温度数据采集系统.doc

第三章 系统硬件设计
温度数据采集系统和接收显示硬件电路主要包含温度数据采集、发送、接收和显示等模块，温度数据采集采用数字式温度传感器 DS18B20，数据的发送和接收采用无线数据收发模块PTR2000，整个系统采用单片机STC89C52进行各模块的协调控制，下面对各个模块进行介绍。
3.1 数字温度传感器DS18B20
3.1.1 DS18B20 的性能特点
DS18B20 是由 DALLAS 半导体公司生产的单线型智能数字温度传感器，是新一代适配微处理器的智能温度传感器，广泛应用于工业、农业等领域，具有体积小、接口方便和传输距离远的特点，在一根通信线上可以挂很多个 DS18B20，很方便。具有以下特点：
（1）具有独特的 1-Wire 接口，只需要一个端口引脚就可以进行通信；
（2）具备多节点能力，能够简化分布式温度检测应用中的设计；
（3）不需要外部元件；
（4）可以直接从数据线供电，电源电压范围在 3～5.5V；
（5）在待机状态下可以不消耗电源电量；
（6）测量温度范围在-55～+125℃；
（7）在-10～+85℃时测量精度在±0.5℃；
（8）可以用程序设定 9～12 位分辨率；
（9）用户可根据需要定义温度的上下限报警设置。
DS18B203 脚封装的管脚排列图如图 3.1.1 所示。

图 3.1.1 DS18B20 管脚排列图
DS18B20 只有三个引脚。其中，引脚 1 和 3 分别是 GND 和 VDD，引脚 2 是 DQ 端，是用于数据信息的输入和输出。当给 DS18B20 加电后，单片机可以通过 DQ 端写入命令，并可以读出含有温度信息的数字量。在使用寄生电源情况下，可以向 DS18B20 提供电源。
3.1.2 DS18B20 的内部结构
DS18B20的内部框图如图3.1.2所示。

图3.1.2 DS18B20的内部框图
DS18B20主要由64位ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL及暂存器四部分组成。64位ROM存储器具有独一无二的序列号，可以看作是该DS18B20的地址系列号，是在出厂前就被光刻好的。暂存器各字节具有不同的意义，0和1字节是用于存储温度传感器数字输出的温度寄存器；2字节和3字节分别是非易失性上限报警触发寄存器（TH）和下限报警触发寄存器（TL）；4字节的配置寄存器能够用来设置温度转换的精度；5、6和7字节作为内部保留使用。DS18B20有两种供电方式，可以使用寄生电源供电，也可以使用外部电源。在使用寄生电源的时候，不用外部电源，而是在总线为高时由DQ端提供电源，同时向内部电容充电，以求在总线拉低时为DS18B20提供电量。上电后，DS18B20进入空闲状态；当MCU向DS18B20发出Convert T [44h]的命令后， DS18B20 向MCU传送转换状态，开始温度测量和A/D转换。温度数据以带符号位的补码形式存储在温度寄存器中，温度寄存器格式如图3.1.3所示。

图3.1.3 DS18B20温度寄存器格式
温度的正负值是由符号为来说明的，正为0，负为1。表3.1给出一部分数字数据与温度的对应关系。
表3.1 DS18B20温度与数据对应关系
温度
数字输出（二进制）
数字输出（十六进制）
+125℃
0000011111010000
07D0h
+25.0625℃
0000000110010001
0191h
+10.125℃
0000000010100010
00A2h
+0.5℃
0000000000001000
0008h
0℃
0000000000000000
0000h
-0.5℃
1111111111111000
FFF8h
-10.125℃
1111111101011110
FF5Eh
-25.0625℃
1111111001101111
FE6Fh
-55℃
1111110010010000
FC90h
3.1.3 DS18B20芯片ROM指令表
Read ROM（读ROM）[33H] （方括号中的为16进制的命令字）
这个命令允许总线控制器读到DS18B20的64位ROM。只有当总线上只存在一个DS18B20的时候才可以使用此指令，如果挂接不止一个，当通信时将会发生数据冲突。
Match ROM（指定匹配芯片）[55H]
这个指令后面紧跟着由控制器发出了64位序列号，当总线上有多只DS18B20时，只有与控制发出的序列号相同的芯片才可以做出反应，其它芯片将等待下一次复位。这条指令适应单芯片和多芯片挂接。
Skip ROM（跳跃ROM指令）[CCH]
这条指令使芯片不对ROM编码做出反应，在单芯片的情况之下，为了节省时间则可以选用此指令。如果在多芯片挂接时使用此指令将会出现数据冲突，导致错误出现。
Search ROM（搜索芯片）[F0H]
在芯片初始化后，搜索指令允许总线上挂接多芯片时用排除法识别所有器件的64位ROM。
Alarm Search（报警芯片搜索）[ECH]
在多芯片挂接的情况下，报警芯片搜索指令只对符合温度高于TH或小于TL报警条件的芯片做出反应。只要芯片不掉电，报警状态将被保持，直到再一次测得温度什达不到报警条件为止。
3.1.4 DS18B20芯片存储器操作指令表：
Write Scratchpad （向RAM中写数据）[4EH]
这是向RAM中写入数据的指令，随后写入的两个字节的数据将会被存到地址2（报警RAM之TH）和地址3（报警RAM之TL）。写入过程中可以用复位信号中止写入。
Read Scratchpad （从RAM中读数据）[BEH]
此指令将从RAM中读数据，读地址从地址0开始，一直可以读到地址9，完成整个RAM数据的读出。芯片允许在读过程中用复位信号中止读取，即可以不读后面不需要的字节以减少读取时间。
Copy Scratchpad （将RAM数据复制到EEPROM中）[48H]
此指令将RAM中的数据存入EEPROM中，以使数据掉电不丢失。此后由于芯片忙于EEPROM储存处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持10MS，来维持芯片工作。
Convert T（温度转换）[44H]
收到此指令后芯片将进行一次温度转换，将转换的温度值放入RAM的第1、2地址。此后由于芯片忙于温度转换处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持500MS，来维持芯片工作。
Recall EEPROM（将EEPROM中的报警值复制到RAM）[B8H]
此指令将EEPROM中的报警值复制到RAM中的第3、4个字节里。由于芯片忙于复制处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。另外，此指令将在芯片上电复位时将被自动执行。这样RAM中的两个报警字节位将始终为EEPROM中数据的镜像。
Read Power Supply（工作方式切换）[B4H]
此指令发出后发出读时间隙，芯片会返回它的电源状态字，“0”为寄生电源状态，“1”为外部电源状态。
3.1.5 DS18B20 的测温原理
DS18B20的温度测量原理框图如图3.4所示。主要由斜坡累加器低温、高温系数振荡器、计数器和温度寄存器组成的。斜坡累加器主要是用来补偿测量温度过程中产生的非线性的，从而可达到较高的分辨率，并决定计数器1的重置。低温系数振荡器主要是用于产生脉冲信号，它受温度影响不大。高温系数振荡器主要是作为计数器2的输入，用于决定门周期，受温度影响较大。
DS18B20的测温过程如下：
（1） 预置计数器1和温度寄存器。预置值为-55℃所对应的某一基数。
（2） 当低温系数振荡器产生一个脉冲时，计数器1就减1。
（3） 当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器加1，同时将计数器1重置。
（4） 在计数器2减到0（即门周期结束）之前，重复对低温系数振荡器产生的脉冲进行计数。当计数器2减至0（即门周期结束）时，温度寄存器停止累加。此时温度寄存器中的值就是所测温度。

图3.4 DS18B20温度测量原理框图
3.1.6 DS18B20 的电源
DS18B20的工作电源可以有两种方式产生，一种是采用寄生电源，另一种是在端口VDD处直接接入外部电源。连接方式如图3.5（a）、（b）所示。采用第一种方式DS18B20的VDD和GND都接地，只从单总线中汲取电源和与外界通信。通过单总线在信号为高电平时为内部电容充电，将电能储存起来，这样当为低电平时仍旧可以工作，直至下一高电平。使用第二种方式时，GND接地，VDD接+3～+5V的电源。寄生电源虽然可以节省一条电源线，但在多个节点同时温度转换的时候，可能造成供电不足，使得转换时间过长从而造成测量速度变慢。外接电源可以避免这一状况。

图3.5（a）寄生电源连接方式

图3.5（b）外接电源连接方式
3.1.7 单片机对DS18B20操作流程：
1. 复位：首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480uS的低电平信号。当18B20接到此复位信号后则会在15~60uS后回发一个芯片的存在脉冲。
2. 存在脉冲：在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在15~60uS后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60~240uS的低电平信号。至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与DS18B20间的数据通信。如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。
3. 控制器发送ROM指令：双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个DS18B20芯片时可以跳过ROM指令（注意：此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。ROM指令在下文有详细的介绍。
4. 控制器发送存储器操作指令：在ROM指令发送给DS18B20之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。存储器操作指令的功能是命令DS18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。
5. 执行或数据读写：一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待DS18B20执行其指令，一般转换时间为500uS。如执行数据读写指令则需要严格遵循18B20的读写时序来操作。
3.1.8 DS18B20复位及应答关系
每一次通信之前必须进行复位，复位的时间、等待时间、回应时间应严格按时序编程。
DS18B20读写时间隙：
DS18B20的数据读写是通过时间隙处理位和命令字来确认信息交换的。
写时间隙：
写时间隙分为写“0”和写“1”，时序如图7。在写数据时间隙的前15uS总线需要是被控制器拉置低电平，而后则将是芯片对总线数据的采样时间，采样时间在15~60uS，采样时间内如果控制器将总线拉高则表示写“1”，如果控制器将总线拉低则表示写“0”。每一位的发送都应该有一个至少15uS的低电平起始位，随后的数据“0”或“1”应该在45uS内完成。整个位的发送时间应该保持在60~120uS，否则不能保证通信的正常。
读时间隙：
读时间隙时控制时的采样时间应该更加的精确才行，读时间隙时也是必须先由主机产生至少1uS的低电平，表示读时间的起始。随后在总线被释放后的15uS中DS18B20会发送内部数据位，这时控制如果发现总线为高电平表示读出“1”，如果总线为低电平则表示读出数据“0”。每一位的读取之前都由控制器加一个起始信号。注意：必须在读间隙开始的15uS内读取数据位才可以保证通信的正确。
在通信时是以8位“0”或“1”为一个字节，字节的读或写是从高位开始的，即A7到A0.字节的读写顺序也是如图2自上而下的。
3.1.9 STC89C52与DS18B20的连接
DS18B20只有一个数据输入输出端，根据DS18B20的单总线特性，可以将多个DS18B20挂在同一条总线，理论上可以是多个，但在实际应用上，要考虑到总线的驱动能力，在一条总线上DS18B20的数目不超过8个。与DS18B20的连接如图3.6所示。

图3.6 STC89C52 与 DS18B20 的连接图