单片机原理及接口技术 课件 第八章 单总线通信协议与典型电路应用

单原及接片理口技术机12第八章节单总线通信协议与典型电路应用01单总线（1-wire）通信过程02单总线通信温湿度传感器芯片DHT11介绍03温湿度传感器芯片DHT1

1数据传输格式和时序04温湿度传感器芯片DH

T11与单片机通信的典型实例PrincipleandinterfacetechnologyofMicrocomputer05单总线通信温度传感器芯片DS18B2006温度传感器芯片DS18B20数据传输格式和时序07温度传感器芯片DS18B20与单片机通信的典型实例08习题单总线通信协议与典型电路应用单片机通信协议中，单总线（1-wire）通信协议是指主机和从机通过1根总线进行通信，但是在一条总线上可挂接的从器件数量几乎不受限制的一种通信协议，该协议是由达拉斯半导体公司（DALLAS）推出的一项通信技术,其特点是采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，由此带来具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。单总线（1-wire）通信过程单总线通信初始化过程初始化过程=复位脉冲+从机应答脉冲。主机通过拉低单总线一定时间产生复位脉冲（例如480～960us），然后释放总线，进入接收模式。主机释放总线时，会产生低电平跳变为高电平的上升沿，单总线器件检测到上升沿之后，延时（例如15～60us）后，单总线器件拉低总线（例如60～240us）来产生应答脉冲。主机接收到从机的应答脉冲说明单总线器件就绪，初始化过程完成。单总线通信初始化过程如图8-1所示。1.1单总线通信写数据过程单总线通信写数据有两种，包括写数据“0”和数据“1”。当数据线拉低后，在一定时间窗口（例如15～60us）内对数据线进行采样。如果数据线为低电平，就是写0，如果数据线为高电平，就是写1。主机要产生一个写1的数据，就必须把数据线拉低，在写数据开始后的15us内允许数据线拉高。主机要产生一个写0的数据，就必须把数据线拉低并保持60us。单总线通信写数据时序图如图8-2所示。1.2单总线通信读数据过程单总线通信读数据格式和写数据格式类似有两种，包括读数据“0”和数据“1”，当主机把总线拉低，并保持至少时间（例如1us）后释放总线，必须在时间（例如15us）内读取数据。单总线通信读数据时序图如图8-3所示。1.3单总线通信温湿度传感器芯片DHT11介绍02温湿度传感器芯片DHT11概述2.1DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供.DHT11实物图如图8-4所示。DHT11引脚说明如表8-1所示。温湿度传感器芯片DHT11与单片机典型电路图2.2为了数据传输的准确性，建议在数据传输线（DATA）使用上拉电阻（建议距离小于20米使用5K），DHT11的供电电压为3～5.5V。传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波，DHT11与单片机的典型连接电路图如图8-5所示。温湿度传感器芯片DHT11数据传输格式和时序03温湿度传感器芯片DHT引脚DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次完整的数据传输为40bit，高位先出，一次通讯时间4ms左右，数据分小数部分和整数部分，具体数据传输格式和时序如下说明。温湿度传感器芯片DHT11传输数据格式3.1数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和，实际使用过程中，一般不使用温湿度数据的小数部分；数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。温湿度传感器芯片DHT11传输数据时序3.2当单片机发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式，该过程启动时序图如图8-6所示。总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80us低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。当总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每一bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示。如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态，DHT11传感器响应时序图如图8-7所示。DHT11传感器传输信号“0”图如图8-8所示。DHT11传感器传输信号“1”图如图8-9所示。温湿度传感器芯片DHT11与单片机通信的典型实例04典型实例要求简介：利用单片机（示例型号AT89C51）的P0引脚连接显示部分（LCD1602），P1引脚连接温湿度传感器芯片（DHT11），最终效果在显示部分（LCD1602）上显示温湿度传感器芯片（DHT11）的温湿度数据，注意，因为是模拟仿真过程，温湿度传感器芯片DHT11的数据来源也是用户输入，并不是实际场地的温湿度信息。温湿度传感器芯片DHT11与单片机连接仿真和电路图设计4.1通过Proteus绘制项目电路图，并且通过该软件能够制作PCB板的功能，实现电路的设计、仿真和实现，Proteus仿真电路图如图8-10所示。利用Proteus仿真基于DHT11的温湿度数据采集仿真电路图有以下器件：LM016L：2行16列液晶（EN三个控制端口（共14线），工作电压为5V。无背光，可显示2行16列英文字符，有8位数据总线D0-D7）；RESPACK：排阻；DHT11：温湿度传感器单总线传输芯片；CRYSTAL：晶体振荡器；其他型号的电容电阻。温湿度传感器芯片DHT11采集信号实训软件设计4.2根据本章主要内容是对温湿度传感器芯片DHT11使用的单总线通信协议进行详细讲解，而本程序中涉及到的LCD1602和串行数据传输等功能程序已经在前序章节介绍，所以在本次程序讲解过程中不详解，请主要关注的是如何通过控制单片机I/O端口的高低电平实现对温湿度传感器DHT11的启动、终止、响应和传输。下面我们就写一个程序，模拟单片机I/O端口的高低电平转换实现从P1端口的温湿度传感器DHT11的数据传送到P0端口的显示部分LCD1602中。温湿度传感器芯片DHT11采集信号实训软件设计4.3经过对单总线通信协议的理解和针对温湿度传感器芯片DHT11通信时序的学习，我们通过编写绘制电路仿真图和编写程序，最终实现将用户输入的模拟温湿度数据在显示部分LCD1602中显示出来，实现效果如图8-11所示。单总线通信温度传感器芯片DS18B2005传感器芯片DS18B20概述和特性5.1DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。该芯片电路接线方便，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。该芯片有以下主要特性：独特的单总线接口仅需一个端口引脚即可进行通信；简单的多点分布式测温应用场景；可通过数据线供电，供电范围为3.0V～5.5V；测温范围为-55℃～+125℃（华氏温度-67℉～257℉）；在-10℃～+85℃范围内精确度可达±5℃；应用范围包括温度控制、工业系统、消费零售或者任何热感知系统。传感器芯片DS18B20与单片机连接电路与实物图5.2DS18B20与单片机连接依然采用单总线连接方式，为了保证数据传输的准确性，可以在其数据端口（DQ总线）通过上拉电阻（例如4.7K）连接外部电源，DS18B20与单片机连接电路如图8-12所示。DS18B20通过一个单总线接口发送或者接收信息，而且根据使用场景不同也有不同的封装形式，具体引脚说明请见表8-2。DS18B20的供电电压可从3.0V～5.5V，因此VDD被描述为可选电源电压，在日常使用中，经常遇到的封装形式如图13所示，左边图形示意是TO-92封装，右边图形示意是SOIC封装，请注意，在TO-92封装图中，没有NC引脚，其他引脚可以直接使用，DS18B20芯片的常用封装形式如图8-13所示。温度传感器芯片DS18B20数据传输格式和时序06温度传感器芯片DS18B20数据传输格式6.1DS18B20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，如图8-14所示。寄存器数据包含2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。大家可以看出来，二进制数字，每一位代表的温度的含义，都表示出来了。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，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，如表8-3所示。温度传感器芯片DS18B20信号传输时序6.2DS18B20依然是单总线通信协议的传感器芯片，因此需要遵循严格的单总线协议以确保数据的完整性，协议包括启动/终止信号、响应信号、写和读“0”信号，下面将上述信号的时序列出。1初始化时序与DS18B20之间的通信都从初始化时序开始，初始化时序图示见图8-15所示，一个复位脉冲紧跟一个存在脉冲表示DS18B20芯片已经初始化完成，做好了发送和接收数据的准备。在初始化序列期间，总线控制器拉低总线并且保持480us发出一个复位脉冲，然后释放总线，进入接收状态，当DS18B20探测到I/O引脚上的上升沿后，等待15-60us，然后发出一个由60～240us低电平信号构成的存在脉冲。2写时序写时序分别有写“0”和写“1”时序。不论是写“0”和“1”数据到DS18B20芯片，所有的时序保持时间都要维持60us以上，包括两个写周期之间至少1us的恢复时间，当数据线从逻辑高电平拉到低电平的时候，写时序开始，写时序图示如图8-16所示。写时序开始后，DS18B20在一个15us～60us的时间段窗口内对I/O线采样，如果线上是高电平，则写时序“1”，反之如果是低电平，则是写时序“0”。3读时序读时序保持时间与写时序一致，都要维持60us以上，包括两个读周期期间至少1us的恢复时间，当总线控制器把数据从高电平拉低到低电平之后，读时序开始，数据线必须至少保持1us，然后总线被释放，读时序开始，读时序图示如图8-17所示。读时序开始后，芯片DS18B20通过拉高或者拉低总线电平来传输“0”或者“1”，当传输逻辑“0”结束后，总线将被释放，通过上拉电阻恢复到高电平状态，从芯片DS18B20输出的数据在读时序的下降沿出现后15us内有效，所以在读时序开始后要停止把I/O引脚驱动为低电平15us，以读取I/O脚状态。温度传感器芯片DS18B20与单片机通信的典型实例07典型实例要求简介：利用单片机（示例型号AT89C51）的P0和P2引脚连接显示部分（四位数码管），P1引脚连接报警部分，P3引脚连接温度传感器芯片（DS18B20）和键盘电路，最终效果在显示部分（四位数码管）上显示温度传感器芯片（DS18B20）的温度数据，且还可以根据P3引脚的键盘电路设置温度的最大最小值，如果超过限值，P1引脚的报警电路会被触发。注意，因为是模拟仿真过程，温度传感器芯片DS18B20的数据来源也是用户输入，并不是实际场地的温度信息。温度传感器芯片DS18B20与单片机连接仿真和电路图