河海大学物联网工程学院学生科协第四次集体培训
科协硬件方向培训总结
——DS18B20温度传感器、IIC总线
一、 DS18B20温度传感器介绍
1、DS18B20简介
DS18B20数字温度传感器接线方便,封装后可应用于多种场合,如管道式,螺纹式,磁铁吸附式,不锈钢封装式。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温,高炉水循环测温,锅炉测温,机房测温,农业大棚测温,洁净室测温,弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰,体积小,使用方便,封装形式多样,适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
2、DS18B20特点
1、适应电压范围更宽,电压范围:3.0~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电。
2、独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
3、DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温。
4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
5、温范围-55℃~+125℃,在-10~+85℃时精度为±0.5℃。
6、可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温。
7、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快。
8、测量结果直接输出数字温度信号,以“一根总线”串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力。
9、负压特性:电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
3、DS18B20实物图
4、DS18B20原理图
5、DS18B20内部结构
(1) 64位(激)光刻只读存储器
光刻ROM中的64位***是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址***。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***,最后8位是前面56位的循环冗余校验码。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同
(2) DS18B20温度转换规则
DS18B20的核心功能是它可以直接读出数字的温度数值。温度传感器的精度为用户可编程的9,10,11或12位,分别以0.5℃,0.25℃,0.125℃和0.0625℃增量递增。在上电状态下默认的精度为12位。
DS18B20启动后保持低功耗等待状态,当需要执行温度测量和AD转换时,总线控制器必须发出[44h]命令。转换完以后,产生的温度数据以两个字节的形式被存储到高速暂存器的温度寄存器中,DS18B20继续保持等待状态。
(3) 这是12位转化后得到的12位数据,存储在DS18B20的两个8位的RAM中,高字节的前5位是符号位,如果测得的温度大于0,这5位为‘0’,只要将测到的数值乘以0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为‘1’,测到的数值需要先减1再取反再乘以0.0625即可得到实际温度。
6、DS18B20初始化
(1)数据线拉到低电平“0”。
(2)延时480微妙(该时间的时间范围可以从480到960微妙)。
(3)数据线拉到高电平“1”。
(4)延时等待80微妙。如果初始化成功则在15到60微妙时间内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”.根据该状态可以来确定它的存在,但是应注意不能无限的进行等待,不然会使程序进入死循环,所以要进行超时判断。
(5)若CPU读到了数据线上的低电平“0”后,还要做延时,其延时的时间从发出的高电平算起(第(3)步的时间算起)最少要480微妙。
7、DS18B20读时序
(1)将数据线拉低“0”。
(2)延时1微妙。
(3)将数据线拉高“1”,释放总线准备读数据。
(4)延时10微妙。
(5)读数据线的状态得到1个状态位,并进行数据处理。
(6)延时45微妙。
(7)重复1~7步骤,直到读完一个字节。
8、DS18B20写时序
(1)数据线先置低电平“0”
(2)延时15微妙。
(3)按从低位到高位的顺序发送数据(一次只发送一位)。
(4)延时60微妙。
(5)将数据线拉到高电平。
(6)重复1~5步骤,直到发送完整的字节。
(7)最后将数据线拉高。
二、 IIC总线介绍
1、IIC串行总线概述
I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线,是具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高性能串行总线。I2C总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA,另一根是时钟线SCL。
I2C总线通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时,两根线均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平,都将使总线的信号变低,即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系。
2、IIC串行总线的数据传输
I2C总线进行数据传送时,时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。
3、起始和终止信号
SCL线为高电平期间,SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号;SCL线为高电平期间,SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。
4、数据传送格式
(1)字节传送与应答
每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时,先传送最高位(MSB),每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位(即一帧共有9位)。
在起始信号后必须传送一个从机的地址(7位),第8位是数据的传送方向位(R/T),用“0”表示主机发送数据(T),“1”表示主机接收数据(R)。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是,若主机希望继续占用总线进行新的数据传送,则可以不产生终止信号,马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。
(2)数据帧格式
I2C总线上传送的数据信号是广义的,既包括地址信号,又包括真正的数据信号。
在起始信号后必须传送一个从机的地址(7位),第8位是数据的传送方向位(R/T),用“0”表示主机发送数据(T),“1”表示主机接收数据(R)。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是,若主机希望继续占用总线进行新的数据传送,则可以不产生终止信号,马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。
在总线的一次数据传送过程中,可以有以下几种组合方式:
a、 主机向从机发送数据,数据传送方向在整个传送过程中不变:
注:有阴影部分表示数据由主机向从机传送,无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。
A表示应答, A非表示非应答(高电平)。S表示起始信号,P表示终止信号。
b、 主机在第一个字节后,立即从从机读数据
c、 在传送过程中,当需要改变传送方向时,起始信号和从机地址都被重复产生一次,但两次读/写方向位正好反相。
5、总线的寻址
I2C总线协议有明确的规定:采用7位的寻址字节(寻址字节是起始信号后的第一个字节)。
寻址字节的位定义:
D7~D1位组成从机的地址。D0位是数据传送方向位,为“0”时表示主机向从机写数据,为“1”时表示主机由从机读数据。
6、串行E2PROM的扩展
概述:
CAT24WC01/02/04/08/16是一个1K/2K/4K/8K/16K位串行CMOS,EEPROM内部含有128/256/512/1024/2048个8位字节CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗,CAT24WC01有一个8字节页写缓冲器CAT24WC02/04/08/16有一个16字节页写缓冲器,该器件通过I2C总线接口进行操作有一个专门的写保护功能。
写入过程:
AT24C系列E2PROM芯片地址的固定部分为1010,A2、A1、A0引脚接高、低电平后得到确定的3位编码。形成的7位编码即为该器件的地址码。
单片机进行写操作时,首先发送该器件的7位地址码和写方向位“0”(共8位,即一个字节),发送完后释放SDA线并在SCL线上产生第9个时钟信号。被选中的存储器器件在确认是自己的地址后,在SDA线上产生一个应答信号作为相应,单片机收到应答后就可以传送数据了。
传送数据时,单片机首先发送一个字节的被写入器件的存储区的首地址,收到存储器器件的应答后,单片机就逐个发送各数据字节,但每发送一个字节后都要等待应答。
AT24C系列器件片内地址在接收到每一个数据字节地址后自动加1,在芯片的“一次装载字节数”(不同芯片字节数不同)限度内,只需输入首地址。装载字节数超过芯片的“一次装载字节数”时,数据地址将“上卷”,前面的数据将被覆盖。
当要写入的数据传送完后,单片机应发出终止信号以结束写入操作。写入n个字节的数据格式。
单片机先发送该器件的7位地址码和写方向位“0”(“伪写”),发送完后释放SDA线并在SCL线上产生第9个时钟信号。被选中的存储器器件在确认是自己的地址后,在SDA线上产生一个应答信号作为回应。
然后,再发一个字节的要读出器件的存储区的首地址,收到应答后,单片机要重复一次起始信号并发出器件地址和读方向位(“1”),收到器件应答后就可以读出数据字节,每读出一个字节,单片机都要回复应答信号。当最后一个字节数据读完后,单片机应返回以“非应答”(高电平),并发出终止信号以结束读出操作。
总线时序: