簡介：介紹一種利用PIC單片機和DS18B20構造單總線測溫網絡的方法，文章給出了系統硬件結構和軟件流程圖。

本測溫網絡應用在磁致伸縮液位傳感器上，利用附在不銹鋼管內壁的不同位置上的三個DS18B20，測量不同液位層的溫度 。

1硬件設計

整個系統由上位機和下位機組成。上位機用PC機，下位機用PIC16C63（原理框圖見圖1）。系統硬件部分主要有PIC16C63、AT24C01、DS18B20、顯示電路、電源電路、時鐘電路和通信電路。用戶需要時可通過上位機下達測量命令，下位機進行測量并把結果送給上位機或顯示在液晶顯示模塊上。三個溫度點任何一路發生故障，都會傳給上位機一個默認值，用戶可以據此在線更換新的溫度傳感器，系統能夠自動找到并啟用它。用戶每次開機都通過上位機給下位機下達命令，對通信、AT24C01、DS18B20進行自檢，自檢失敗會給上位機返回警告信號。系統具有掉電保護功能，當掉電時，參數的設定值可以保存在AT24C01中。上下位機之間采用RS－485串行總線進行通信。

1．1微處理器電路

PIC16C63A單片機有可編程編碼（加密）保護功能，采用寬字單周期指令、哈佛雙總線和RISC結構，其數據吞吐率最高可達6MIPS。數據輸入線允許有25mA的倒灌電流，可以直接驅動LED。片內有可直接尋址的4K個字的程序存貯器、192個8位數據寄存器、3個8位I／O口、2個8位和1個16位的定時器／計數器、2個捕捉／比較／脈寬調制（CCP）部件、同步串行口（SSP）部件、串行通信接口（SCI）部件。可選擇振蕩器類別：RC型、XT型、HS型和LP型。有多級中斷功能，可編程ID標識碼，在線串行編程。

PIC單片機主要完成掉電保護電路、溫度測量電路的操作控制，并對信號進行加工處理和最終輸出。

1．2溫度測量電路

DS18B20是可組網數字式溫度傳感器，測量范圍為－55℃～125℃，精度達到0．0625℃。DS18B20有3個引腳分別接地、電源和信號。每個DS18B20包括一個唯一的64位長的ROM編碼（表1），因此多個DS18B20和一個主控單元可以組成1－WIRE網絡。圖2為DS18B20內部存儲器結構，它包括一個暫存RAM和一個非易失性電可擦除EERAM。暫存存儲器作用是在單線通信時確保數據的完整性，它包括9個字節，頭兩個字節表示測得的溫度數，溫度／數據對應關系為＋125℃→7D0H，0℃→000H，－55℃→FC90H。用戶可自設定非易失性溫度報警上下限值TH和TL（掉電后依然存在），DS18B20在完成溫度變換后，所測溫度值將自動與貯存在TH和TL內的報警值相比較，如果高于TH或低于TL，DS18B20內部的告警標志就會被置位。DS18B20內部暫存存儲器的第5個字節是結構寄存器，它的第5位R0和第6位R1主要用于確定溫度值的數字轉換分辨率。

1．3掉電保護電路

AT24C01是電可擦除的串口存儲器，其內部組合為128＊8位，并有多種工作電壓可供不同用戶選擇。只要把它的地線、電源線、數據線和時鐘線分別接主控單元的地、電源和兩個I／O引腳，主控單元就可以通過兩條I／O線采用I2C總線的操作時序來操作它。

2軟件設計

2．11－WIRE的操作時序及軟件實現

1－WIRE網絡是一種具有一個總線主機和一個或若干個從機的系統。從機采用類似集電極開路的形式輸出，因此要求上拉電阻。1－WARE網絡的通訊協議有三種類型：初始化、讀時間片和寫時間片。

初始化時序：主機向總線發一復位脈沖（至少480μs的低電平），然后釋放總線并進入接收狀態，這時總線被上拉電阻拉高，從機在檢測到信號線上的上升沿之后，等待15～60μs，然后發出存在脈沖（60～240μs的低電平）（圖3）。

寫時序：主機將數據線從高電平拉至低電平，在15μs之內將所需寫的位送到數據線上，從機在15～60μs之間對數據線進行采樣，整個過程持續60～120μs，再延時至少1μs之后，開始一輪新的過程（圖4）。

讀時序：主機把數據線從高電平拉至低電平時，必須保持在低電平至少1μs，然后釋放總線，從機將在15μs之內輸出數據，整個過程最短持續期限為60μs，再延時至少1μs之后，開始一輪新的過程（圖4）。

1－WIRE網絡可保證在100米內數據通信正常，可掛接150個從機。為了更遠距離傳輸或重載，可以利用一段網絡作為主干，其余為網絡分支，根據需要用耦合器DS2409添加或去除分支，同時可以利用其他耦合器來作為接點控制，以在分支上添加或去除其他網絡。

2．2I2C總線操作時序及軟件實現

I2C是兩線制（只用串行時鐘線SCK和串行數據線SDA）串行通信接口。為了實現總線的“線與”功能，SDA（數據）線在輸出時采用開漏極，所以一般需要加上拉電阻，以保證總線在沒有器件把其拉成低電平時為高電平。由總線時序知，當SCL保持高而SDA由高變低時，為啟動信號：當SCL保持高而SDA由低變高時，為停止信號。數據傳輸過程中，數據線SDA只能在SCL為低電平時產生高低電平的變化。I2C總線的操作由四個基本的時間片組成：寫時間片、讀時間片、開始和停止。

2．3DS18B20工作過程的軟件實現

系統對DS18B20的操作以ROM命令和存儲器命令形式出現，DS18B20的工作遵循嚴格的單總線協議：

（1）主機首先發一復位脈沖，使信號線上所有的DS18B20芯片復位，并等待接收存在脈沖。

（2）接著發送ROM操作命令，包括讀取（33H）、匹配（55H）、搜索（F0H）、跳過（CCH）序列號操作等工作，使序列號匹配的DS18B20被激活。

（3）準備接收下面的存儲器操作命令；存儲器操作命令控制被激活的DS18B20的工作狀態，包括寫報警值、寫結構寄存器、溫度轉換、讀取溫度等工作。

本系統對DS18B20進行的操作主要包括三個子過程：1．自動搜索3個DS18B20的序列號（程序流程略），主機首先發一復位脈沖，等收到返回的存在脈沖后，發出搜索器件的序列號命令（F0H），讀取DS18B20的序列號；2．寫暫存存儲器（程序流程如圖5），主機在收到返回的存在脈沖后，發出匹配器件的序列號命令（55H），跟著發送一DS18B20的序列號，再發送寫暫存器命令（4EH），寫數據；3．啟動DS18B20作溫度轉換并讀取溫度值（程序流程如圖6），主機在收到返回的存在脈沖后，發出跳過器件的序列號命令（CCH），跟著發出溫度轉換命令（44H），再次復位并收到返回的存在脈沖后，發出匹配器件的序列號命令（55H），跟著發送一DS18B20的序列號，再發送讀暫存器命令（BEH），讀出數據。

2．4AT24C01工作過程的軟件實現

AT24C01的讀寫操作過程都由上面介紹的I2C總線的四種操作時間片組成。AT24C01的寫操作分為寫字節和寫頁面兩種方式。在本系統中采用了寫字節的方式，寫字節操作分為5個階段：

（1）主機啟動開始。

（2）主機通過SDA輸入一個寫器件命令（10100000B）。如果寫入成功，AT24C01在第9個周期輸出“0”表示確認（（3）、（4）同）。

（3）主機通過SDA輸入8位數據地址。

（4）主機通過SDA輸入8位數據。

（5）停止信號。

AT24C01的讀操作分為立即讀取、隨機尋址讀取和順序讀取3種方式。在本系統中采用了隨機尋址讀取的方式，具體讀取過程分為7個階段：

（1）主機啟動開始。

（2）主機通過SDA輸入一個寫器件命令（10100000B）。如果寫入成功，AT24C01在第9個周期輸出“0”表示確認（（3）、（5）同）。

（3）主機通過SDA輸入8位數據地址。

（4）主機啟動開始。

（5）主機通過SDA輸入一個讀器件命令（10100001B）。

（6）AT24C01通過SDA輸出8位數據。

（7）停止信號。

3硬件和軟件調試

硬件調試上需要注意接口問題。DS18B20的工作電流高達1mA，當溫度變換時信號線上必須提供足夠的功率，因此選用了4．7k的上拉電阻。AT24C01數據線上的上拉電阻不能太大，否則AT24C01輸出數據時不能獲得足夠的電流；也不能太小，否則AT24C01工作不穩定，必須經過調試選擇一定阻值的上拉電阻。

本系統的主要調試任務集中在軟件調試上，需要注意時間的把握，因為DS18B20和AT24C01的操作時序對時間要求比較嚴格。PIC單片機除分支指令是雙周期外，其他所有指令都是單周期指令，本系統選用的晶振為4MHz，執行一條單周期指令需要250ns，執行一條分支指令需要500ns。

4總結

本套系統為廣東康宇測控儀器儀表工程有限公司設計，已經進入試運行階段。從目前的情況來看，它能夠精確、及時地反映所測液體及周圍環境的溫度，而且現場調整方便靈活，反映良好。

參考文獻：

［1］呂瑜，等．基于單片機和TDC的磁尺數字化技術研究［J］．儀表技術，2003，（4）．

［2］DS18B20 Programmable Resolution One－Wire Digital Thermometer［Z］．Dallas Corp．