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DS18B20是一种常用的温度传感器，提供了感知周围温度的手段。Flash存储器是一款常用的数据存储器件，相比较于EEPROM，FLASH的存储容量更大、单位成本更低。 本章除了学习这两个器件外，还要学习控制这两种器件的两种通信协议--1-wire总线协议（一般常用）和SPI总线协议（重要且常用）。 13.1 温度传感器DS18B20DS18B20是美信公司的一款温度传感器，单片机可以通过1-Wire协议与DS18B20进行通信，最终将温度读出。1-Wire总线的硬件接口很简单，只需要将DS18B20的数据引脚和单片机的一个I/O口接上就可以了。先来看一下DS18B20的硬件原理图，如图13-1所示。 图13-1 DS18B20电路原理图 DS18B20通过编程，可以实现最高12位的温度存储值，在寄存器中，以补码的格式存储（补码的相关内容请自学了解），如图13-2所示。 图13-2 DS18B20温度数据格式 共两个字节，LSB是低字节，MSB是高字节，其中MSb是字节的高位，LSb是字节的低位。每一位代表的温度的含义，都表示了出来。其中S表示的是符号位，低11位都是2的幂，用来表示最终的温度。DS18B20的温度测量范围是从-55度到+125度，而温度数据的表现形式，有正负温度，寄存器中每个数字如同卡尺的刻度一样分布，如图13-3所示。 图13-3 DS18B20温度值 二进制数字最低位变化1，代表温度变化0.0625度的映射关系。当0度的时候，就是0x0000，当温度125度的时候，对应十六进制是0x07D0，当温度是零下55度的时候，对应的数字是0xFC90。当数字是0x0001的时候，那温度就是0.0625度了。 首先根据手册上DS18B20工作协议过程简单介绍。 （1）初始化。和I2C的寻址类似，1-Wire总线开始也需要检测这条总线上是否存在DS18B20这个器件。如果这条总线上存在DS18B20，总线会根据时序要求返回一个低电平脉冲，如果不存在的话，也就不会返回脉冲，即总线保持为高电平，所以习惯上称之为检测存在脉冲。获取存在脉冲不仅仅是检测是否存在DS18B20，还要通过这个脉冲过程通知DS18B20准备好，单片机要对它进行操作了，如图13-4所示。 图13-4 检测存在脉冲 注意时序图，实粗线是单片机I/O口拉低这个引脚，虚粗线是DS18B20拉低这个引脚，细线是单片机和DS18B20释放总线后，依靠上拉电阻的作用把I/O口引脚拉高。前边介绍过，51单片机释放总线需要给高电平。 存在脉冲检测过程，首先单片机要拉低这个引脚，持续大概480us到960us之间的时间，程序中持续了大概500us。然后，单片机释放总线，就是给高电平，DS18B20等待大概15到60us后，会主动拉低这个引脚大概是60到240us，而后DS18B20会主动释放总线，这样I/O口会被上拉电阻自动拉高。 由于DS18B20时序要求非常严格，所以在操作时序的时候，为了防止中断干扰总线时序，先关闭总中断。第一步，拉低DS18B20这个引脚，持续500us；第二步，延时60us；第三步，读取存在脉冲，并且等待存在脉冲结束。 bit Get18B20Ack() { bit ack; EA = 0; //禁止总中断 IO_18B20 = 0; //产生500us复位脉冲 DelayX10us(50); IO_18B20 = 1; DelayX10us(6); //延时60us ack = IO_18B20; //读取存在脉冲 while(!IO_18B20); //等待存在脉冲结束 EA = 1; //重新使能总中断 return ack; } 时序图上明明是DS18B20等待15us到60us，为什么要延时60us呢？举个例子，妈妈在做饭，告诉你大概5分钟到10分钟饭就可以吃了，那么什么时候去吃，能够绝对保证吃上饭呢？很明显，10分钟以后去吃肯定可以吃上饭。同样的道理，DS18B20等待大概是15us到60us，要保证读到这个存在脉冲，那么60us以后去读肯定可以读到。当然，不能延时太久，太久，超过75us，就有可能读不到，为什么是75us，请自己思考一下。 （2）ROM操作指令。学I2C总线的时候就了解到，总线上可以挂多个器件，通过不同的器件地址来访问不同的器件。同样，1-Wire总线也可以挂多个器件，但是它只有一条线，如何区分不同的器件呢？ 在每个DS18B20内部都有一个唯一的64位长的序列号，这个序列号值就存在DS18B20内部的ROM中。开始的8位是产品类型编码（DS18B20是0x10），接着的48位是每个器件唯一的序号，如同人的身份证号，最后的8位是CRC校验码。DS18B20可以引出去很长的线，最长可以到几十米，测不同位置的温度。单片机可以通过和DS18B20之间的通信，获取每个传感器所采集到的温度信息，也可以同时给所有的DS18B20发送一些指令。这些指令相对来说比较复杂，而且应用较少，这里不再赘述。 Skip ROM（跳过ROM）：0xCC。当总线上只有一个器件的时候，可以跳过ROM，不进行ROM检测。 （3）RAM存储器操作指令。 RAM读取指令，只讲2条，其它的有需要可以查手册。 Read Scratchpad（读暂存寄存器）：0xBE 这里要注意的是，DS18B20的温度数据是2个字节，读取数据的时候，先读取到的是低字节的低位，读完了第一个字节后，再读高字节的低位，直到两个字节全部读取完毕。 Convert Temperature（启动温度转换）：0x44 当发送启动温度转换的指令后，DS18B20开始转换。从转换开始到获取温度，DS18B20是需要时间的，而这个时间长短取决于DS18B20的精度。前边说DS18B20最高可以用12位存储温度，但是也可以用11位，10位和9位共四种格式。位数越高，精度越高，9位模式最低位变化1个数字温度变化0.5度，同时转换速度也要快一些，如图13-5所示。 图13-5 DS18B20温度转换时间 其中寄存器R1和R0决定了转换的位数，出厂默认值就11，也就是12位表示温度，最大的转换时间是750ms。当启动转换后，至少要再等750ms之后才能读取温度，否则读到的温度有可能是错误的值。 （4）DS18B20的位读写时序比较复杂，结合图文理解清楚。写时序图如图13-6所示。 图13-6 DS18B20位写入时序 当要给DS18B20写入0的时候，单片机将引脚拉低，持续时间大于60us小于120us就可以了。图13-6显示的意思是，单片机先拉低15us之后，DS18B20会在从第15us到第60us之间的时间来读取这一位，DS18B20最早会在15us的时刻读取，典型值是在30us的时刻读取，最多不会超过60us，DS18B20必然读取完毕，所以持续时间超过60us，但不超过120us。 当要给DS18B20写入1的时候，单片机先将这个引脚拉低，拉低时间大于1us，然后释放总线，即拉高引脚，并且持续时间也要大于60us。和写0类似的是，DS18B20会在15us到60us之间来读取这个1。 可以看出来，DS18B20的时序比较严格，写的过程中最好不要有中断打断，但是在两个“位”之间的间隔，是大于1us小于无穷的，那在这个时间段，是可以开中断来处理其它程序的。发送即写入一个字节的数据程序如下。 void Write18B20(unsigned char dat) { unsigned char mask; EA = 0; //禁止总中断 for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在先，依次移出8个bit { IO_18B20 = 0; //产生2us低电平脉冲 _nop_(); _nop_(); if ((mask&dat) == 0) //输出该bit值 IO_18B20 = 0; else IO_18B20 = 1; DelayX10us(6); //延时60us IO_18B20 = 1; //拉高通信引脚 } EA = 1; //重新使能总中断 } 读时序图如图13-7所示。 图13-7 DS18B20位读取时序 当要读取DS18B20的数据的时候，单片机首先要拉低这个引脚，并且至少保持1us的时间，然后释放引脚，释放完毕后要尽快读取。从拉低这个引脚到读取引脚状态，不能超过15us。大家从图13-7可以看出来，主机采样时间，也就是MASTER SAMPLES，是在15us之内必须完成的，读取一个字节数据的程序如下。 unsigned char Read18B20() { unsigned char dat; unsigned char mask; EA = 0; //禁止总中断 for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在先，依次采集8个bit { IO_18B20 = 0; //产生2us低电平脉冲 _nop_(); _nop_(); IO_18B20 = 1; //结束低电平脉冲，等待18B20输出数据 _nop_(); //延时2us _nop_(); if (!IO_18B20) //读取通信引脚上的值 dat &= ~mask; else dat |= mask; DelayX10us(6); //再延时60us } EA = 1; //重新使能总中断 return dat; } DS18B20所表示的温度值中，有小数和整数两部分。常用的带小数的数据处理方法有两种，一种是定义成浮点型直接处理，第二种是定义成整型，然后把小数和整数部分分离出来，在合适的位置点上小数点即可，Kingst51程序中使用的是第二种方法。下面就写一个程序，将读到的温度值通过数码管显示出来，并且保留一位小数位。 /***************************DS18B20.c文件程序源代码****************************/ #include <reg52.h> #include <intrins.h> sbit IO_18B20 = P3^2; //DS18B20通信引脚 /* 软件延时函数，延时时间(t*10)us */ void DelayX10us(unsigned char t) { do { _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); } while (--t); } /* 复位总线，获取存在脉冲，以启动一次读写操作 */ bit Get18B20Ack() { bit ack; EA = 0; //禁止总中断 IO_18B20 = 0; //产生500us复位脉冲 DelayX10us(50); IO_18B20 = 1; DelayX10us(6); //延时60us ack = IO_18B20; //读取存在脉冲 while(!IO_18B20); //等待存在脉冲结束 EA = 1; //重新使能总中断 return ack; } /* 向DS18B20写入一个字节，dat-待写入字节 */ void Write18B20(unsigned char dat) { unsigned char mask; EA = 0; //禁止总中断 for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在先，依次移出8个bit { IO_18B20 = 0; //产生2us低电平脉冲 _nop_(); _nop_(); if ((mask&dat) == 0) //输出该bit值 IO_18B20 = 0; else IO_18B20 = 1; DelayX10us(6); //延时60us IO_18B20 = 1; //拉高通信引脚 } EA = 1; //重新使能总中断 } /* 从DS18B20读取一个字节，返回值-读到的字节 */ unsigned char Read18B20() { unsigned char dat; unsigned char mask; EA = 0; //禁止总中断 for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在先，依次采集8个bit { IO_18B20 = 0; //产生2us低电平脉冲 _nop_(); _nop_(); IO_18B20 = 1; //结束低电平脉冲，等待18B20输出数据 _nop_(); //延时2us _nop_(); if (!IO_18B20) //读取通信引脚上的值 dat &= ~mask; else dat |= mask; DelayX10us(6); //再延时60us } EA = 1; //重新使能总中断 return dat; } /* 启动一次18B20温度转换，返回值-表示是否启动成功 */ bit Start18B20() { bit ack; ack = Get18B20Ack(); //执行总线复位，并获取18B20应答 if (ack == 0) //如18B20正确应答，则启动一次转换 { Write18B20(0xCC); //跳过ROM操作 Write18B20(0x44); //启动一次温度转换 } return ~ack; //ack==0表示操作成功，所以返回值对其取反 } /* 读取DS18B20转换的温度值，返回值-表示是否读取成功 */ bit Get18B20Temp(int *temp) { bit ack; unsigned char LSB, MSB; //16bit温度值的低字节和高字节 ack = Get18B20Ack(); //执行总线复位，并获取18B20应答 if (ack == 0) //如18B20正确应答，则读取温度值 { Write18B20(0xCC); //跳过ROM操作 Write18B20(0xBE); //发送读命令 LSB = Read18B20(); //读温度值的低字节 MSB = Read18B20(); //读温度值的高字节 *temp = ((int)MSB << 8) + LSB; //合成为16bit整型数 } return ~ack; //ack==0表示操作应答，所以返回值为其取反值 } /*****************************main.c文件程序源代码******************************/ #include <reg52.h> bit flag1s = 0; //1s定时标志 unsigned char T0RH = 0; //T0重载值的高字节 unsigned char T0RL = 0; //T0重载值的低字节 void ConfigTimer0(unsigned int ms); extern bit Start18B20(); extern bit Get18B20Temp(int *temp); void InitLed(); void LedScan(); void LedNumber(unsigned char index, unsigned char num, unsigned char point); void main() { bit res; int temp; //读取到的当前温度值 int intT, decT; //温度值的整数和小数部分 EA = 1; //开总中断 InitLed(); //初始化数码管IO Start18B20(); //启动DS18B20 ConfigTimer0(1); //T0定时1ms while (1) { if (flag1s) //每秒更新一次温度 { flag1s = 0; res = Get18B20Temp(&temp); //读取当前温度 if (res) //读取成功时，刷新当前温度显示 { intT = temp >> 4; //分离出温度值整数部分 decT = temp & 0xF; //分离出温度值小数部分 decT = (decT*10) / 16; //二进制的小数部分转换为1位十进制位 LedNumber(0, decT, 0); //显示小数位 LedNumber(1, intT%10, 1); //显示整数个位+小数点 LedNumber(2, intT/10%10, 0); //显示整数十位 } Start18B20(); //重新启动下一次转换 } } } /* 配置并启动T0，ms-T0定时时间 */ void ConfigTimer0(unsigned int ms) { unsigned long tmp; //临时变量 tmp = 11059200 / 12; //定时器计数频率 tmp = (tmp * ms) / 1000; //计算所需的计数值 tmp = 65536 - tmp; //计算定时器重载值 tmp = tmp + 33; //补偿中断响应延时造成的误差 T0RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定时器重载值拆分为高低字节 T0RL = (unsigned char)tmp; TMOD &= 0xF0; //清零T0的控制位 TMOD |= 0x01; //配置T0为模式1 TH0 = T0RH; //加载T0重载值 TL0 = T0RL; ET0 = 1; //使能T0中断 TR0 = 1; //启动T0 } /* T0中断服务函数，完成1秒定时 */ void InterruptTimer0() interrupt 1 { static unsigned int tmr1s = 0; TH0 = T0RH; //重新加载重载值 TL0 = T0RL; LedScan(); tmr1s++; if (tmr1s >= 1000) //定时1s { tmr1s = 0; flag1s = 1; } } /*****************************Led.c文件程序源代码*******************************/ #include <reg52.h> sbit ADDR0 = P1^0; sbit ADDR1 = P1^1; sbit ADDR2 = P1^2; sbit ADDR3 = P1^3; sbit ENLED = P1^4; unsigned char code LedChar[] = { //数码管显示字符转换表 0xC0, 0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xF8, 0x80, 0x90, 0x88, 0x83, 0xC6, 0xA1, 0x86, 0x8E }; unsigned char LedBuff[6] = { //数码管显示缓冲区，初值0xFF确保启动时都不亮 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF }; /* LED初始化函数 */ void InitLed() { P0 = 0xFF; ENLED = 0; ADDR3 = 1; ADDR2 = 1; ADDR1 = 1; ADDR0 = 1; } /* LED动态扫描函数，在定时中断中调用 */ void LedScan() { static unsigned char i = 0; //动态扫描的索引，定义为局部静态变量 P0 = 0xFF; //显示消隐 switch (i) { case 0: ADDR2=0; ADDR1=0; ADDR0=0; i++; P0=LedBuff[0]; break; case 1: ADDR2=0; ADDR1=0; ADDR0=1; i++; P0=LedBuff[1]; break; case 2: ADDR2=0; ADDR1=1; ADDR0=0; i++; P0=LedBuff[2]; break; case 3: ADDR2=0; ADDR1=1; ADDR0=1; i++; P0=LedBuff[3]; break; case 4: ADDR2=1; ADDR1=0; ADDR0=0; i++; P0=LedBuff[4]; break; case 5: ADDR2=1; ADDR1=0; ADDR0=1; i=0; P0=LedBuff[5]; break; default: break; } } /* 数码管上显示一位数字，index-数码管位索引(从右到左对应0～5)， num-待显示的数字，point-代表是否显示该位上的小数点 */ void LedNumber(unsigned char index, unsigned char num, unsigned char point) { LedBuff[index] = LedChar[num]; //输入数字转换为数码管字符0～F if (point != 0) { LedBuff[index] &= 0x7F; //point不为0时点亮当前位的小数点 } }
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