51单片机（四）DS18B20 数字温度传感器

1. 引言

DS18B20 是 DALLAS 公司（现属 Maxim Integrated）生产的一款单总线数字温度传感器，因其接口简单、精度高、支持多点组网等特性，被广泛应用于工业控制、环境监测、智能家居等场景。本文将从参数指标、内部结构、通信协议、上拉电阻与线与特性、采集流程以及通信时序六个方面，对 DS18B20 进行系统讲解。

2. DS18B20 参数指标

DS18B20 的核心参数如下：

量程（温度测量范围）：-55℃ ~ +125℃
精度：在 -10℃ ~ +85℃ 范围内，典型误差为 ±0.5℃
分辨率 ：可通过配置寄存器选择，默认 12 位
- 9 位：0.5℃（转换时间 93.75ms）
- 10 位：0.25℃（187.5ms）
- 11 位：0.125℃（375ms）
- 12 位（默认）：0.0625℃（750ms）
工作电压：3.0V ~ 5.5V
通信接口：单总线（One-Wire），半双工、串行、异步

3. 芯片内部结构

DS18B20 内部主要由以下模块组成：

64 位 ROM 与单总线接口：每个芯片拥有唯一的 64 位序列号，用于多点组网时寻址
存储器逻辑控制：协调芯片内部各模块的工作时序
暂存器（Scratchpad）：存放温度转换结果、配置参数、高温/低温触发阈值
温度传感器：核心测温单元
高温触发阈值（TH）与低温触发阈值（TL）：可配置，用于报警
8 位 CRC 校验生成器：为通信数据提供校验

4. 上拉电阻与线与特性

DS18B20 采用单总线通信，总线空闲时必须保持高电平。因此，在 DQ 数据线与 VCC 之间需要外接一个 4.7kΩ（典型值）的上拉电阻。

线与特性

当主机（如 51 单片机）和 DS18B20 都释放总线时，总线由上拉电阻拉为高电平。主机与 DS18B20 的引脚电平关系遵循「线与」逻辑：

主机电平	DS18B20 电平	总线电平
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

当主机或 DS18B20 需要作为数据接收方时，必须释放总线（将引脚置为高阻输入态），让上拉电阻将总线拉高。

5. 通信协议

DS18B20 使用单总线（One-Wire）协议进行半双工、异步、串行通信。所有数据读写均通过 DQ 引脚完成。

温度数据格式

温度值以 16 位、符号扩展的二进制补码 形式存储，通过单总线串行发出。默认 12 位分辨率下，每个 LSB 代表 0.0625℃。

6. 采集流程

读取 DS18B20 温度的完整流程如下：

复位：主机发送复位脉冲，等待 DS18B20 响应
发送 0xCC：跳过 ROM（单点采集时使用，多点需发送匹配 ROM 命令）
发送 0x44：启动温度转换
延时 750ms：等待转换完成（12 位分辨率下）
复位：再次复位
发送 0xCC：跳过 ROM
发送 0xBE：读取暂存器（读温度）
读取两个字节：低字节在前，高字节在后，拼接得到 16 位温度值

7. 通信时序详解

7.1 复位时序

复位是单总线通信的起始信号，时序如下：

主机将总线拉低 480μs ~ 960μs，发送复位脉冲
主机释放总线，总线由上拉电阻拉为高电平
DS18B20 检测到总线高电平后，等待 15μs ~ 60μs
DS18B20 将总线拉低 60μs ~ 240μs，回复响应脉冲
DS18B20 释放总线，总线恢复高电平，初始化完成

7.2 写时序

写时序分为写 '0' 和写 '1' 两种：

写 '0' 时序：

主机将总线拉低 60μs（最长 120μs）
DS18B20 在 30μs ~ 60μs 内采样，若总线为低电平，则读到 '0'
主机释放总线，总线恢复高电平

写 '1' 时序：

主机将总线拉低 小于 15μs ，然后释放总线，总线被拉高
DS18B20 在拉高后的 45μs 内 采样，若总线为高电平，则读到 '1'

7.3 读时序

读时序也分为读 '0' 和读 '1'：

读 '1' 时序：

主机拉低总线，持续 1μs，释放总线
DS18B20 释放总线，总线由上拉电阻拉为高电平
主机在 15μs 内 采样，此时总线为高电平，读到 '1'

读 '0' 时序：

主机拉低总线，持续 1μs ，释放总线
DS18B20 在主机释放总线后，主动拉低总线（表示传输 '0'）
主机在 15μs 内 采样，此时总线为低电平，读到 '0'

8. 代码实现示例

以下基于 51 单片机（C51）给出 DS18B20 驱动代码的核心函数：

c 复制代码

// 复位函数
unsigned char ds18b20_reset(void)
{
    unsigned char presence;
    DQ = 0;          // 拉低总线
    Delay480us();    // 延时 480μs
    DQ = 1;          // 释放总线
    Delay60us();     // 等待 60μs
    presence = DQ;   // 读取响应脉冲
    Delay240us();    // 等待时序结束
    return presence; // 0=存在，1=无响应
}

// 写一个字节
void ds18b20_write_byte(unsigned char dat)
{
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        DQ = 0;          // 拉低总线，启动写时序
        if (dat & 0x01)  // 写 '1'
        {
            DQ = 1;      // 释放总线，拉高
        }
        // 写 '0' 则保持低电平
        Delay60us();     // 保持 60μs
        DQ = 1;          // 释放总线
        dat >>= 1;
    }
}

// 读一个字节
unsigned char ds18b20_read_byte(void)
{
    unsigned char i, dat = 0;
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        DQ = 0;          // 拉低总线，启动读时序
        _nop_();         // 短暂延时
        _nop_();
        DQ = 1;          // 释放总线
        _nop_();
        _nop_();
        _nop_();
        if (DQ)          // 采样，高电平为 '1'
        {
            dat |= (0x01 << i);
        }
        Delay10us(6);    // 等待读时序结束
    }
    return dat;
}

// 采集温度（完整流程）
float ds18b20_get_temperature(void)
{
    unsigned char low, high;
    short temp_raw;
    float temperature;

    ds18b20_reset();
    ds18b20_write_byte(0xCC);  // 跳过 ROM
    ds18b20_write_byte(0x44);  // 启动温度转换
    Delay750ms();              // 等待转换完成

    ds18b20_reset();
    ds18b20_write_byte(0xCC);  // 跳过 ROM
    ds18b20_write_byte(0xBE);  // 读取暂存器

    low  = ds18b20_read_byte(); // 低字节
    high = ds18b20_read_byte(); // 高字节

    temp_raw = (high << 8) | low;  // 拼接 16 位补码
    temperature = temp_raw * 0.0625; // 12 位分辨率下转换

    return temperature;
}

9. 总结

DS18B20 凭借单总线接口、宽电压范围、高精度以及多点组网能力，成为嵌入式温度采集的首选方案。理解其复位时序、读写时序以及完整的采集流程，是正确驱动该传感器的关键。实际应用中，注意上拉电阻的选型（典型 4.7kΩ）和延时时间的精确控制，可有效提高通信稳定性。