51单片机基础-DS18B20温度传感器

第十六章 DS18B20温度传感器

1. 导入

在前面章节中，我们学习了EEPROM、I²C通信等数据存储技术。本章将引入一种重要的传感器------DS18B20数字温度传感器 ，它采用单总线（1-Wire）协议 ，仅需一根I/O线即可完成供电与通信（支持寄生供电），具有测温精度高、抗干扰能力强、支持多点组网等特点。

DS18B20测温范围为 -55°C ~ +125°C ，精度可达 ±0.5°C，广泛应用于环境监测、恒温控制、智能家电等领域。

本章目标：

• 理解DS18B20的单总线通信原理；
• 掌握复位、读写时序；
• 实现温度的读取与解析；
• 将温度值通过数码管或串口显示；
• 为后续构建温控系统、数据采集网络打下基础。

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2. 硬件设计

2.1 DS18B20引脚说明（TO-92封装）

引脚	名称	连接方式
1	GND	接地
2	DQ	数据线（接单片机I/O）
3	VDD	接VCC（推荐外部供电）

有两种供电方式：

• 外部供电：VDD接VCC，DQ接I/O；
• 寄生供电：VDD接地，靠总线供电（对时序要求高）。
  本章采用外部供电方式，更稳定。

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2.2 电路连接

DS18B20	连接
GND	单片机GND
DQ	P1.7（单总线数据线）
VDD	VCC（+5V）

• 必须在DQ与VCC之间接一个4.7kΩ上拉电阻，确保空闲时为高电平。

单总线为开漏结构，需上拉。

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3. 软件设计

3.1 单总线通信原理

DS18B20使用单线双向通信，所有操作都由主机（单片机）发起。通信流程：

1. 复位：主机发送复位脉冲，DS18B20回应存在脉冲；
2. 发送命令：如启动测温（0x44）、读取温度（0xBE）；
3. 读取温度数据：16位有符号数，包含整数与小数部分。

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3.2 基本时序函数

#include <reg52.h>

sbit DQ = P1^7;

void delay_us(unsigned int us) {
    while(us--) _nop_();
}

// DS18B20复位
unsigned char ds18b20_reset() {
    unsigned char presence;
    DQ = 0;
    delay_us(480);     // 至少480μs
    DQ = 1;
    delay_us(60);      // 主机释放总线
    presence = DQ;     // 从机拉低表示存在
    delay_us(420);     // 等待周期结束
    return presence;   // 0: 存在，1: 无设备
}

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3.3 单总线读写函数

// 写一个字节
void ds18b20_write_byte(unsigned char dat) {
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        DQ = 0;
        _nop_();
        DQ = dat & 0x01;   // 先写低位
        delay_us(60);
        DQ = 1;
        dat >>= 1;
    }
}

// 读一个字节
unsigned char ds18b20_read_byte() {
    unsigned char i, dat = 0;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        DQ = 0;
        _nop_();
        DQ = 1;            // 释放总线
        delay_us(2);
        dat >>= 1;
        if (DQ) dat |= 0x80;
        delay_us(60);
    }
    return dat;
}

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3.4 启动温度转换

void ds18b20_start_convert() {
    ds18b20_reset();
    ds18b20_write_byte(0xCC);  // 跳过ROM命令（单设备）
    ds18b20_write_byte(0x44);  // 启动温度转换
}

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3.5 读取温度值

int ds18b20_read_temperature() {
    unsigned char TL, TH;
    int temp;

    ds18b20_reset();
    ds18b20_write_byte(0xCC);  // 跳过ROM
    ds18b20_write_byte(0xBE);  // 读温度寄存器

    TL = ds18b20_read_byte();  // 低8位
    TH = ds18b20_read_byte();  // 高8位

    temp = (TH << 8) | TL;     // 合成16位数据

    // 转换为实际温度（默认12位精度，0.0625°C/LSB）
    if (TH & 0x80) {           // 负数（补码）
        temp = ~temp + 1;
        return -((temp * 625) / 10000.0);  // 转为摄氏度（保留两位小数）
    }
    return (temp * 625) / 10000;           // 正数
}

温度单位为0.0625°C，所以实际温度 = 读数 × 0.0625

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3.6 简化温度读取（整数部分）

若只需整数温度：

unsigned char get_temp() {
    int temp = ds18b20_read_temperature();
    return temp / 1000;  // 返回整数部分（单位m°C）
}

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3.7 主程序示例：读取并显示温度

#include <reg52.h>

// 数码管段码表（共阴）
unsigned char code seg_code[] = {0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};

void delay_ms(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++)
        for (j = 0; j < 125; j++);
}

void display_digit(unsigned char pos, unsigned char num) {
    P0 = seg_code[num];
    P2 = (P2 & 0xF0) | (0x0F & ~(1 << pos));
    delay_ms(1);
}

void main() {
    int temp;
    unsigned char t_display[4];

    while(1) {
        ds18b20_start_convert();
        delay_ms(750);  // 最长转换时间（12位精度）

        temp = ds18b20_read_temperature();  // 单位：0.001°C

        // 分离各位数字（假设温度0~99.9°C）
        t_display[0] = (temp / 1000) / 10;       // 十位
        t_display[1] = (temp / 1000) % 10;       // 个位
        t_display[2] = (temp % 1000) / 100;      // 小数第一位
        t_display[3] = 0x80 | seg_code[t_display[2]]; // 带小数点

        // 动态扫描显示
        unsigned char i;
        for (i = 0; i < 100; i++) {
            display_digit(0, t_display[0]);
            display_digit(1, t_display[1]);
            display_digit(2, seg_code[t_display[2]]);
            delay_ms(5);
        }
    }
}

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3.8 通过串口发送温度

void uart_send_byte(unsigned char dat) {
    SBUF = dat;
    while(TI == 0);
    TI = 0;
}

void send_temp_serial() {
    int temp = ds18b20_read_temperature();
    uart_send_string("Temp: ");
    if (temp < 0) {
        uart_send_byte('-');
        temp = -temp;
    }
    uart_send_byte('0' + temp / 10000);
    uart_send_byte('0' + (temp / 1000) % 10);
    uart_send_byte('.');
    uart_send_byte('0' + (temp % 1000) / 100);
    uart_send_string("°C\r\n");
}

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3.9 编译与下载

• Keil中创建工程；
• 确保DQ接P1.7，上拉电阻为4.7kΩ；
• 编译生成HEX；
• 下载至单片机；
• 观察数码管或串口是否显示合理温度。

若读数为85°C（默认值）：

• 未成功启动转换；
• 检查复位和写命令流程。

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4. 小结

本章通过驱动DS18B20温度传感器，掌握了单总线通信与传感器数据采集技术，主要内容包括：

• 硬件连接：学会使用外部供电与上拉电阻；
• 通信时序：掌握复位、读写、存在脉冲等单总线机制；
• 温度解析：从16位数据提取实际温度值；
• 应用扩展：通过数码管或串口显示温度；
• 系统能力：为构建温控系统、环境监测设备奠定基础。

4.1 常见问题与解决

问题	原因	解决方法
读数85°C	未成功通信，返回默认值	检查复位和上拉电阻
读数异常	时序不准	优化delay_us，避免编译器优化
多设备冲突	未使用ROM匹配	单设备用0xCC跳过，多设备需读ROM
转换慢	精度设为12位	可设置为9位加快速度

4.2 下一步学习建议

• 学习 多DS18B20组网，实现多点测温；
• 结合 继电器 实现恒温控制；
• 使用 LCD1602 显示更丰富信息；
• 构建 无线温湿度监控系统（加nRF24L01）。

本章标志着你已掌握单总线传感器驱动能力，具备了数据采集系统的核心技能

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