54、DS18B20单线数字温度采集

DS18B20单线数字温度采集

一、DS18B20核心特性与硬件基础

1. 关键参数（必记！）

参数	规格细节
测量量程	-55℃ ~ +125℃（工业级场景全覆盖）
测量精度	-10℃~+85℃范围内±0.5℃，全量程误差≤±2℃
分辨率	9~12位可调（默认12位）：9位=0.5℃、10位=0.25℃、11位=0.125℃、12位=0.0625℃
工作电压	3V~5.5V（兼容51单片机3.3V/5V供电，无需额外稳压）
通信接口	GPIO单线总线（仅需1根I/O引脚+GND，硬件成本极低）
核心优势	无需外部元件、抗干扰强、支持多传感器组网、掉电保留配置

2. 引脚定义与接线方式

DS18B20采用TO-92封装，共3个引脚，51单片机接线如下：

DS18B20引脚	功能	51单片机连接方式
VDD	电源引脚	接3.3V/5V（外部电源模式），或悬空（寄生电源模式）
DQ	数据I/O	接任意GPIO引脚（本文代码用P3.7）+ 4.7KΩ上拉电阻
GND	地	接单片机GND（必须共地，否则信号干扰）

关键提醒：单线总线必须串联4.7KΩ上拉电阻，确保总线空闲时为高电平，通信稳定。

二、DS18B20核心时序原理（通信关键！）

DS18B20的通信依赖严格的时序协议，所有操作（复位、写数据、读数据）都需遵循单线总线的时序规则，这是采集成功的核心。

1. 复位时序（初始化）

所有通信必须从复位开始，流程如下：

主机（51单片机）拉低总线 ≥480μs（复位脉冲）；
主机释放总线，拉高后切换为输入模式；
DS18B20检测到上升沿后，延迟15~60μs，拉低总线 60~240μs（存在脉冲），告知主机"已就绪"；
DS18B20释放总线，恢复高电平，进入空闲状态。

代码对应：ds18b20_reset()函数中，通过Delay10us(70)实现700μs复位拉低，Delay10us(6)等待存在脉冲。

2. 写时序（主机→DS18B20）

主机通过不同的低电平时长传递"0"或"1"，每次仅发送1位，8位为1字节（LSB优先）：

写0 ：拉低总线 ≥60μs → 释放总线（拉高）；DS18B20在60μs内采样，低电平视为"0"；
写1 ：拉低总线 1~15μs → 释放总线（拉高）；DS18B20采样到高电平视为"1"；
两次写操作间隔 ≥1μs（恢复时间）。

代码对应：write_ds18b20()函数中，dat&1判断当前位，短延时对应写1，长延时对应写0。

3. 读时序（DS18B20→主机）

主机先拉低总线触发读操作，再释放总线由DS18B20控制总线电平，流程如下：

主机拉低总线 ≥1μs → 立即释放总线（拉高）；
主机在拉低后15μs内采样总线电平（高=1，低=0）；
单次读操作时长 ≥60μs，两次读间隔 ≥1μs。

代码对应：read_ds18b20()函数中，拉低后快速释放，通过DQ_CHECK检测电平，存入dat对应位。

三、核心命令解析（DS18B20操作灵魂）

DS18B20通过主机发送的8位命令执行对应操作，本文代码用到3个核心命令：

命令字节	命令名称	功能说明
0xCC	Skip ROM（跳过ROM）	无需读取DS18B20的唯一64位ROM编码，直接进入功能操作（单传感器场景首选，节省时间）
0x44	Convert T（温度转换）	启动一次温度测量，转换时间与分辨率相关（12位约750ms），转换期间总线需保持高电平
0xBE	Read Scratchpad（读暂存器）	读取DS18B20内部暂存器数据（共9字节，前2字节为温度数据）

扩展：多传感器组网时，需用0x55（Match ROM）命令+64位ROM编码，定位目标传感器。

四、51单片机代码完整解析

代码基于P3.7引脚实现，分"复位→测温→读数→数据解析"四大步骤，可直接编译下载使用。

1. 头文件与宏定义（ds18b20.h）

c 复制代码

#ifndef __DS18B20_H__
#define __DS18B20_H__

#include <reg51.h>

// 函数声明
int ds18b20_reset(void);          // 复位DS18B20
void write_ds18b20(unsigned char dat); // 写1字节到DS18B20
unsigned char read_ds18b20(void);    // 从DS18B20读1字节
float get_temp(void);               // 获取温度值（返回浮点型）

#endif

2. 核心功能实现（ds18b20.c）

c 复制代码

#include <reg51.h>
#include <intrins.h>
#include "ds18b20.h"
#include "delay.h"

// 宏定义：P3.7作为DQ引脚
#define  DQ_DOWN  (P3 &= ~(1 << 7))  // 拉低DQ
#define  DQ_HIGH  (P3 |= (1 << 7))  // 拉高DQ
#define  DQ_CHECK ((P3 & (1 << 7)) != 0)  // 检测DQ电平

/**
 * @brief  DS18B20复位初始化
 * @retval 1-复位成功，0-复位失败
 */
int ds18b20_reset(void)
{
    int t = 0;

    // 1. 发送复位脉冲（拉低≥480μs）
    DQ_DOWN;
    Delay10us(70);  // 70×10μs=700μs，满足≥480μs要求
    DQ_HIGH;         // 释放总线
    Delay10us(6);    // 等待60μs，准备接收存在脉冲

    // 2. 检测存在脉冲（DS18B20拉低总线）
    while (DQ_CHECK && t < 30)  // 超时300μs未检测到低电平→失败
    {
        Delay10us(1);
        t++;
    }
    if (t >= 30) return 0;  // 复位失败

    // 3. 等待存在脉冲结束（DS18B20拉高总线）
    t = 0;
    while (!DQ_CHECK && t < 30)  // 超时300μs未拉高→失败
    {
        Delay10us(1);
        t++;
    }
    if (t >= 30) return 0;  // 复位失败

    return 1;  // 复位成功
}

/**
 * @brief  向DS18B20写1字节数据（LSB优先）
 * @param  dat：要发送的字节
 */
void write_ds18b20(unsigned char dat)
{
    int i = 0;

    for (i = 0; i < 8; i++)  // 循环8次，每次写1位
    {
        if (dat & 1)  // 写1：拉低1~15μs
        {
            DQ_DOWN;
            _nop_();  // 短延时（约1μs）
            _nop_();
            DQ_HIGH;  // 释放总线
            Delay10us(5);  // 等待45μs，确保DS18B20采样
        }
        else  // 写0：拉低≥60μs
        {
            DQ_DOWN;
            Delay10us(6);  // 60μs
            DQ_HIGH;      // 释放总线
        }
        dat >>= 1;  // 右移1位，准备写下一位（LSB优先）
    }
}

/**
 * @brief  从DS18B20读1字节数据（LSB优先）
 * @retval 读取到的字节
 */
unsigned char read_ds18b20(void)
{
    unsigned char dat = 0;
    int i = 0;

    for (i = 0; i < 8; i++)  // 循环8次，每次读1位
    {
        DQ_DOWN;  // 拉低≥1μs，触发读操作
        _nop_();
        _nop_();
        DQ_HIGH;   // 释放总线，由DS18B20控制电平
        _nop_();
        _nop_();
        _nop_();    // 延时约3μs，准备采样

        if (DQ_CHECK)  // 采样电平：高=1，低=0
        {
            dat |= (1 << i);  // 存入对应位（LSB优先）
        }
        Delay10us(6);  // 单次读操作≥60μs
    }

    return dat;
}

/**
 * @brief  获取温度值
 * @retval 浮点型温度（精度0.0625℃）
 */
float get_temp(void)
{
    unsigned char tl = 0;  // 温度低字节（LSB）
    unsigned char th = 0;  // 温度高字节（MSB，含符号位）
    short t = 0;           // 组合后的16位温度数据

    // 1. 复位→跳过ROM→启动温度转换
    if (ds18b20_reset() == 0) return -99.9;  // 复位失败返回错误值
    write_ds18b20(0xCC);  // 跳过ROM（单传感器）
    write_ds18b20(0x44);  // 启动温度转换
    Delay1ms(1000);       // 等待转换完成（12位分辨率需750ms以上）

    // 2. 复位→跳过ROM→读暂存器
    ds18b20_reset();
    write_ds18b20(0xCC);  // 跳过ROM
    write_ds18b20(0xBE);  // 读暂存器

    // 3. 读取温度数据（前2字节为温度值，LSB先读）
    tl = read_ds18b20();  // 低字节
    th = read_ds18b20();  // 高字节

    // 4. 组合温度数据（16位带符号补码）
    t = th << 8;  // 高字节左移8位
    t |= tl;      // 拼接低字节

    // 5. 温度换算：12位分辨率→1LSB=0.0625℃
    return t * 0.0625;
}

3. 延时函数支持（delay.c/h）

DS18B20时序对延时精度要求高，需实现10μs、1ms级延时（11.0592MHz晶振）：

c 复制代码

// delay.h
#ifndef __DELAY_H__
#define __DELAY_H__
void Delay10us(unsigned int n);
void Delay1ms(unsigned int n);
#endif

// delay.c
#include <reg51.h>
void Delay10us(unsigned int n)
{
    unsigned int i, j;
    for (i = n; i > 0; i--)
        for (j = 2; j > 0; j--);  // 11.0592MHz下≈10μs
}

void Delay1ms(unsigned int n)
{
    unsigned int i, j;
    for (i = n; i > 0; i--)
        for (j = 110; j > 0; j--);  // 11.0592MHz下≈1ms
}

4. 主函数调用示例（main.c）

c 复制代码

#include <reg51.h>
#include "ds18b20.h"
#include "uart.h"  // 假设已实现串口发送函数

void main(void)
{
    float temp;
    uart_init();  // 初始化串口（用于打印温度）

    while (1)
    {
        temp = get_temp();  // 获取温度
        if (temp != -99.9)  // 采集成功
        {
            // 串口打印温度（需实现浮点型转字符串函数，此处省略）
            uart_sendstr("当前温度：");
            // 示例：打印整数部分+小数部分
        }
        Delay1ms(2000);  // 每2秒采集一次
    }
}

五、实战关键注意事项

上拉电阻不可少：4.7KΩ上拉电阻是单线总线稳定通信的核心，缺少会导致复位失败、数据传输错误；
延时精度要达标：时序中的时间参数（如复位480μs、写0 60μs）需严格匹配，延时误差过大会导致采集失败；
温度转换需等待：启动转换（0x44命令）后，必须等待足够时间（12位分辨率≥750ms），否则读取到的是旧数据；
寄生电源模式注意：若DS18B20采用寄生电源（VDD悬空），转换期间总线需保持高电平，不能进行其他操作；
多传感器组网 ：需使用0x55（Match ROM）命令+传感器唯一64位ROM编码，避免数据冲突。

六、温度数据解析原理

DS18B20的温度数据以16位带符号补码形式存储，格式如下：

位15（MSB）	位14-11	位10-4	位3-0（LSB）
符号位（0=正，1=负）	整数部分	小数部分	小数部分（12位分辨率）

正数：直接按"整数部分×1 + 小数部分×0.0625"换算；
负数：按补码规则转换（取反+1）后再换算，符号为负；
示例：温度25.5℃→二进制00000000 00011001.1000→十六进制0x00198→换算为25 + 8×0.0625=25.5℃。

总结

DS18B20的核心优势在于"单线通信+极简硬件"，学习重点集中在时序协议 和命令解析：复位是通信前提，写/读时序是数据传输基础，温度转换和读暂存器命令是核心操作。掌握本文代码和原理后，可轻松扩展多传感器组网、温度报警（利用TH/TL寄存器）、串口上传温度等功能，适用于环境监测、设备温控等嵌入式场景。