学习笔记——DS18B20 温度传感器

DS18B20 温度传感器

一、传感器概述

1.1 基本特性

DS18B20 是由 Dallas Semiconductor（现 Maxim Integrated）生产的数字温度传感器。该器件采用单总线接口，可直接输出数字温度值，无需外部模数转换电路。

关键参数表：

1.2 引脚定义

TO-92 封装引脚排列（正视，引脚朝下）：

引脚功能说明：

• 引脚1（GND）：电源地，连接至系统参考地

• 引脚2（DQ）：单总线数据输入/输出引脚

• 引脚3（VDD）：电源输入引脚（3.0V-5.5V）

二、单总线通信协议

2.1 协议概述

单总线协议（1-Wire Protocol）采用单根数据线实现双向通信。该协议包含以下关键技术特性：

2.2 电气特性

典型应用电路：
VCC (+3.3V-5V)
│
├─[4.7kΩ]─┐
│ │
└─────┐ │
│ │
DS18B20 │
1│ 2│ 3│
GND DQ VDD
│ │
GND ├─→ MCU I/O Pin
│
GND

上拉电阻作用：

• 在总线空闲时提供确定的高电平状态

• 确保信号完整性，减少噪声影响

• 典型值：4.7kΩ ±5%

三、温度数据格式

3.1 温度寄存器结构

DS18B20 输出 16 位二进制补码格式的温度数据：

说明：

• 位 15-11：符号位（S=1 表示负温度，S=0 表示正温度）

• 位 10-4：整数部分（7 位二进制，范围 0-127）

• 位 3-0：小数部分（4 位二进制）

3.2 分辨率配置

DS18B20 提供四种分辨率设置，通过配置寄存器实现：

默认配置：R1=1, R0=1（12 位分辨率）

四、通信时序详析

4.1 复位脉冲时序

时间参数要求：

• 主机复位脉冲宽度：最小 480μs

• 主机释放总线后延迟：15-60μs

• 从机响应脉冲宽度：60-240μs

• 总线恢复时间：最小 480μs

4.2 写时序规范

写"0"时序：

• 主机将总线拉低至少60us

• ds18b20在60us内去采样，采到低电平，则代表主机向ds18b20发送了一个bit'0'

• 最后主机将总线拉高

写"1"时序：

• 主机将总线拉低大于1us

• 主机释放总线，将总线拉高

• 主机延时至少45us，确保ds18b20能够采样到一个高电平

写时间槽参数：

• 写"0"低电平时间：60-120μs

• 写"1"低电平时间：1-15μs

• 写周期总时间：最小 60μs，典型 70μs

4.3 读时序规范

读时间槽参数：

• 主机低电平时间：>1μs

• 采样窗口：低电平释放后 15μs 内

• 位周期总时间：最小 60μs

五、驱动程序实现

5.1 硬件抽象层定义

// 引脚操作宏定义
#define DS18B20_PORT P3 // 使用P3端口
#define DS18B20_PIN 7 // 使用P3.7引脚

// 总线操作宏
#define DQ_LOW() (DS18B20_PORT &= ~(1 << DS18B20_PIN))
#define DQ_HIGH() (DS18B20_PORT |= (1 << DS18B20_PIN))
#define DQ_INPUT() (DS18B20_PORT |= (1 << DS18B20_PIN)) // 设置为输入模式
#define DQ_READ() ((DS18B20_PORT & (1 << DS18B20_PIN)) ? 1 : 0)

5.2 精确延时函数

/**
* @brief 微秒级延时函数
* @param us 延时微秒数
* @note 基于11.0592MHz晶振，12时钟周期
*/
void delay_us(unsigned int us)
{
while(us–)
{
_nop_(); _nop_(); _nop_();
_nop_(); _nop_(); _nop_();
_nop_(); _nop_(); _nop_();
}
}

/**
* @brief 毫秒级延时函数
* @param ms 延时毫秒数
*/
void delay_ms(unsigned int ms)
{
while(ms–)
{
delay_us(1000);
}
}

5.3 复位函数实现

/**
* @brief DS18B20复位序列
* @return 1:复位成功，检测到器件存在
* 0:复位失败，器件无响应
*/
uint8_t DS18B20_Reset(void)
{
uint8_t presence = 0;

// 主机驱动总线为低电平
DQ_LOW();

// 保持低电平480μs以上（推荐500-550μs）
delay_us(550);

// 主机释放总线，上拉电阻拉至高电平
DQ_HIGH();
DQ_INPUT(); // 切换为输入模式

// 延时等待15-60μs
delay_us(30);

// 检测从机响应脉冲
if(DQ_READ() == 0)
{
// 等待从机释放总线（60-240μs）
uint16_t timeout = 250;
while(!DQ_READ() && timeout–);

if(timeout > 0)
{
presence = 1; // 检测到器件
}
}

// 等待总线恢复（至少480μs）
delay_us(500);

return presence;
}

5.4 数据读写函数

/**
* @brief 向DS18B20写入一个字节
* @param data 要写入的数据字节
*/
void DS18B20_WriteByte(uint8_t data)
{
uint8_t i;

for(i = 0; i < 8; i++)
{
// 写时间槽开始
DQ_LOW();

if(data & 0x01) // 写入"1"
{
// 保持低电平>1μs，然后释放总线
_nop_(); _nop_(); // 约2μs延时
DQ_HIGH();
DQ_INPUT();

// 保持总线高电平至少45μs
delay_us(50);
}
else // 写入"0"
{
// 保持低电平60-120μs
delay_us(70);
DQ_HIGH();
DQ_INPUT();
}

// 写时间槽结束，恢复总线
data >>= 1; // 准备下一位
delay_us(5); // 位间恢复时间
}

// 字节写入完成后，确保总线处于释放状态
DQ_HIGH();
DQ_INPUT();
}

/**
* @brief 从DS18B20读取一个字节
* @return 读取到的数据字节
*/
uint8_t DS18B20_ReadByte(void)
{
uint8_t i;
uint8_t data = 0;

for(i = 0; i < 8; i++)
{
// 读时间槽开始
DQ_LOW();
_nop_(); _nop_(); // 约2μs低电平

// 主机释放总线，准备采样
DQ_HIGH();
DQ_INPUT();

// 延时15μs后采样
delay_us(15);

// 读取总线状态
if(DQ_READ())
{
data |= (0x01 << i); // 读取到"1"
}

// 完成读时间槽（总时间>60μs）
delay_us(45);

// 确保总线恢复
DQ_HIGH();
DQ_INPUT();
}

return data;
}

5.5 温度读取完整流程

/**
* @brief 读取当前温度值
* @return 温度值（浮点数，单位：℃）
* @note 使用12位分辨率，转换时间约750ms
*/
float DS18B20_ReadTemperature(void)
{
uint8_t temp_low, temp_high;
int16_t temp_raw;
float temperature;

// 步骤1：启动温度转换
if(!DS18B20_Reset())
{
return ERROR_TEMPERATURE; // 定义错误值，如-999.0
}

// 发送跳过ROM命令（仅单设备情况）
DS18B20_WriteByte(0xCC);

// 发送温度转换命令
DS18B20_WriteByte(0x44);

// 等待转换完成（12位分辨率需750ms）
delay_ms(750);

// 步骤2：读取温度数据
if(!DS18B20_Reset())
{
return ERROR_TEMPERATURE;
}

// 发送跳过ROM命令
DS18B20_WriteByte(0xCC);

// 发送读暂存器命令
DS18B20_WriteByte(0xBE);

// 读取温度寄存器（低字节和高字节）
temp_low = DS18B20_ReadByte();
temp_high = DS18B20_ReadByte();

// 合成16位温度原始值
temp_raw = (temp_high << 8) | temp_low;

// 步骤3：温度值转换
// 判断温度符号
if(temp_raw & 0x8000) // 负温度
{
// 计算补码的绝对值
temp_raw = ~temp_raw + 1;
temperature = -(temp_raw * 0.0625);
}
else // 正温度
{
temperature = temp_raw * 0.0625;
}

return temperature;
}

七、调试与故障排除

7.1 常见问题及解决方案

八、技术参数总结表