基于18B20的多点温度显示系统

范例二 环境温度监测系统
一、设计要求
环境温度监测系统广泛地用于住宅小区、楼宇建筑和设备内部等。其主要功能和指标如下：
1、可以监测8点环境温度信号，可以扩充；
2、测量范围为0.00℃～99.9℃，可以扩充到－55℃～＋125℃，精度为±0.5℃；
3、用4位数码管进行循环显示，其中最高位显示通道提示符A～H，低3位显示实际温度值，每秒切换一个通道进行轮流显示；
4、 可以随时查看指定通道的温度值（扩充功能）。
二、设计指导
1、方案选择
该系统主要由温度检测和数据采集两部分组成。下面列举两种实现方案：
方案一：温度检测可以使用低温热偶或铂电阻，数据采集部分则使用带有A/D通道的单片机。考虑到一般的A/D输入通道都只能接收大信号，所以还应设计相应的放大电路。此方案的软件简单，但硬件复杂，且检测点数追加时，成本会有较大增长幅度。
方案二：使用单片机和单总线温度传感器构成。单总线温度传感器可以采用DALLAS公司生产的DS18B20系列，这类温度传感器直接输出数字信号，且多路温度传感器可以挂在1条总线上，共同占用单片机的1条I/O线即可实现接口。在提升单片机I/O线驱动能力的前提下，理论上可以任意扩充检测的温度点数。
比较两个方案后可以发现，方案二更适合于用作本系统的实施方案。尽管方案二不需要A/D，但考虑到系统扩充等因素，单片机可以选用ADuc812，以便于在需要的时候扩充参数存储、 D/A输出、温度控制等功能。
2、 硬件设计
采用方案二的硬件设计比较简单，系统构成如图1所示，原理图如图5所示。单片机的P0口用作4位数码管的段码线，P3.4～P3.7用作4位数码管的位选线（ADuc812的P3有允许8mA的灌电流，可以不加驱动）。P2.4用作DS18B20的数据输入/输出线。
DS18B20的引脚定义和封装形式之一如图2所示。DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接电源

。
DS18B20的光刻ROM中存有64位序列号，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20拥有惟一的地址序列码，以确保在一根总线上挂接多个DS18B20。
DS18B20内部集成了暂存寄存器（或称为暂存RAM）和EEPROM两类存储器。暂存RAM为9个字节，其地址分配及其相关说明如表1所示。
单片机通过命令实现对DS18B20的控制，其支持的主要命令如表2所示。DS18B20的复位操作、读写操作都必须遵从严格的时序，其复位时序、读写时序分别如图3和图4所示。关于DS18B20的详细介绍和使用方法可以参考其数据手册。
表1 DS18B20暂存RAM地址分配及其说明

寄存器名称 地址 说 明
温度低字节 0 温度测量值的低8位，即b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
温度高字节 1 温度测量值的高3位及符号位，即S S S S S b10 b9 b8
温度高限 2 温度报警上限，也可以用作自定义字节
温度高限 3 温度报警下限，也可以用作自定义字节
配置寄存器 4 格式为0 R1 R0 1 1 1 1 1，R1和R0为00、01、10、11对应的分辨率分别为9、10、11和12位（包括符号位）
保留 5 未定义
保留 6 未定义
保留 7 未定义
校验码 8 按X8＋X5＋X4＋1对前8个字节进行CRC校验
表2 DS18B20主要命令及其功能说明

命令码 功能说明 命令码 功能说明
33H 读ROM中的64位地址序列码 BEH 读9字节暂存寄存器
55H 只有地址码匹配的DS18B2才能接受后续的命令 4EH 写入温度上/下限，紧随其后是2字节数据，对应上限和下限值
F0H 锁定总线上DS18B20的个数和识别其ROM中的64位地址序列码 48H 将9字节暂存寄存器的第3和4字节复制到EEPROM中
ECH 只有温度超过上限或下限的DS18B20才做出响应 B8H 将EEPROM的内容恢复到暂存寄存器的第3和4字节
44H 启动DS18B20进行温度转换，结果存入9字节的暂存寄存器 B4H 读供电模式，寄生供电时DS18B20发送0，外接电源时DS18B20发送1
CCH 忽略地址序列码，适合单片DS18B20

图5 系统原理图
3、 软件设计
1、 软件模块的划分
该系统的控制软件可以分为单片机初始化程序、定时中断服务程序和DS18B20接口程序等模块。单片机初始化程序由主函数实现，主要完成定时器T0、T1的初始化、中断系统的初始化等功能。定时器T0中断函数每隔5ms执行1次，动态显示1位数码管；定时器T1中断函数每隔50ms中断1次，每中断20次（1秒）即读取1路DS18B20的温度代码，转换为温度值，再拆分成单个数码后送入显示缓冲区。DS18B20接口程序主要由复位函数、读位函数、读字节函数、写位函数、写字节函数、读温度函数等组成。
2、 参考程序
#include <aduc812.h>
#include <intrins.h>
sbit led0=P3^4; //P3.4～P3.7用作4位LED的位选线
sbit led1=P3^5;
sbit led2=P3^6;
sbit led3=P3^7;
sbit DQ = P2^4; //P2.4用作DS18B20的数据线DQ
float data TMP[2]={0,0}; //读取后的2个温度值,将其除以2即可得出实际温度;
unsigned char data f[2]={0,0}; //结果是否为负温,0为正温,1为负温。
unsigned char data disp_buf[4]={0,0,0,0}; //4位数码管对应的值放入该缓冲区
unsigned char data dot_position=0;
unsigned char data chno=0; //对应某路DS18B20
//存各路DS18B20的地址序列号，为便于调试，只设计了2路，可以扩充到8路或更多
unsigned char code SN[2][8]={ {16, 62,148,60,0,0,0, 247},{16,229,146,60,0,0,0, 87} };
//数字0～9和通道提示符A～H的段码
unsigned char code seg_table[ ]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,
0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x6f,0x76};
unsigned char code CH[ ]={10,11,12,13,14,15,16,17}; //通道提示符的段码偏移量
//将0.00～999之间的浮点数转为单个数码，并送显示缓冲区和返回小数点的位置
void ftochar(float valp)
{
if(valp<10.0)
{
dot_position=1;
valp *=100.0;
}
else if((valp>=10.0)&&(valp<100.0))
{
dot_position=2;
valp *=10.0;
}
else if((valp>=100.0)&&(valp<1000.0)) dot_position=3;
disp_buf[1]=(int)valp/100;
disp_buf[2]=((int)valp%100)/10;
disp_buf[3]=((int)valp%100)%10;
}
//延时15微妙的函数
void delay(unsigned char n)
{
do {
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); //_nop_()的头文件为intrins.h
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
n--;
}while(n);
}
//DS18B20复位函数，按复位时序进行设计
void ow_reset(void)
{
DQ = 0; // DQ置为低电平
delay(36); // 保持480μs
DQ = 1; // DQ置为高电平
delay(24); // 延时，等DS18B20输出低电平
}
//DS18B20读位函数，按读位时序进行设计
unsigned char read_bit(void)
{
unsigned char i;
DQ = 0; // DQ置为低电平
DQ = 1; // DQ置为高电平
for (i=0; i<5; i++); // 延时 15μs
return(DQ); // 返回DQ 线的电平状态
}
// DS18B20写位函数，按写位时序进行设计
void write_bit(char bitval)
{
DQ = 0; // DQ置为低电平
if(bitval==1) DQ =1; // 如果写1则DQ置为高电平
delay(6); // 延时以维持电平状态
DQ = 1; // DQ置为高电平
}
// 从DS18B20读取字节的函数
unsigned char read_byte(void)
{
unsigned char i;
unsigned char value = 0;
for (i=0;i<8;i++)
{
if(read_bit()) value|=0x01<<i; //调用读位函数，读出的8个位移位成1个字节
delay(11); //延时以读余下的位
}
return(value);
}
//写字节到DS18B20的函数
void write_byte(char val)
{
unsigned char i;
unsigned char temp;
for (i=0; i<8; i++) //每次写1位，1个字节分8次完成
{
temp = val>>i;
temp &= 0x01;
write_bit(temp); //调用写位函数
}
delay(10); //延时
}
// 从DS18B20读物温度代码
void read_temp ()
{
unsigned char i,j;
unsigned char a,b;
int mr;
for(j=0;j<2;j++) //为便于调试，仅以2路为例，改循环次数即可扩充到8路或更多，
{
ow_reset(); //调用复位函数
delay(20);
write_byte (0x55); //发送ROM匹配命令
for(i=0;i<8;i++)
{
write_byte(SN[j][i]); //发送64位序列号
}
write_byte (0xbe); //发送读取暂存寄存器的命令
a = read_byte(); //连续读取两位温度，余下数据没有读，实际使用时应读出所有数
b = read_byte(); //据，并进行校验，以提高可靠性
mr=b*256+a;
if((mr&0xf800)!=0) mr=-mr+1;
TMP[j]=mr*0.5;
}
}
//定时器T0中断函数，每中断1次，显示1位数码管
void Time_disp(void) interrupt 1
{
static unsigned char dispno=0; //数码管位号
TH0=0xee; //主频为11.0592，定时5ms的时间常数为EE00H
TL0=0x00;
P3|=0xf0;
P0=seg_table[disp_buf[dispno]]; //查当前数码管的显示数字对应的段码
if(dispno==dot_position) P0|=0x80; //当前位有小数点，则段码最高位置1
switch(dispno) //根据当前显示的数码管，接通位选线
{
case 0 : led0=0; break;
case 1 : led1=0; break;
case 2 : led2=0; break;
case 3 : led3=0; break;
}
dispno++;
if(dispno==4) dispno=0;
}
//定时器T1中断服务函数，每50ms中断1次
void Timer1(void) interrupt 3
{
static unsigned int count;
TH1=0x4c; //50ms对应的时间常数为4C00H
TL1=0x00;
count++;
if(count>=20) //中断20次即为1秒
{
count=0;
ftochar(TMP[chno]); //当前通道对应的温度值转换为单个数码送显示缓冲区
disp_buf[0]=CH[chno]; //当前通道的提示符的段码偏移量送显示缓冲区首地址
chno++;
if(chno= =2) chno=0; //修改此判断对应的数值，即可扩充到8路或更多
}
}
//主函数
main( )
{
TMOD=0x11; //定时器T0和T1按方式1工作
EA=1;
ET0=1;
ET1=1;
TH0=0xee; //5ms对应的时间常数
TL0=0x00;
TH1=0x4c; //50ms对应的时间常数
TL1=0x00;
TR0=1;
TR1=1;
do {
ow_reset( ); //复位DS18B20
write_byte(0xcc);
write_byte(0x44); //启动1820
read_temp( ); //调用读取温度的函数,结果存于TMP[ ]数组中
}while(1);
}