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：

 #include <reg52.h>
 typedef unsigned char uchar;
 typedef unsigned int uint;
 uchar code table[] =
 {
     0xfc, 0x60, 0xda, 0xf2, 0x66, 0xb6, 0xbe, 0xe0, 0xfe, 0xf6, 0xee, 0x3e, 0x9c
 };
 uchar code address[] =
 {
     0xfe, 0xfd, 0xfb, 0xf7, 0xef, 0xdf, 0xbf, 0x7f
 };
 sbit DQ = P3 ^ ; //DQ控制位
 sbit dot = P1 ^ ; //小数点
 uchar temp1, temp2; //通过temp1和temp2存储温度低位和高位

 void Delay(uint m)
 {
     while(m--);
 }
 uchar ReadByte()
 {
     uchar byte = ;
     uchar i;
     for (i = ; i < ; ++i)
     {
         DQ = ;
         byte >>= ;
         DQ = ;
         if (DQ)
             byte = byte | 0x80;
         Delay();
     }
     return byte;
 }
 void WriteByte(uchar byte)
 {
     uchar i;
     for (i = ; i < ; ++i)
     {
         DQ = ;
         byte >>= ; //数据左移
         DQ = CY;
         Delay();
         DQ = ;
     }
 }
 void Init()
 {
     DQ = ;
     Delay();
     DQ = ;
     Delay();
     DQ = ;
     Delay();
 }
 void ReadTemp()
 {
     /* 初始化DS18B20 */
     Init();
     WriteByte(0xcc); //跳过ROM,当前只有一个Slave
     WriteByte(0x44); //启动温度转换
     Delay();
     Init();
     WriteByte(0xcc); //跳过ROM
     WriteByte(0xbe); //读取暂存器内容
     temp1 = ReadByte(); //低位存放在temp1中
     temp2 = ReadByte(); //高位存放在temp2中
 }
 void main()
 {
     bit flag;
     uint temp;
     uchar i;
     while()
     {
         /* 读取温度 */
         ReadTemp();

         /* 温度转化 */
         temp = temp1 & 0x0f; //temp存入温度低8位并保留低4位
         if (temp2 > ) //temp2 > 01111111时,温度为负
         {
             flag = ;
             temp1 = ~temp1;
             temp2 = ~temp2; //高低各取反
             temp = temp1 & 0x0f;
             temp += 0x01;  //取反后+1,得到负数值
         }
         temp = temp * ;
         temp1 = temp1 & 0xf0;
         temp1 = temp1 / ;
         temp2 = temp2 * ;
         temp1 += temp2;
         if (flag)
             temp1 += 0x01;

         /* 温度显示 */
         for (i = ; i < ; ++i)
         {
             P2 = address[i];
             P1 = table[temp % ];
             Delay();
             temp = temp / ;
         }
         P2 = 0xef;
         P1 = table[temp1 % ];
         dot = ;
         Delay();
         if (temp1 /  || temp1 / )
         {
             P2 = 0xdf;
             P1 = table[temp1 /  % ];
             Delay();
         }
         if (temp1 / )
         {
             P2 = 0xbf;
             P1 = table[temp1 /  % ];
             Delay();
         }
         if (flag)
         {
             P2 = 0x7f;
             P1 = 0x02;
             Delay();
             flag = ;
         }
     }
 }