第16章 紅外通信和DS18B20溫度傳感器的學(xué)習(xí)

DS18B20是美信公司的一款溫度傳感器，單片機(jī)可以通過1-Wire和DS18B20進(jìn)行通信，最終將溫度讀出。1-Wire總線的硬件接口很簡單，只需要把18B20的數(shù)據(jù)引腳和單片機(jī)的一個IO口接上就可以通信。硬件的簡單，隨之而來的，就是軟件時序的復(fù)雜。1-Wire總線的時序比較復(fù)雜，很多同學(xué)在這里獨立看時序圖都看不明白，所以這里還要帶著大家來研究18B20的時序圖。我們先來看一下DS18B20的硬件原理圖，如圖16-11所示。

圖16-11 DS18B20

DS18B20通過編程，可以實現(xiàn)最高12位的溫度存儲值，在寄存器中，以補(bǔ)碼的格式存儲，如圖16-12所示。

圖16-12 DS18B20溫度表示

一共2個字節(jié)，LSB是低字節(jié)，MSB是高字節(jié)，其中MSb是字節(jié)的高位，LSb是字節(jié)的低位。大家可以看出來，二進(jìn)制數(shù)字，每一位代表的溫度的含義，都表示出來了。其中S表示的是符號位，低11位都是2的冪，用來表示最終的溫度。DS18B20的溫度測量范圍是從-55度到+125度，而溫度數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式，有正負(fù)溫度，寄存器中每個數(shù)字如同卡尺的刻度一樣分布，如圖16-13所示。

圖16-13 DS18B20溫度顯示

二進(jìn)制數(shù)字最低位變化1，代表溫度變化0.0625度的映射關(guān)系。當(dāng)0度的時候，那就是0x0000，當(dāng)溫度125度的時候，對應(yīng)十六進(jìn)制是0x07D0，當(dāng)溫度是零下55度的時候，對應(yīng)的數(shù)字是0xFC90。反過來說，當(dāng)數(shù)字是0x0001的時候，那溫度就是0.0625度了。

首先，我先根據(jù)手冊上DS18B20工作協(xié)議過程大概講解一下。

1、初始化。和I2C的尋址類似，1-Wire總線開始也需要檢測這條總線上是否存在DS18B20這個器件。如果這條總線上存在DS18B20，總線會根據(jù)時序要求返回一個低電平脈沖，如果不存在的話，也就不會返回脈沖，即總線保持為高電平，所以習(xí)慣上稱之為檢測存在脈沖。此外，獲取存在脈沖不僅僅是檢測是否存在DS18B20，還要通過這個脈沖過程通知DS18B20準(zhǔn)備好，單片機(jī)要進(jìn)行操作它了，如圖16-14所示。

圖16-14 獲取存在脈沖

大家注意看圖，實粗線是我們單片機(jī)IO口拉低這個引腳，虛粗線是DS18B20拉低這個引腳，細(xì)線是單片機(jī)和DS18B20釋放總線后，依靠上拉電阻的作用把IO口引腳拉上去的。這個我們前邊提到過了，51單片機(jī)釋放總線就是給高電平即可。

存在脈沖檢測過程，首先我們單片機(jī)要拉低這個引腳，持續(xù)大概480us到960us之間的時間即可，我們的程序中持續(xù)了500us。然后，單片機(jī)釋放總線，就是給高電平，DS18B20等待大概15到60us后，會主動拉低這個引腳大概是60到240us，而后DS18B20會主動釋放總線，這樣IO口會被上拉電阻自動拉高。

有的同學(xué)還是不能夠徹底理解，程序列出來逐句解釋。首先，由于DS18B20時序要求非常嚴(yán)格，所以在操作時序的時候，為了防止中斷干擾總線時序，先關(guān)閉總中斷。然后第一步，拉低DS18B20這個引腳，持續(xù)500us；第二步，延時60us；第三步，讀取存在脈沖，并且等待存在脈沖結(jié)束。

bit Get18B20Ack(void)  //復(fù)位總線，獲取存在脈沖，以啟動一次讀寫操作

{

    bit ack;

    EA = 0;   //禁止總中斷

    IO_18B20 = 0;     //產(chǎn)生500us復(fù)位脈沖

    DelayX10us(50);

    IO_18B20 = 1;

    DelayX10us(6);    //延時60us

    ack = IO_18B20;   //讀取存在脈沖

    while(!IO_18B20); //等待存在脈沖結(jié)束

    EA = 1;   //重新使能總中斷

    return ack;

}

很多同學(xué)對第二步不理解，時序圖上明明是DS18B20等待15us到60us，為什么要延時60us呢？舉個例子，媽媽在做飯，告訴你大概5分鐘到10分鐘飯就可以吃了，那么我們什么時候去吃，能夠絕對保證吃上飯呢？很明顯，10分鐘以后去吃肯定可以吃上飯。同樣的道理，DS18B20等待大概是15us到60us，我們要保證讀到這個存在脈沖，那么60us以后去讀肯定可以讀到。當(dāng)然，不能延時太久，太久，超過75us，就可能讀不到了，為什么是75us，大家自己思考一下。

2、ROM操作指令。我們學(xué)I2C總線的時候，總線上可以掛多個器件，通過不同的器件地址來訪問不同的器件。同樣，1-Wire總線也可以掛多個器件，但是他只有一條線，如何區(qū)分不同的器件呢？

    在每個DS18B20內(nèi)部都有一個唯一的64位長的序列號，這個序列號值就存在DS18B20內(nèi)部的ROM中。開始的8位是產(chǎn)品類型編碼(DS18B20是10H)，接著的48位是每個器件唯一的序號，最后的8位是CRC校驗碼。DS18B20可以引出去很長的線，最長可以到幾十米，測不同位置的溫度。單片機(jī)可以通過和DS18B20之間的通信，獲取每個傳感器所采集到的溫度信息，也可以同時給所有的DS18B20發(fā)送一些指令。這些指令相對來說比較復(fù)雜，而且應(yīng)用很少，所以這里大家有興趣自己查手冊自己完成，我們這里只講一條總線上只接一個器件的指令和程序。

    Skip ROM(跳過ROM)：0xCC。當(dāng)總線上只有一個器件的時候，可以跳過ROM，不進(jìn)行ROM檢測。                 

3、RAM存儲器操作指令。

RAM讀取指令，只講2條，其他的大家有需要可以隨時去查資料。

Read Scratchpad(讀暫存寄存器)：0xBE

這里要注意的是，我們的DS18B20的溫度數(shù)據(jù)是2個字節(jié)，我們讀取數(shù)據(jù)的時候，先讀取到的是低字節(jié)的低位，讀完了第一個字節(jié)后，再讀高字節(jié)的低位，一直到兩個字節(jié)全部讀取完畢。

Convert Temperature(啟動溫度轉(zhuǎn)換)：0x44

當(dāng)我們發(fā)送一個啟動溫度轉(zhuǎn)換的指令后，DS18B20開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換。從轉(zhuǎn)換開始到獲取溫度，DS18B20是需要時間的，而這個時間長短取決于DS18B20的精度。前邊說DS18B20最高可以用12位來存儲溫度，但是也可以用11位，10位和9位一共四種格式。位數(shù)越高，精度越高，9位模式最低位變化1溫度變化0.5度，同時轉(zhuǎn)換速度也要快一些，如圖16-15所示。

圖16-15 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時間

其中寄存器R1和R0決定了轉(zhuǎn)換的位數(shù)，出場默認(rèn)值就是11，也就是12位表示溫度，最大的轉(zhuǎn)換時間是750ms。當(dāng)啟動轉(zhuǎn)換后，至少要再等750ms之后才能讀取溫度，否則讀到的溫度有可能是錯誤的值。這就是為什么很多同學(xué)讀DS18B20的時候，第一次讀出來的是85度，這個值要么是沒有啟動轉(zhuǎn)換，要么是啟動轉(zhuǎn)換了，但還沒有等待一次轉(zhuǎn)換徹底完成，讀到的是一個錯誤的數(shù)據(jù)。

4、DS18B20的位讀寫時序。

DS18B20的時序圖不是很好理解，大家對照時序圖，結(jié)合我的解釋學(xué)明白。寫時序圖如圖16-16所示。

圖16-16 DS18B20位寫入時序

當(dāng)要給DS18B20寫入‘0’的時候，單片機(jī)直接將引腳拉低，持續(xù)時間大于60us小于120us就可以了。圖上顯示的意思是，單片機(jī)先拉低15us之后，DS18B20會在從15us到60us之間的時間來讀取這一位，DS18B20最早會15us的時刻讀取，典型值是30us的時刻讀取，最多不會超過60us，DS18B20必然讀取完畢，所以持續(xù)時間超過60us即可。

當(dāng)要給DS18B20寫入‘1’的時候，單片機(jī)先將這個引腳拉低，拉低時間大于1us，然后馬上釋放總線，即拉高引腳，并且持續(xù)時間也要大于60us。和寫‘0’類似的是，DS18B20會在15到60us之間來讀取這個‘1’。

可以看出來，DS18B20的時序比較嚴(yán)格，寫的過程中最好不要有中斷打斷，但是在兩個“位”之間的間隔，是大于1小于無窮的，那在這個時間段，我們是可以開中斷來處理其他程序的。發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)程序如下。

void Write18B20(unsigned char dat)  //向DS18B20寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)

{

    unsigned char mask;

    EA = 0;   //禁止總中斷

    for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1)  //低位在先，依次移出8個bit

    {

        IO_18B20 = 0;         //產(chǎn)生2us低電平脈沖

                _nop_();

        _nop_();

        if ((mask&dat) == 0)  //輸出該bit值

            IO_18B20 = 0;

        else

            IO_18B20 = 1;

        DelayX10us(6);        //延時60us

                IO_18B20 = 1;         //拉高通信引腳

            }

    EA = 1;   //重新使能總中斷

}

讀時序圖如圖16-17所示。

圖16-17 DS18B20位讀取時序

當(dāng)要讀取DS18B20的數(shù)據(jù)的時候，我們的單片機(jī)首先要拉低這個引腳，并且至少保持1us的時間，然后釋放引腳，釋放完畢后要盡快讀取。從拉低這個引腳到讀取引腳狀態(tài)，不能超過15us。大家從圖16-17可以看出來，主機(jī)采樣時間，也就是MASTER SAMPLES，是在15us之內(nèi)必須完成的，讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)的程序如下。

unsigned char Read18B20(void)  //從DS18B20讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)

{

    unsigned char dat;

    unsigned char mask;

    EA = 0;   //禁止總中斷

            for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1)  //低位在先，依次采集8個bit

    {

                IO_18B20 = 0;         //產(chǎn)生2us低電平脈沖

        _nop_();

        _nop_();

        IO_18B20 = 1;         //結(jié)束低電平脈沖，等待18B20輸出數(shù)據(jù)

        _nop_();              //延時2us

        _nop_();

                if (!IO_18B20)        //讀取通信引腳上的值

        dat &= ~mask;

        else

            dat |= mask;

        DelayX10us(6);        //再延時60us

    }

    EA = 1;   //重新使能總中斷

    return dat;

}

DS18B20所表示的溫度值中，有小數(shù)和整數(shù)兩部分。常用的帶小數(shù)的數(shù)據(jù)處理方法有兩種，一種是定義成浮點型直接小數(shù)整數(shù)處理，第二種是定義成整型，然后把小數(shù)和整數(shù)部分分離出來，在合適的位置點上小數(shù)點即可。我們在程序中使用的是第二種方法，下面我們就寫一個程序，將我們讀到的溫度值顯示在1602液晶上，并且保留一位小數(shù)數(shù)字。

/***********************lcd1602.c文件程序源代碼*************************/

#include <reg52.h>

#define LCD1602_DB   P0

sbit LCD1602_RS = P1^0;

sbit LCD1602_RW = P1^1;

sbit LCD1602_E  = P1^5;

void LcdWaitReady()  //等待液晶準(zhǔn)備好

{

    unsigned char sta;

    LCD1602_DB = 0xFF;

    LCD1602_RS = 0;

    LCD1602_RW = 1;

    do

    {

        LCD1602_E = 1;

        sta = LCD1602_DB; //讀取狀態(tài)字

        LCD1602_E = 0;

    } while (sta & 0x80); //bit7等于1表示液晶正忙，重復(fù)檢測直到其等于0為止

}

void LcdWriteCmd(unsigned char cmd)  //寫入命令函數(shù)

{

    LcdWaitReady();

    LCD1602_RS = 0;

    LCD1602_RW = 0;

    LCD1602_DB = cmd;

    LCD1602_E  = 1;

    LCD1602_E  = 0;

}

void LcdWriteDat(unsigned char dat)  //寫入數(shù)據(jù)函數(shù)

{

    LcdWaitReady();

    LCD1602_RS = 1;

    LCD1602_RW = 0;

    LCD1602_DB = dat;

    LCD1602_E  = 1;

    LCD1602_E  = 0;

}

void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, const unsigned char *str)  //顯示字符串，屏幕起始坐標(biāo)(x,y)，字符串指針str

{

    unsigned char addr;

    //由輸入的顯示坐標(biāo)計算顯示RAM的地址

    if (y == 0)

        addr = 0x00 + x; //第一行字符地址從0x00起始

    else

        addr = 0x40 + x; //第二行字符地址從0x40起始

    //由起始顯示RAM地址連續(xù)寫入字符串

    LcdWriteCmd(addr | 0x80); //寫入起始地址

    while (*str != '\0')      //連續(xù)寫入字符串?dāng)?shù)據(jù)，直到檢測到結(jié)束符

    {

        LcdWriteDat(*str);

        str++;

    }

}

void LcdInit()  //液晶初始化函數(shù)

{

    LcdWriteCmd(0x38);  //16*2顯示，5*7點陣，8位數(shù)據(jù)接口

    LcdWriteCmd(0x0C);  //顯示器開，光標(biāo)關(guān)閉

    LcdWriteCmd(0x06);  //文字不動，地址自動+1

    LcdWriteCmd(0x01);  //清屏

}

/***********************DS18B20.c文件程序源代碼*************************/

#include <reg52.h>

#include <intrins.h>

sbit IO_18B20 = P3^2;  //DS18B20通信引腳

void DelayX10us(unsigned char t)  //軟件延時函數(shù)，延時時間(t*10)us

{

    do {

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

        _nop_();

    } while (--t);

}

bit Get18B20Ack(void)  //復(fù)位總線，獲取存在脈沖，以啟動一次讀寫操作

{

    bit ack;

    EA = 0;   //禁止總中斷

    IO_18B20 = 0;     //產(chǎn)生500us復(fù)位脈沖

    DelayX10us(50);

    IO_18B20 = 1;

    DelayX10us(6);    //延時60us

    ack = IO_18B20;   //讀取存在脈沖

    while(!IO_18B20); //等待存在脈沖結(jié)束

    EA = 1;   //重新使能總中斷

    return ack;

}

void Write18B20(unsigned char dat)  //向DS18B20寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)

{

    unsigned char mask;

    EA = 0;   //禁止總中斷

    for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1)  //低位在先，依次移出8個bit

    {

                IO_18B20 = 0;         //產(chǎn)生2us低電平脈沖

        _nop_();

                _nop_();

        if ((mask&dat) == 0)  //輸出該bit值

            IO_18B20 = 0;

        else

            IO_18B20 = 1;

                DelayX10us(6);        //延時60us

                IO_18B20 = 1;         //拉高通信引腳

    }

    EA = 1;   //重新使能總中斷

}

unsigned char Read18B20(void)  //從DS18B20讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)

{

    unsigned char dat;

    unsigned char mask;

    EA = 0;   //禁止總中斷

            for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1)  //低位在先，依次采集8個bit

    {

        IO_18B20 = 0;         //產(chǎn)生2us低電平脈沖

                _nop_();

                _nop_();

                IO_18B20 = 1;         //結(jié)束低電平脈沖，等待18B20輸出數(shù)據(jù)

                _nop_();              //延時2us

                _nop_();

        if (!IO_18B20)        //讀取通信引腳上的值

                dat &= ~mask;

        else

            dat |= mask;

                DelayX10us(6);        //再延時60us

            }

    EA = 1;   //重新使能總中斷

    return dat;

}

bit Start18B20()  //啟動一次18B20溫度轉(zhuǎn)換，返回值代表是否啟動成功

{

    bit ack;

    ack = Get18B20Ack();   //執(zhí)行總線復(fù)位，并獲取18B20應(yīng)答

    if (ack == 0)          //如18B20正確應(yīng)答，則啟動一次轉(zhuǎn)換

    {

            Write18B20(0xCC);  //跳過ROM操作

            Write18B20(0x44);  //啟動一次溫度轉(zhuǎn)換

    }

    return ~ack;  //ack==0表示操作成功，所以返回值為其取反值

}

bit Get18B20Temp(int *temp)  //讀取DS18B20溫度值，返回值代表是否讀取成功

{

    bit ack;

    unsigned char LSB, MSB; //16bit溫度值的低字節(jié)和高字節(jié)

    ack = Get18B20Ack();    //執(zhí)行總線復(fù)位，并獲取18B20應(yīng)答

    if (ack == 0)           //如18B20正確應(yīng)答，則讀取溫度值

    {

            Write18B20(0xCC);   //跳過ROM操作

            Write18B20(0xBE);   //發(fā)送讀命令

            LSB = Read18B20();  //讀溫度值的低字節(jié)

            MSB = Read18B20();  //讀溫度值的高字節(jié)

        *temp = ((int)MSB << 8) + LSB;  //合成為16bit整型數(shù)

    }

return ~ack;  //ack==0表示操作應(yīng)答，所以返回值為其取反值

}

/***********************main.c文件程序源代碼*************************/

#include <reg52.h>

bit flag1s = 0;          //1s定時標(biāo)志

unsigned char T0RH = 0;  //T0重載值的高字節(jié)

unsigned char T0RL = 0;  //T0重載值的低字節(jié)

void ConfigTimer0(unsigned int ms);

unsigned char IntToString(unsigned char *str, int dat);

extern bit Start18B20();

extern bit Get18B20Temp(int *temp);

extern void LcdInit();

extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, const unsigned char *str);

void main ()

{

    bit res;

    int temp;        //讀取到的當(dāng)前溫度值

    int intT, decT;  //溫度值的整數(shù)和小數(shù)部分

    unsigned char len;

    unsigned char str[12];

    LcdInit();        //初始化液晶

    Start18B20();     //啟動DS18B20

    ConfigTimer0(10); //T0定時10ms

    EA = 1;           //開總中斷

    while(1)

    {

        if (flag1s)  //每秒更新一次溫度

        {

            flag1s = 0;

            res = Get18B20Temp(&temp);  //讀取當(dāng)前溫度

            if (res)                    //讀取成功時，刷新當(dāng)前溫度顯示

            {

                intT = temp >> 4;             //分離出溫度值整數(shù)部分

                decT = temp & 0xF;            //分離出溫度值小數(shù)部分

                len = IntToString(str, intT); //整數(shù)部分轉(zhuǎn)換為字符串

                str[len++] = '.';             //添加小數(shù)點

                decT = (decT*10) / 16;        //二進(jìn)制的小數(shù)部分轉(zhuǎn)換為1位十進(jìn)制位

                str[len++] = decT + '0';      //十進(jìn)制小數(shù)位再轉(zhuǎn)換為ASCII字符

                while (len < 6)               //用空格補(bǔ)齊到6個字符長度

                {

                    str[len++] = ' ';

                }

                str[len] = '\0';              //添加字符串結(jié)束符

                LcdShowStr(0, 0, str);        //顯示到液晶屏上

            }

            else                        //讀取失敗時，提示錯誤信息

            {

                LcdShowStr(0, 0, "error!");

            }

            Start18B20();               //重新啟動下一次轉(zhuǎn)換

        }

    }

}

unsigned char IntToString(unsigned char *str, int dat)  //整型數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制字符串，返回值為轉(zhuǎn)換后的字符串長度

{

    signed char i;

    unsigned char len = 0;

    unsigned char buf[6];

    if (dat < 0)  //如果為負(fù)數(shù)，首先取絕對值，并添加負(fù)號

    {

        dat = -dat;

        *str++ = '-';

        len++;

    }

    for (i=0; i<=4; i++)  //由低到高轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制位

    {

        buf[ i] = dat % 10;

        dat /= 10;

    }

    for (i=4; i>=1; i--)  //查找有效數(shù)字最高位，以忽略更高位的‘0’

    {

        if (buf[ i] != 0)

        {

            break;

        }

    }

    for ( ; i>=0; i--)  //有效數(shù)字位轉(zhuǎn)換為ASCII碼

    {

        *str++ = buf[ i] + '0';

        len++;

    }

    *str = '\0';        //添加字符串結(jié)束符

    return len;  //返回字符串長度

}

void ConfigTimer0(unsigned int ms)  //T0配置函數(shù)

{

    unsigned long tmp;

    tmp = 11059200 / 12;      //定時器計數(shù)頻率

    tmp = (tmp * ms) / 1000;  //計算所需的計數(shù)值

    tmp = 65536 - tmp;        //計算定時器重載值

    tmp = tmp + 12;           //修正中斷響應(yīng)延時造成的誤差

    T0RH = (unsigned char)(tmp >> 8);  //定時器重載值拆分為高低字節(jié)

    T0RL = (unsigned char)tmp;

    TMOD &= 0xF0;   //清零T0的控制位

    TMOD |= 0x01;   //配置T0為模式1

    TH0 = T0RH;     //加載T0重載值

    TL0 = T0RL;

    ET0 = 1;        //使能T0中斷

    TR0 = 1;        //啟動T0

}

void InterruptTimer0() interrupt 1  //T0中斷服務(wù)函數(shù)

{

    static unsigned char tmr1s = 0;

    TH0 = T0RH;  //定時器重新加載重載值

    TL0 = T0RL;

    tmr1s++;

    if (tmr1s >= 100)  //定時1s

    {

        tmr1s = 0;

        flag1s = 1;

    }

}

1、理解紅外通信調(diào)制解調(diào)的原理，掌握NEC紅外通信編碼的原理。

2、將顯示跳線帽調(diào)到左側(cè)控制步進(jìn)電機(jī)，使用紅外遙控器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

3、掌握DS18B20的時序過程，能夠理解每一位讀寫的時序。

4、結(jié)合DS1302的可調(diào)萬年歷程序，將溫度顯示加入進(jìn)去，做一個萬年歷加溫度顯示，并且實現(xiàn)按鍵可調(diào)時間，按鍵可調(diào)溫度報警值，當(dāng)溫度超過一預(yù)定值，蜂鳴器報警。

上一章:第15章 實時時鐘DS1302