学习笔记——DS18B20 温度传感器

DS18B20 温度传感器

一、传感器概述

1.1 基本特性

DS18B20 是由 Dallas Semiconductor（现 Maxim Integrated）生产的数字温度传感器。该器件采用单总线接口，可直接输出数字温度值，无需外部模数转换电路。

关键参数表：

参数类别	技术规格
温度测量范围	-55℃ 至 +125℃
测量精度	±0.5℃（-10℃ 至 +85℃范围内）
分辨率	可编程配置：9、10、11、12 位
默认分辨率	12 位（0.0625℃/LSB）
工作电压	3.0V 至 5.5V
转换时间	93.75ms（9位）至 750ms（12位）
封装形式	TO-92、SO-8、µSOP

1.2 引脚定义

TO-92 封装引脚排列（正视，引脚朝下）：

引脚功能说明：

引脚1（GND）：电源地，连接至系统参考地
引脚2（DQ）：单总线数据输入/输出引脚
引脚3（VDD）：电源输入引脚（3.0V-5.5V）

二、单总线通信协议

2.1 协议概述

单总线协议（1-Wire Protocol）采用单根数据线实现双向通信。该协议包含以下关键技术特性：

单主多从架构：单总线上可挂接多个从设备
寄生供电模式：通过数据线为设备供电，无需独立电源
严格的时序要求：所有通信操作都有精确的时序规范

2.2 电气特性

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典型应用电路：
VCC (+3.3V-5V)
  │
  ├─[4.7kΩ]─┐
  │         │
  └─────┐   │
        │   │
      DS18B20 │
       1│ 2│ 3│
       GND DQ VDD
        │   │
       GND  ├─→ MCU I/O Pin
            │
           GND

上拉电阻作用：

在总线空闲时提供确定的高电平状态
确保信号完整性，减少噪声影响
典型值：4.7kΩ ±5%

三、温度数据格式

3.1 温度寄存器结构

DS18B20 输出 16 位二进制补码格式的温度数据：

位位置	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
含义	S	S	S	S	S	2⁶	2⁵	2⁴	2³	2²	2¹	2⁰	2⁻¹	2⁻²	2⁻³	2⁻⁴

说明：

位 15-11：符号位（S=1 表示负温度，S=0 表示正温度）
位 10-4：整数部分（7 位二进制，范围 0-127）
位 3-0：小数部分（4 位二进制）

3.2 分辨率配置

DS18B20 提供四种分辨率设置，通过配置寄存器实现：

分辨率位数	R1	R0	温度精度	最大转换时间
9 位	0	0	0.5℃	93.75ms
10 位	0	1	0.25℃	187.5ms
11 位	1	0	0.125℃	375ms
12 位	1	1	0.0625℃	750ms

默认配置：R1=1, R0=1（12 位分辨率）

四、通信时序详析

4.1 复位脉冲时序

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时间参数要求：

主机复位脉冲宽度：最小 480μs
主机释放总线后延迟：15-60μs
从机响应脉冲宽度：60-240μs
总线恢复时间：最小 480μs

4.2 写时序规范

写"0"时序：

主机将总线拉低至少60us
ds18b20在60us内去采样，采到低电平，则代表主机向ds18b20发送了一个bit'0'
最后主机将总线拉高

写"1"时序：

主机将总线拉低大于1us
主机释放总线，将总线拉高
主机延时至少45us，确保ds18b20能够采样到一个高电平

写时间槽参数：

写"0"低电平时间：60-120μs
写"1"低电平时间：1-15μs
写周期总时间：最小 60μs，典型 70μs

4.3 读时序规范

读时间槽参数：

主机低电平时间：>1μs
采样窗口：低电平释放后 15μs 内
位周期总时间：最小 60μs

五、驱动程序实现

5.1 硬件抽象层定义

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// 引脚操作宏定义
#define DS18B20_PORT  P3      // 使用P3端口
#define DS18B20_PIN   7       // 使用P3.7引脚

// 总线操作宏
#define DQ_LOW()     (DS18B20_PORT &= ~(1 << DS18B20_PIN))
#define DQ_HIGH()    (DS18B20_PORT |= (1 << DS18B20_PIN))
#define DQ_INPUT()   (DS18B20_PORT |= (1 << DS18B20_PIN))  // 设置为输入模式
#define DQ_READ()    ((DS18B20_PORT & (1 << DS18B20_PIN)) ? 1 : 0)

5.2 精确延时函数

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/**
 * @brief 微秒级延时函数
 * @param us 延时微秒数
 * @note 基于11.0592MHz晶振，12时钟周期
 */
void delay_us(unsigned int us)
{
    while(us--)
    {
        _nop_(); _nop_(); _nop_();
        _nop_(); _nop_(); _nop_();
        _nop_(); _nop_(); _nop_();
    }
}

/**
 * @brief 毫秒级延时函数
 * @param ms 延时毫秒数
 */
void delay_ms(unsigned int ms)
{
    while(ms--)
    {
        delay_us(1000);
    }
}

5.3 复位函数实现

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/**
 * @brief DS18B20复位序列
 * @return 1:复位成功，检测到器件存在
 *         0:复位失败，器件无响应
 */
uint8_t DS18B20_Reset(void)
{
    uint8_t presence = 0;
    
    // 主机驱动总线为低电平
    DQ_LOW();
    
    // 保持低电平480μs以上（推荐500-550μs）
    delay_us(550);
    
    // 主机释放总线，上拉电阻拉至高电平
    DQ_HIGH();
    DQ_INPUT();  // 切换为输入模式
    
    // 延时等待15-60μs
    delay_us(30);
    
    // 检测从机响应脉冲
    if(DQ_READ() == 0)
    {
        // 等待从机释放总线（60-240μs）
        uint16_t timeout = 250;
        while(!DQ_READ() && timeout--);
        
        if(timeout > 0)
        {
            presence = 1;  // 检测到器件
        }
    }
    
    // 等待总线恢复（至少480μs）
    delay_us(500);
    
    return presence;
}

5.4 数据读写函数

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/**
 * @brief 向DS18B20写入一个字节
 * @param data 要写入的数据字节
 */
void DS18B20_WriteByte(uint8_t data)
{
    uint8_t i;
    
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        // 写时间槽开始
        DQ_LOW();
        
        if(data & 0x01)  // 写入"1"
        {
            // 保持低电平>1μs，然后释放总线
            _nop_(); _nop_();  // 约2μs延时
            DQ_HIGH();
            DQ_INPUT();
            
            // 保持总线高电平至少45μs
            delay_us(50);
        }
        else  // 写入"0"
        {
            // 保持低电平60-120μs
            delay_us(70);
            DQ_HIGH();
            DQ_INPUT();
        }
        
        // 写时间槽结束，恢复总线
        data >>= 1;  // 准备下一位
        delay_us(5); // 位间恢复时间
    }
    
    // 字节写入完成后，确保总线处于释放状态
    DQ_HIGH();
    DQ_INPUT();
}

/**
 * @brief 从DS18B20读取一个字节
 * @return 读取到的数据字节
 */
uint8_t DS18B20_ReadByte(void)
{
    uint8_t i;
    uint8_t data = 0;
    
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        // 读时间槽开始
        DQ_LOW();
        _nop_(); _nop_();  // 约2μs低电平
        
        // 主机释放总线，准备采样
        DQ_HIGH();
        DQ_INPUT();
        
        // 延时15μs后采样
        delay_us(15);
        
        // 读取总线状态
        if(DQ_READ())
        {
            data |= (0x01 << i);  // 读取到"1"
        }
        
        // 完成读时间槽（总时间>60μs）
        delay_us(45);
        
        // 确保总线恢复
        DQ_HIGH();
        DQ_INPUT();
    }
    
    return data;
}

5.5 温度读取完整流程

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/**
 * @brief 读取当前温度值
 * @return 温度值（浮点数，单位：℃）
 * @note 使用12位分辨率，转换时间约750ms
 */
float DS18B20_ReadTemperature(void)
{
    uint8_t temp_low, temp_high;
    int16_t temp_raw;
    float temperature;
    
    // 步骤1：启动温度转换
    if(!DS18B20_Reset())
    {
        return ERROR_TEMPERATURE;  // 定义错误值，如-999.0
    }
    
    // 发送跳过ROM命令（仅单设备情况）
    DS18B20_WriteByte(0xCC);
    
    // 发送温度转换命令
    DS18B20_WriteByte(0x44);
    
    // 等待转换完成（12位分辨率需750ms）
    delay_ms(750);
    
    // 步骤2：读取温度数据
    if(!DS18B20_Reset())
    {
        return ERROR_TEMPERATURE;
    }
    
    // 发送跳过ROM命令
    DS18B20_WriteByte(0xCC);
    
    // 发送读暂存器命令
    DS18B20_WriteByte(0xBE);
    
    // 读取温度寄存器（低字节和高字节）
    temp_low = DS18B20_ReadByte();
    temp_high = DS18B20_ReadByte();
    
    // 合成16位温度原始值
    temp_raw = (temp_high << 8) | temp_low;
    
    // 步骤3：温度值转换
    // 判断温度符号
    if(temp_raw & 0x8000)  // 负温度
    {
        // 计算补码的绝对值
        temp_raw = ~temp_raw + 1;
        temperature = -(temp_raw * 0.0625);
    }
    else  // 正温度
    {
        temperature = temp_raw * 0.0625;
    }
    
    return temperature;
}

七、调试与故障排除

7.1 常见问题及解决方案

问题现象	可能原因	解决方案
读取温度始终为0	总线无上拉电阻	添加4.7kΩ上拉电阻至VCC
温度值异常波动	电源噪声干扰	在VDD和GND间添加100nF电容
器件无响应	时序不符合规范	使用逻辑分析仪检查时序
温度转换失败	延时不足	确保750ms转换等待时间
多个传感器冲突	ROM未正确匹配	实现ROM搜索和匹配算法

八、技术参数总结表

技术指标	规格描述
通信接口	单总线（1-Wire）
数据格式	16位二进制补码
转换精度	用户可编程9-12位
最大采样率	9位：约10.6Hz，12位：约1.33Hz
总线负载能力	理论上最多可挂接数百个器件
温度误差	±0.5℃（-10℃至+85℃）
长期稳定性	±0.2℃/年（典型值）
ESD保护	人体模型：≥4kV