数码管显示检测到的温度值
 */
#include "public.h"
#include "smg.h"
#include "ds18b20.h"

void main()
{
	u8 i = 0;
	int temp_value;
	u8 temp_buf[5];

	ds18b20_init(); // 初始化DS18B20

	while (1)
	{
		i++;
		if (i % 50 == 0)								 // 间隔一段时间读取温度值，间隔时间要大于温度传感器转换温度时间（12位分辨率时转换时间为750ms）
			temp_value = ds18b20_read_temperture() * 10; // 保留温度值小数后一位
		if (temp_value < 0)								 // 负温度
		{
			temp_value = -temp_value;
			temp_buf[0] = 0x40; // 显示负号
		}
		else
			temp_buf[0] = 0x00;										  // 不显示
		temp_buf[1] = gsmg_code[temp_value / 1000];					  // 百位
		temp_buf[2] = gsmg_code[temp_value % 1000 / 100];			  // 十位
		temp_buf[3] = gsmg_code[temp_value % 1000 % 100 / 10] | 0x80; // 个位+小数点
		temp_buf[4] = gsmg_code[temp_value % 1000 % 100 % 10];		  // 小数点后一位
		smg_display(temp_buf, 4);
	}
}

Public

public.h

#ifndef _public_H
#define _public_H

#include "reg52.h"

typedef unsigned int u16; // 对系统默认数据类型进行重定义
typedef unsigned char u8;

void delay_10us(u16 ten_us);
void delay_ms(u16 ms);

#endif

public.c

#include "public.h"

/**
 * @description: 延时函数，ten_us=1时，大约延时10us
 * @param {u16} ten_us 延时倍数
 * @return {*}
 */
void delay_10us(u16 ten_us)
{
	while (ten_us--)
		;
}

/**ms延时函数，ms=1时，大约延时1ms***
 * @param {u16} ms 延时倍数
 * @return {*}
 */
void delay_ms(u16 ms)
{
	u16 i, j;
	for (i = ms; i > 0; i--)
		for (j = 110; j > 0; j--)
			;
}

App/ds18b20

ds18b20.h

#ifndef _ds18b20_H
#define _ds18b20_H

#include "public.h"

// 管脚定义
sbit DS18B20_PORT = P3 ^ 7; // DS18B20数据口定义

// 函数声明
u8 ds18b20_init(void);
float ds18b20_read_temperture(void);

#endif

ds18b20.c

#include "ds18b20.h"
#include "intrins.h"

/**
 * @description: 复位DS18B20
 * @return {*}
 */
void ds18b20_reset(void)
{
	DS18B20_PORT = 0; // 拉低DQ
	delay_10us(75);	  // 拉低750us
	DS18B20_PORT = 1; // DQ=1
	delay_10us(2);	  // 20US
}

/**
 * @description: 检测DS18B20是否存在
 * @return {u8} 1:未检测到DS18B20的存在，0:存在
 */
u8 ds18b20_check(void)
{
	u8 time_temp = 0;

	while (DS18B20_PORT && time_temp < 20) // 等待DQ为低电平
	{
		time_temp++;
		delay_10us(1);
	}
	if (time_temp >= 20)
		return 1; // 如果超时则强制返回1
	else
		time_temp = 0;
	while ((!DS18B20_PORT) && time_temp < 20) // 等待DQ为高电平
	{
		time_temp++;
		delay_10us(1);
	}
	if (time_temp >= 20)
		return 1; // 如果超时则强制返回1
	return 0;
}

/**
 * @description: 从DS18B20读取一个位
 * @return {u8} 1/0
 */
u8 ds18b20_read_bit(void)
{
	u8 dat = 0;

	DS18B20_PORT = 0;
	_nop_();
	_nop_();
	DS18B20_PORT = 1;
	_nop_();
	_nop_(); // 该段时间不能过长，必须在15us内读取数据
	if (DS18B20_PORT)
		dat = 1; // 如果总线上为1则数据dat为1，否则为0
	else
		dat = 0;
	delay_10us(5);
	return dat;
}

/**
 * @description: 从DS18B20读取一个字节
 * @return {u8} 一个字节数据
 */
u8 ds18b20_read_byte(void)
{
	u8 i = 0;
	u8 dat = 0;
	u8 temp = 0;

	for (i = 0; i < 8; i++) // 循环8次，每次读取一位，且先读低位再读高位
	{
		temp = ds18b20_read_bit();
		dat = (temp << 7) | (dat >> 1);
	}
	return dat;
}

/**
 * @description: 写一个字节到DS18B20
 * @param {u8} dat 要写入的字节
 * @return {*}
 */
void ds18b20_write_byte(u8 dat)
{
	u8 i = 0;
	u8 temp = 0;

	for (i = 0; i < 8; i++) // 循环8次，每次写一位，且先写低位再写高位
	{
		temp = dat & 0x01; // 选择低位准备写入
		dat >>= 1;		   // 将次高位移到低位
		if (temp)
		{
			DS18B20_PORT = 0;
			_nop_();
			_nop_();
			DS18B20_PORT = 1;
			delay_10us(6);
		}
		else
		{
			DS18B20_PORT = 0;
			delay_10us(6);
			DS18B20_PORT = 1;
			_nop_();
			_nop_();
		}
	}
}

/**
 * @description: 开始温度转换
 * @return {*}
 */
void ds18b20_start(void)
{
	ds18b20_reset();		  // 复位
	ds18b20_check();		  // 检查DS18B20
	ds18b20_write_byte(0xcc); // SKIP ROM
	ds18b20_write_byte(0x44); // 转换命令
}

/**
 * @description: 初始化DS18B20的IO口DQ，同时检测DS的存在
 * @return {u8} 1:不存在，0:存在
 */
u8 ds18b20_init(void)
{
	ds18b20_reset();
	return ds18b20_check();
}

/**
 * @description: 从ds18b20得到温度值
 * @return {float} 温度数据
 */
float ds18b20_read_temperture(void)
{
	float temp;
	u8 dath = 0;
	u8 datl = 0;
	u16 value = 0;

	ds18b20_start(); // 开始转换
	ds18b20_reset(); // 复位
	ds18b20_check();
	ds18b20_write_byte(0xcc); // SKIP ROM
	ds18b20_write_byte(0xbe); // 读存储器

	datl = ds18b20_read_byte(); // 低字节
	dath = ds18b20_read_byte(); // 高字节
	value = (dath << 8) + datl; // 合并为16位数据

	if ((value & 0xf800) == 0xf800) // 判断符号位，负温度
	{
		value = (~value) + 1;	  // 数据取反再加1
		temp = value * (-0.0625); // 乘以精度
	}
	else // 正温度
	{
		temp = value * 0.0625;
	}
	return temp;
}

App/smg

smg.h

#ifndef _smg_H
#define _smg_H

#include "public.h"

#define SMG_A_DP_PORT P0 // 使用宏定义数码管段码口

// 定义数码管位选信号控制脚
sbit LSA = P2 ^ 2;
sbit LSB = P2 ^ 3;
sbit LSC = P2 ^ 4;

extern u8 gsmg_code[17]; // 使“共阴极数码管显示0~F的段码数据”这个变量定义为外部可用

void smg_display(u8 dat[], u8 pos);

#endif

smg.c

#include "smg.h"

// 共阴极数码管显示0~F的段码数据
u8 gsmg_code[17] = {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71};

/**
 * @description: 动态数码管显示函数
 * @param {u8} dat 要显示的数据
 * @param {u8} pos 从左开始第几个位置开始显示，范围1-8
 * @return {*}
 */
void smg_display(u8 dat[], u8 pos)
{
	u8 i = 0;
	u8 pos_temp = pos - 1;

	for (i = pos_temp; i < 8; i++)
	{
		switch (i) // 位选
		{
		case 0:
			LSC = 1;
			LSB = 1;
			LSA = 1;
			break;
		case 1:
			LSC = 1;
			LSB = 1;
			LSA = 0;
			break;
		case 2:
			LSC = 1;
			LSB = 0;
			LSA = 1;
			break;
		case 3:
			LSC = 1;
			LSB = 0;
			LSA = 0;
			break;
		case 4:
			LSC = 0;
			LSB = 1;
			LSA = 1;
			break;
		case 5:
			LSC = 0;
			LSB = 1;
			LSA = 0;
			break;
		case 6:
			LSC = 0;
			LSB = 0;
			LSA = 1;
			break;
		case 7:
			LSC = 0;
			LSB = 0;
			LSA = 0;
			break;
		}
		SMG_A_DP_PORT = dat[i - pos_temp]; // 传送段选数据
		delay_10us(100);							  // 延时一段时间，等待显示稳定
		SMG_A_DP_PORT = 0x00;						  // 消影
	}
}

编译和结果

按F7编译，无错误，生成.hex文件，使用pz-isp将hex文件下载到单片机

结果：显示检测到的温度
在这里插入图片描述

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