嵌入式系统（51单片机）核心外设详解：UART通信与DS18B20温度采集

掌握微控制器与外界设备的通信是嵌入式开发的基石。本文将深入剖析两种最经典的技术：UART异步串行通信 和DS18B20单总线温度采集，从协议原理到寄存器配置，为您提供清晰的实践指南。

第一部分：UART------通用异步收发传输器

1. 核心概念

UART是一种硬件接口，采用异步、全双工、串行 的通信协议。所谓"异步"，指通信双方没有统一的时钟线，依靠预先约定好的波特率来同步数据节奏。

2. 硬件连接

连接时务必牢记交叉互连原则：发送端（TXD）接接收端（RXD），接收端（RXD）接发送端（TXD），VCC和GND直接相连。

3. 通信方式辨析

单工：单向传输，如收音机。
半双工：双向但分时传输，如对讲机，同一时刻只能一方发言。
全双工：双向同时传输，如电话通话，UART即采用此方式。

4. 数据传输细节

发送顺序 ：遵循LSB（最低有效位）优先，即从数据的最低位（bit0）开始发送。
串行 vs 并行：
- 串行：单根数据线，逐位发送。成本低、距离远、抗干扰强，但速度相对慢。UART、I2C、SPI属此类。
- 并行：多根数据线，同时发送多位。速度极快，但成本高、线间干扰大、传输距离短。

5. 通信帧格式与参数

一个完整的UART数据帧包含：

起始位：1位低电平，标志传输开始。
数据位：通常为8位（5-9位可选），即要发送的有效数据。
校验位：1位，用于简单的错误检测。
- 奇校验：数据位+校验位中"1"的个数为奇数。
- 偶校验：数据位+校验位中"1"的个数为偶数。
- 无校验：不启用校验位。
- 注意：奇偶校验无法检测偶数个位发生的错误。
停止位：1位（或1.5、2位）高电平，标志帧结束。

常用参数组合示例 ：9600 8 N 1表示波特率9600，8位数据，无校验，1位停止位。

6. 51单片机UART寄存器配置（核心）

以51单片机为例，配置UART需操作以下几个关键寄存器：

SCON（串行控制寄存器，地址：98H）：
- SM0、SM1 ：选择工作模式。通常设置为01，选择8位UART、波特率可变模式。
- REN：接收使能位。置1允许串口接收数据。
- TI ：发送中断标志。发送完成时由硬件置1，必须用软件清0。
- RI ：接收中断标志。接收完成时由硬件置1，必须用软件清0。
PCON（电源控制寄存器，地址：87H）：
- SMOD：波特率加倍位。置1可使波特率翻倍。
定时器1用作波特率发生器：

UART的波特率由定时器1的溢出率产生。通常将定时器1配置为8位自动重装模式 （TMOD寄存器高4位设为0010B）。
- 波特率计算公式 ：波特率 = (2^SMOD / 32) * (定时器1溢出率)
- 定时器初值计算 ：TH1 = TL1 = 256 - (晶振频率) / (波特率 * 384 / (2^SMOD))
中断控制：
- 在IE（中断允许寄存器） 中，需将EA（总中断开关） 和 **ES（串口中断开关）** 置1，以启用串口中断功能。

配置流程总结：

确定波特率，计算定时器1（T1）初值。
配置TMOD，设T1为8位自动重装模式。
给TH1和TL1装入初值，启动T1（TR1=1）。
配置SCON，设工作模式，并使能接收（REN=1）。
配置PCON，决定是否波特率加倍（SMOD）。
配置IE，开启总中断和串口中断。

第二部分：DS18B20------单总线数字温度传感器

1. 传感器简介

DS18B20是一款著名的**单总线（1-Wire）** 数字温度传感器。

测量范围：-55℃ 至 +125℃。
精度：±0.5℃。
分辨率：可配置9~12位，默认12位，对应分辨率0.0625℃。
工作电压：3.0V - 5.5V。

2. 引脚与连接

传感器仅有三根引脚：

VCC：电源（3-5.5V）。
DQ ：单数据总线，需接4.7KΩ上拉电阻。
GND：地。

与单片机连接时，DQ引脚连接任意一个GPIO口（如P3.7）。

3. 单总线协议与操作时序

DS18B20通信严格依赖于精确的时序，所有操作都基于主机（单片机）对DQ线的拉低、释放和采样。

复位脉冲（初始化）：
1. 主机拉低DQ线至少480µs。
2. 主机释放DQ线（转为输入模式），由上拉电阻拉高。
3. DS18B20等待15-60µs后，会拉低DQ线60-240µs作为"应答脉冲"。
4. 主机检测到这个低电平，表示传感器存在。
写时序：
- 写'0'：主机拉低DQ线至少60µs，然后释放。
- 写'1'：主机拉低DQ线1-15µs，然后迅速释放，并保持高电平至少45µs。
读时序：
1. 主机拉低DQ线至少1µs。
2. 主机迅速释放DQ线。
3. 主机在拉低后的15µs内采样DQ线电平，读取到的即为传感器发送的数据位。

4. 温度读取完整流程

读取一次温度需要严格遵循以下命令序列：

复制代码

flowchart TD
    A[开始读取温度] --> B[发送复位脉冲]
    B --> C[发送跳过ROM命令 0xCC]
    C --> D[发送开始转换命令 0x44]
    D --> E{等待转换完成<br>（延时或查询）}
    E --> F[发送复位脉冲]
    F --> G[发送跳过ROM命令 0xCC]
    G --> H[发送读暂存器命令 0xBE]
    H --> I[连续读取2字节温度数据]
    I --> J[数据处理与转换]
    J --> K[结束]

关键命令：

0xCC：跳过ROM地址匹配，适用于单传感器场景。
0x44：启动温度转换。
0xBE：读取传感器内部暂存器（前2字节即为温度值）。

5. 温度数据处理

读出的温度值是16位有符号整数（二进制补码格式），低字节在前。

高字节的高5位（S）是符号位。S=0为正温度，S=1为负温度。
低字节的低4位是小数部分。
温度值计算 ：温度 = (读取的16位整数) * 0.0625

总结

UART和DS18B20是嵌入式系统中"通信"与"感知"的经典代表。理解UART，就掌握了微控制器与电脑、模块对话的通用语言；攻克DS18B20严格的单总线时序，则意味着具备了驱动复杂传感器的能力。建议在理解理论后，务必在开发板上动手实践，通过示波器观察波形，通过代码调试数据，才能真正融会贯通。