基于DS18B20和LabVIEW的多點溫度測量系統(tǒng)

再有5天就是“黃金”假期~放七天假，上七天班（學(xué)）！不管怎么樣，該做什么就做什么。學(xué)習(xí)便學(xué)習(xí)，工作便工作，走路便走路，吃飯便吃飯。

今天我們一起完成一個比較完整的作品，基于DS18B20和LabVIEW的多點溫度測量系統(tǒng)。我重點介紹實現(xiàn)多點DS18B20溫度驅(qū)動模塊的思路，具體實現(xiàn)大家可以閱讀源碼。驅(qū)動源碼參考了不少資料，在此感謝那些樂于分享的程序員。分享，傳遞，沉淀，這一直都是我們堅持的信念。

關(guān)于DS18B20的特性、工作原理、時序等，請參考相關(guān)資料：

DS18B20官方手冊：https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS18B20.pdf
DS18B20的復(fù)位（初始化）、讀時序、寫時序：https://blog.csdn.net/qq_17017545/article/details/82120467
DS18B20多點測溫方案（多個DS18B20掛在一根總線上）：https://blog.csdn.net/redeemer_Qi/article/details/108854687

一、多點溫度測量系統(tǒng)架構(gòu)

多點溫度測量系統(tǒng)框圖如圖1所示。編號為1#~8#的DS18B20連接到8051單片機(jī)的P0口，每個DS18B20占P0口的一個I/O，1#對應(yīng)P0.1，2#對應(yīng)P0.1， ......, 8#對應(yīng)P0.7。8051單片機(jī)周期讀取多點溫度，通過串口上報到LabVIEW上位機(jī)。?

圖1? 多點溫度測量系統(tǒng)框圖

? ? ?在我們的例子中，只實現(xiàn)了3點溫度。由于我們采用了模塊化編程，要擴(kuò)展到8路只需改動2個地方（猜猜是哪里）。圖2給出了仿真電路圖。我們在串口仿真電路圖上增加了3個DS18B20，分別接P0.0、P0.1和P0.2。

? ??

圖2 多點測溫仿真電路圖

二、DB18B20多點溫度驅(qū)動模塊設(shè)計思路

網(wǎng)上有很多單個DS18B20溫度驅(qū)動程序源碼，可惜的是這些源碼無法直接使用，因為源碼里DS18B20初始化函數(shù)、讀溫度函數(shù)、寫DS18B20函數(shù)等代碼綁定到了固定的I/O引腳（如P1.0），讀和寫都是基于單個I/O實現(xiàn)。以至于代碼無法復(fù)用。

https://blog.csdn.net/redeemer_Qi/article/details/108854687提供了多個DS18B20掛在單一總線的多點測溫方案，大家可以去研究研究。我們今天使用另外的思路。?

思路來源：Arduino里的I/O讀寫函數(shù)（ digitalRead，digitalWrite）是通過指定pin序號來實現(xiàn)數(shù)字引腳的讀寫操作的。在分析這兩個函數(shù)的原型時，發(fā)現(xiàn)它們是通過PORT和BIT_MASK來對整個PORT的寄存器操作實現(xiàn)的。舉例來說，我們要寫1到P0.0，則對P0寄存器進(jìn)行以下操作：

P0 = P0|0x01;   //或?qū)懗桑篜0|=0x01;

某位或1，就能置該位為1。

對P0.0寫0，則是：

P0?=?P0&(~0x01);?//或?qū)憺?P0?&=?~0x01;

某位與0，則該位清零。某位與1，該位保持不變。

P0是PORT， 0x01是P0.0在P0寄存器的BIT MASK。表1給出了P0.0~P0.7的位掩碼（BIT MASK)。

I/O	位掩碼（二進(jìn)制）	位掩碼（十六進(jìn)制）
P0.0	0000_0001b	0x01
P0.1	0000_0010b	0x02
P0.2	0000_0100b	0x04
P0.3	0000_1000b	0x08
P0.4	0001_0000b	0x10
P0.5	0010_0000b	0x20
P0.6	0100_0000b	0x40
P0.7	1000_0000b	0x80

練習(xí)：使用位掩碼對P0.5操作，寫1和清零。

//你的答案

前面解決了寫I/O。哪如何實現(xiàn)讀取某個IO的狀態(tài)呢？使用位掩碼~正確。

uchar value = PORT & BIT_MASK; //非零表示輸入高電平，全零表示輸入低電平。if(value):  //高電平       do somethingelse: //低電平      do something

? ? ??

例如 if(P0 & 0x04)就能讀取到P0.2的輸入狀態(tài)。請分析為什么？

我們設(shè)計了ds18b20.h，在該頭文件里定義了PORT、BIT_MASK和相關(guān)的驅(qū)動函數(shù)（DS18B20初始化、讀字節(jié)、寫字節(jié)、讀溫度）。下面簡要概述ds18b20.h。

1、PORT和BIT_MASK

使用宏定義了PORT和BIT_MASK。

//三個DS18B20，分別接到P0.1, P0.2, P0.3//P0口最多連接8個DS18B20#define DS18B20_PORT   P0#define ds18b20_1_mask 0x01     //sensor no. 1#define ds10b20_2_mask 0x02     //sensor no. 2#define ds10b20_3_mask 0x04     //sensor no. 3#define ds10b20_4_mask 0x08     //sensor no. 4#define ds10b20_5_mask 0x10     //sensor no. 5

ds18b20_get_mask( ) 函數(shù)實現(xiàn)了傳感器編號到BIT_MASK的映射。例如， 1的dq引腳接到Px.0，掩碼為0x01。

// 由序號獲得ds18b20的引腳mask// no: 1,2,3uchar ds18b20_get_mask(uchar no){    uchar pin_mask;    switch(no)    {       case 1:    {pin_mask = ds18b20_1_mask; break;}       case 2:    {pin_mask = ds10b20_2_mask; break;}       case 3:    {pin_mask = ds10b20_3_mask; break;}       default: break;    }    return pin_mask;}

2、重要驅(qū)動函數(shù)

（1）DS18B20初始化函數(shù)

//初始化ds18b20uchar ds18b20_init(uchar sensor_no){   uchar pin_mask;   uchar ack;   pin_mask= ds18b20_get_mask(sensor_no);   DS18B20_PORT |= pin_mask; //置1   delay_10xus(1); //延時10us   DS18B20_PORT &= ~pin_mask;  //清零   delay_10xus(90);//拉低900us    DS18B20_PORT |= pin_mask; //置1   delay_10xus(8); //80us后讀ds18b20的響應(yīng)   ack = DS18B20_PORT & pin_mask; //讀引腳   delay_10xus(50);       return ack;}

初始化函數(shù)供讀操作、寫操作前調(diào)用。也可以單獨調(diào)用來判斷DS18B20是否存在。ACK為0表示傳感器應(yīng)答，ACK為1表示傳感器未應(yīng)答（多次未應(yīng)答可視為傳感器不存在或損壞）。

（2）讀溫度驅(qū)動函數(shù)

// 讀溫度函數(shù)，返回浮點類型溫度float ds18b20_read_temperature(uchar sensor_no){    uchar low_byte = 0;    uchar hight_byte = 0;    int temp = 0;    float temperature = 0;      if(ds18b20_init(sensor_no) == 0)    // 溫度傳感器應(yīng)答了    {        is_ds10b20_exist = 1;        ds18b20_start_convert(sensor_no); //開始轉(zhuǎn)換        ds18b20_start_read(sensor_no);     //開始讀取        low_byte = ds18b20_read_byte(sensor_no); //讀溫度的低八位        hight_byte = ds18b20_read_byte(sensor_no); //讀溫度的高八位        temp = (hight_byte<<8)|low_byte;    }    else    {        is_ds10b20_exist = 0;    }    if((temp & 0xF800) == 0xF800)  //負(fù)溫度    {        temperature = ((~temp)+1)*0.0625;        temperature = -temperature;        }    else    {        temperature = temp * 0.0625; //12位的溫度分辨率為0.0625℃        }    return temperature;}

讀溫度驅(qū)動函數(shù)主要完成以下操作：

① 調(diào)用ds18b20_init()判斷DS18B20是否存在。

② 存在，使用ds18b20_start_convert()函數(shù)讓DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換；等待一定時間后，讀溫度字節(jié)，并把溫度字節(jié)轉(zhuǎn)換為float數(shù)據(jù)，再返回。

③ 不存在，置 is_ds10b20_exist為0。

關(guān)于讀溫度函數(shù)，有幾點要說明：

①? 溫度字節(jié)可以認(rèn)為是A/D的數(shù)字量輸出，其量化單位q就是溫度分辨率。12位的是0.0625℃。

DS18B20默認(rèn)是12位分辨率，可軟件配置為9、10、11、12位，分辨率分別為0.5、0.25、0.125、0.0625℃。

② 溫度MSB字節(jié)的高5位是符號位， 11111表示是負(fù)的溫度，以補(bǔ)碼儲存。所以先取反+1得到絕對值，再乘以分辨率，最后變成負(fù)數(shù)。代碼如下：?

 if((temp & 0xF800) == 0xF800)  //負(fù)溫度    {        temperature = ((~temp)+1)*0.0625;        temperature = -temperature;        }

③ LOW_BYTE和HIGH_BYTE對應(yīng)于圖3中的LSB BYTE, MSB BYTE。注意，DS18B20先傳輸LSB字節(jié)，且是最低位先傳輸（LSb First）。

圖3 溫度數(shù)據(jù)

④ 溫度讀取函數(shù)有瑕疵。溫度轉(zhuǎn)換的代碼不管傳感器存在是否，都會進(jìn)行。當(dāng)傳感器不存在時，始終返回0，埋了一個大坑~~試一試，改進(jìn)代碼。

（提示：不存在返回250，超量程了就是設(shè)備不存在）。在主程序再做處理。

⑤? is_ds10b20_exist 原來是針對單個DS18B20測溫設(shè)計的。此處實在是雞肋。你能把它用起來嗎？提示：結(jié)合第④點。

3、（串口）數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

我們直接使用C51 編程入門（二十三）串口編程入門--串口應(yīng)用協(xié)議（二）里設(shè)計的協(xié)議。每個傳感器上報的數(shù)據(jù)包括1字節(jié)的設(shè)備號、4字節(jié)的溫度（float）。三個傳感器的數(shù)據(jù)一起“打包”上報，如下。

1#設(shè)備號（1B）

1#溫度（4B）

2#設(shè)備號（1B）

2#溫度（4B）

3#設(shè)備號（1B）

3#溫度（4B）

主函數(shù)如下。主函數(shù)所在的.c源碼除了增加#include"ds18b20.h"并另存為新文件名外，其它內(nèi)容與C51編程入門（二十三）串口編程入門--串口應(yīng)用協(xié)議（二）的一模一樣，未作任何修改~（難能可貴..）

void main(){     unsigned char ds18b20_no = 1; //設(shè)備號    unsigned char ds18b20_N = 3; //ds18b20總數(shù)    float temperature; //溫度    uart_init();    while(1)    {        temperature = ds18b20_readTemperature(ds18b20_no); //讀溫度        sendTemperature(ds18b20_no, temperature); //發(fā)送溫度        ds18b20_no++;        if(ds18b20_no > ds18b20_N)//已經(jīng)讀完所有點的溫度            {                ds18b20_no = 1;            }        delayMS(1000); //等待1s左右                 }}

三、LabVIEW上位機(jī)程序改進(jìn)

1、添加溫度保存子VI（saveTemperature.vi），如圖4所示。實現(xiàn)將三個溫度和當(dāng)前時間戳存儲到一個表格。

圖4?saveTemperature.vi程序框圖

程序說明如下：

① 創(chuàng)建文件路徑，使用了應(yīng)用程序目錄，實現(xiàn)將程序存儲到程序目錄下。目標(biāo)文件由文件名和當(dāng)前日期（年月日）組成。這樣實現(xiàn)一天一個文件。

.xls擴(kuò)展名指定文件為表格。

② 打開/創(chuàng)建文件，并設(shè)置文件指針到文件末尾，即從文件末尾新增數(shù)據(jù)。這樣，就不會覆蓋舊數(shù)據(jù)。

③ 調(diào)用格式化寫入文件，巧妙地通過格式化將數(shù)據(jù)寫到表格里。格式化字符為：

%.1f	%.1f	%.1f	%s

三個%.1f對應(yīng)三個溫度值，存為1位小數(shù)的浮點數(shù)據(jù)。是制表符，移動到下一個表格單元。%s為字符串，這里對應(yīng)著時間戳字符串。

是換行，保證下一次數(shù)據(jù)存儲到表格末尾的新的一行。

2、串口解釋單個傳感器數(shù)據(jù)的子VI（getReceiveData.vi）

程序框圖如圖5所示。說明如下：

① 先讀取1個字節(jié)數(shù)據(jù)，并調(diào)用強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換函數(shù)轉(zhuǎn)換為U8數(shù)據(jù)。此為設(shè)備號，1個字節(jié)。

② 再讀取4個字節(jié)數(shù)據(jù)，并調(diào)用強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換函數(shù)轉(zhuǎn)換為SGL數(shù)據(jù)。此為溫度數(shù)據(jù)，4個字節(jié)。注意，不能轉(zhuǎn)換為DBL數(shù)據(jù)，因為LabVIEW的DBL為64位，8個字節(jié)，類型不匹配。

圖5?getReceiveData.vi程序框圖

下圖為LabVIEW主程序框圖。需要注意的是，初始化串口時，禁用串口的啟用停止符選項（F常量連接的選項）。

圖6? 主程序框圖

三、運行結(jié)果

LabVIEW上位機(jī)運行后，立馬收到了很多數(shù)據(jù)（這些都是緩沖在電腦串口緩存里）。如果想要丟棄掉，可以在進(jìn)入while循環(huán)前清空串口緩沖區(qū)。

使用ds18b20.h時，應(yīng)注意設(shè)置（修改）：

1. DS18B20_PORT宏定義，改為實際使用的PORT（P0、P1、P2、P3）

2. 新增BIT_MASK， ds18b20.h只定義了5個，即ds18b20_1_mask到ds18b20_5_mask。?

關(guān)于BIT_MASK，其實也無需預(yù)先定義宏。我們可根據(jù)sensor_no算出來，核心代碼如下：

bit_mask = 0x01<<(sensor_no-1); //sensor_no = 1~8

3. 注意，DS18B20上電溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果默認(rèn)為85℃，第一次讀到的溫度始終是85。因此，我們在正式讀取之前，應(yīng)該調(diào)用一次讀取溫度函數(shù)（如在while循環(huán)前）。

四、結(jié)束語

串口程序編寫教程到此告一個段落，希望相關(guān)文章對大家有所助益。原本計劃繼續(xù)寫串口校驗和和AT命令，后面視情況而定吧。如何在有限的時間里，完成更多的事情是一個值得研究和探討的話題。如果您有感興趣的主題，可后臺發(fā)消息給我。?

如果你覺得本篇文章有所幫助，請點贊、打賞。?分享，傳遞，沉淀。

附錄：源代碼

ds18b20驅(qū)動源碼（ds18b20.h)

// ds18b20.h#ifndef _DS18B20_H#define _DS18B20_H#include "intrins.h"#include "reg51.h"float temperature = 0;bit is_ds10b20_exist = 0;  //1: 存在, 0:不存在#define uchar unsigned char//三個DS18B20，分別接到P0.1, P0.2, P0.3//P0口最多連接8個DS18B20#define DS18B20_PORT   P0#define ds18b20_1_mask 0x01     //sensor no. 1#define ds10b20_2_mask 0x02     //sensor no. 2#define ds10b20_3_mask 0x04     //sensor no. 3#define ds10b20_4_mask 0x08     //sensor no. 4#define ds10b20_5_mask 0x10     //sensor no. 5// 10us延時函數(shù)void delay_10xus(uchar n){   //每個循環(huán)約10us左右, 110次循環(huán)約1ms   while(n--);}// 由序號獲得ds18b20的引腳mask// no: 1,2,3uchar ds18b20_get_mask(uchar no){    uchar pin_mask;    switch(no)    {       case 1:    {pin_mask = ds18b20_1_mask; break;}       case 2:    {pin_mask = ds10b20_2_mask; break;}       case 3:    {pin_mask = ds10b20_3_mask; break;}       default: break;    }    return pin_mask;}//初始化ds18b20uchar ds18b20_init(uchar sensor_no){   uchar pin_mask;   uchar ack;   pin_mask= ds18b20_get_mask(sensor_no);   DS18B20_PORT |= pin_mask; //置1   delay_10xus(1); //延時10us   DS18B20_PORT &= ~pin_mask;  //清零   delay_10xus(90);//拉低900us    DS18B20_PORT |= pin_mask; //置1   delay_10xus(8); //80us后讀ds18b20的響應(yīng)   ack = DS18B20_PORT & pin_mask; //讀引腳   delay_10xus(50);       return ack;}//從ds18b20讀一個字節(jié)數(shù)據(jù)//先接接收低位LSB bituchar ds18b20_read_byte(uchar sensor_no){    unsigned char i = 0;    unsigned char byte_rx = 0;    uchar pin_mask = ds18b20_get_mask(sensor_no);    DS18B20_PORT |= pin_mask; //置1    _nop_();_nop_(); //延時2us    for(i=8; i>0; i--)      {????????DS18B20_PORT?&=?~pin_mask;??//清零        byte_rx >>= 1;        DS18B20_PORT |= pin_mask; //置1        _nop_();_nop_();        if(DS18B20_PORT & pin_mask) //讀到1            {                byte_rx |=0x80;            }        delay_10xus(30);        DS18B20_PORT |= pin_mask; //置1      }    return(byte_rx);}// 寫一個字節(jié)到DS18B20void ds18b20_write_byte(uchar c, uchar sensor_no){  uchar i;  uchar pin_mask = ds18b20_get_mask(sensor_no);  for(i=0;i<8;i++)  {????DS18B20_PORT?&=?~pin_mask;?//清零、寫0    _nop_();       if(c & 0x01) //判斷是否是寫1    {        DS18B20_PORT |= pin_mask; //置1    }    delay_10xus(5); //延時50us    DS18B20_PORT |= pin_mask; //置1，釋放總線    c >>= 1; //取下一位，準(zhǔn)備發(fā)送  }}// 開始溫度采集轉(zhuǎn)換void ds18b20_start_convert(uchar sensor_no){     ds18b20_init(sensor_no);     ds18b20_write_byte(0xcc, sensor_no); //SKIP ROM     ds18b20_write_byte(0x44, sensor_no); //Convert command}// 開始讀取溫度void ds18b20_start_read(uchar sensor_no){     ds18b20_init(sensor_no);     ds18b20_write_byte(0xcc, sensor_no); //SKIP ROM     ds18b20_write_byte(0xbe, sensor_no); //READ Command}// 讀溫度，返回浮點類型溫度float ds18b20_read_temperature(uchar sensor_no){    uchar low_byte = 0;    uchar hight_byte = 0;    int temp = 0;    float temperature = 0;      if(ds18b20_init(sensor_no) == 0)    // 溫度傳感器應(yīng)答了    {        is_ds10b20_exist = 1;        ds18b20_start_convert(sensor_no); //開始轉(zhuǎn)換        ds18b20_start_read(sensor_no);     //開始讀取        low_byte = ds18b20_read_byte(sensor_no); //讀溫度的低八位        hight_byte = ds18b20_read_byte(sensor_no); //讀溫度的高八位        temp = (hight_byte<<8)|low_byte;    }    else    {        is_ds10b20_exist = 0;    }    if((temp & 0xF800) == 0xF800)  //負(fù)溫度    {        temperature = ((~temp)+1)*0.0625;        temperature = -temperature;        }    else    {        temperature = temp * 0.0625;         }    return temperature;}#endif

主程序.c源碼

//uart_ds18b20_temperatureMonitor.c#include "uart.h"//#include"reg51.h"#include"ds18b20.h"sbit beeper_en = P2^0;sbit key_s1 = P1^0;char msg[] = "Welcome back.
";unsigned char uart_rx_buffer[2];unsigned int count = 0;//函數(shù)定義void delayMS(unsigned int nms);void keyScan(); //按鍵掃描float ds18b20_readTemperature(unsigned char no);    //讀取DS18B20溫度void sendTemperature(unsigned char no, float temperature); //發(fā)送溫度函數(shù)void main(){????unsigned?char?ds18b20_no?=?1;?//設(shè)備號    unsigned char ds18b20_N = 3; //ds18b20總數(shù)    float temperature; //溫度    uart_init();    while(1)    {        temperature = ds18b20_readTemperature(ds18b20_no); //讀溫度        sendTemperature(ds18b20_no, temperature); //發(fā)送溫度        ds18b20_no++;        if(ds18b20_no > ds18b20_N)//已經(jīng)讀完所有點的溫度            {                ds18b20_no = 1;            }        delayMS(1000); //等待1s左右                 }}void keyScan(){     float temperature;    if(key_s1 == 0)    {         delayMS(10); //消抖        if(key_s1 == 0)    //按鍵按下，讀取并上報1#地點的溫度        {            temperature = ds18b20_readTemperature(1); //讀溫度            sendTemperature(1, temperature); //發(fā)送溫度                               }    }}//延時函數(shù)void delayMS(unsigned int nms){     unsigned int i,j;    for(i=0;i        for(j=0;j<130;j++);}//讀取DS18B20溫度(模擬）float ds18b20_readTemperature(uchar senor_no){    float temperature;    temperature = ds18b20_read_temperature(senor_no);    return temperature;}//發(fā)送溫度函數(shù)    void sendTemperature(unsigned char no, float temperature){   uart_sendUchar(no);   uart_sendFloat(temperature);}//串口中斷函數(shù)void isr_uart() interrupt 4{  static unsigned char rx_byte_count = 0;  if(RI) //收到數(shù)據(jù)  {     uart_rx_buffer[rx_byte_count] = SBUF;     rx_byte_count++;     RI = 0;     if(rx_byte_count == 2) //接收到2個字節(jié)數(shù)據(jù)     {        rx_byte_count = 0;        //下面是命令解析及執(zhí)行~魔幻的if else        if(uart_rx_buffer[0] == 0x01 && uart_rx_buffer[1] == 0x00)        {            beeper_en = 1; //beeper off                printf("執(zhí)行命令：關(guān)閉蜂鳴器!");        }        else if    (uart_rx_buffer[0] == 0x01 && uart_rx_buffer[1] == 0x01)        {          beeper_en = 0; //beeper on              printf("執(zhí)行命令：開啟蜂鳴器!");            }        else if    (uart_rx_buffer[0] == 0x02 && uart_rx_buffer[1] == 0x00)        {            count = 0;            printf("執(zhí)行命令：清零count!");        }            else if    (uart_rx_buffer[0] == 0xF0 && uart_rx_buffer[1] == 0x0F)        {            printf("將關(guān)閉串口，再見!");            TR1 = 0;        }     }  }}

　　審核編輯：湯梓紅

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LabVIEW(345249) LabVIEW(345249)
測量系統(tǒng)(43162) 測量系統(tǒng)(43162)
DS18B20(83195) DS18B20(83195)

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基于DS18B20和LabVIEW的多點溫度測量系統(tǒng)

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