DS18B20 數(shù)字溫度傳感器的工作原理

1、模塊一ds18b20ds-18b20 數(shù)字溫度傳感器的工作原理(1) ds18b20單線智能溫度傳感器的性能特點(diǎn)ds18b20溫度傳感器是美國(guó)dallas半導(dǎo)體公司最近推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器,與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比,它能直接讀出被測(cè)溫度,并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。ds18b20的性能特點(diǎn)如下：獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信；多個(gè)ds18b20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能；無(wú)須外接部件；可通過(guò)數(shù)據(jù)供電，電壓范圍為3.05.5v；零待機(jī)功耗；溫度以9或12位數(shù)字量讀出；用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置；報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)

2、志超過(guò)程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件；負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒壞，但不能正常工作.(2) ds18b20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖24 所示，它采用3腳pr35封裝或8腳soic封裝其管腳封裝如圖25所示。cvddi/o存儲(chǔ)器與控制器高速緩存8位 crc發(fā)生器配置寄存器低溫觸發(fā)器tl高溫觸發(fā)器th溫度傳感器64位rom和單線接口 圖24 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖25 ds18b20的引腳排列(3) ds18b20單線智能溫度傳感器的工作原理64位rom的位結(jié)構(gòu)如圖26 所示。開(kāi)始8位是產(chǎn)品類型的編號(hào)，接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào)，共有48位，最后8位是前面56位的crc檢驗(yàn)碼

3、，這也是多個(gè) ds18b20可以采用一線進(jìn)行通信的原因。非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器th和tl，可通過(guò)軟件寫(xiě)入戶報(bào)警上下限。ds18b20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存ram和一個(gè)非易失性的可電擦除的eepram。高速暫存ram的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如圖37 所示。頭2個(gè)字節(jié)包含測(cè)得的溫度信息，第3和第4字節(jié)是th和tl的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第5個(gè)字節(jié)為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。ds18b20工作時(shí)按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖38所示。低5位一直為1，tm是測(cè)試模式位，用于設(shè)置ds18b20在工作模式

4、還是在測(cè)試模式。在ds18b20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要改動(dòng)，r1和r0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，即用來(lái)設(shè)置分辨率，方法見(jiàn)表33 。8位檢驗(yàn)crc48位序列號(hào)8位工廠代碼（10h）msb lsb msb lsb msb lsb圖26 位64位rom結(jié)構(gòu)圖由表33可見(jiàn),ds18b20溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間比較長(zhǎng)，而且設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間就越長(zhǎng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。高速暫存ram的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯1。第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的crc碼，可用來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。表23 ds18b20分辨率的定義規(guī)定r1r0分辨率/

5、位溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間/ms00993.750110187.510113751112750 溫度lsb 溫度msbth用戶字節(jié)1tl用戶字節(jié)2配置寄存器保留保留保留crc1字節(jié)th用戶字節(jié)12字節(jié)3字節(jié)4字節(jié) tl用戶字節(jié)25字節(jié)6字節(jié)7字節(jié) eeprom8字節(jié)9字節(jié)圖37 高速暫存ram結(jié)構(gòu)圖tmr1r011111 圖2-8 配置寄存器當(dāng)ds18b20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可以通過(guò)單總線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625/lsb形式表示。溫度值格式如圖29

6、 所示。當(dāng)符號(hào)位s=0時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號(hào)位s=1時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。表24 是一部分溫度值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測(cè)得的溫度值與ram中的th、tl字節(jié)內(nèi)容做比較。若tth或ttl，則將該器件內(nèi)的報(bào)警標(biāo)志位置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出的報(bào)警搜索命令做出響應(yīng)。因此，可用多只 ds18b20同時(shí)測(cè)量溫度并進(jìn)行報(bào)警搜索。232221202-12-22-32-4ssssssssls字節(jié)ms字節(jié) 圖29 溫度數(shù)據(jù)值格式在64位rom的最高有效字節(jié)中存儲(chǔ)器循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼(crc)。主機(jī)根據(jù)rom

7、的前56位來(lái)計(jì)算crc值，并和存入ds18b20的crc值做比較，以判斷主機(jī)收到的rom數(shù)據(jù)是否正確。ds18b20的測(cè)溫原理如圖210所示.圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用它產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器1的脈沖輸入；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯變化，所以產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。圖中還隱含著計(jì)數(shù)門(mén)，當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)，ds18b20對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定，每次測(cè)量前，首先將55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法

8、計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值就是所測(cè)溫度值。圖210 中的斜率累加器用于溫度補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線形性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門(mén)仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直到溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值。另外，由于ds18b20單線通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫(xiě)時(shí)很重要。系統(tǒng)對(duì)ds18b20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作

9、協(xié)議為：初始化ds18b20（發(fā)復(fù)位脈沖） 發(fā)rom功能命令 發(fā)存儲(chǔ)器操作命令 處理數(shù)據(jù)。(4) ds18b20與單片機(jī)的接口電路ds18b20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí)ds18b20的1腳接地，2腳作為信號(hào)線，3腳接電源。另一種是寄生電源方式，如圖211 所示。單片機(jī)端口接單總線，為保證在有效的ds18b20時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè)mosfet管來(lái)完成對(duì)總線的上拉。當(dāng)ds18b20處于寫(xiě)存儲(chǔ)器操作和溫度a/d轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，溫度/二進(jìn)制十六進(jìn)制表示+1250000 0111 1101 0000 07d0h+850000 0101 0101

10、00000550h+25.06250000 0001 1001 00010191h+10.1250000 0000 1010 001000a2h+0.50000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 00000000h0.51111 1111 1111 1000fff8h10.1251111 1111 0101 1110ff5eh25.06251111 1110 0110 1111fe6fh551111 1100 1001 0000fc90h表24 ds18b20溫度與測(cè)得值對(duì)應(yīng)表 圖210 ds18b20測(cè)溫原理圖上拉開(kāi)始時(shí)間最大為10s。采用寄生電源供電方式

11、時(shí)vdd和gnd端均接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。圖211 ds18b20采用寄生電源的電路圖模塊二1602原理圖lcd技術(shù)是把液晶灌入兩個(gè)列有細(xì)槽的平面之間。這兩個(gè)平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是說(shuō)，若一個(gè)平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子?xùn)|西向排列，而位于兩個(gè)平面之間的分子被強(qiáng)迫進(jìn)入一種90度扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)。由于光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經(jīng)過(guò)液晶時(shí)也被扭轉(zhuǎn)90度。但當(dāng)液晶上加一個(gè)電壓時(shí)，分子便會(huì)重新垂直排列，使光線能直射出去，而不發(fā)生任何扭轉(zhuǎn)。 lcd是依賴極化濾光器(片)和光線本身。自然光線是朝四面八方隨機(jī)發(fā)散的。極化濾光器實(shí)際是一系列越來(lái)

12、越細(xì)的平行線。這些線形成一張網(wǎng)，阻斷不與這些線平行的所有光線。極化濾光器的線正好與第一個(gè)垂直，所以能完全阻斷那些已經(jīng)極化的光線。只有兩個(gè)濾光器的線完全平行，或者光線本身已扭轉(zhuǎn)到與第二個(gè)極化濾光器相匹配，光線才得以穿透。 lcd正是由這樣兩個(gè)相互垂直的極化濾光器構(gòu)成，所以在正常情況下應(yīng)該阻斷所有試圖穿透的光線。但是，由于兩個(gè)濾光器之間充滿了扭曲液晶，所以在光線穿出第一個(gè)濾光器后，會(huì)被液晶分子扭轉(zhuǎn)90度，最后從第二個(gè)濾光器中穿出。另一方面，若為液晶加一個(gè)電壓，分子又會(huì)重新排列并完全平行，使光線不再扭轉(zhuǎn)，所以正好被第二個(gè)濾光器擋住?？傊?，加電將光線阻斷，不加電則使光線射出。 然而，可以改變lcd中的

13、液晶排列，使光線在加電時(shí)射出，而不加電時(shí)被阻斷。但由于計(jì)算機(jī)屏幕幾乎總是亮著的，所以只有“加電將光線阻斷”的方案才能達(dá)到最省電的目的。 從液晶顯示器的結(jié)構(gòu)來(lái)看，無(wú)論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng)，采用的lcd顯示屏都是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)。lcd由兩塊玻璃板構(gòu)成，厚約1mm，其間由包含有液晶(lc)材料的5m均勻間隔隔開(kāi)。因?yàn)橐壕Р牧媳旧聿⒉话l(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設(shè)有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板（或稱勻光板）和反光膜，背光板是由熒光物質(zhì)組成的可以發(fā)射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。背光板發(fā)出的光線在穿過(guò)第一層偏振過(guò)濾層之后進(jìn)入包含成千上萬(wàn)水晶液滴的液晶層。液晶層中的水晶

14、液滴都被包含在細(xì)小的單元格結(jié)構(gòu)中，一個(gè)或多個(gè)單元格構(gòu)成屏幕上的一個(gè)像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點(diǎn)上，通過(guò)改變電壓而改變液晶的旋光狀態(tài)，液晶材料的作用類似于一個(gè)個(gè)小的光閥。在液晶材料周邊是控制電路部分和驅(qū)動(dòng)電路部分。當(dāng)lcd中的電極產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，液晶分子就會(huì)產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進(jìn)行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過(guò)第二層過(guò)濾層的過(guò)濾出來(lái)。 模塊三摘要 研究背景1課題的背景及意義隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來(lái)了根本性的變化，如果說(shuō)微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，那么單片機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制測(cè)控領(lǐng)

15、域帶來(lái)了一次新的革命。目前，單片機(jī)在工業(yè)控制系統(tǒng)諸多領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。特別是其中的c51系列的單片機(jī)的出現(xiàn)，具有更好的穩(wěn)定性，更快和更準(zhǔn)確的運(yùn)算精度，推動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)，影響著人們的工作和學(xué)習(xí)。在現(xiàn)代社會(huì)中，溫度控制不僅應(yīng)用在工廠生產(chǎn)方面，其作用也體現(xiàn)到了各個(gè)方面，隨著人們生活質(zhì)量的提高，酒店廠房及家庭生活中都會(huì)見(jiàn)到溫度控制的影子，溫度控制將更好的服務(wù)于社會(huì).而今，空調(diào)等家用電器隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高越來(lái)越普及，一個(gè)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定的溫度控制系統(tǒng)能更好的適應(yīng)市場(chǎng)。而本次設(shè)計(jì)就是要通過(guò)以mcs-51系列單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)溫度控制器的設(shè)計(jì)。2研究方向及其內(nèi)容本文重點(diǎn)對(duì)該系統(tǒng)的硬件、軟件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。在硬件上對(duì)各部分電路進(jìn)行理論分析與方案論證，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)，介紹了ds18b20數(shù)字溫度傳感器在單片機(jī)下的硬件連接及軟件編程，并給出了軟件流程圖，最終設(shè)計(jì)完成了該系統(tǒng)的硬件電路。在軟件設(shè)計(jì)上根據(jù)硬件電路和該溫度采集系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，經(jīng)過(guò)反復(fù)的模擬運(yùn)行、調(diào)試、修改，最終完成了該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)硬件與軟件的密切配合，最終設(shè)計(jì)完成達(dá)到了題目所要求的功能。本設(shè)計(jì)采用的是at89s51單片機(jī)，對(duì)