54、DS18B20单线数字温度采集

DS18B20单线数字温度采集

一、DS18B20核心特性与硬件基础

1. 关键参数（必记！）

参数	规格细节
测量量程	-55℃ ~ +125℃（工业级场景全覆盖）
测量精度	-10℃~+85℃范围内±0.5℃，全量程误差≤±2℃
分辨率	9~12位可调（默认12位）：9位=0.5℃、10位=0.25℃、11位=0.125℃、12位=0.0625℃
工作电压	3V~5.5V（兼容51单片机3.3V/5V供电，无需额外稳压）
通信接口	GPIO单线总线（仅需1根I/O引脚+GND，硬件成本极低）
核心优势	无需外部元件、抗干扰强、支持多传感器组网、掉电保留配置

2. 引脚定义与接线方式

DS18B20采用TO-92封装，共3个引脚，51单片机接线如下：

DS18B20引脚	功能	51单片机连接方式
VDD	电源引脚	接3.3V/5V（外部电源模式），或悬空（寄生电源模式）
DQ	数据I/O	接任意GPIO引脚（本文代码用P3.7）+ 4.7KΩ上拉电阻
GND	地	接单片机GND（必须共地，否则信号干扰）

关键提醒：单线总线必须串联4.7KΩ上拉电阻，确保总线空闲时为高电平，通信稳定。

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二、DS18B20核心时序原理（通信关键！）

DS18B20的通信依赖严格的时序协议，所有操作（复位、写数据、读数据）都需遵循单线总线的时序规则，这是采集成功的核心。

1. 复位时序（初始化）

所有通信必须从复位开始，流程如下：

1. 主机（51单片机）拉低总线≥480μs（复位脉冲）；
2. 主机释放总线，拉高后切换为输入模式；
3. DS18B20检测到上升沿后，延迟15~60μs，拉低总线60~240μs（存在脉冲），告知主机“已就绪”；
4. DS18B20释放总线，恢复高电平，进入空闲状态。

代码对应：ds18b20_reset()函数中，通过Delay10us(70)实现700μs复位拉低，Delay10us(6)等待存在脉冲。

2. 写时序（主机→DS18B20）

主机通过不同的低电平时长传递“0”或“1”，每次仅发送1位，8位为1字节（LSB优先）：

• 写0：拉低总线≥60μs→ 释放总线（拉高）；DS18B20在60μs内采样，低电平视为“0”；
• 写1：拉低总线1~15μs→ 释放总线（拉高）；DS18B20采样到高电平视为“1”；
• 两次写操作间隔 ≥1μs（恢复时间）。

代码对应：write_ds18b20()函数中，dat&1判断当前位，短延时对应写1，长延时对应写0。

3. 读时序（DS18B20→主机）

主机先拉低总线触发读操作，再释放总线由DS18B20控制总线电平，流程如下：

1. 主机拉低总线≥1μs→ 立即释放总线（拉高）；
2. 主机在拉低后15μs内采样总线电平（高=1，低=0）；
3. 单次读操作时长 ≥60μs，两次读间隔 ≥1μs。

代码对应：read_ds18b20()函数中，拉低后快速释放，通过DQ_CHECK检测电平，存入dat对应位。

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三、核心命令解析（DS18B20操作灵魂）

DS18B20通过主机发送的8位命令执行对应操作，本文代码用到3个核心命令：

命令字节	命令名称	功能说明
0xCC	Skip ROM（跳过ROM）	无需读取DS18B20的唯一64位ROM编码，直接进入功能操作（单传感器场景首选，节省时间）
0x44	Convert T（温度转换）	启动一次温度测量，转换时间与分辨率相关（12位约750ms），转换期间总线需保持高电平
0xBE	Read Scratchpad（读暂存器）	读取DS18B20内部暂存器数据（共9字节，前2字节为温度数据）

扩展：多传感器组网时，需用0x55（Match ROM）命令+64位ROM编码，定位目标传感器。

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四、51单片机代码完整解析

代码基于P3.7引脚实现，分“复位→测温→读数→数据解析”四大步骤，可直接编译下载使用。

1. 头文件与宏定义（ds18b20.h）

#ifndef__DS18B20_H__#define__DS18B20_H__#include<reg51.h>// 函数声明intds18b20_reset(void);// 复位DS18B20voidwrite_ds18b20(unsignedchardat);// 写1字节到DS18B20unsignedcharread_ds18b20(void);// 从DS18B20读1字节floatget_temp(void);// 获取温度值（返回浮点型）#endif

2. 核心功能实现（ds18b20.c）

#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include"ds18b20.h"#include"delay.h"// 宏定义：P3.7作为DQ引脚#defineDQ_DOWN(P3&=~(1<<7))// 拉低DQ#defineDQ_HIGH(P3|=(1<<7))// 拉高DQ#defineDQ_CHECK((P3&(1<<7))!=0)// 检测DQ电平/** * @brief DS18B20复位初始化 * @retval 1-复位成功，0-复位失败 */intds18b20_reset(void){intt=0;// 1. 发送复位脉冲（拉低≥480μs）DQ_DOWN;Delay10us(70);// 70×10μs=700μs，满足≥480μs要求DQ_HIGH;// 释放总线Delay10us(6);// 等待60μs，准备接收存在脉冲// 2. 检测存在脉冲（DS18B20拉低总线）while(DQ_CHECK&&t<30)// 超时300μs未检测到低电平→失败{Delay10us(1);t++;}if(t>=30)return0;// 复位失败// 3. 等待存在脉冲结束（DS18B20拉高总线）t=0;while(!DQ_CHECK&&t<30)// 超时300μs未拉高→失败{Delay10us(1);t++;}if(t>=30)return0;// 复位失败return1;// 复位成功}/** * @brief 向DS18B20写1字节数据（LSB优先） * @param dat：要发送的字节 */voidwrite_ds18b20(unsignedchardat){inti=0;for(i=0;i<8;i++)// 循环8次，每次写1位{if(dat&1)// 写1：拉低1~15μs{DQ_DOWN;_nop_();// 短延时（约1μs）_nop_();DQ_HIGH;// 释放总线Delay10us(5);// 等待45μs，确保DS18B20采样}else// 写0：拉低≥60μs{DQ_DOWN;Delay10us(6);// 60μsDQ_HIGH;// 释放总线}dat>>=1;// 右移1位，准备写下一位（LSB优先）}}/** * @brief 从DS18B20读1字节数据（LSB优先） * @retval 读取到的字节 */unsignedcharread_ds18b20(void){unsignedchardat=0;inti=0;for(i=0;i<8;i++)// 循环8次，每次读1位{DQ_DOWN;// 拉低≥1μs，触发读操作_nop_();_nop_();DQ_HIGH;// 释放总线，由DS18B20控制电平_nop_();_nop_();_nop_();// 延时约3μs，准备采样if(DQ_CHECK)// 采样电平：高=1，低=0{dat|=(1<<i);// 存入对应位（LSB优先）}Delay10us(6);// 单次读操作≥60μs}returndat;}/** * @brief 获取温度值 * @retval 浮点型温度（精度0.0625℃） */floatget_temp(void){unsignedchartl=0;// 温度低字节（LSB）unsignedcharth=0;// 温度高字节（MSB，含符号位）shortt=0;// 组合后的16位温度数据// 1. 复位→跳过ROM→启动温度转换if(ds18b20_reset()==0)return-99.9;// 复位失败返回错误值write_ds18b20(0xCC);// 跳过ROM（单传感器）write_ds18b20(0x44);// 启动温度转换Delay1ms(1000);// 等待转换完成（12位分辨率需750ms以上）// 2. 复位→跳过ROM→读暂存器ds18b20_reset();write_ds18b20(0xCC);// 跳过ROMwrite_ds18b20(0xBE);// 读暂存器// 3. 读取温度数据（前2字节为温度值，LSB先读）tl=read_ds18b20();// 低字节th=read_ds18b20();// 高字节// 4. 组合温度数据（16位带符号补码）t=th<<8;// 高字节左移8位t|=tl;// 拼接低字节// 5. 温度换算：12位分辨率→1LSB=0.0625℃returnt*0.0625;}

3. 延时函数支持（delay.c/h）

DS18B20时序对延时精度要求高，需实现10μs、1ms级延时（11.0592MHz晶振）：

// delay.h#ifndef__DELAY_H__#define__DELAY_H__voidDelay10us(unsignedintn);voidDelay1ms(unsignedintn);#endif// delay.c#include<reg51.h>voidDelay10us(unsignedintn){unsignedinti,j;for(i=n;i>0;i--)for(j=2;j>0;j--);// 11.0592MHz下≈10μs}voidDelay1ms(unsignedintn){unsignedinti,j;for(i=n;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--);// 11.0592MHz下≈1ms}

4. 主函数调用示例（main.c）

#include<reg51.h>#include"ds18b20.h"#include"uart.h"// 假设已实现串口发送函数voidmain(void){floattemp;uart_init();// 初始化串口（用于打印温度）while(1){temp=get_temp();// 获取温度if(temp!=-99.9)// 采集成功{// 串口打印温度（需实现浮点型转字符串函数，此处省略）uart_sendstr("当前温度：");// 示例：打印整数部分+小数部分}Delay1ms(2000);// 每2秒采集一次}}

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五、实战关键注意事项

1. 上拉电阻不可少：4.7KΩ上拉电阻是单线总线稳定通信的核心，缺少会导致复位失败、数据传输错误；
2. 延时精度要达标：时序中的时间参数（如复位480μs、写0 60μs）需严格匹配，延时误差过大会导致采集失败；
3. 温度转换需等待：启动转换（0x44命令）后，必须等待足够时间（12位分辨率≥750ms），否则读取到的是旧数据；
4. 寄生电源模式注意：若DS18B20采用寄生电源（VDD悬空），转换期间总线需保持高电平，不能进行其他操作；
5. 多传感器组网：需使用0x55（Match ROM）命令+传感器唯一64位ROM编码，避免数据冲突。

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六、温度数据解析原理

DS18B20的温度数据以16位带符号补码形式存储，格式如下：

位15（MSB）	位14-11	位10-4	位3-0（LSB）
符号位（0=正，1=负）	整数部分	小数部分	小数部分（12位分辨率）

• 正数：直接按“整数部分×1 + 小数部分×0.0625”换算；
• 负数：按补码规则转换（取反+1）后再换算，符号为负；
• 示例：温度25.5℃→二进制00000000 00011001.1000→十六进制0x00198→换算为25 + 8×0.0625=25.5℃。

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总结

DS18B20的核心优势在于“单线通信+极简硬件”，学习重点集中在时序协议和命令解析：复位是通信前提，写/读时序是数据传输基础，温度转换和读暂存器命令是核心操作。掌握本文代码和原理后，可轻松扩展多传感器组网、温度报警（利用TH/TL寄存器）、串口上传温度等功能，适用于环境监测、设备温控等嵌入式场景。