第20章 DS18B20温度传感器实验

1. 导入

在前面章节，我们介绍了如何使用单片机 IO 口模拟 IIC 总线时序。这一章我们来学习精度较高的外部 DS18B20 数字温度传感器，由于此传感器是单总线接口，所以需要使用 51 单片机的一个 IO 口模拟单总线时序与 DS18B20 通信，将检测的环境温度读取出来。开发板上集成了 1 个 DS18B20 温度传感器接口，需插上 DS18B20 温度传感器后才能测试温度。

2. DS18B20介绍

DS18B20 是由 DALLAS 半导体公司推出的一种的“ 一线总线（单总线） ” 接口的温度传感器。与传统的热敏电阻等测温元件相比，它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。

屏幕截图 2024 06 17 092334

DS18B20 内部结构如下图所示：

屏幕截图 2024 06 18 081554

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：

屏幕截图 2024 06 18 081752

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：

屏幕截图 2024 06 18 081909

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：

屏幕截图 2024 06 18 082005

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：

屏幕截图 2024 06 18 082058

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：

屏幕截图 2024 06 18 082215

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：

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（该时间的时间范围可以从 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：

屏幕截图 2024 06 18 082413

写时序

写时序包括写 0 时序和写 1 时序。所有写时序至少需要 60us，且在 2 次独立的写时序之间至少需要 1us 的恢复时间，两种写时序均起始于主机拉低总线。写 1 时序：主机输出低电平，延时 2us，然后释放总线，延时 60us。写 0时序：主机输出低电平，延时 60us，然后释放总线，延时 2us。写时序图如下：

屏幕截图 2024 06 18 082452

读时序

单总线器件仅在主机发出读时序时，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。所有读时序至少需要 60us，且在 2 次独立的读时序之间至少需要 1us 的恢复时间。每个读时序都由主机发起，至少拉低总线 1us。主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的 15us 之内采样总线状态。读时序图如下：

屏幕截图 2024 06 18 082525

典型的读时序过程为：主机输出低电平延时 2us，然后主机转入输入模式延时 12us，然后读取单总线当前的电平，然后延时 50us。

在了解了单总线时序之后，我们来看看 DS18B20 的典型温度读取过程， DS18B20 的典型温度读取过程为：复位→发 SKIP ROM 命令（ 0XCC） →发开始转换命令（ 0X44） →延时→复位→发送 SKIP ROM 命令（ 0XCC） →发读存储器命令（ 0XBE） →连续读出两个字节数据(即温度)→结束。

更多内容可以参考必备资料中的数据手册或者：DS18B20温度传感器使用介绍_ds18b20用于输入是用什么方式-CSDN博客

3. 硬件设计

本实验使用到硬件资源如下：

动态数码管
DS18B20

动态数码管电路在前面章节已介绍，这里就不再重复。下面来看下开发板上DS18B20 模块电路，如下图所示：

屏幕截图 2024 06 17 092445

从上图中可以看出，该电路是独立的，并且该接口可以支持 DS18B20 温度传感器和 DHT11 温湿度传感器。传感器接口的单总线管脚接至 J14 端子上，在介绍单总线的时候我们说过，为了让单总线默认为高电平，通常会在单总线上接上拉电阻。

4. 软件设计

本章所要实现的功能是：插上 DS18B20 温度传感器，数码管显示检测的温度值。

程序框架如下：

编写数码管显示功能
编写 DS18B20 读取温度功能
编写主函数

其中数码管显示函数我们已经写过现在只需拿过来用即可，这就是模块化编程的好处，下面我们开始写DS18B20相关函数

#ifndef _ds18b20_H
#define _ds18b20_H

#include "public.h"

//管脚定义
sbit DS18B20_PORT = P3^7; // DS18B20数据口定义


//函数声明
unsigned char ds18b20_init(void);
float ds18b20_read_temperture(void);

#endif

#include "ds18b20.h"
#include "intrins.h"

// 复位DS18B20  
void ds18b20_reset(void)
{
    DS18B20_PORT = 0; // 拉低DQ
    delay_10us(75); // 拉低750us
    DS18B20_PORT = 1; // DQ=1
    delay_10us(2); // 20US
}

// 检测DS18B20是否存在,1:未检测到DS18B20的存在，0:存在
unsigned char ds18b20_check(void)
{
    unsigned char time_temp = 0;

    while(DS18B20_PORT && time_temp < 20) // 等待DQ为低电平
    {
        time_temp++;
        delay_10us(1);    
    }

    if(time_temp >= 20)
        return 1; // 如果超时则强制返回1
    else 
        time_temp = 0;
    while((!DS18B20_PORT) && time_temp < 20) // 等待DQ为高电平
    {
        time_temp++;
        delay_10us(1);
    }
    if(time_temp>=20)
    {
        return 1; // 如果超时则强制返回1
    }
    return 0;
}

// 从DS18B20读取一个位
unsigned char ds18b20_read_bit(void)
{
    unsigned char dat = 0;

    DS18B20_PORT = 0;
    _nop_();_nop_();
    DS18B20_PORT = 1;    
    _nop_();_nop_(); //该段时间不能过长，必须在15us内读取数据

    if(DS18B20_PORT)
        dat = 1;    //如果总线上为1则数据dat为1，否则为0
    else 
        dat = 0;

    delay_10us(5);
    return dat;
} 

// ds18b20读取一个字节
unsigned char ds18b20_read_byte(void)
{
    unsigned char i = 0;
    unsigned char dat = 0;
    unsigned char temp = 0;

    for(i = 0; i < 8; i++) // 循环8次，每次读取一位，且先读低位再读高位
    {
        temp = ds18b20_read_bit();
        dat = (temp << 7) | (dat >> 1);
    }
    return dat;    
}

// 写一个字节到DS18B20
void ds18b20_write_byte(unsigned char dat)
{
    unsigned char i=0;
    unsigned char temp=0;

    for(i = 0; i < 8; i++)//循环8次，每次写一位，且先写低位再写高位
    {
        temp = dat&0x01; // 选择低位准备写入
        dat >>=1; // 将次高位移到低位
        if(temp)
        {
            DS18B20_PORT=0;
            _nop_();_nop_();
            DS18B20_PORT=1;    
            delay_10us(6);
        }
        else
        {
            DS18B20_PORT=0;
            delay_10us(6);
            DS18B20_PORT=1;
            _nop_();_nop_();    
        }    
    }    
}

// 开始温度转换
void ds18b20_start(void)
{
    ds18b20_reset(); // 复位
    ds18b20_check(); // 检查DS18B20
    ds18b20_write_byte(0xcc); // SKIP ROM
    ds18b20_write_byte(0x44); // 转换命令    
}

// 初始化DS18B20的IO口 DQ 同时检测DS的存在 
unsigned char ds18b20_init(void)
{
    ds18b20_reset();

    return ds18b20_check();    
}

// 从ds18b20得到温度值
float ds18b20_read_temperture(void)
{
    float temp;
    unsigned char dath = 0;
    unsigned char datl = 0;
    unsigned int value = 0;

    ds18b20_start(); // 开始转换
    ds18b20_reset(); // 复位
    ds18b20_check();    
    ds18b20_write_byte(0xcc); // SKIP ROM
    ds18b20_write_byte(0xbe); // 读存储器

    datl = ds18b20_read_byte(); // 低字节
    dath = ds18b20_read_byte(); // 高字节
    value=(dath << 8) + datl; // 合并为16位数据

    if((value&0xf800) == 0xf800) // 判断符号位，负温度
    {
        value=(~value) + 1; // 数据取反再加1
        temp=value * (-0.0625); // 乘以精度    
    }
    else //正温度
    {
        temp = value*0.0625;    
    }

    return temp;
}