• 【单片机】17-温度传感器DS18B20

    1.DS18B20相关背景知识

    1.温度传感器

    （1）测温度的方式：物理（汞柱，气压），电子（金属电性能随温度变化）

    （2）早期：热敏电阻（模拟接口---》A/D转换）

    （3）现代：专用sensor（数字接口，如I2C，DS18B20单总线接口等）

    2.DS18B20的基本特征

    DS18B20可编程分辨率单总线温度传感器

    （1）内置集成ADC，外部数字接口

    （2）单总线数字接口，布线成本低【单根数据线进行传输】---》串口【一根线】

    （3）温度范围宽，精度率高（相对）---》内部的精确度可以调节

    （4）数字值温度分辨率位数可软件设置---》内部的A/D转换器【位数越多，精度越高】

    （5）温度阈值报警功能，且阈值（TH和TL）可内置存储掉电不丢失（使用EEPROM）

    （6）温度采集速度快（750ms）---》CPU下命令进行A/D转换，然后通过数据总线将数据传输出去。

    （7）内置唯一64位的序列码，CPU可以单线串联无限多个DS18B20

    （8）支持VDD供电，或通过数据总线（DQ）及内部电容实现寄生电源供电【使用DQ供电】--------》如果使用DQ供电，则表示DQ要一直为高电平（1），如果DQ为低电平（0），则与GND两者都是低电平，无法供电。实际上在DS18B20内部还有一个电容，当DQ为1的时候，会一边供电，一边给电容充电；当DQ为低电平的时候，电容会放电供DS18B20使用。使用我们平常都将DQ置为高电平（1）防止出现两根线都为低电平。

    （9）没有CLK，所以是异步通信

    3.综合评价

    （1）DS18B20是很多年前的东西

    （2）现在趋向于温度+湿度的综合传感器

    （3）现实应用一般低端用热敏电阻【单片机中有A/D+热敏电阻即可】，热点偶，高端用精度传感器

    （4）学习难点是单总线协议的时序编程实现

    2.原理图

    1.原理图确认

    2.实体图确认

    3.接线确认

    注意不要接反了，否则很容易烧坏

    3.数据手册

    DS18B20数据手册-中文版 - 知乎 (zhihu.com)

    ds18b20数据手册-中文版-140407 - 豆丁网

    https://atta.szlcsc.com/upload/public/pdf/source/20230321/E2B7C84673F98AE08C6B0E4EDF67430D.pdf

    1.基本性能

    2.结构框图

    3.测温操作

    4.报警操作信号

    5.6 4 位 只 读 存 储 器

    7.存储器

    8.温度寄存器

    3.单总线系统

    1.“多点”VS“单点”

    单总线系统采用一个单总线控制器（CPU）来控制一个活多个从机。DS18B20总是充当从机。

    当只有一个从机挂在总 线上时，系统被称为“单点”系统；

    如果由多个从机挂在总线上，系统被称为“多点”系统。

    2.字节从低位开始读

    所有的数据和指令的传递都是从最低有效位开始通过单总线的。

    关于单总线系统分三个方面讨论：硬件结构、执行序列和单总线信号（信号类型和时序）。

    3.硬件结构

    单总线硬件连接要求：

    （1）漏极开路式+5K欧姆是上拉电阻

    （2）总线低电平超过480us，从设备（DS18B20）将被复位

    4.单总线协议标准执行步骤

    （1）主机必须按照单总线协议设定好的完整序列和DS18B20通信，每一个回合包含3个步骤：

    初始化+ROM操作指令+功能操作指令。

    顺序不能错也不能省略任何一个。

    1.初始化

    通过单总线的所有执行操作都从一个初始化程序序列开始。初始化序列包含一个由总线控制器发出的复位脉冲（将总线拉低超过480us）和 其后由从机发出的存在脉冲（回复主设备）。存在脉冲让总线控制器知道DS18B20在总线上且已经准备好操作。

    初始化：就是主设备线拉低数据总线超过480us以发出一个复位脉冲，然后从设备DS18B20收到复位脉冲后内部进行硬件复位，复位完成后回复主设备一个存在脉冲，主设备接收到存在脉冲后就认为从设备已经准备好，初始化完成。

    复 位 序 列 ： 复 位 和 存 在 脉 冲

    1）先将DATA电平拉低

    2）延时480us

    开始读取数据

    3）主设备将DATA拉高

    4）从设备将电平拉低，延时60-240us

    ​​​​​​​

    1. // 返回0则表示初始化成功，返回1则表示初始化失败
    2. static unsigned char ds18b20_init(void){
    3. 	
    4. 	unsigned char i=0;
    5. 	//按照时序图先将数据线电平拉低
    6. 	DATA=0;//拉低480us-960us
    7. 	Delay750us();// 实际延时750us，符合480-960之间的条件
    8. 	//按照时序图将电平拉高【释放总线】
    9. 	DATA=1;//然后拉高总线，如果DS18B20做出反应会将在15us~60us后总线拉低
    10. 	
    11. 	i=0;
    12. 	while(DATA){//等待DS18B20拉低总线
    13. 		i++;
    14. 		if(i>5)//等待>5s【超时】
    15. 		{
    16. 			return 1;//初始化失败
    17. 		}
    18. 		Delay15us();//每隔15us去读一次
    19. 	}
    20. 	return 0;//初始化成功
    21. }

    2.ROM指令

    3.功能指令

    4.读 / 写 时 序

    1. 写时序--CPU控制

    （1）DS18B20有两种写时序：写1时序和写0时序。总线控制器通过写1时序来写逻辑1；通过写0时序来写逻辑0。

    写 时序必须最少持续60us，包括两个写周期之间至少1us的恢复时间。【无法连续读】

    当总线控制器把数据线从逻辑高电平拉低到低电 平的时候，写时序开始。

    （2）总线控制器要写产生一个写时序，必须把数据线拉到低电平然后释放，且需在15us内释放总线。当总线被释放【变为高电平】后， 上拉电阻将总线拉高。总线控制器要生成写0时序，必须把数据线拉到低电平且继续保持至少60us。

    （3）总线控制器初始化写时序后，DS18B20在一个15us到60us的窗口内对信号线进行采用【DS18B20将数据接收走--》采样时间不固定】。如果线上是高电平，就 是写1。反之，如果线上是低电平，就是写0。

    1. 写“0”

    2. 写“1”

    3.官方代码实现

    1. //在开始之前数据总线是释放的【高电平】
    2. //所以在调用这个函数之前要确保数据总线状态为1
    3. void Ds18b20WriteByte(unsigned char dat)
    4. {
    5. 	unsigned int i = 0, j = 0;
    6.  
    7. 	for (j=0; j<8; j++)
    8. 	{
    9. 		DSPORT= 0;	     	  	//每写入一位数据之前先把数据总线拉低1us
    10. 		i++;//中间间隔1us，因为太小了，所以不能使用delay
    11. 		DATA = dat & 0x01;  	//然后写入一个数据，从最低位开始
    12. 		delay70us();			// 时序要求最少60us
    13. 		DSPORT= 1;	//然后释放总线，至少1us给总线恢复时间才能接着写入第二个数值
    14. 		dat >>= 1;     //这句代码就代表可以延时1us并且将数据位移动到对应的位置
    15. 	}
    16. }

    2.读时序--CPU和DS18B20一起控制

    总线控制器发起读时序时，DS18B20仅被用来传输数据给控制器。因此，总线控制器在发出读寄存器指令[BEh ]或读电源模式指令[B4h]后必须立刻开始读时序，以便DS18B20提供请求的数据。除此之外，总线控制器在发出发送 温度转换指令平[44h]或召回EEPROM指令[B8h]之后读时序，详见DS18B20功能指令节。

    所有读时序必须最少60us，包括两个读周期间至少1us的恢复时间。当总线控制把数据线从高电平拉低到低电平时，读时序开始，数据线必须至少保持1us，然后总线被释放。在总线控制器发出读时序后，DS18B20读/写时隙时序图过拉高或拉低总线上来传输1或0。当传输0结束后，总线将被释放，通过上拉电阻回到高电平空闲状态。从DS18B20 输出的数据在读时序的下降沿出现后15us内有效。因此，总线控制器在读时序开始15us内释放总线然后采样总线状态， 以读取数据线的状态。【在0-15us之有效，其他时间没有干其他事情】

    1.读“0”

    2.读“1”

    3.官方代码实现

    1. unsigned char Ds18b20ReadByte()
    2. {
    3. 	unsigned char byte = 0, bi = 0;//bi：存储读出的bit
    4. 	unsigned int i = 0, j = 0;
    5. 		
    6. 	for (j=8; j>0; j--)
    7. 	{
    8. 		DATA = 0;		//先将总线拉低1us
    9. 		i++;//中间间隔1us，因为太小了，所以不能使用delay
    10. 		DSPORT= 1;		//然后释放总线
    11. 		i++;
    12. 		i++;			//延时6us等待数据稳定
    13. 		bi = DSPORT;	 	//读取数据，从最低位开始读取
    14. 		/*将byte左移一位，然后与上右移7位后的bi，注意移动之后移掉那位补0。*/
    15. 		byte = (byte >> 1) | (bi << 7);	
    16. 		//byte |= (bi << (8-j));//可以替代上面
    17. 		delay45us();
    18. 	}				
    19. 	return byte;
    20. }

    5.DS18B20工作流程分析

    1.温度获取过程

    （1）DS18B20自己本身不会主动取进行温度测量，而是需要主控CPU主动发起一个温度转换的过程，这么设计是因为温度转换本身是要耗电的，所以设计位拼死待机等待温度转换命令后才取进行温度AD转换

    （2）主控CPU和DS18B20之间的通信是分周期，比如我们要让DS18B20进行温度转换就是一个周期。这个周期包括=初始化+n个指令（每一个周期的开始都要有一个初始化，然后跟着n个命令）

    （3）初始化过程主要是探测目标DS18B20是否存在（查看是否有响应），如存在将芯片初始化。

    （4）命令很重要。（18B20中是存在CPU的）所以DS18B20是一个典型的“命令-响应”型外设。

    （5）学习这种外设的关键是：命令集。

    1. //开启温度转换
    2. void Ds18b20ChangTemp(void)
    3. {
    4. 	Ds18b20Init();
    5. 	delay1ms();
    6. 	Ds18b20WriteByte(0xcc);		//跳过ROM操作命令		 
    7. 	Ds18b20WriteByte(0x44);	    //温度转换命令
    8. 	delay750ms();	//等待转换成功，而如果你是一直刷着的话，就不用这个延时了 
    9. }
    10.  
    11. void Ds18b20ReadTempCom(void)
    12. {	
    13. 	Ds18b20Init();
    14. 	delay1ms();
    15. 	Ds18b20WriteByte(0xcc);	 //跳过ROM操作命令
    16. 	Ds18b20WriteByte(0xbe);	 //发送读取温度命令
    17. }
    18.  
    19.  
    20. //将读取到的温度输出
    21. int Ds18b20ReadTemp(void)
    22. {
    23. 	unsigned int temp = 0;
    24. 	unsigned char tmh, tml;
    25. 	double t = 0;
    26.  
    27. 	Ds18b20ChangTemp();			 	//先写入转换命令
    28. 	Ds18b20ReadTempCom();			//然后等待转换完后发送读取温度命令
    29. 	tml = Ds18b20ReadByte();		//读取温度值共16位，先读低字节
    30. 	tmh = Ds18b20ReadByte();		//再读高字节
    31.  	temp = tmh;
    32.  	temp <<= 8;
    33.  	temp |= tml;
    34.  
    35.  
    36. 	return temp ;
    37. }

    2.ROM操作指令

    （1）DS18B20支持多个芯片串联在一根总线上，也就是所谓的单总线协议，所以必须要主控CPU要能够区分总线上多个18B20，因此有个ROM操作指令来完成这个任务（区分多个1SD8B20）

    （2）ROM操作指令和温度采集一点关系都没有，所以当我们总线上只有一个18B20的时候ROM操作指令我们不需要去管

    （3）一旦系统中单总线上有多个18B20，那么我们必须借助ROM操作指令来区分多个18B20，而且这个区分过程可能需要多个ROM指令来完成。

    （4）如果系统中只有一个18B20，那么就用一条skip rom命令（0xCC）就可以跳过这个阶段。【因为只有一个所以可以不用进行响应直接发送即可】

    3.功能指令

    （1）ROM操作指令目的是为了在单总线上多个18B20中挑选到那个当前我们要操作的18B20，而功能指令是为了和选定的18B20通信从而获取温度。

    6.DS18B20的编程要点

    1.几种工作思路

    （1）参考文档自己编写

    （2）参考示例代码移植

    2.DS18B20移植注意点

    （1）注意延时函数的本地实现---DS18B20对时间要求很高【代码里的时间有关的部分必须重写】

    （2）注意引脚配置（看原理图）

    （3）注意时序

    （4）线通过初始化来检测芯片是否能通再做其他的

    （5）注意读到的温度值是否会变

    3.代码实践

    1.移植初始化函数

    1. //初始化函数
    2. //返回0则表示初始化成功，1表示失败
    3. unsigned char Ds18b20Init(void){
    4. 	
    5. 	unsigned char i=0;
    6. 	DQIO=0;//将数据总线拉低
    7. 	Delay750us();//数据手册要求480us-900us
    8. 	DQIO=1;//然后拉高总线，如果DS18B20做出翻译会将再15us-60us后总线拉低
    9. 	
    10. 	//如果DS18B20接收到并且回应则DQIO=1，如果没有回应则DQIO=0
    11. 	i=0;
    12. 	while(DQIO){//ds18b20没有回应
    13. 		
    14. 		i++;
    15. 		if(i>5){//因为我们要求再15us-60us之间进行响应
    16. 			//而且我们设置延迟函数为15us，则表示15us进行一次检验
    17. 			//60/15=4次
    18. 			return 1;
    19. 		}
    20. 		Delay15us();
    21. 		
    22. 		
    23. 	}
    24. 	return 0;//初始化成功
    25. 	
    26. 	
    27. }

    2.移植串口函数作为调试

    uart.c

    1. #include "uart.h"
    2.  
    3.  
    4. // 串口设置为: 波特率9600、数据位8、停止位1、奇偶校验无
    5. // 使用的晶振是11.0592MHz的，注意12MHz和24MHz的不行
    6. void uart_init(void)
    7. {
    8. 	// 波特率9600
    9. 	SCON = 0x50;   	// 串口工作在模式1（8位串口）、允许接收
    10. 	PCON = 0x00;	// 波特率不加倍
    11.  
    12. 	// 通信波特率相关的设置
    13. 	TMOD = 0x20;	// 设置T1为模式2
    14. 	TH1 = 253;
    15. 	TL1 = 253;	   	// 8位自动重装，意思就是TH1用完了之后下一个周期TL1会
    16. 					// 自动重装到TH1去
    17.  
    18. 	TR1 = 1;		// 开启T1让它开始工作
    19. //	ES = 1;
    20. //	EA = 1;
    21. }
    22.  
    23. // 通过串口发送1个字节出去
    24. void uart_send_byte(unsigned char c)
    25. {
    26.    // 第1步，发送一个字节
    27.    SBUF = c;
    28.  
    29.    // 第2步，先确认串口发送部分没有在忙
    30.    while (!TI);
    31.  
    32.    // 第3步，软件复位TI标志位
    33.    TI = 0;
    34. }
    35.

    main.c 

    1. void main(){
    2. 	
    3. 	unsigned char ret=0;
    4. 	uart_init();
    5. 	uart_send_byte('!');//串口测试成功
    6. 	ret=Ds18b20Init();
    7. 	if(ret==0){
    8. 		uart_send_byte('K');//输出，则表示初始化成功
    9. 	}else{
    10. 		uart_send_byte('A');
    11. 	}
    12. 		
    13. 	
    14. 	while(1);
    15. }

    10.DS18B20移植

    1.写函数

    1. //写函数
    2. void Ds18b20_write_byte(unsigned char dat){
    3. 	
    4. 	unsigned int i=0,j=0;
    5. 	for(j=0;j<8;j++){
    6. 		
    7. 		DQIO=0;//每写入一位数据之前先将总线拉低1us
    8. 		i++;//延时效果
    9. 		DQIO=dat&0x01;//写入一个数据，从最低位开始
    10. 		Delay68us();//时序要求最少60us
    11. 		DQIO=1;//然后释放总线，至少1us给总线恢复时间
    12. 		dat>>=1;//将倒数第二位移动到倒数第一位
    13. 		
    14. 	}
    15. 	
    16. }

    2.读函数

    1. //读函数
    2. unsigned char Ds18b20_read_byte(){
    3. 	
    4. 	unsigned char byte=0,bi=0;
    5. 	unsigned int i=0,j=0;
    6. 	for(j=8;j>0;j--){
    7. 		DQIO=0;//先将总线低
    8. 		i++;//延时1us
    9. 		DQIO=1;//然后释放总线
    10. 		//【注意点：这个地方的时间控制很重要，如果太长或者太短都可能读取不到数据
    11. 		i++;
    12. 		i++;//延时6us等待数据稳定
    13. 		bi=DQIO;//读取数据，从最低位开始读取
    14. 		//将byte左移一位，然后与上右移7位后的bi，注意移动之后移掉的那位补0【因为我们从最低位开始读取】
    15. 		byte=(byte>>1) | (bi<<7);
    16. 		
    17. 		Delay45us();
    18. 	}

    3.转换温度

    注意点：温度转换是需要时间的，所以在转换温度后记得要延时一定的时间才可以（750ms）

    1. void Ds18b20ChangeTemp(void){
    2. 	
    3. 	Ds18b20Init();
    4. 	Delay1ms();
    5. 	
    6. 	Ds18b20_read_byte(0xcc);//跳过ROM操作命令
    7. 	Ds18b20_read_byte(0x44);//温度转换命令
    8. 	//因为我们转换温度需要时间才可以进行读取，所以我们需要时间等待
    9. 	//温度转换过程要750ms
    10. 	Delay750ms();//等待转换成功，而如果你是一直刷着，就不用延时
    11. }

    4.读取温度

    1. void Ds18b20ReadTemp(void){
    2. 	
    3. 	Ds18b20Init();
    4. 	Delay1ms();
    5. 	
    6. 	Ds18b20_read_byte(0xcc);//跳过ROM操作命令
    7. 	Ds18b20_read_byte(0xbe);//发送读取温度命令
    8. 	
    9. }

    5.将读取到的温度合并

    1. //将寄存器中（包括读取到）的温度（2位）合并成一位
    2. //但是如果这样写不方便在主函数调用
    3. //因为16位，用int无法输出，则我们使用串口直接输出
    4. /*
    5. unsigned int Ds18b20ReadTemp(void){
    6. 	
    7. 	unsigned int temp=0;//合并结果
    8. 	unsigned char tmh,tml;//高8位与低8位
    9. 	
    10. 	
    11. 	Ds18b20ChangeTemp();//先写入转换命令
    12. 	Ds18b20ReadTempCom();//然后等待转换完发送读取温度命令
    13. 	//读取温度一共12位（但是实际上显示16位）
    14. 	tml=Ds18b20ReadByte();//先读取温度的低8位
    15. 	tmh=Ds18b20ReadByte();//再读温度的高8位
    16. 	//将结果合并
    17. 	//(tmh<<8):因为高位是在合并结果的bit8，所以将tmh左移8位
    18. 	temp=tml | (tmh<<8);
    19. 	
    20. 	return temp;
    21. }
    22. */
    23. void Ds18b20ReadTemp(void){
    24. 	
    25. 	unsigned int temp=0;//合并结果
    26. 	unsigned char tmh,tml;//高8位与低8位
    27. 	
    28. 	
    29. 	Ds18b20ChangeTemp();//先写入转换命令
    30. 	Ds18b20ReadTempCom();//然后等待转换完发送读取温度命令
    31. 	//读取温度一共12位（但是实际上显示16位）
    32. 	tml=Ds18b20ReadByte();//先读取温度的低8位
    33. 	tmh=Ds18b20ReadByte();//再读温度的高8位
    34. 	
    35. 	uart_send_byte(0);
    36. 	uart_send_byte(tml);
    37. 	uart_send_byte(tmh);//前面四位为0
    38. }

    主函数

    1. #include"ds18b20.h"
    2. #include"uart.h"
    3.  
    4. void main(){
    5. 	
    6. 	/*
    7. 	unsigned char ret=0;
    8. 	uart_init();
    9. 	//uart_send_byte('!');//串口测试成功
    10. 	ret=Ds18b20Init();
    11. 	if(ret==0){
    12. 		uart_send_byte('K');//输出，则表示初始化成功
    13. 	}else{
    14. 		uart_send_byte('A');
    15. 	}
    16. 		*/
    17. 	
    18. 	
    19. 	while(1){
    20. 		
    21. 		Ds18b20ReadTemp();
    22. 		
    23. 	}
    24. }

    6.温度数据的移位组合

    7.数字值转为温度值

    换算：tml :0x99   tmh：0x01，意味着，温度数字值：0x199，换算成十进制为：409

    当前默认精度是12位，每一个数字值对应的应该是0.0625摄氏度

    所以计算出来的温度值应该是：409*0.0625=25.56摄氏度

    在单片机中，应该尽量避免进行小数运算。小数运算一般转换成整数运算。

    409*0.0625=409*625/10000

    注意点：

    （1）12位对应的是0.0625，可能会溢出

    temp=temp*625/10000;//此处产生溢出

    （2）强制类型转换

    1.  
    2. //将数值转换为温度值
    3. void Ds18b20ReadTemp2(void){
    4. 	
    5. 	unsigned int temp=0;//合并结果
    6. 	unsigned int tmh,tml;//高8位与低8位
    7. 	//因为我们要进行温度转换，所以0.0625是double
    8. 	double t=0;
    9. 	
    10. 	
    11. 	Ds18b20ChangeTemp();//先写入转换命令
    12. 	Ds18b20ReadTempCom();//然后等待转换完发送读取温度命令
    13. 	//读取温度一共12位（但是实际上显示16位）
    14. 	tml=Ds18b20ReadByte();//先读取温度的低8位
    15. 	tmh=Ds18b20ReadByte();//再读温度的高8位
    16. 	
    17. 	//将结果合并
    18. 	//(tmh<<8):因为高位是在合并结果的bit8，所以将tmh左移8位
    19. 	temp=tml | (tmh<<8);
    20. 	
    21. 	//temp=temp*625/10000;//此处产生溢出
    22. 	t=temp*0.0625;
    23. 	uart_send_byte(0);
    24. 	//uart_send_byte(temp);
    25. 	uart_send_byte((unsigned char)t);//因为t是double，所以要进行强制类型转换
    26. }
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