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：

1. 单主多从架构：单总线上可挂接多个从设备

2. 寄生供电模式：通过数据线为设备供电，无需独立电源

3. 严格的时序要求：所有通信操作都有精确的时序规范

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