DS18B20数字温度传感器(上)

DS18B20是美国Maxim Integrated（原Dallas Semiconductor）推出的一款款单总线数字温度传感器，凭借其单总线通信的简洁性、无需外围元件的集成设计、宽温域测量能力及可级联多节点的特性，成为嵌入式系统、环境监测、智能家居等领域中最常用的温度传感方案之一。从工业设备的过热保护到家庭温湿度计的精准测温，从汽车空调的环境感知到医疗设备的体温监测，DS18B20以其稳定的性能和灵活的应用方式，在各类温度采集场景中占据着重要地位，其设计理念充分体现了“简化硬件、强化软件”的嵌入式设计思路。

DS18B20的核心优势源于其独特的单总线（1-Wire）通信协议，这一协议允许仅通过一根信号线（加上地线）实现传感器与微控制器（MCU）之间的双向数据传输，极大简化了硬件布线。与传统的模拟温度传感器（如LM35）需要AD转换器、I2C传感器需要SDA/SCL两根线不同，DS18B20的单总线设计使系统电路更简洁，尤其适合空间受限或布线复杂的场景——例如，在分布式温度监测系统中，多个DS18B20可共用一根总线连接到MCU，无需为每个传感器单独布线，大幅降低了硬件成本与布线难度。单总线的通信过程通过严格的时序控制实现，包括初始化、ROM命令、功能命令三个阶段：初始化时，MCU先发送复位脉冲（至少480μs的低电平），释放总线后等待传感器返回应答脉冲（60~240μs的低电平），确认传感器在线；随后，MCU发送ROM命令（如读取64位ROM代码、匹配ROM、搜索ROM等），用于在多传感器级联时识别目标设备；最后发送功能命令（如启动温度转换、读取暂存器、写入配置寄存器等），完成具体的测温与数据交互。这种时序严谨的时序定义（如高低电平的最小/最大持续时间）是单总线通信可靠的关键，任何时序偏差都可能导致数据传输错误，因此在软件编程时需精确控制GPIO的电平切换时间。

从内部结构来看，DS18B20集成了温度传感器、12位ADC（模数转换器）、64位ROM、暂存器（Scratchpad）、EEPROM及单总线接口电路，这些模块协同工作实现温度的采集、转换与传输。温度测量的核心是内部的温度传感器，它能感知-55℃至+125℃的范围内感知-10℃至+85℃区间内，测量精度可达±0.5℃，在全量程内精度为±2℃，足以满足大多数民用与工业场景。传感器采集的模拟温度信号经12位ADC转换为数字量，转换结果存储在暂存器的两个两个字节中（温度寄存器），其中高位字节的高5位为符号位（0表示正温，1表示负温），低位字节与高位字节的低3位共同构成温度值的小数部分，通过特定的算法可解析出精确到0.0625℃的温度数据（如0x0550对应的温度为85℃，0x0000对应0℃，0xFFF8对应-0.5℃）。值得注意的是，DS18B20支持分辨率可调（9~12位），通过配置暂存器的配置寄存器（第4字节），可选择不同的转换精度：9位分辨率（温度增量0.5℃，转换时间93.75ms）、10位（0.25℃，187.5ms）、11位（0.125℃，375ms）、12位（0.0625℃，750ms），用户可根据应用对精度与速度的需求灵活配置，例如在实时性要求高的场景（如电机过热保护）选择9位分辨率，在精度要求高的场景（如实验室恒温箱）选择12位分辨率。

64位ROM是DS18B20实现多节点级联的核心，每颗传感器的ROM都包含唯一的64位序列号，这一序列号由8位家族码（DS18B20的家族码为0x28）、48位唯一序列号和8位CRC校验码组成。当多个DS18B20挂接在同一总线上时，MCU可通过“搜索ROM”命令遍历总线上所有传感器的序列号，再通过“匹配ROM”命令指定目标传感器进行通信，避免了多节点之间的信号冲突。这种设计使单总线系统最多可级联数百个传感器（受总线驱动能力限制），特别适合大型空间的分布式测温（如仓库、温室、电缆沟的多点温度监测）。暂存器（Scratchpad）是一个8字节的临时数据存储区，除了存储温度转换结果（第0~1字节）和配置寄存器（第4字节），还包含3字节的保留区（第2~3字节、第5字节）、1字节的CRC校验码（第7字节），其中CRC码用于验证暂存器数据的完整性——MCU读取暂存器后，可通过内置的CRC算法验证数据是否在传输过程中出错，确保温度数据的可靠性。EEPROM则用于永久保存配置寄存器的内容，当传感器上电时，EEPROM中的配置会自动加载到暂存器，保证分辨率设置在断电后不丢失。