温度传感器 DS18B20

DS18B20 是美信公司的一款温度传感器，单片机可以通过 1-Wire 协议与 DS18B20 进行通信，最终将温度读出。1-Wire 总线的硬件接口很简单，只需要把 DS18B20 的数据引脚和单片机的一个 IO 口接上就可以了。硬件的简单，随之而来的，就是软件时序的复杂。1-Wire总线的时序比较复杂，很多同学在这里独立看时序图都看不明白，所以这里还要带着大家来研究 DS18B20 的时序图。我们先来看一下 DS18B20 的硬件原理图，如图16-12所示。

图16-12 DS18B20 电路原理图

DS18B20 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16-13所示。

图16-13 DS18B20 温度数据格式

一共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。DS18B20 的温度测量范围是从-55度到+125度，而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，如图16-14所示。

图16-14 DS18B20 温度值

二进制数字最低位变化1，代表温度变化0.0625度的映射关系。当0度的时候，那就是 0x0000，当温度125度的时候，对应十六进制是 0x07D0，当温度是零下55度的时候，对应的数字是 0xFC90。反过来说，当数字是 0x0001 的时候，那温度就是0.0625度了。

首先，我先根据手册上 DS18B20 工作协议过程大概讲解一下。

1)初始化和 I2C 的寻址类似，1-Wire 总线开始也需要检测这条总线上是否存在 DS18B20 这个器件。如果这条总线上存在 DS18B20，总线会根据时序要求返回一个低电平脉冲，如果不存在的话，也就不会返回脉冲，即总线保持为高电平，所以习惯上称之为检测存在脉冲。此外，获取存在脉冲不仅仅是检测是否存在 DS18B20，还要通过这个脉冲过程通知 DS18B20 准备好，单片机要对它进行操作了，如图16-15所示。

图16-15 检测存在脉冲

大家注意看图，实粗线是我们的单片机 IO 口拉低这个引脚，虚粗线是 DS18B20 拉低这个引脚，细线是单片机和 DS18B20 释放总线后，依靠上拉电阻的作用把 IO 口引脚拉上去。这个我们前边提到过了，51单片机释放总线就是给高电平。

存在脉冲检测过程，首先单片机要拉低这个引脚，持续大概 480 us 到 960 us 之间的时间即可，我们的程序中持续了 500 us。然后，单片机释放总线，就是给高电平，DS18B20 等待大概15到 60 us 后，会主动拉低这个引脚大概是60到 240 us，而后 DS18B20 会主动释放总线，这样 IO 口会被上拉电阻自动拉高。

有的同学还是不能够彻底理解，程序列出来逐句解释。首先，由于 DS18B20 时序要求非常严格，所以在操作时序的时候，为了防止中断干扰总线时序，先关闭总中断。然后第一步，拉低 DS18B20 这个引脚，持续 500 us；第二步，延时 60 us；第三步，读取存在脉冲，并且等待存在脉冲结束。

bitGet18B20Ack(){bitack;EA=0;//禁止总中断IO_18B20=0;//产生500us复位脉冲DelayX10us(50);IO_18B20=1;DelayX10us(6);//延时60usack=IO_18B20;//读取存在脉冲while(!IO_18B20);//等待存在脉冲结束EA=1;//重新使能总中断returnack;}

很多同学对第二步不理解，时序图上明明是 DS18B20 等待 15 us 到 60 us，为什么要延时60 us 呢？举个例子，妈妈在做饭，告诉你大概5分钟到10分钟饭就可以吃了，那么我们什么时候去吃，能够绝对保证吃上饭呢？很明显，10分钟以后去吃肯定可以吃上饭。同样的道理，DS18B20 等待大概是 15 us 到 60 us，我们要保证读到这个存在脉冲，那么 60 us 以后去读肯定可以读到。当然，不能延时太久，太久，超过 75 us，就可能读不到了，为什么是 75 us，大家自己思考一下。

2)ROM 操作指令我们学 I2C 总线的时候就了解到，总线上可以挂多个器件，通过不同的器件地址来访问不同的器件。同样，1-Wire 总线也可以挂多个器件，但是它只有一条线，如何区分不同的器件呢？

在每个 DS18B20 内部都有一个唯一的64位长的序列号，这个序列号值就存在 DS18B20 内部的 ROM 中。开始的8位是产品类型编码（DS18B20 是 0x10），接着的48位是每个器件唯一的序号，最后的8位是 CRC 校验码。DS18B20 可以引出去很长的线，最长可以到几十米，测不同位置的温度。单片机可以通过和 DS18B20 之间的通信，获取每个传感器所采集到的温度信息，也可以同时给所有的 DS18B20 发送一些指令。这些指令相对来说比较复杂，而且应用很少，所以这里大家有兴趣的话就自己去查手册完成吧，我们这里只讲一条总线上只接一个器件的指令和程序。

Skip ROM（跳过 ROM）：0xCC。当总线上只有一个器件的时候，可以跳过 ROM，不进行 ROM 检测。

3)RAM 存储器操作指令RAM 读取指令，只讲2条，其它的大家有需要可以随时去查资料。 Read Scratchpad（读暂存寄存器）：0xBE

这里要注意的是，DS18B20 的温度数据是2个字节，我们读取数据的时候，先读取到的是低字节的低位，读完了第一个字节后，再读高字节的低位，直到两个字节全部读取完毕。

Convert Temperature（启动温度转换）：0x44

当我们发送一个启动温度转换的指令后，DS18B20 开始进行转换。从转换开始到获取温度，DS18B20 是需要时间的，而这个时间长短取决于 DS18B20 的精度。前边说 DS18B20 最高可以用12位来存储温度，但是也可以用11位，10位和9位一共四种格式。位数越高，精度越高，9位模式最低位变化1个数字温度变化0.5度，同时转换速度也要快一些，如图16-16所示。

图16-16 DS18B20 温度转换时间

其中寄存器 R1 和 R0 决定了转换的位数，出厂默认值就11，也就是12位表示温度，最大的转换时间是 750 ms。当启动转换后，至少要再等 750 ms 之后才能读取温度，否则读到的温度有可能是错误的值。这就是为什么很多同学读 DS18B20 的时候，第一次读出来的是85度，这个值要么是没有启动转换，要么是启动转换了，但还没有等待一次转换彻底完成，读到的是一个错误的数据。

4)DS18B20 的位读写时序DS18B20 的时序图不是很好理解，大家对照时序图，结合我的解释，一定要把它学明白。写时序图如图16-17所示。

图16-17 DS18B20 位写入时序

当要给 DS18B20 写入0的时候，单片机直接将引脚拉低，持续时间大于 60 us 小于 120 us就可以了。图上显示的意思是，单片机先拉低 15 us 之后，DS18B20 会在从 15 us 到 60 us 之间的时间来读取这一位，DS18B20 最早会在 15 us 的时刻读取，典型值是在 30 us 的时刻读取，最多不会超过 60us，DS18B20 必然读取完毕，所以持续时间超过 60 us 即可。

当要给 DS18B20 写入1的时候，单片机先将这个引脚拉低，拉低时间大于 1 us，然后马上释放总线，即拉高引脚，并且持续时间也要大于 60 us。和写0类似的是，DS18B20 会在 15 us 到 60 us 之间来读取这个1。

可以看出来，DS18B20 的时序比较严格，写的过程中最好不要有中断打断，但是在两个“位”之间的间隔，是大于1小于无穷的，那在这个时间段，我们是可以开中断来处理其它程序的。发送即写入一个字节的数据程序如下。

voidWrite18B20(unsignedchardat){unsignedcharmask;EA=0;//禁止总中断for(mask=0x01;mask!=0;mask<<=1){//低位在先，依次移出8个bitIO_18B20=0;//产生2us低电平脉冲_nop_();_nop_();if((mask&dat)==0){//输出该bit值IO_18B20=0;}else{IO_18B20=1;}DelayX10us(6);//延时60usIO_18B20=1;//拉高通信引脚}EA=1;//重新使能总中断}

读时序图如图16-18所示。

图16-18 DS18B20 位读取时序

当要读取 DS18B20 的数据的时候，我们的单片机首先要拉低这个引脚，并且至少保持 1 us 的时间，然后释放引脚，释放完毕后要尽快读取。从拉低这个引脚到读取引脚状态，不能超过 15 us。大家从图16-18可以看出来，主机采样时间，也就是 MASTER SAMPLES，是在 15 us 之内必须完成的，读取一个字节数据的程序如下。

unsignedcharRead18B20({unsignedchardat;unsignedcharmask;EA=0;//禁止总中断for(mask=0x01;mask!=0;mask<<=1){//低位在先，依次采集8个bitIO_18B20=0;//产生2us低电平脉冲_nop_();_nop_();IO_18B20=1;//结束低电平脉冲，等待18B20输出数据_nop_();//延时2us_nop_();if(!IO_18B20){//读取通信引脚上的值dat&=~mask;}else{dat"=mask;}DelayX10us(6);//再延时60us}EA=1;//重新使能总中断returndat;}