由MS P 430單片機和D S 1820構(gòu)成的小型測溫系統(tǒng)

任作為

(長江大學(xué)，湖北 荊州 434000)

0 引言

溫度的檢測與控制在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中有著極其廣泛的應(yīng)用，而隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)的發(fā)展，人們對傳感器性能的要求越來越高。另一方面，單片機技術(shù)已經(jīng)深入到各個技術(shù)領(lǐng)域。所以可以采用新型的數(shù)字溫度傳感器，并利用單片機對溫度傳感器進行控制，則可以使測溫電路大大簡化，并且更易于智能化控制。

1 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件接口電路相對比較簡單，主要就是MSP430單片機和數(shù)字化溫度傳感器DS1820的連接。首先簡要介紹數(shù)字化溫度傳感器DS1820。

1.1 DS1820的芯片

DS1820是美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器，是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。它只需要單片機的一個一般I/O接口就可以實現(xiàn)連接。

DS1820的主要特性如下：

（1）獨特的單線接口方式，DS1820在與微處理器連接時只需要一根總線就可以實現(xiàn)與微處理器的雙向通信；

（2）DS1820支持多點組網(wǎng)功能，多個DS1820可以并聯(lián)在唯一的總線上，以實現(xiàn)多點測溫；

（3）DS1820在使用中不需要任何外圍元器件件；

（4）可以由數(shù)據(jù)線來供電；

（5）測溫范圍-55℃至+125℃，固有測溫分辨率為0.5℃；

（6）測量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送；

（7）用戶可以設(shè)置報警溫度。

以下是該芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖，如圖1所示。

圖1 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖

由上圖可以看出，DS1820主要有存儲器、寄存器、邏輯控制、單線接口、溫度傳感器和溫度上、下限寄存器等幾個部分組成。為了便于進行硬件電路的設(shè)計，有必要說明芯片的管腳定義，如圖2所示。

圖2 管腳

由圖2可以看到，該芯片共有3個管腳，其功能分別如下：

Vcc:電源管腳，供電電壓范圍為2.8～5.5V。

GND:接地管腳；

DQ：單線接口管腳，與單片機接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

1.2 接口電路設(shè)計

由于DS1820芯片采用單線協(xié)議，即只需要一根線與MSP430單片機進行接口，因此接口電路非常簡單。MSP430單片機能通過端口的方向寄存器來設(shè)置端口的輸入輸出方向，因此能很好地實現(xiàn)單總線的數(shù)據(jù)讀寫功能。使用MSP430單片機的一般I/O接口P1.0與DS1820芯片進行連接。

如圖3所示為具體的接口電路圖。

圖3 接口電路圖

MSP430單片機與DS1820芯片的接口非常簡單。將MSP430單片機的P1.0管腳與DS1820芯片相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。在上面電路的設(shè)計中，DQ線通過10KΩ的電阻拉高，保證總線在沒有數(shù)據(jù)傳輸時始終為高電平。為了減少干擾，在電源的管腳增加一個0.1μF的電容來進行濾波處理。

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要是對DS1820芯片進行讀取溫度的操作，在進行具體編程之前，現(xiàn)對單總線協(xié)議進行簡單介紹。

2.1 單總線協(xié)議

單總線協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，這樣就必須包括數(shù)據(jù)的讀寫，另外該總線還必須具有復(fù)位功能。

2.1.1 總線復(fù)位

總線復(fù)位主要是起初始化總線的作用，在數(shù)據(jù)讀寫之前，都必須對總線進行復(fù)位?？偩€復(fù)位就是由單片機向總線發(fā)送低電平脈沖，然后等待DS1820的響應(yīng)，DS1820在接受到總線復(fù)位信號后給出相應(yīng)的電平。如圖4所示為總線復(fù)位的時序圖。

圖4 總線復(fù)位的時序圖

可以看出，低電平和高電平保持的時間是有限制的，這就要求在軟件實現(xiàn)時特別注意高低電平的保持時間。

2.1.2 總線寫

總線寫是單片機向DS1820寫數(shù)據(jù)，由于總線數(shù)據(jù)傳輸是以“位”為單位的，單總線通信協(xié)議中存在兩種寫時隙：寫 “0”和寫“1”。MSP430 單片機采用寫“1”時隙向 DS1820 寫入“1”，而寫“0“時隙向DS1820寫入“0”。所有寫時隙至少要60μs，且在兩次獨立的寫時隙之間至少要1μs的恢復(fù)時間。兩種寫時隙均起始于MSP430單片機拉低數(shù)據(jù)總線。產(chǎn)生“1”時隙的方式：MSP430單片機拉低總線后，接著必須在15μs之內(nèi)釋放總線，由上拉電阻將總線拉至高電平；產(chǎn)生寫“0”時隙的方式為在MSP430單片機拉低后，只需要在整個時隙間保持低電平即可（至少60μs）。在寫時隙開始后15～60μs期間，單總線器件采樣總電平狀態(tài)。如果在此期間采樣值為高電平，則邏輯“1”被寫入器件；如果為“0”，寫入邏輯“0”。

如圖5所示為寫時隙（包括1和0）時序。

圖5 總線寫時序圖

由上圖可以看出，低電平和高電平保持是有時間限制的，所以要求在軟件實現(xiàn)時特別注意高低電平的保持時間。

2.1.3 總線讀

總線讀是單片機從DS1820讀取數(shù)據(jù)，由于總線數(shù)據(jù)傳輸是以“位”為單位的，所以總線讀包括讀“1”和讀“0”。如圖6所示是總線讀的時序圖。

圖6 總線讀時序圖

由上圖可看出，單片機在讀“1”或讀“0”時，首先需要將總線拉低，然后將總線拉高，再根據(jù)總線是高電平還是低電平來判斷是“1”還是“0”，從而使單片機獲取總線上的數(shù)據(jù)。

2.2 DS1820的控制

對DS1820的控制是通過操作其內(nèi)部的存儲器來實現(xiàn)的。DS1820的操作指令分為ROM操作命令和存儲器操作命令。

2.2.1 ROM操作命令

（1）Read ROM（0x33）：如果只有一片 DS1820，可以用該命令讀出它的序列號。若在線DS1820不止一個，那么將會發(fā)生沖突；

（2）Match ROM（0x55）：多個 DS1820 一起使用時，可用該命令匹配一個給定序列號的DS1820，此后的命令就針對該DS1820；

（3）Skip ROM（0xCC）：執(zhí)行該命令后的存儲器操作將對所有在線的DS1820有效；

（4）Search ROM（0xF0）：用來讀出在線的 DS1820 的序號；

（5）Alarm Search（0xEC）：當(dāng)溫度值高于 TH 或低于 TL中的數(shù)值時，該命令可以讀出報警的DS1820。

2.2.2 存儲器操作命令

（1）Write Scratchpad（0x4E）：寫兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)到溫度寄存器。

（2）Read Scratchpad（0xBE）：讀取溫度寄存器的溫度值。

（3）Copy Scratchpad（0x48）：將溫度寄存器的數(shù)值復(fù)制到 EERAM中，以確保溫度值不會丟失。

（4）Convert T（0x44）：啟動在線 DS1820 進行溫度 A/D 轉(zhuǎn)換。

（5）Recall E2（0xB8）：將EERAM中的數(shù)值復(fù)制到溫度寄存器中。

（6）Read Power Supply（0xB4）：在該命令送到 DS1820 之后的每一個讀數(shù)據(jù)間隙，之處電源模式：“0”為寄生電源；“1”則為外部電源。

根據(jù)以上的操作命令，一下給出測量溫度的步驟。

①Read ROM（33h），每次對DS1820進行操作之前都需要對其進行初始化，主要目的在于確定傳感器是否連接到單總線上。

②Search ROM（F0h），這條指令使處理器用排除的方法去辨別總線上的DS1820。

③Match ROM（55h），只有準(zhǔn)確地符合64位ROM序列的DS1820才能響應(yīng)接下來的指令。如果是單點測溫，則可以使用Skip ROM（CCh）指令來跳過這一步。

④Convert T（44h），發(fā)送該條之后，應(yīng)查詢總線上的電平，當(dāng)電平位高時，則溫度轉(zhuǎn)換完成。

⑤Read Scratchpad（BEh），發(fā)送讀指令后則可以從總線上獲得表示溫度的兩字節(jié)二進制數(shù)。

2.3 DS1820操作的程序?qū)崿F(xiàn)

DS1820的讀寫存儲器操作都是建立在單總線協(xié)議程序基礎(chǔ)之上的，所以首先要通過程序來實現(xiàn)單總線協(xié)議，然后再編寫DS1820的溫度數(shù)據(jù)讀取程序。

2.3.1 單總線協(xié)議的實現(xiàn)

單總線協(xié)議包括總線復(fù)位和讀寫字節(jié)操作，具體程序代碼如下：

以上的程序需要在總線的讀或者寫時切換管腳的輸入輸出方向，另外，需要注意延時的時間，這主要根據(jù)系統(tǒng)的時鐘進行相應(yīng)的調(diào)整。

2.3.2 DS1820溫度數(shù)據(jù)的讀取

事實上獲得溫度數(shù)據(jù)就是對DS1820的某些存儲器進行相應(yīng)的操作，程序如下所示。

這段程序只是進行了簡單的處理，在實際應(yīng)用中，可能需要添加ROM命令的處理?？偩€上也可能并聯(lián)多個DS1820進行多點測溫，則應(yīng)該根據(jù)具體的需要要進行相應(yīng)的修改。

3 小結(jié)

本文介紹了采用MSP430單片機與DS1820的接口設(shè)計，首先介紹了電路的接口設(shè)計，然后給出了相應(yīng)程序。DS1820通過單總線和單片機來進行里連接，使得系統(tǒng)的硬件電路部分相當(dāng)簡潔，使外圍擴展器件少，體積減小，也降低了成本。在進行程序設(shè)計時，需要注意的是必須滿足單總線協(xié)議工作的時序問題。該系統(tǒng)也可以進行硬件和軟件上的擴展，使其具有更完善的功能，以滿足不同的情況下的溫度采集需要。

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