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摘要：本文以1-Wire 器件DS18B20为核心元件，以单片机教学实验仪PHOENIX325为平台，搭建了一套集成度高、扩充空间大的测温网络。该测温网络由4只DS18B20组成，挂接在单片机P1口；软件设计方面，采用二叉树遍历算法，搜索总线上所有家族号为28H的器件，匹配ID号后启动温度转换，将结果送到1-Wire总线上，并对编程思路、1-Wire器件的各种操作作了详细的介绍。
关键词：单片机；二叉树搜索；1-Wire总线；DS18B20；测温网络
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.10.009
引言
多点测温是重要库所、场站、厂房安全工作的重要环节，多点测温应以实时、精确为原则，在此基础上，电路设计要求尽量简单，程序设计应功能强、效率高，本文采用DS18B20作为核心元件，充分利用该器件分辨率高、所需元件少、宜于组网的特点，以二叉树遍历法为编程算法，构建基于1-Wire总线的测温网络。
方案设计
核心元件的选择
测温元件选用Dallas公司出品的DS18B20，与传统热敏电阻不同，DS18B20是1-Wire总线的数字温度传感器，可直接将被测温度转化成串行数字信号供单片机处理，适用于恶劣环境的现场温度测量[1-2]。
1-Wire器件的特性
DS18B20具有以下特性：测温范围-55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；可由软件设定9～12位分辨率，对应的测量精度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，实现高精度测温；在寄生电源方式下可由数据线供电；独特的单线接口方式，DS18B20在与单片机连接时仅需要一条口线即可实现与单片机的双向通信；支持多点组网，多个DS18B20可以并联在总线上，实现组网测温；测量结果直接输出数字温度信号，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力[3]。
电路设计
DS18B20供电方式有两种：内部电源和外部电源。采用内部电源供电时，功率由总线提供，此时引脚3接地，引脚2通过上拉电阻接至总线，在总线高电平期间，器件内部的寄生电容充电，总线低电平期间，寄生电容向器件供电；采用外部电源供电时，引脚3接VCC，在温度转换期间总线不用保持高电平，这样在温度转换期间总线上可以进行其他数据往来，本文采用外部电源方式。图1是测温网络电路图。
除测温电路之外，还有LCD显示、USB通信及电源模块，其功能分别为数据显示、程序下载、系统供电，由于这几部分电路通用性强，参考资料较多，故此处省略。
图1 1-Wire总线测温网络
软件编程
二叉树遍历算法
二叉树遍历算法是搜索识别网络中1-Wire器件的编程首选，二叉树遍历算法的要点可归纳为“读2位，写1位”。
编程思路
首先主机向从机发出搜索命令，等待从机向主机发回当前位之后，再读从机发回当前位的反码，这两个位数据的编码存在4种可能：00、01、10和11。
00表示从机在当前位上有位分叉，即0和1两个分支；01表示从机的当前位均为0；10表示从机的当前位均为1；11表示总线上无器件响应。
显然，出现11时搜索应退出。对于前3种情况，根据搜索策略，主机向从机写1位数据，决定继续搜索哪一分支。第2和第3种情况下，搜索仅有一个方向，如果是第1种情况即出现00时，需要选择下一步搜索路径，方法是比较搜索位所在位置和最后一次发生位差异的所在位置，若二者相等，搜索1分支，若前者>后者，搜索0分支，若前者<后者，则采用上一次的搜索路径。
在此有两点需要注意：一是网络上从机发回的位数据呈“线与”关系；二是DS18B20中64位ID码分别标记为第1—64位，而不是0—63位，空出来的0用来表示差异位位置记录的初始状态。
编程要点
1-wire总线既可传输时钟，又可传输数据，并且数据传输是双向的，因此读写时序至关重要，1-wire总线定义了复位脉冲、应答脉冲、写操作、读操作等几种信号类型，所有的1-wire总线命令序列都是由这些基本的信号类型组成。
（1）复位子函数
主机通过拉低总线至少480ms产生复位脉冲，然后释放总线，主机释放总线时，会产生低电平向高电平的跳变，之后延时60ms，等待DS18B20的应答，DS18B20通过拉低总线240ms产生应答脉冲，主机收到器件的应答脉冲后，说明有1-wire器件在线，然后主机就可以对DS18B20进行ROM命令。
（2）读写操作
所有的读写时序至少需要60ms，写时序时，主机在拉低总线15ms之内释放总线，并向1-wire器件写1。1-wire器件仅在主机发出读时序时才向主机传输数据，因此，当主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便1-wire器件传输数据[4]。
（3）温度转换
1-wire器件工作时，首先需要进行ROM操作，然后转换温度。编程时需注意三点。
⑴DS18B20ROM命令共5种，读ROM、匹配ROM、跳过ROM、搜索ROM、报警。
⑵增加延时函数，确保温度转换完成。
（3）读出温度数据后，要进行数据转换。读出温度低8位和高8位，把此低8位和高8位转换为1个16位的数，其高5位是相同的，代表符号；低11位，是温度的二进制数，其中高7位是温度整数，低4位是温度小数；如果是负温度，则从温度寄存器读出的是补码，应将补码取反加1得到原码。
DS18B20的小数位可以这样理解：单片机发出读取温度寄存器命令后，DS18B20会返回9组数据，其中第一组数据的低4位代表温度小数部分，换言之，即是把1度分解为16个4位二进制数来表示，则温度小数部分的精度为1/16=0.0625。
与列举ID号编程的比较
列举ID法需要预先储存器件ID号，然后接入全部器件读取温度，实验需分两步进行。储存ID号时，仅允许接入一只器件，此器件操作完成后取下，再接入另一只器件，效率低下，且频繁插拔对电路板及器件均有损伤，因此这种编程方法在实际应用中比较受限。二叉树搜索可以直接读取总线上所有器件温度，功能强大，操作简便，是1-Wire总线器件组网编程的首选[5]。
图2 测温网络在PHOENIX325实验仪上的应用
测试
笔者设计了一款单片机教学实验仪——PHOENIX325，实验仪上集成了由4只DS18B20构成的测温网络，图2是采用二叉树遍历算法测温网络的工作情况，LCD1602显示4只器件的温度值，由于LCD显示存在延时[6]，因此拍到的只显示一只器件的测量温度。经实际测试，用本文设计的方法组网进行多点测温，测量精度、响应速度均令人满意。
结论
利用DS18B20的优异特性，采用多只器件构成1-Wire总线网络，外围元件少，结构简单，抗干扰性强，成本低廉，软件编程采用二叉树遍历算法，可搜索总线上所有器件，将具有同一家族号的器件识别出来，读出温度值，从教学实际来看，这种方案灵活性高，测量精度和响应速度都可得到保证，升级空间可自由扩充，是一种行之有效的多点测温模式。
关键词：单片机；二叉树搜索；1-Wire总线；DS18B20；测温网络
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.10.009
引言
多点测温是重要库所、场站、厂房安全工作的重要环节，多点测温应以实时、精确为原则，在此基础上，电路设计要求尽量简单，程序设计应功能强、效率高，本文采用DS18B20作为核心元件，充分利用该器件分辨率高、所需元件少、宜于组网的特点，以二叉树遍历法为编程算法，构建基于1-Wire总线的测温网络。
方案设计
核心元件的选择
测温元件选用Dallas公司出品的DS18B20，与传统热敏电阻不同，DS18B20是1-Wire总线的数字温度传感器，可直接将被测温度转化成串行数字信号供单片机处理，适用于恶劣环境的现场温度测量[1-2]。
1-Wire器件的特性
DS18B20具有以下特性：测温范围-55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；可由软件设定9～12位分辨率，对应的测量精度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，实现高精度测温；在寄生电源方式下可由数据线供电；独特的单线接口方式，DS18B20在与单片机连接时仅需要一条口线即可实现与单片机的双向通信；支持多点组网，多个DS18B20可以并联在总线上，实现组网测温；测量结果直接输出数字温度信号，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力[3]。
电路设计
DS18B20供电方式有两种：内部电源和外部电源。采用内部电源供电时，功率由总线提供，此时引脚3接地，引脚2通过上拉电阻接至总线，在总线高电平期间，器件内部的寄生电容充电，总线低电平期间，寄生电容向器件供电；采用外部电源供电时，引脚3接VCC，在温度转换期间总线不用保持高电平，这样在温度转换期间总线上可以进行其他数据往来，本文采用外部电源方式。图1是测温网络电路图。
除测温电路之外，还有LCD显示、USB通信及电源模块，其功能分别为数据显示、程序下载、系统供电，由于这几部分电路通用性强，参考资料较多，故此处省略。
图1 1-Wire总线测温网络
软件编程
二叉树遍历算法
二叉树遍历算法是搜索识别网络中1-Wire器件的编程首选，二叉树遍历算法的要点可归纳为“读2位，写1位”。
编程思路
首先主机向从机发出搜索命令，等待从机向主机发回当前位之后，再读从机发回当前位的反码，这两个位数据的编码存在4种可能：00、01、10和11。
00表示从机在当前位上有位分叉，即0和1两个分支；01表示从机的当前位均为0；10表示从机的当前位均为1；11表示总线上无器件响应。
显然，出现11时搜索应退出。对于前3种情况，根据搜索策略，主机向从机写1位数据，决定继续搜索哪一分支。第2和第3种情况下，搜索仅有一个方向，如果是第1种情况即出现00时，需要选择下一步搜索路径，方法是比较搜索位所在位置和最后一次发生位差异的所在位置，若二者相等，搜索1分支，若前者>后者，搜索0分支，若前者<后者，则采用上一次的搜索路径。
在此有两点需要注意：一是网络上从机发回的位数据呈“线与”关系；二是DS18B20中64位ID码分别标记为第1—64位，而不是0—63位，空出来的0用来表示差异位位置记录的初始状态。
编程要点
1-wire总线既可传输时钟，又可传输数据，并且数据传输是双向的，因此读写时序至关重要，1-wire总线定义了复位脉冲、应答脉冲、写操作、读操作等几种信号类型，所有的1-wire总线命令序列都是由这些基本的信号类型组成。
（1）复位子函数
主机通过拉低总线至少480ms产生复位脉冲，然后释放总线，主机释放总线时，会产生低电平向高电平的跳变，之后延时60ms，等待DS18B20的应答，DS18B20通过拉低总线240ms产生应答脉冲，主机收到器件的应答脉冲后，说明有1-wire器件在线，然后主机就可以对DS18B20进行ROM命令。
（2）读写操作
所有的读写时序至少需要60ms，写时序时，主机在拉低总线15ms之内释放总线，并向1-wire器件写1。1-wire器件仅在主机发出读时序时才向主机传输数据，因此，当主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便1-wire器件传输数据[4]。
（3）温度转换
1-wire器件工作时，首先需要进行ROM操作，然后转换温度。编程时需注意三点。
⑴DS18B20ROM命令共5种，读ROM、匹配ROM、跳过ROM、搜索ROM、报警。
⑵增加延时函数，确保温度转换完成。
（3）读出温度数据后，要进行数据转换。读出温度低8位和高8位，把此低8位和高8位转换为1个16位的数，其高5位是相同的，代表符号；低11位，是温度的二进制数，其中高7位是温度整数，低4位是温度小数；如果是负温度，则从温度寄存器读出的是补码，应将补码取反加1得到原码。
DS18B20的小数位可以这样理解：单片机发出读取温度寄存器命令后，DS18B20会返回9组数据，其中第一组数据的低4位代表温度小数部分，换言之，即是把1度分解为16个4位二进制数来表示，则温度小数部分的精度为1/16=0.0625。
与列举ID号编程的比较
列举ID法需要预先储存器件ID号，然后接入全部器件读取温度，实验需分两步进行。储存ID号时，仅允许接入一只器件，此器件操作完成后取下，再接入另一只器件，效率低下，且频繁插拔对电路板及器件均有损伤，因此这种编程方法在实际应用中比较受限。二叉树搜索可以直接读取总线上所有器件温度，功能强大，操作简便，是1-Wire总线器件组网编程的首选[5]。
图2 测温网络在PHOENIX325实验仪上的应用
测试
笔者设计了一款单片机教学实验仪——PHOENIX325，实验仪上集成了由4只DS18B20构成的测温网络，图2是采用二叉树遍历算法测温网络的工作情况，LCD1602显示4只器件的温度值，由于LCD显示存在延时[6]，因此拍到的只显示一只器件的测量温度。经实际测试，用本文设计的方法组网进行多点测温，测量精度、响应速度均令人满意。
结论
利用DS18B20的优异特性，采用多只器件构成1-Wire总线网络，外围元件少，结构简单，抗干扰性强，成本低廉，软件编程采用二叉树遍历算法，可搜索总线上所有器件，将具有同一家族号的器件识别出来，读出温度值，从教学实际来看，这种方案灵活性高，测量精度和响应速度都可得到保证，升级空间可自由扩充，是一种行之有效的多点测温模式。