溫度傳感器 DS18B20

DS18B20 是美信公司的一款溫度傳感器，單片機(jī)可以通過(guò) 1-Wire 協(xié)議與 DS18B20 進(jìn)行通信，最終將溫度讀出。1-Wire 總線的硬件接口很簡(jiǎn)單，只需要把 DS18B20 的數(shù)據(jù)引腳和單片機(jī)的一個(gè) IO 口接上就可以了。硬件的簡(jiǎn)單，隨之而來(lái)的，就是軟件時(shí)序的復(fù)雜。1-Wire總線的時(shí)序比較復(fù)雜，很多同學(xué)在這里獨(dú)立看時(shí)序圖都看不明白，所以這里還要帶著大家來(lái)研究 DS18B20 的時(shí)序圖。我們先來(lái)看一下 DS18B20 的硬件原理圖，如圖16-12所示。

圖16-12 DS18B20 電路原理圖

DS18B20 通過(guò)編程，可以實(shí)現(xiàn)最高12位的溫度存儲(chǔ)值，在寄存器中，以補(bǔ)碼的格式存儲(chǔ)，如圖16-13所示。

圖16-13 DS18B20 溫度數(shù)據(jù)格式

一共2個(gè)字節(jié)，LSB 是低字節(jié)，MSB 是高字節(jié)，其中 MSb 是字節(jié)的高位，LSb 是字節(jié)的低位。大家可以看出來(lái)，二進(jìn)制數(shù)字，每一位代表的溫度的含義，都表示出來(lái)了。其中 S表示的是符號(hào)位，低11位都是2的冪，用來(lái)表示最終的溫度。DS18B20 的溫度測(cè)量范圍是從-55度到+125度，而溫度數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式，有正負(fù)溫度，寄存器中每個(gè)數(shù)字如同卡尺的刻度一樣分布，如圖16-14所示。

圖16-14 DS18B20 溫度值

二進(jìn)制數(shù)字最低位變化1，代表溫度變化0.0625度的映射關(guān)系。當(dāng)0度的時(shí)候，那就是 0x0000，當(dāng)溫度125度的時(shí)候，對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制是 0x07D0，當(dāng)溫度是零下55度的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的數(shù)字是 0xFC90。反過(guò)來(lái)說(shuō)，當(dāng)數(shù)字是 0x0001 的時(shí)候，那溫度就是0.0625度了。

首先，我先根據(jù)手冊(cè)上 DS18B20 工作協(xié)議過(guò)程大概講解一下。

1)初始化和 I2C 的尋址類似，1-Wire 總線開(kāi)始也需要檢測(cè)這條總線上是否存在 DS18B20 這個(gè)器件。如果這條總線上存在 DS18B20，總線會(huì)根據(jù)時(shí)序要求返回一個(gè)低電平脈沖，如果不存在的話，也就不會(huì)返回脈沖，即總線保持為高電平，所以習(xí)慣上稱之為檢測(cè)存在脈沖。此外，獲取存在脈沖不僅僅是檢測(cè)是否存在 DS18B20，還要通過(guò)這個(gè)脈沖過(guò)程通知 DS18B20 準(zhǔn)備好，單片機(jī)要對(duì)它進(jìn)行操作了，如圖16-15所示。

圖16-15 檢測(cè)存在脈沖

大家注意看圖，實(shí)粗線是我們的單片機(jī) IO 口拉低這個(gè)引腳，虛粗線是 DS18B20 拉低這個(gè)引腳，細(xì)線是單片機(jī)和 DS18B20 釋放總線后，依靠上拉電阻的作用把 IO 口引腳拉上去。這個(gè)我們前邊提到過(guò)了，51單片機(jī)釋放總線就是給高電平。

存在脈沖檢測(cè)過(guò)程，首先單片機(jī)要拉低這個(gè)引腳，持續(xù)大概 480 us 到 960 us 之間的時(shí)間即可，我們的程序中持續(xù)了 500 us。然后，單片機(jī)釋放總線，就是給高電平，DS18B20 等待大概15到 60 us 后，會(huì)主動(dòng)拉低這個(gè)引腳大概是60到 240 us，而后 DS18B20 會(huì)主動(dòng)釋放總線，這樣 IO 口會(huì)被上拉電阻自動(dòng)拉高。

有的同學(xué)還是不能夠徹底理解，程序列出來(lái)逐句解釋。首先，由于 DS18B20 時(shí)序要求非常嚴(yán)格，所以在操作時(shí)序的時(shí)候，為了防止中斷干擾總線時(shí)序，先關(guān)閉總中斷。然后第一步，拉低 DS18B20 這個(gè)引腳，持續(xù) 500 us；第二步，延時(shí) 60 us；第三步，讀取存在脈沖，并且等待存在脈沖結(jié)束。

bitGet18B20Ack(){bitack;EA=0;//禁止總中斷IO_18B20=0;//產(chǎn)生500us復(fù)位脈沖DelayX10us(50);IO_18B20=1;DelayX10us(6);//延時(shí)60usack=IO_18B20;//讀取存在脈沖while(!IO_18B20);//等待存在脈沖結(jié)束EA=1;//重新使能總中斷returnack;}

很多同學(xué)對(duì)第二步不理解，時(shí)序圖上明明是 DS18B20 等待 15 us 到 60 us，為什么要延時(shí)60 us 呢？舉個(gè)例子，媽媽在做飯，告訴你大概5分鐘到10分鐘飯就可以吃了，那么我們什么時(shí)候去吃，能夠絕對(duì)保證吃上飯呢？很明顯，10分鐘以后去吃肯定可以吃上飯。同樣的道理，DS18B20 等待大概是 15 us 到 60 us，我們要保證讀到這個(gè)存在脈沖，那么 60 us 以后去讀肯定可以讀到。當(dāng)然，不能延時(shí)太久，太久，超過(guò) 75 us，就可能讀不到了，為什么是 75 us，大家自己思考一下。

2)ROM 操作指令我們學(xué) I2C 總線的時(shí)候就了解到，總線上可以掛多個(gè)器件，通過(guò)不同的器件地址來(lái)訪問(wèn)不同的器件。同樣，1-Wire 總線也可以掛多個(gè)器件，但是它只有一條線，如何區(qū)分不同的器件呢？

在每個(gè) DS18B20 內(nèi)部都有一個(gè)唯一的64位長(zhǎng)的序列號(hào)，這個(gè)序列號(hào)值就存在 DS18B20 內(nèi)部的 ROM 中。開(kāi)始的8位是產(chǎn)品類型編碼（DS18B20 是 0x10），接著的48位是每個(gè)器件唯一的序號(hào)，最后的8位是 CRC 校驗(yàn)碼。DS18B20 可以引出去很長(zhǎng)的線，最長(zhǎng)可以到幾十米，測(cè)不同位置的溫度。單片機(jī)可以通過(guò)和 DS18B20 之間的通信，獲取每個(gè)傳感器所采集到的溫度信息，也可以同時(shí)給所有的 DS18B20 發(fā)送一些指令。這些指令相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，而且應(yīng)用很少，所以這里大家有興趣的話就自己去查手冊(cè)完成吧，我們這里只講一條總線上只接一個(gè)器件的指令和程序。

Skip ROM（跳過(guò) ROM）：0xCC。當(dāng)總線上只有一個(gè)器件的時(shí)候，可以跳過(guò) ROM，不進(jìn)行 ROM 檢測(cè)。

3)RAM 存儲(chǔ)器操作指令RAM 讀取指令，只講2條，其它的大家有需要可以隨時(shí)去查資料。 Read Scratchpad（讀暫存寄存器）：0xBE

這里要注意的是，DS18B20 的溫度數(shù)據(jù)是2個(gè)字節(jié)，我們讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，先讀取到的是低字節(jié)的低位，讀完了第一個(gè)字節(jié)后，再讀高字節(jié)的低位，直到兩個(gè)字節(jié)全部讀取完畢。

Convert Temperature（啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換）：0x44

當(dāng)我們發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換的指令后，DS18B20 開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)換。從轉(zhuǎn)換開(kāi)始到獲取溫度，DS18B20 是需要時(shí)間的，而這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)短取決于 DS18B20 的精度。前邊說(shuō) DS18B20 最高可以用12位來(lái)存儲(chǔ)溫度，但是也可以用11位，10位和9位一共四種格式。位數(shù)越高，精度越高，9位模式最低位變化1個(gè)數(shù)字溫度變化0.5度，同時(shí)轉(zhuǎn)換速度也要快一些，如圖16-16所示。

圖16-16 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間

其中寄存器 R1 和 R0 決定了轉(zhuǎn)換的位數(shù)，出廠默認(rèn)值就11，也就是12位表示溫度，最大的轉(zhuǎn)換時(shí)間是 750 ms。當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后，至少要再等 750 ms 之后才能讀取溫度，否則讀到的溫度有可能是錯(cuò)誤的值。這就是為什么很多同學(xué)讀 DS18B20 的時(shí)候，第一次讀出來(lái)的是85度，這個(gè)值要么是沒(méi)有啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，要么是啟動(dòng)轉(zhuǎn)換了，但還沒(méi)有等待一次轉(zhuǎn)換徹底完成，讀到的是一個(gè)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

4)DS18B20 的位讀寫時(shí)序DS18B20 的時(shí)序圖不是很好理解，大家對(duì)照時(shí)序圖，結(jié)合我的解釋，一定要把它學(xué)明白。寫時(shí)序圖如圖16-17所示。

圖16-17 DS18B20 位寫入時(shí)序

當(dāng)要給 DS18B20 寫入0的時(shí)候，單片機(jī)直接將引腳拉低，持續(xù)時(shí)間大于 60 us 小于 120 us就可以了。圖上顯示的意思是，單片機(jī)先拉低 15 us 之后，DS18B20 會(huì)在從 15 us 到 60 us 之間的時(shí)間來(lái)讀取這一位，DS18B20 最早會(huì)在 15 us 的時(shí)刻讀取，典型值是在 30 us 的時(shí)刻讀取，最多不會(huì)超過(guò) 60us，DS18B20 必然讀取完畢，所以持續(xù)時(shí)間超過(guò) 60 us 即可。

當(dāng)要給 DS18B20 寫入1的時(shí)候，單片機(jī)先將這個(gè)引腳拉低，拉低時(shí)間大于 1 us，然后馬上釋放總線，即拉高引腳，并且持續(xù)時(shí)間也要大于 60 us。和寫0類似的是，DS18B20 會(huì)在 15 us 到 60 us 之間來(lái)讀取這個(gè)1。

可以看出來(lái)，DS18B20 的時(shí)序比較嚴(yán)格，寫的過(guò)程中最好不要有中斷打斷，但是在兩個(gè)“位”之間的間隔，是大于1小于無(wú)窮的，那在這個(gè)時(shí)間段，我們是可以開(kāi)中斷來(lái)處理其它程序的。發(fā)送即寫入一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)程序如下。

voidWrite18B20(unsignedchardat){unsignedcharmask;EA=0;//禁止總中斷for(mask=0x01;mask!=0;mask<<=1){//低位在先，依次移出8個(gè)bitIO_18B20=0;//產(chǎn)生2us低電平脈沖_nop_();_nop_();if((mask&dat)==0){//輸出該bit值IO_18B20=0;}else{IO_18B20=1;}DelayX10us(6);//延時(shí)60usIO_18B20=1;//拉高通信引腳}EA=1;//重新使能總中斷}

讀時(shí)序圖如圖16-18所示。

圖16-18 DS18B20 位讀取時(shí)序

當(dāng)要讀取 DS18B20 的數(shù)據(jù)的時(shí)候，我們的單片機(jī)首先要拉低這個(gè)引腳，并且至少保持 1 us 的時(shí)間，然后釋放引腳，釋放完畢后要盡快讀取。從拉低這個(gè)引腳到讀取引腳狀態(tài)，不能超過(guò) 15 us。大家從圖16-18可以看出來(lái)，主機(jī)采樣時(shí)間，也就是 MASTER SAMPLES，是在 15 us 之內(nèi)必須完成的，讀取一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的程序如下。

unsignedcharRead18B20({unsignedchardat;unsignedcharmask;EA=0;//禁止總中斷for(mask=0x01;mask!=0;mask<<=1){//低位在先，依次采集8個(gè)bitIO_18B20=0;//產(chǎn)生2us低電平脈沖_nop_();_nop_();IO_18B20=1;//結(jié)束低電平脈沖，等待18B20輸出數(shù)據(jù)_nop_();//延時(shí)2us_nop_();if(!IO_18B20){//讀取通信引腳上的值dat&=~mask;}else{dat"=mask;}DelayX10us(6);//再延時(shí)60us}EA=1;//重新使能總中斷returndat;}