DAYS41 UART 串口通信 + DS18B20 单总线温度传感器

前言

最近学习 51 单片机外设，串口 UART 和 DS18B20 温度传感器是嵌入式入门必学模块。串口实现单片机和电脑 PC 数据交互；DS18B20 是经典单总线数字温度传感器，只需要一根 IO 口就可以完成双向通信，不需要 AD 采样，直接输出数字温度，非常适合做温度采集项目。

本文结合学习笔记，把硬件接线、核心原理、时序、命令、坑点全部梳理一遍，适合刚学 51 的同学。

一、UART 串口通信原理

1. 什么是 UART

UART：通用异步收发器。

作用：单片机 ↔ PC、单片机 ↔ 单片机之间数据通信
核心引脚：
- TXD：单片机发送数据
- RXD：单片机接收数据
- GND：必须共地！通信基准电压，不共地会乱码、接收不到数据。

硬件接线：单片机 TXD 接 CH340 模块 RXD；单片机 RXD 接 CH340 模块 TXD，GND 直连。电脑 USB 插 CH340，使用串口助手调试。

2. 关键概念：波特率

波特率：串口传输速率，单位 bps，代表每秒传输多少 bit。常用波特率：2400、4800、9600、115200。

重要：单片机波特率必须和串口助手波特率完全一致，否则乱码。

51 单片机模式 1/3 波特率计算公式：

复制代码

波特率 = (2^SMOD / 32) × 定时器1溢出率

SMOD：PCON 寄存器最高位，0=不加倍，1=波特率加倍
12T 模式：定时器 1 溢出率 = SYSclk / 12 / (256‑TH1)
6T 模式：定时器 1 溢出率 = SYSclk / 6 / (256‑TH1)

实际项目推荐晶振选用11.0592M，可以精准得到 9600、115200 波特率，避免波特率误差带来乱码。

3. 串口帧格式（模式 1，8 位数据，无奇偶校验）

1 位起始位 + 8 位数据位 + 停止位，没有校验位，串口助手一般选择 8‑N‑1。

4. 串口工作流程

发送流程

设置串口为模式 1
设置 SMOD 波特率加倍位
定时器 1 设置 8 位自动重装模式（模式 2），装载 TH1、TL1 初值
开启定时器 TR1
写数据到 SBUF 寄存器，硬件自动发送
发送完成后 TI 硬件置 1，软件必须手动清零 TI！

接收流程

配置模式 1，REN 置 1（允许接收）
定时器 1 配置同上
等待 RI 接收标志置 1，读取 SBUF
软件手动清零 RI

坑点：TI、RI 硬件置 1，不会自动清零，代码必须手动写 TI=0; RI=0;，忘记清零串口彻底卡死。

二、DS18B20 单总线温度传感器

1. DS18B20 硬件参数

供电：3.0V‑5.5V
测温范围：‑55℃ ~ +125℃
分辨率：9‑12bit 可配置，默认 12bit，一次温度转换最大耗时 750ms
引脚定义：
- VCC：电源
- GND：地
- DQ：单总线双向数据 IO（接单片机普通 IO，例如 P3^7）

DQ 引脚建议外接 4.7K 上拉电阻，单总线是开漏输出，必须上拉才能输出高电平。

接线：单片机 IO → DQ；GND 接 GND；VCC 接 3.3V/5V。

2. 单总线核心时序（重中之重，时序错就读不出温度）

所有通信由单片机（主机）主动发起，DS18B20（从机）被动应答。

① 复位时序

总线空闲高电平
主机拉低 DQ，至少480us复位脉冲
释放 DQ 总线
等待 DS18B20 发出存在脉冲（低电平，60‑240us），读到存在脉冲代表传感器正常。

如果读不到存在脉冲：硬件接线、上拉电阻、延时不对，传感器损坏。

② 写时隙（主机写数据给 DS18B20）

写 0：主机拉低总线保持 60‑120us
写 1：主机拉至少 1us，15us 内释放拉高总线

两个 bit 间隔必须大于 1us。

③ 读时隙（主机读取 DS18B20 数据）

主机拉低 DQ 大于 1us，触发读时隙
立刻释放总线
必须在 15us 以内采样 DQ 电平！
之后等待 60us 完成这一位读取。

坑点：读时序采样时间窗口非常窄，延时不准直接读到错误温度。

3. DS18B20 核心命令

表格

命令码	功能说明
`0xCC`	跳过 ROM 命令，总线上只有 1 颗 DS18B20 时使用
`0x44`	启动温度转换，12bit 下最长等待 750ms
`0xBE`	读取暂存器，读取 9 字节，前两个字节是温度 LSB、MSB

4. 读取温度完整流程

DS18B20 复位
发送 0xCC 跳过 ROM
发送 0x44 启动温度转换
等待 750ms 以上，等待转换完成
再次复位
发送 0xCC
发送 0xBE 读取暂存器
读取 LSB（低字节）、MSB（高字节）
合并 16 位温度数值，12bit 模式：实际温度 = 原始数值 × 0.0625 ℃

暂存器一共 9 字节，第 9 字节 CRC 校验，简单项目可以不用 CRC 校验。

5. 温度数据格式

16 位原始数据：

高 5bit：符号位；全 1 代表负温度
接下来 7bit 整数温度
低 4bit：小数位，最小分度 0.0625℃

三、完整示例代码（Keil C51）

环境：STC89C52，晶振 11.0592MHz；DS18B20 DQ 接 P3^7；串口波特率 9600；串口助手输出温度。

复制代码

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
#include <stdio.h>

sbit DQ = P3^7;

//====================延时函数====================
void DelayUs(unsigned int t)
{
    while(t--)
    {
        _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
    }
}

void DelayMs(unsigned int ms)
{
    unsigned int i,j;
    for(i=ms;i>0;i--)
        for(j=110;j>0;j--);
}

//====================串口UART初始化 9600@11.0592M====================
void UART_Init(void)
{
    TMOD |= 0x20;   //定时器1模式2，8位自动重装
    TH1 = 0xFD;
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;        //启动定时器1
    SCON = 0x50;    //模式1，REN=1允许接收
    PCON &= 0x7F;   //SMOD=0不加倍
}

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

void UART_SendStr(char *str)
{
    while(*str != '\0')
    {
        UART_SendByte(*str++);
    }
}

//====================DS18B20驱动====================
bit DS18B20_Init(void)
{
    bit ack;
    DQ = 1;
    DelayUs(10);
    DQ = 0;
    DelayMs(1);     //拉低>=480us
    DQ = 1;
    DelayUs(60);
    ack = DQ;       //读取应答脉冲
    DelayMs(1);
    return (!ack);  //返回1代表初始化成功
}

void DS18B20_WriteByte(unsigned char dat)
{
    unsigned char i;
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        DQ = 0;
        DelayUs(2);
        DQ = dat & 0x01;
        DelayUs(60);
        DQ = 1;
        dat >>= 1;
    }
}

unsigned char DS18B20_ReadByte(void)
{
    unsigned char i,dat=0;
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        DQ = 0;
        DelayUs(2);
        DQ = 1;
        DelayUs(8);     //15us以内采样
        if(DQ) dat |= 0x80 >> i;
        DelayUs(50);
    }
    return dat;
}

float DS18B20_GetTemp(void)
{
    unsigned char LSB,MSB;
    unsigned int temp_raw;
    if(!DS18B20_Init()) return 999; //传感器异常返回999
    
    DS18B20_WriteByte(0xCC);
    DS18B20_WriteByte(0x44); //启动转换
    DelayMs(800);             //等待转换完成
    
    DS18B20_Init();
    DS18B20_WriteByte(0xCC);
    DS18B20_WriteByte(0xBE);
    
    LSB = DS18B20_ReadByte();
    MSB = DS18B20_ReadByte();
    temp_raw = (MSB << 8) | LSB;
    return temp_raw * 0.0625f;
}

//====================主函数====================
void main(void)
{
    float temp;
    char buf[32];
    UART_Init();
    UART_SendStr("DS18B20 Temperature Test\r\n");
    
    while(1)
    {
        temp = DS18B20_GetTemp();
        if(temp > 900)
        {
            UART_SendStr("DS18B20 ERROR!\r\n");
        }
        else
        {
            sprintf(buf,"Temp = %.2f ℃\r\n",temp);
            UART_SendStr(buf);
        }
        DelayMs(1000);
    }
}

四、常见踩坑总结

📌串口常见问题

串口助手乱码：晶振不匹配、波特率设置错误；TH1/TL1 初值错误。优先使用 11.0592M 晶振。
收不到数据：忘记共 GND；TI 标志没有软件清零；REN 没有置 1 打开接收。
只收到部分字符：发送字符串末尾缺少\r\n换行。

📌DS18B20 常见问题

一直读 999 / 错误值：时序延时不对！DS18B20 对时序非常严格，晶振改变必须重写延时函数。
温度固定 85℃：上电默认值，没有执行 0x44 温度转换命令。
温度跳变：电源不稳，DQ 上拉电阻漏接；可以软件多次采样做滤波。
读取太快：发送0x44之后必须等待 750ms，没等转换完成就读取，数据无效。

五、拓展思考

多个 DS18B20 挂载同一根 DQ 总线：不能使用 0xCC 跳过 ROM，需要使用 ROM 匹配命令，匹配每个传感器唯一 64 位 ROM 序列号。
DS18B20 可以设置 9/10/11bit 分辨率，减少转换时间，牺牲精度。
串口除了发送，也可以做接收，单片机接收电脑下发指令，控制继电器、LED