DS18B20数字温度传感器操作解析

引言

DS18B20 是一种广泛使用的数字温度传感器，具有高精度和易用性。是Dallas Semiconductor公司（现为Maxim Integrated公司）生产的单总线数字温度传感器。

特点

1. 高精度：温度测量精度为±0.5°C。分辨率可配置为9到12位，默认情况下为12位。
2. 宽测温范围：温度测量范围为-55°C到+125°C。
3. 单总线接口：使用1-Wire通信协议，仅需一根数据线进行通信，极大地简化了布线。支持多个传感器连接到同一总线，通过唯一的64位序列号进行识别。
4. 电源选项：支持寄生电源模式，只需两根引脚（数据和地）即可工作，通过数据线提供电源。
   工作电压范围为3.0V到5.5V，适用于各种微控制器和电源环境。
5. 低功耗：在非活动状态下功耗极低，适合电池供电的应用。
6. 内置存储：具有温度上限和下限的报警功能，用户可以设置温度阈值。
   内置非易失性存储器，可存储用户配置。

工作原理

DS18B20 通过1-Wire协议进行通信，只需要一根数据线（以及电源和地线）。每个DS18B20传感器都有一个唯一的64位序列号，使得多个传感器可以同时连接在一条总线上而不会发生地址冲突。

引脚说明

DS18B20 有三根引脚：

• VDD（电源）: 3.0V到5.5V
• GND（地）: 连接到系统地
• DQ（数据）: 与微控制器的GPIO引脚连接，同时通过一个4.7kΩ的上拉电阻连接到VDD

配置寄存器

配置寄存器用于设置温度测量的分辨率，以及控制其他功能。它是一个8位的寄存器。低五位全是1，高三位的TM是测试模式位，用来设置DS18B20在工作模式还是测试模式。出厂设置的是0，用户无法进行更改。

配置寄存器中的R1和R0位用于设置温度测量的分辨率。不同的分辨率会影响测量的精度和转换时间。以下是R1和R0位的组合及其对应的分辨率和转换时间：

R1	R0	精度	最大转换时间
0	0	9位（bit）	93.75 ms
0	1	10位（bit）	187.5 ms
1	0	11位（bit）	375 ms
1	1	12位（bit）	750 ms

R1 和 R0 位的组合决定了 DS18B20 传感器的温度测量精度（分辨率），精度越高，最大转换时间越长。（注意：默认情况下是12位）

温度寄存器

温度寄存器存储的是当前的温度测量值。它是一个16位的寄存器，由两个字节组成：

• 高字节（Most Significant Byte, MSB）：前五位用于表示符号位。
• 低字节（Least Significant Byte, LSB）

其中 S 表示符号位（0 表示正温度，1 表示负温度）。

温度数据以补码形式存储，具体转换公式如下：

• $温度(°C)=\frac{RawTemperatureData}{16.0}$

例如，读取的原始数据为 0x0191，则温度值为：$温度(°C)=\frac{0x0191}{16.0}=\frac{401}{16.0}=25.0625$

注意：负温度，需要对数据输出进行取反之后加1，然后按照上面的公式进行计算。

时序

DS18B20 温度传感器通过单总线（1-Wire）协议进行通信。1-Wire 协议使用一根数据线（DQ）进行通信，该协议包括复位、存在检测、命令和数据传输等操作。

初始化时序

在使用 DS18B20 温度传感器时，初始化时序是至关重要的。初始化时序包括总线复位、存在脉冲以及设备初始化的详细步骤。

初始化时序步骤

1. 总线复位：主机通过总线复位将数据线拉低至少 480 微秒（µs），以重置总线上的所有设备。此时，所有连接在总线上的 DS18B20 设备都会被复位。

2. 存在脉冲：DS18B20 响应主机的复位信号，在复位脉冲后的 15-60 µs 内，将数据线拉低 60-240 µs，发送存在脉冲。

3. ROM 命令：ROM 命令用于选择特定的 DS18B20 设备。在单个设备的情况下，可以使用跳过 ROM（Skip ROM）命令。常见的 ROM 命令包括：

4. 功能命令：功能命令用于控制 DS18B20 的操作，如温度转换和数据读取。常见的功能命令包括：

   • Convert T (0x44): 启动温度转换。
   • Write Scratchpad (0x4E): 向 Scratchpad 写入数据。
   • Read Scratchpad (0xBE): 读取 Scratchpad 数据。
   • Copy Scratchpad (0x48): 将 Scratchpad 数据复制到 EEPROM。
   • Recall E2 (0xB8): 从 EEPROM 读取数据到 Scratchpad。
   • Read Power Supply (0xB4): 检查设备的电源模式。

写时序

写时段有两种情况：“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。两次写时序均起始于主机拉低总线。

读时序

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的典型温度读取过程为：复位$\to$发SKIP ROM命令（0xCC）$\to$发开始转换命令（0x44）$\to$延时$\to$复位$\to$发送SKIP ROM命令（0xCC）$\to$发读存储器命令（0xBE）$\to$连续读出两个字节数据（即温度）$\to$结束。

数据传输包括命令和数据的写入和读取。常见命令包括：

• Skip ROM（0xCC）：跳过 ROM 操作，直接与总线上唯一的 DS18B20 通信。
• Read Scratchpad（0xBE）：读取 Scratchpad 的内容。
• Write Scratchpad（0x4E）：向 Scratchpad 写入数据。
• Convert T（0x44）：启动温度转换。
• Copy Scratchpad（0x48）：将 Scratchpad 的内容复制到 EEPROM。
• Recall E2（0xB8）：将 EEPROM 的内容读取到 Scratchpad。
• Read Power Supply（0xB4）：检查 DS18B20 是否使用寄生电源。

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