4.5 DS18B20温度传感器
4.5.1 原理图介绍
图4-5-1
图4-5-2
实验板上的DS18B20模块接在单片机的P3.5 IO口上，在插入DS18B20芯片时，圆弧朝上插入，具体效果可以看上面图片。
4.5.2 DS18B20温度传感器介绍
DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，它的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。
DS18B20的主要特征如下：
(1)、全数字温度转换及输出。
(2)、先进的单总线数据通信。(一根线即可采集温度)
(3)、最高 12 位分辨率，精度可达土 0.5 摄氏度。
(4)、12 位分辨率时的最大工作周期为 750 毫秒。
(5)、可选择寄生工作方式。
(6)、检测温度范围为–55° C ~+125° C (–67° F ~+257° F)
(7)、内置 EEPROM，限温报警功能。
(8)、64位光刻 ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。(支持一根线操作多个芯片)
(9)、多样封装形式，适应不同硬件系统，封装可以看下面的图片。
图4-5-3
图片里芯片的引脚功能：GND电压地 、DQ单数据总线、VDD电源电压、NC 空引脚
4.5.3 DS18B20的工作原理介绍
DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。
它的一个工作周期可分为两个部分，温度检测和数据处理。
DS18B20内部有三种形态的存储器：
(1) ROM只读存储器：用于存放 DS18B20ID 编码，其前 8 位是单线系列编码（DS18B20 的编码是19H），后面 48 位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的 CRC 码（冗余校验），数据在芯片出厂时设置不可由用户更改。DS18B20 共 64 位 ROM(8+48+8)。
(2) RAM数据暂存器：用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20 共 9 个字节 RAM，每个字节为 8 位。第 1、 2 个字节是温度转换后的数据值信息，第 3、 4 个字节是用户 EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第 5 个字节则是用户第 3 个 EEPROM的镜像。第 6、 7、 8 个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第 9 个字节为前 8 个字节的 CRC 码。
(3) EEPROM非易失性记忆体：用于存放长期需要保存的数据。比如: 上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共有3个字节的EEPROM，并在 RAM 都存在镜像，以方便用户操作。
图4-5-4
DS18B20默认工作在12位分辨率模式，转换后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中(最前面的两个字节)，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
数据提取也可以使用位运算，读取出来的数据是2个字节一共16位(H和L)，最低4位是小数位，剩下的是整数位。如果读取的数据是负数，需要-1再取反即可得到真实数据。
例如:
int temp=0;
temp=DS18B20_ReadTemp(); //读取一次DS18B20采集的温度（返回H+L位）
if(temp<0) //如果温度是负数
{
temp=temp-1;
temp=~temp;
printf("DS18b20=-%d.%d\r\n",temp>>4,temp&0xF);
}
else
{
printf("DS18b20=%d.%d\r\n",temp>>4,temp&0xF);
}4.5.4 DS18B20操作ROM/RAM的常用指令介绍
1.读取64位ROM编码指令：0x33
这个命令允许总线控制器读到DS18B20的64位ROM。只有当总线上只存在一个 DS18B20的时候才可以使用此指令，如果挂接不只一个，当通信时将会发生数据冲突。
2.匹配芯片指令：0x55
这个指令后面紧跟着由控制器发出的64 位序列号，当总线上有多只 DS18B20 时，只有与控制发出的序列号相同的芯片才可以做出反应，其它芯片将等待下一次复位。这条指令适应单芯片和多芯片挂接。
3.跳过ROM编码匹配：0xCC
这条指令使芯片不对 ROM 编码做出反应，在单总线的情况之下，为了节省时间则可以选用此指令。如果在多芯片挂接时使用此指令将会出现数据冲突，导致错误出现。
4.启动温度转换：0x44
收到此指令后芯片将进行一次温度转换，将转换的温度值放入 RAM 的第 1、 2 地址。此后由于芯片忙于温度转换处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持 500MS，来维持芯片工作。
5.从RAM中读数据指令：0xBE
此指令将从 RAM中读数据，读地址从地址0开始，一直可以读到地址 9，完成整个 RAM 数据的读出。芯片允许在读过程中用复位信号中止读取，即可以不读后面不需要的字节以减少读取时间。
4.5.5 DS18B20时序图
(1). DS18B20复位与应答时序图
图4-5-5 复位及应答时序图
图4-5-6
每一次与DS18B20通信之前都必须进行复位，复位的时间、等待时间、回应时间应严格按时序编程。
(2) 写数据时序
图4-5-7 写数据时序图
上面的时序图是向DS18B20写数据的时序图，该图分为两部分，左边部分是发送数据0的时序图，右边部分是发送数据1的时序图。
根据时序图提示(右边部分)，每次发送数据之前(不管是数据0还是数据1)都需要先将总线拉低至少1us。
如果接下来发送的数据是0，那么需要将数据线拉低至少60us的时间，DS18B20对总线的采样时间在15~60us内；在采样时间内，如果总线为低电平，则表示写0，如果总线为高电平，则表示写1。
如果接下来发送的数据是1，那么也需要将数据线拉低至少60us的时间，DS18B20对总线的采样时间在15~60us内；在采样时间内，如果总线为低电平，则表示写0，如果总线为高电平，则表示写1。
注意： 在通信时，是以一个字节为单位向DS18B20进行传输，字节的读或者写是从低位开始的。
(3) 读数据时序
图4-5-8 读数据时序图
上面的时序图是从DS18B20读取数据的时序图，该图分为两部分展示，左边部分是读取数据0时，总线电平变化过程，右边部分是读取数据1时，总线电平的变化过程。
根据时序图提示(右边部分)，每次读取数据之前(不管是数据0还是数据1)，总线都需要由主机拉低至少1us，然后再释放总线(拉高)；
随后需要等待15us的时间，才可以读取总线数据。DS18B20会在随后的45us内维持总线的电平，这段时间内读取总线的数据都是有效数据。
注意: 再总线拉低1us之后，必须等待15us之后才可以读取总线数据，这样才能保证总线数据是准确的。
在通信过程中，DS18B20输出的数据是从低位开始传输的。
4.5.6 读取温度的步骤
总线上只有单只DS18B20的情景(读取一次DS18B20的温度)：
1. 向总线发送复位脉冲并检测DS18B20的响应信号(可以确保DS18B20硬件没有问题)
2. 发送指令跳过ROM编号检查 (指令0xCC)
3. 发送温度转换命令(指令0x44)
(DS18B20在转换温度的过程中，总线会一直保持高电平状态，不会响应总线命令)
4. 向总线发送复位脉冲并检测DS18B20的响应信号
5. 发送指令跳过ROM编号检查 (指令0xCC)
6. 发送读取温度的指令(指令 0xBE)
7. 接着读取温度数据低8位
8. 接着读取温度数据高8位
4.5.7 读取DS18B20温度示例代码(单只DS18B20情景)
下面代码演示了循环读取DS18B20温度的过程，在主函数里1秒的间隔读取一次温度。
在编写DS18B20时序代码时，要注意时间的把控。
当前实验板的环境：采用STC90C516RD单片机，晶振是12MHZ，工作在12T模式下，代码中执行一条i++语句大概消耗的时间是12us。 程序中的延时时间，都是通过该时间推算的，如果程序要移植到其他单片机上，要注意时间的问题。
(硬件平台说明：CPU是STC90C516RD 、晶振频率12MHZ 、工作在12T模式下、一个机器周期为1us时间)
示例代码:
#include <reg51.h>
/*DS18B20硬件接口: P3.5*/
sbit DS18B20_GPIO=P3^7;
int DS18B20_ReadTemp(void);
/*
说明: 在12MHZ晶振下,12T模式下，i++消耗的时间差不多是12us
*/
/*
函数名称：u8 DS18B20_Init(void)
函数功能：向DS18B20发送复位脉冲,并检测应答信号
返 回 值：1表示失败,0表示成功
说明: 51单片机IO口默认输出高电平
*/
u8 DS18B20_ResetSignal(void)
{
u8 i=0;
//1. 发送复位信号
DS18B20_GPIO=0;//将总线拉低480us
i=50;
while(i--){} //延时600us ,最少480us
i=0;
DS18B20_GPIO=1;//然后释放(拉高)总线，如果DS18B20做出反应会将在15us~60us后总线拉低
//2. 等待DS18B20拉低总线
while(DS18B20_GPIO)
{
i++;
if(i>10)return 1;//失败 ,大概120us
}
//3. 等待DS18B20释放总线
i=0;
while(DS18B20_GPIO==0) //60us~240us
{
i++;
if(i>20)return 1;//失败,大概240us
}
return 0;//初始化成功
}
/*
函数名称：u8 DS18B20_WriteByte(void)
函数功能：向DS18B20写入一个字节的数据
函数形参：写入的字节数据
*/
void DS18B20_WriteByte(u8 byte)
{
u16 i=0,j=0;
for(j=0;j<8;j++)
{
DS18B20_GPIO=0;//每写入一位数据之前先把总线拉低1us
i++; //+1消耗的时间是12us
DS18B20_GPIO=byte&0x01;//然后写入一个数据，从最低位开始
i=6;
while(i--){}//持续时间最少60us，这里大概72us
DS18B20_GPIO=1;//然后释放总线
byte>>=1;//继续发送
}
}
/*
函数名称：u8 DS18B20_ReadByte(void)
函数功能：从DS18B20读取一个字节的数据
返 回 值：读到的数据
*/
u8 DS18B20_ReadByte(void)
{
u8 byte=0;
u16 i=0,j=0;
for(j=0;j<8;j++)
{
DS18B20_GPIO=0;//先将总线拉低1us
i++;//+1消耗的时间是12us
DS18B20_GPIO=1;//然后释放总线
i++;
i++;//至少等待15us的时间，在读取数据
byte>>=1; //先从低位开始接收数据
if(DS18B20_GPIO)byte|=0x80;
i=4; //读取完之后等待48us再接着读取下一个数据
while(i--){}
}
return byte;
}
/*
函数名称：u16 DS18B20_ReadTemp(void)
函数功能：读取一次DS18B20的温度数据
返 回 值：读取的温度值
注意: 返回值要使用有符号的数据类型，因为温度可以返回负数。
*/
int DS18B20_ReadTemp(void)
{
int temp=0;//存放温度数据
u8 TH,TL;
//第一步: 启动温度转换
DS18B20_ResetSignal(); //发送复位脉冲并检测应答信号
DS18B20_WriteByte(0xcc);//跳过ROM操作命令
DS18B20_WriteByte(0x44);//温度转换命令
//第二步: 读取温度
DS18B20_ResetSignal();//发送复位脉冲并检测应答信号
DS18B20_WriteByte(0xcc);//跳过ROM操作命令
DS18B20_WriteByte(0xbe);//发送读取温度命令
TL=DS18B20_ReadByte();//读取温度值共16位，先读低字节
TH=DS18B20_ReadByte();//再读高字节
temp=TH<<8|TL; //合并成16位
return temp;
}
int main()
{
int temp=0;
UART_Init(); //初始化串口波特率为4800
while(1)
{
temp=DS18B20_ReadTemp();
if(temp<0) //如果温度是负数
{
temp=temp-1;
temp=~temp;
printf("DS18b20=-%d.%d\r\n",temp>>4,temp&0xF);
}
else
{
printf("DS18b20=%d.%d\r\n",temp>>4,temp&0xF);
}
DelayMs(1000);
}
}