51单片机-外设温度计（DS18B20）知识总结

1. 外设温度计概述

外设温度计通常指通过单片机等主控芯片外接的温度传感器，用于实时采集环境或物体温度。在嵌入式开发中，DS18B20 是最常用的数字温度传感器之一，它采用单总线通信协议，只需一根数据线即可完成与主控的通信，接线简单、成本低廉，广泛应用于工业控制、智能家居、环境监测等场景。

2. DS18B20 传感器简介

DS18B20 是一款单总线的数字温度传感器，可以采集 9 到 12 bit 的温度数据，并支持设置温度上下限报警。它内部集成了温度采集、模数转换和通信逻辑，主控芯片只需通过单总线协议即可读取温度值。

• 测温范围：-55 ℃ 到 +125 ℃。
• 供电范围：3.0V 到 5.5V。
• 采集时间：在 12 bit 分辨率下，采集一次温度耗时约 750ms。
• 分辨率：可配置为 9 到 12 bit，默认上电为 12 bit。

3. 引脚说明

DS18B20 共有三个引脚，接线方式如下：

引脚	名称	说明
GND	地线	接单片机的 GND
DQ	数据线	通信传输引脚，接单片机的 P37
VCC	电源	接单片机的 VCC 引脚

4. 单总线通信时序

DS18B20 采用单总线协议，所有通信都由主机发起，时序要求较为严格，主要包括复位信号、写时序和读时序三类。

4.1 复位信号

• 空闲时总线保持高电平。
• 开始通信时，主机拉低总线至少 480us，让从机复位。
• 从机会在 480us 之内发送一个 60 到 240us 的低电平脉冲，表示对主机复位信号的响应。

4.2 写时序

• 主机写 0：拉低总线 60 到 120us，表示发送 0。
• 主机写 1：先拉低总线至少 1us，必须在 15us 以内拉高总线到高电平，让 DS18B20 采样到高电平。
• 发送数据时，位与位之间的间隔要大于 1us。

4.3 读时序

• 读取数据时，主机先拉低总线至少 1us，随后 DS18B20 开始控制总线向主机发送数据。
• 主机必须在 15us 内，在 13us 左右完成对总线电平的采样。
• DS18B20 发送 0 时，主机采样到低电平；发送 1 时，主机采样到高电平。

5. 内部暂存器与指令

DS18B20 内部有暂存器用于存放温度转换结果，主机通过发送特定指令来控制传感器工作。常用指令如下：

指令	功能
0xCC	跳过 ROM，直接访问传感器
0x44	启动温度转换，转换结果存入暂存器
0xBE	读取暂存器中的 9 个字节数据

6. 温度读取整体流程

读取 DS18B20 温度数据的完整流程如下：

1. 发送 DS18B20 复位信号。
2. 发送 0xCC，跳过 ROM。
3. 发送 0x44，启动温度转换。
4. 等待约 800ms，等待转换完成。
5. 再次发送复位信号。
6. 发送 0xCC，跳过 ROM。
7. 发送 0xBE，读取暂存器数据。
8. 读取 2 个字节数据，第一个字节为 LSB，第二个字节为 MSB。
9. 温度值 = 读取到的数值 × 0.0625。

7. 代码示例

下面给出基于 51 单片机读取 DS18B20 温度并通过串口输出的完整示例代码，可直接在 Keil 中编译运行。

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

sbit DQ = P3^7;

volatile unsigned char RecvBuff[20] = {0};
volatile unsigned char RecvLen = 0;
volatile unsigned char IsCommandLine = 0;

void Delay800ms(void)	//@11.0592MHz
{
	unsigned char data i, j, k;
	_nop_();
	i = 6;
	j = 155;
	k = 91;
	do
	{
		do
		{
			while (--k);
		} while (--j);
	} while (--i);
}

void Delay480us(void)	//@11.0592MHz
{
	unsigned char data i;
	_nop_();
	i = 218;
	while (--i);
}

void Delay10us(void)	//@11.0592MHz
{
	unsigned char data i;
	i = 2;
	while (--i);
}

void UartHandler(void)  interrupt 4
{
	if (RI)
	{
		RecvBuff[RecvLen] = SBUF;
		RI = 0;
		RecvLen++;
		if ('\n' == RecvBuff[RecvLen-1])
		{
			IsCommandLine = 1;
		}
	}
	return;
}

void UartInit(void)
{
	//设置串口工作模式为模式1
	SCON &= ~(0x3 << 6);
	SCON |= (0x1 << 6);
	//使能接收
	REN = 1;
	//波特率不加倍
	PCON &= ~(0x1 << 7);
	//设置定时器1为8位自动重装载
	TMOD &= ~(0x3 << 4);
	TMOD |= 0x1 << 5;
	//设置波特率为2400，TH1初值为0xF4
	TH1 = 0xF4;
	//开启定时器1
	TR1 = 1;
	//开启串口中断
	ES = 1;
	EA = 1;
	return;
}

void UartSendByte(unsigned char TmpByte)
{
	SBUF = TmpByte;
	while (0 == TI);
	TI = 0;
	return;
}

void UartSendString(char *pstr)
{
	while (*pstr != '\0')
	{
		UartSendByte(*pstr);
		pstr++;
	}
	return;
}

//DS18B20复位，拉低480us
void DQReset(void)
{
	DQ = 0;
	Delay480us();
	DQ = 1;
	return;
}

//读取DS18B20的回复
void ReadDQRespone(void)
{
	Delay10us();
	//等待低电平信号到来
	while (DQ);
	//跳过低电平
	while (!DQ);
	return;
}

void SendByte(unsigned char TmpByte)
{
	int n = 0;
	for (n = 0; n < 8; n++)
	{
		if (TmpByte & (0x1 << n))
		{
			DQ = 0;
			_nop_();
			_nop_();
			DQ = 1;
			Delay10us();
			Delay10us();
			Delay10us();
			Delay10us();
			Delay10us();
			Delay10us();
		}
		else
		{
			DQ = 0;
			Delay10us();
			Delay10us();
			Delay10us();
			Delay10us();
			Delay10us();
			Delay10us();
			DQ = 1;
			_nop_();
			_nop_();
		}
	}
	return;
}

unsigned char RecvByte(void)
{
	unsigned char TmpByte = 0x00;
	unsigned char n = 0;
	for (n = 0; n < 8; n++)
	{
		DQ = 0;
		_nop_();
		_nop_();
		DQ = 1;
		Delay10us();
		if (DQ)
		{
			TmpByte |= (0x1 << n);
		}
		Delay10us();
		Delay10us();
		Delay10us();
		Delay10us();
		Delay10us();
		Delay10us();
	}
	return TmpByte;
}

int ReadTemp(void)
{
	unsigned char LSBVal = 0;
	unsigned char MSBVal = 0;
	int Val = 0;
	//上电1ms，等待电平平稳
	DQ = 1;
	Delay480us();
	Delay480us();
	DQReset();
	ReadDQRespone();
	SendByte(0xCC);
	SendByte(0x44);
	Delay800ms();
	DQReset();
	ReadDQRespone();
	SendByte(0xCC);
	SendByte(0xBE);
	LSBVal = RecvByte();
	MSBVal = RecvByte();
	Val = (MSBVal << 8) | LSBVal;
	Val >>= 4;
	return Val;
}

int main(void)
{
	int Temp = 0;
	char tmpbuff[20] = {0};
	UartInit();
	while (1)
	{
		Temp = ReadTemp();
		sprintf(tmpbuff, "%d", Temp);
		UartSendString(tmpbuff);
		Delay800ms();
	}
	return 0;
}

代码说明：主函数循环读取温度值，通过 sprintf 转换为字符串后经串口发送，每次发送后延时 800ms。下面按功能模块对代码进行详细分析。

7.1 延时函数

代码中提供了三个延时函数，均基于 11.0592MHz 晶振计算循环次数：Delay800ms 用于等待温度转换完成，Delay480us 用于 DS18B20 复位时拉低总线，Delay10us 用于读写时序中的位级延时。这些延时通过空循环实现，精度依赖晶振频率，实际使用时需根据主频调整循环次数。

7.2 串口初始化与收发

UartInit 将串口配置为模式 1（8 位 UART），使能接收，波特率设为 2400，并开启串口中断。串口接收中断 UartHandler 将收到的字节存入 RecvBuff，当收到换行符时置位 IsCommandLine，用于后续命令解析。发送函数 UartSendByte 和 UartSendString 分别实现单字节和字符串发送，主函数通过它们把温度值输出到上位机。

7.3 单总线底层时序

DQReset 实现复位信号，拉低总线 480us 后释放；ReadDQRespone 等待从机的应答脉冲。SendByte 按位发送数据，写 1 时先拉低再快速拉高，写 0 时保持低电平约 60us；RecvByte 按位读取数据，在拉低总线后于 15us 内采样电平，从而还原每个 bit。这两组函数共同实现了 DS18B20 单总线协议的核心时序。

7.4 温度读取与主循环

ReadTemp 严格遵循第 6 节的流程：先复位并等待应答，发送 0xCC 跳过 ROM，发送 0x44 启动转换，延时 800ms 等待完成；再次复位后发送 0xBE 读取暂存器，取出 LSB 和 MSB 两个字节，合并后右移 4 位得到整数温度值。主函数 main 初始化串口后进入死循环，不断读取温度并通过串口发送，实现周期性上报。

7. 注意事项

• 单总线通信对时序要求严格，主机在读写时要注意拉低和采样的时间窗口，避免误码。
• DS18B20 上电默认工作在 12 bit 分辨率，温度转换一次约需 750ms，读取前需要留足等待时间。
• 接线时务必保证 GND 共地，否则通信可能不稳定。
• 如果使用寄生供电方式，数据线需要外接上拉电阻，具体以实际电路设计为准。