嵌入式——51单片机3

【51单片机学习笔记】DS18B20温度传感器 + 51单片机阶段学习总复盘

📖今日学习：DS18B20数字温度传感器原理、时序、读写操作、代码实现；同时对整个51单片机阶段做学习总结。

🔍文章大纲

1. DS18B20 基础概念与硬件
2. DS18B20 核心时序（复位、写时序、读时序）
3. DS18B20 操作命令
4. DS18B20 完整代码示例
5. 📚51单片机整体学习阶段复盘
6. ✨学习重点汇总
7. ⚠️易错点&踩坑记录
8. 📝今日学习小结

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1. DS18B20 基础概念与硬件

DS18B20 是单总线数字温度传感器，只需要一根IO引脚就可以完成单片机和传感器之间的通信。

主要特性

1. 单总线协议：仅使用一根DQ信号线完成读写通信；电源可以采用外部供电或者寄生电源供电。
2. 测温范围：‑55℃ ~ +125℃。
3. 温度分辨率可配置，默认12位分辨率；12位模式下温度最小精度 0.0625℃。
4. 多个DS18B20可以挂载在同一根单总线上，依靠ROM序列号区分不同传感器。

硬件接线

• DQ：接单片机任意GPIO引脚；必须外接4.7K上拉电阻！单总线总线空闲状态必须为高电平。
• VCC：3.3‑5V供电
• GND：接系统地

寄生供电模式：VCC引脚接GND，由DQ信号线给传感器供电；稳定性差，实际开发优先使用外部VCC供电。

温度存储格式

DS18B20转换完成之后，温度存在两个字节：TH(高字节)、TL(低字节)

• 12位模式：高字节的高5位是符号位；低11位存放温度数据。
• 正数：直接把11位数值 ×0.0625 得到实际温度。
• 负数：需要对11位数据取补码之后再计算温度。

2. DS18B20核心时序

单总线对时序要求极其严格，延时必须精准，晶振一般使用11.0592M或者12M，延时错一点点就会读取失败。

① 复位时序（初始化）

1. 单片机把DQ拉低，保持至少480us；
2. DQ释放（拉高，依靠上拉电阻），等待15‑60us；
3. DS18B20会拉低DQ输出存在脉冲（应答脉冲）；
4. 单片机检测DQ，如果出现低电平代表传感器存在；否则传感器未连接/故障。

② 写时序（写0 / 写1）

每一位写周期最少60us，两位之间间隔至少1us。

• 写0：单片机拉低DQ，整个周期内保持低电平。
• 写1：单片机拉低DQ很短时间（1‑15us），然后释放DQ变为高电平。

单片机写DS18B20：低位先发送（LSB先行）。

③ 读时序

1. 单片机把DQ拉低，持续1‑2us，产生读起始信号，然后释放DQ；
2. 在拉低之后的15us之内读取DQ电平，获取bit数据；
3. 每一个读周期总时长至少60us。>

重点：采样必须在拉低之后15us以内完成，晚了采样数据错误。

3. DS18B20常用命令

ROM命令（匹配传感器序列号，多器件挂载使用）

1. 0x33：读ROM，读取DS18B20唯一64位序列号（单总线只挂一个传感器时使用）
2. 0x55：匹配ROM，选中指定序列号传感器
3. 0xCC：跳过ROM命令，总线上只有一个DS18B20的时候直接跳过ROM匹配，项目最常用。

功能命令

1. 0x44：启动温度转换；传感器开始采集温度，转换需要时间，12位模式最大750ms。
2. 0xBE：读取暂存器，读取TH、TL温度字节等9个字节数据。

单传感器标准操作流程：

1. 复位DS18B20
2. 发送跳过ROM命令 0xCC
3. 发送转换温度命令 0x44 → 等待转换完成
4. 再次复位
5. 发送跳过ROM 0xCC
6. 发送读暂存器命令 0xBE
7. 读取TL、TH两个字节，计算温度

4. DS18B20 51代码示例（12M晶振）

#include <reg52.h>
typedef unsigned char uchar;
typedef unsigned int  uint;

sbit DQ = P3^7;   //DS18B20单总线引脚

//简单延时
void delay_us(uint t)
{
    while(t--);
}

void delay_ms(uint t)
{
    uint i,j;
    for(i=t;i>0;i--)
        for(j=110;j>0;j--);
}

//DS18B20复位，返回1存在；0不存在
uchar ds18b20_reset(void)
{
    uchar ack;
    DQ = 0;
    delay_us(480);   //拉低至少480us
    DQ = 1;
    delay_us(60);
    ack = DQ;        //读取应答脉冲
    delay_us(420);
    return (!ack);
}

//写一个bit
void ds18b20_write_bit(uchar bit_dat)
{
    DQ = 0;
    delay_us(2);
    if(bit_dat) DQ = 1;
    delay_us(60);
    DQ = 1;
}

//写一个字节
void ds18b20_write_byte(uchar dat)
{
    uchar i;
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        ds18b20_write_bit(dat&0x01);
        dat >>= 1;
    }
}

//读一个bit
uchar ds18b20_read_bit(void)
{
    uchar bit_dat;
    DQ = 0;
    delay_us(2);
    DQ = 1;
    delay_us(8);      //必须15us内采样
    bit_dat = DQ;
    delay_us(50);
    return bit_dat;
}

//读一个字节
uchar ds18b20_read_byte(void)
{
    uchar i,dat=0;
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        dat >>=1;
        if(ds18b20_read_bit())
            dat |= 0x80;
    }
    return dat;
}

//读取温度，返回整型扩大10倍，如252代表25.2℃
int ds18b20_read_temp(void)
{
    uchar tl,th;
    int temp;
    if(!ds18b20_reset())
        return 0xffff;  //传感器异常

    ds18b20_write_byte(0xCC);  //跳过ROM
    ds18b20_write_byte(0x44);  //启动温度转换
    delay_ms(750);              //12位转换最大750ms

    ds18b20_reset();
    ds18b20_write_byte(0xCC);
    ds18b20_write_byte(0xBE);  //读暂存器

    tl = ds18b20_read_byte();
    th = ds18b20_read_byte();

    temp = (th<<8)|tl;
    //12位分辨率，放大10倍，保留小数点后1位
    temp = temp * 0.0625 *10;
    return temp;
}

void main(void)
{
    int temp;
    while(1)
    {
        temp = ds18b20_read_temp();
        delay_ms(1000);
    }
}

5. 📚51单片机整体学习阶段复盘

从入门到现在学习内容完整梳理：

1. 基础入门
   最小系统（电源、晶振、复位、单片机芯片）；机器周期概念；C51基本语法；sbit位定义。
2. GPIO输出与输入
   4组IO口特性：P0开漏无上拉；P1/P2/P3准双向口，输入前写1；LED点亮；共阳/共阴数码管静态、动态扫描，消影；按键查询检测，软件消抖。
3. 中断系统
   中断基本概念；5个中断源；中断号；总中断EA；外部中断边沿/电平触发；定时器0/1，模式1（手动重装）、模式2自动重装。
4. 外设驱动
   蜂鸣器有源无源区分，三极管驱动；UART异步串口通信；寄存器SCON、TMOD；查询收发、串口中断收发。
5. 单总线外设 DS18B20
   单总线通信，严格时序；复位、读写bit；ROM命令、功能命令；温度解析。

学习体会：51单片机重点在于硬件特性+时序理解 ，不是单纯写代码；很多bug根源是硬件电路或者延时时序不对。

后续可以学习：I2C、LCD1602、EEPROM；再过渡STM32。

✨学习重点

1. DS18B20是单总线协议，DQ引脚必须接4.7K上拉电阻，否则通信失败。
2. 时序是DS18B20重中之重：复位480us低电平；写时序、读时序采样窗口只有十几微秒，延时要匹配晶振。
3. 单传感器使用0xCC跳过ROM命令简化流程；多传感器不能跳过ROM，必须匹配ROM序列号。
4. 0x44温度转换命令发送后必须等待转换完成；12位分辨率最长需要750ms。
5. 温度高低字节TH、TL组合，12位分辨率系数0.0625；区分正负温度处理。
6. 51 IO口回顾：P0开漏；准双向口做输入必须写1；中断EA总中断；TI/RI硬件置位软件清零。
7. UART串口：TXD‑P3.1，RXD‑P3.0，交叉接线；优先11.0592M晶振。
8. 外设驱动思路：看懂硬件电路 → 读懂器件手册时序 → 编写底层时序函数 → 封装业务函数。

⚠️易错点&踩坑记录

1. ❌DS18B20忘记接4.7K上拉电阻，单总线无法工作，读出来温度乱码。
2. ❌延时函数和晶振不匹配，时序不对，复位应答收不到，读取全部错误。
3. ❌发送0x44启动温度转换之后没有等待转换时间，直接读暂存器，读到旧的错误温度。
4. ❌读时序采样时间太晚，超过15us窗口，bit采样错误，温度乱跳。
5. ❌多片DS18B20挂载总线上，依然使用0xCC跳过ROM命令，通信冲突。
6. ❌字节发送顺序搞反，单总线是低位先发送LSB先行。
7. ❌寄生供电模式，供电能力不足，传感器工作不稳定；开发优先外部VCC供电。
8. ❌51准双向IO，读外部信号前忘记写1，读取电平异常。
9. ❌串口忘记清零TI、RI标志位；DS18B20时序和串口延时混淆，两套延时不能混用。
10. ❌温度正负没有做处理，负温度读取出来是巨大的错误数值。

📝今日学习小结

今天学习DS18B20数字温度传感器，理解单总线通信协议，重点掌握复位、写bit、读bit严格时序；掌握ROM命令、转换命令、读取暂存器流程，解析温度数据。

同时对整个51单片机阶段进行复盘，从最小系统、GPIO、数码管按键，中断、定时器，蜂鸣器串口，再到单总线外设DS18B20。