单片机第二季：温度传感器DS18B20

目录

1，DS18B20介绍

2，DS18B20数据手册 

2.1，初始化时序 

2.2，读写时序 

3，DS18B20工作流程

4，代码

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1，DS18B20介绍

DS18B20的基本特征：
(1)内置集成ADC，外部数字接口，也就是可以直接与单片机的数字接口连接，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；
(2)单总线数字接口，布线成本低，独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与DS18B20 的双向通讯；
(3)温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；
(4)数字值温度分辨率位数可软件设置，可根据需要设置分辨率位数，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；
(5)温度阈值报警功能，且阈值可内置存储掉电不丢失；
(6)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，DS18B20温度采集是由主CPU控制，需要采集温度时才工作；
(7)内置唯一64位序列码，CPU可以单线串联无限多个DS18B20，CPU通过序列码识别与哪个DS18B20通信，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；
(8)支持VDD供电，或通过数据总线及内部电容实现寄生电源供电，也就是可以通过数据线（DQ）来供电，如果通过数据线供电，数据线在不传输数据时，需要拉高，否则如果内部电容没电时DS18B20就不能工作了；

（9）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 

使用到的三根线是GND（接地）、DQ（数据线）、VCC（电源线），当然也可以只使用GND和DQ。 

综合评价：
(1)DS18B20是很多年前的东西了；
(2)现在趋向于温度+湿度的综合传感器；
(3)现实应用一般低端用热敏电阻、热电偶，高端用精密传感器；
(4)学习重点和难点是单总线协议的时序编程实现；

2，DS18B20数据手册 

DS18B20数据手册

上图为DS18B20的内部框图。内部的64位的ROM存储其独一无二的序列号。暂存存储器（The scratchpad memory）包含了存储有数字温度结果的2个字节宽度的温度寄存器。另外，暂存存储器还提供了一个字节的过温和低温（TH和TL）温度报警寄存器和一个字节的配置寄存器。配置寄存器允许用户自定义温度转换为9、10、11、12位精度。过温和低温（TH和TL）温度报警寄存器是非易失性的（EEPROM），所以其可以在设备断电的情况下保存。

DS18B20的另外一个特性就是可以无需外部电源供电。当数据线DQ为高的时候由其为设备供电。总线拉高的时候为内部电容（Spp）充电，当总线拉低是由该电容向设备供电。这种由1-Wire总线为设备供电的方式称为“寄生电源”。此外，DS18B20也可以由外部电源通过VDD供电。

DS18B20的核心功能是直接温度-数字测量。其温度转换可由用户自定义为9、10、11、12位精度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃分辨率。值得注意的是，上电默认为12位转换精度。DS18B20上电后工作在低功耗闲置状态下。主设备必须向DS18B20发送温度转换命令[44h]才能开始温度转换。温度转换后，温度转换的值将会保存在暂存存储器的温度寄存器中，并且DS18B20将会恢复到闲置状态。如果DS18B20是由外部供电，当发送完温度转换命令[44h]后，主设备可以执行“读数据时序”，若此时温度转换正在进行DS18B20将会响应“0”，若温度转换完成则会响应“1”。如果DS18B20是由“寄生电源”供电，该响应的技术将不能使用，因为在整个温度转换期间，总线必须强制拉高。  

ROM 中的64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20 的地址序列号。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 自身的序列号，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，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20 的目的。 

DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速的暂存器RAM 和一个非易失性的可电擦除的EEPROM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL 和配置寄存器。 

配置寄存器是配置不同的位数来确定温度和数字的转化，配置寄存器结构如下： 

低五位一直都是"1"，TM 是测试模式位，用于设置DS18B20 在工作模式还是在测试模式。在DS18B20 出厂时该位被设置为0，用户不需要去改动。R1 和R0 用来设置DS18B20 的精度（分辨率），可设置为9，10，11 或12 位，对应的分辨率温度是0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。R0 和R1 配置如下图： 

在初始状态下默认的精度是12 位，即R0=1、R1=1。高速暂存存储器由9 个字节组成，其分配如下： 

当温度转换命令（44H）发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0 和第1 个字节。存储的两个字节，高字节的前5 位是符号位S，单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如下： 

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（默认精度是12 位）即可得到实际温度；如果温度小于0，这5 位为‘ 1’，测到的数值需要取反加1 再乘以-0.0625 即可得到实际温度。温度与数据对应关系如下： 

比如我们要计算+85 度，数据输出十六进制是0X0550，因为高字节的高5位为0，表明检测的温度是正温度，0X0550 对应的十进制为1360，将这个值乘以12 位精度0.0625，所以可以得到+85 度。 

知道了怎么计算温度，接下来我们就来看看如何读取温度数据，由于DS18B20是单总线器件，所有的单总线器件都要求采用严格的信号时序，以保证数据的完整性。DS18B20 时序包括如下几种：初始化时序、写（0 和1）时序、读（0和1）时序。DS18B20 发送所有的命令和数据都是字节的低位在前。这里我们简单介绍这几个信号的时序： 

2.1，初始化时序 

单总线上的所有通信都是以初始化序列开始。主机输出低电平，保持低电平时间至少480us（该时间的范围可以从480 到960 微妙），以产生复位脉冲。接着主机释放总线，外部的上拉电阻将单总线拉高，延时15～60 us，并进入接收模式。接着DS18B20 拉低总线60~240 us，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，还要做延时，其延时的时间从外部上拉电阻将单总线拉高算起最少要
480 微妙。初始化时序图如下：

注意：主机释放总线是指主机将这个port置1，因为port置1后可以被从设备拉低，但如果port被置0，就不能被从设备拉高，因此释放总线是将这个port置1。

由上述初始化时序，编写初始化函数代码：

//DS18B20初始化
unsigned char ds18b20_init()
{DSPORT = 0; //主设备拉低总线，发送复位脉冲，持续时间超过480usvoid delay500us(void)   //误差 -0.859028845284us{unsigned char a,b;for(b=1;b>0;b--)for(a=227;a>0;a--);}DSPORT = 1;   //释放总线unsigned char i = 0;while(DSPORT)	  //检测DS18B20是否在一定时间内拉低总线，//根据时序图判断最长时间为300us{if(i>20){return 0; //超过一定时间总线未被拉低，说明DS18B20没有发送存在脉冲}void delay20us(void)   //误差 -0.468396780902us{unsigned char a,b;for(b=3;b>0;b--)for(a=1;a>0;a--);}i++;}return 1;   //DS18B20在一定时间内响应了		}

初始化就是，主机发送复位脉冲，从机发送存在脉冲，双方都收到后，初始化完成。

2.2，读写时序 

下图为写时序图：

写时序有两种情况：“写1”时段和“写0”时段。主设备通过写1时段来向DS18B20中写入逻辑1以及通过写0时段来向DS18B20中写入逻辑0。每个写时段最小必须有60us的持续时间且独立的写时段间至少有1us的恢复时间。

为了形成写1时段，在将1-Wire总线拉低后，主设备必须在15us之内释放总线。当总线释放后，5kΩ的上拉电阻将总线拉至高。为了形成写0时段，在将1-Wire总线拉低后，在整个时段期间主设备必须一直拉低总线（至少60us）。

在主设备初始化写时段后，DS18B20将会在15us至60us的时间窗口内对总线进行采样。如果总线在采样窗口期间是高电平，则逻辑1被写入DS18B20；若总线是低电平，则逻辑0被写入DS18B20。

写时序对应代码：

//DS18B20写命令函数void ds18b20_write(unsigned char data)
{unsigned char i,j;for(j = 0;j<8;j++){DSPORT = 0;  //拉低总线，开始写时序，至少1usi++;DSPORT = data & 0x01; //从低字节开始void delay65us(void)   //持续至少60us{unsigned char a;for(a=28;a>0;a--);}DSPORT = 1;   //一个写周期后，至少间隔1us给总线恢复时间data >>= 1;   //数据左移1位}
}

下图为读时序图： 

仅在读时段期间DS18B20才能向主设备传送数据。因此，主设备在执行完读暂存寄存器[BEh]或读取供电模式[B4h]后，必须及时地生成读时段，这样DS18B20才能提供所需的数据。此外，主设备可以在执行完转换温度[44h]或拷贝EEPROM[B8h]命令后生成读时段，以便获得在“DS18B20功能命令”章节中提到的操作信息。

每个读时段最小必须有60us的持续时间且独立的写时段间至少有1us的恢复时间。读时段通过主设备将总线拉低超过1us再释放总线来实现初始化。当主设备初始化完读时段后，DS18B20将会向总线发送0或者1。DS18B20通过将总线拉至高来发送逻辑1，将总线拉至低来发送逻辑0。当发送完0后，DS18B20将会释放总线，则通过上拉电阻该总线将会恢复到高电平的闲置状态。从DS18B20中输出的数据在初始化读时序后仅有15us的有效时间。因此，主设备在开始改读时段后的15us之内必须释放总线，并且对总线进行采样。

//DS18B20 读命令函数unsigned char DS18B20_read()
{unsigned char byte,bi;unsigned char i,j;for(j=0; j<8; j++){DSPORT = 0;  //拉低总线，开始时序i++;DSPORT = 1;  //释放总线void delay6us(void)   //延时6us等待总线上数据稳定{unsigned char a;for(a=1;a>0;a--);}bi = DSPORT;		  //要在15us内读取byte = (byte>>1)|(bi<<7);void delay45us(void)   //延时至少45us{unsigned char a;for(a=19;a>0;a--);}}return byte;
}

3，DS18B20工作流程

温度获取流程： 

DS18B20不会主动进行温度测量， 需要主控主动发起温度转换命令，这是因为温度转换本身需要耗电的，所以设计为平时待机，收到温度转换命令后才会进行温度AD转换；

主控和DS18B20之间通讯是分周期的，让DS18B20进行温度转换就是一个周期。周期包含初始化和N个命令（每个周期的开始都有初始化）；

初始化主要探测目标DS18B20是否存在，若存在将芯片初始化；

命令很重要，DS18B20是一个典型的“命令-响应”型外设；这种外设的关键是命令集；

ROM操作指令：

DS18B20支持多个芯片串联在一个总线上，就是所谓的单总线协议，需要主控区分总线上多个DS18B20，因此需要ROM操作指令来完成这个任务；

ROM操作指令和温度采集一点关系都没有，所以当总线上只有一个DS18B20时，不需要管ROM操作指令；

系统中总线上有多个DS18B20，需要借助ROM操作指令来区分多个DS18B20,可能需要多条ROM操作指令来完成；

只有一个DS18B20时，使用SKIP ROM (0xCC）忽略；

功能指令：

ROM操作指令是为了在单总线上多个DS18B20中挑选那个我们要操作的DS18B20；

功能指令是为了和选定的DS18B20进行温度采样，常用温度转换指令和温度读取指令；

4，代码

时序代码： 

#include "timesires.h"
#include "uart.h"void delay500us()   //误差 -0.859028845284us
{unsigned char a,b;for(b=1;b>0;b--)for(a=227;a>0;a--);
}void delay20us(void)   //误差 -0.468396780902us
{unsigned char a,b;for(b=3;b>0;b--)for(a=1;a>0;a--);
}void delay65us()   //持续至少60us
{unsigned char a;for(a=28;a>0;a--);
}void delay6us(void)   //延时6us等待总线上数据稳定
{unsigned char a;for(a=1;a>0;a--);
}void delay45us(void)   //延时至少45us
{unsigned char a;for(a=19;a>0;a--);
}void delay1ms(void)   //误差 -0.651041666667us
{unsigned char a,b;for(b=102;b>0;b--)for(a=3;a>0;a--);
}void delay750ms(void)   //误差 -0.000000000171us
{unsigned char a,b,c;for(c=37;c>0;c--)for(b=66;b>0;b--)for(a=140;a>0;a--);
}//DS18B20初始化
unsigned char ds18b20_init()
{unsigned char i = 0;DSPORT = 0; //主设备拉低总线，发送复位脉冲，持续时间超过480usdelay500us();DSPORT = 1;   //释放总线while(DSPORT)	  //检测DS18B20是否在一定时间内拉低总线，//根据时序图判断最长时间为300us{if(i>20){return 0; //超过一定时间总线未被拉低，说明DS18B20没有发送存在脉冲}delay20us();i++;}return 1;   //DS18B20在一定时间内响应了		}//DS18B20写命令函数void ds18b20_write(unsigned char cmd)
{unsigned char i = 0,j = 0;for(j = 0;j<8;j++){DSPORT = 0;  //拉低总线，开始写时序，至少1usi++;DSPORT = cmd & 0x01; //从低字节开始delay65us();DSPORT = 1;   //一个写周期后，至少间隔1us给总线恢复时间cmd >>= 1;   //数据左移1位}
}//DS18B20 读命令函数unsigned char DS18B20_read()
{unsigned char byte = 0,bi = 0;unsigned char i = 0,j = 0;for(j=0; j<8; j++){DSPORT = 0;  //拉低总线，开始时序i++;DSPORT = 1;  //释放总线delay6us();bi = DSPORT;		  //要在15us内读取byte = (byte>>1)|(bi<<7);delay45us();}return byte;
}void DS18B20_changeTempCmd()
{ds18b20_init();delay1ms();		      //如果没有这个延时，读取的温度会有问题，用手捏着时在串口助手中看到的值不变ds18b20_write(0xcc);  //跳过ROM操作指令ds18b20_write(0x44);  //温度转换命令delay750ms();//delay750ms();
}void DS18B20_readTempCmd()
{ds18b20_init();delay1ms();ds18b20_write(0xcc);  //跳过ROM操作指令ds18b20_write(0xbe);  //温度读取命令
}unsigned int DS18B20_Temp_Read()
{unsigned int temp = 0;unsigned char tmh = 0, tml = 0;DS18B20_changeTempCmd();DS18B20_readTempCmd();tml = DS18B20_read();tmh = DS18B20_read();temp = tmh;temp <<=8;temp |= tml;return temp;}

串口代码：

#include "uart.h"// 串口设置为: 波特率9600、数据位8、停止位1、奇偶校验无
// 使用的晶振是11.0592MHz的，注意12MHz和24MHz的不行
void uart_init(void)
{// 波特率9600SCON = 0x50;   	// 串口工作在模式1（8位串口）、允许接收PCON = 0x00;	// 波特率不加倍// 通信波特率相关的设置TMOD = 0x20;	// 设置T1为模式2TH1 = 253;TL1 = 253;	   	// 8位自动重装，意思就是TH1用完了之后下一个周期TL1会// 自动重装到TH1去TR1 = 1;		// 开启T1让它开始工作
//	ES = 1;
//	EA = 1;
}// 通过串口发送1个字节出去
void uart_send_byte(unsigned char c)
{// 第1步，发送一个字节SBUF = c;// 第2步，先确认串口发送部分没有在忙while (!TI);// 第3步，软件复位TI标志位TI = 0;
}void uart_send_adVal(unsigned int val)
{uart_send_byte(val>>8);   //AD采样的数据为12位的，首先左移8位串口输出高4位uart_send_byte(val);	   //再输出低8位
}

main.c

 

#include "timesires.h"
#include "uart.h"
#include <intrins.h>void delay1s(void)   //误差 -0.000000000227us
{unsigned char a,b,c;for(c=13;c>0;c--)for(b=247;b>0;b--)for(a=142;a>0;a--);_nop_();  //if Keil,require use intrins.h
}void main()
{unsigned int ret = 0;uart_init();while(1){ret = DS18B20_Temp_Read();uart_send_adVal(ret);delay1s();}}

代码完成后遇到一个问题：用手捏着DS18B20发现在串口调试助手中看到的值不变化，

原因：DS18B20_changeTempCmd()函数中，初始化后没有进行时间延迟，直接发送ROM操作命令ds18b20_write(0xcc)，增加延迟函数后串口助手中显示值当用手捏着DS18B20会有变化。