每周一个模块（ds18b20）

在电子设备的世界里，温度的精确测量是众多应用场景的基础需求。无论是智能家居中的恒温控制，还是工业自动化里的设备运行监测，都离不开可靠的温度传感器。而 DS18B20 数字温度传感器，凭借其独特的优势，成为了众多开发者和工程师的得力助手。今天，就让我们一起来深入了解这款神奇的传感器。

ds18b20是什么

DS18B20 是一款由 DALLAS 公司推出的 1-Wire 总线数字温度传感器。它的出现，简化了温度测量系统的设计，降低了成本。传统的模拟温度传感器需要额外的 A/D 转换电路才能将模拟信号转换为数字信号供微控制器处理，而 DS18B20 直接输出数字量，大大减少了硬件设计的复杂度。

硬件特性

单总线接口：仅需一根数据线和一根地线，就能与微控制器进行通信。这使得在一个微控制器的引脚上可以轻松连接多个 DS18B20 传感器，实现多点温度测量。
宽电压范围：可在 3.0V 至 5.5V 的电压范围内工作，既可以直接与 3.3V 的微控制器系统兼容，也能在 5V 的常规系统中稳定运行。
高精度测量：能够提供 9 - 12 位的温度分辨率，对应的温度测量精度分别为 0.5℃、0.25℃、0.125℃和 0.0625℃。用户可以根据实际需求通过编程设置分辨率。
独特的 ROM 编码：每个 DS18B20 都有唯一的 64 位 ROM 编码，就像每个人的身份证一样，这使得在同一总线上连接多个传感器时，能够准确区分不同的传感器。

工作原理

DS18B20 内部主要由温度传感器、64 位光刻 ROM、高速暂存器、配置寄存器等部分组成。

温度测量：温度传感器将环境温度转换为数字信号，存储在高速暂存器中。这个转换过程是基于 DS18B20 内部的热敏电阻，热敏电阻的阻值会随着温度的变化而变化，通过一系列的电路转换和计算，最终得到对应的数字温度值。
通信过程：微控制器通过单总线与 DS18B20 进行通信。首先，微控制器会发送复位脉冲，DS18B20 接收到复位脉冲后会发送应答信号，表明自己在线。然后，微控制器可以发送 ROM 操作指令，选择特定的 DS18B20（当总线上有多个传感器时），接着发送功能指令，如启动温度转换、读取温度数据等。DS18B20 根据接收到的指令进行相应操作，并将结果返回给微控制器。

使用方法

以我的在STC15F2K60S2中的底层代码为例

#include "onewire.h"

sbit DQ = P1^4;  //将 DS18B20 的数据线（DQ）连接到单片机的 P1.4 引脚，用于与 DS18B20 进行数据传输。

//单总线内部延时函数
void Delay_OneWire(unsigned int t)  
{
	t *= 12;
	while(t--);
}
//one wire 协议要有严格的时序限制，保证数据正常传输
//单总线写操作
void Write_DS18B20(unsigned char dat)
{
	unsigned char i;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		DQ = 0;
		DQ = dat&0x01;
		Delay_OneWire(5);
		DQ = 1;
		dat >>= 1;
	}
	Delay_OneWire(5);
}
//该函数用于向 DS18B20 写入一个字节的数据。在单总线协议中，写操作时，主机先将数据线拉低，然后根据要写入的数据位（0 或 1）设置数据线的电平，保持一段时间后再将数据线拉高。通过循环 8 次，依次写入一个字节的 8 位数据
//单总线读操作
unsigned char Read_DS18B20(void)
{
	unsigned char i;
	unsigned char dat;
  
	for(i=0;i<8;i++)                                        
	{
		DQ = 0;
		dat >>= 1;
		DQ = 1;
		if(DQ)
		{
			dat |= 0x80;
		}	    
		Delay_OneWire(5);
	}
	return dat;
}
//该函数用于向 DS18B20 写入一个字节的数据。在单总线协议中，写操作时，主机先将数据线拉低，然后根据要写入的数据位（0 或 1）设置数据线的电平，保持一段时间后再将数据线拉高。通过循环 8 次，依次写入一个字节的 8 位数据
//DS18B20初始化
bit init_ds18b20(void)
{
  	bit initflag = 0;
  	
  	DQ = 1;
  	Delay_OneWire(12);
  	DQ = 0;
  	Delay_OneWire(80);
  	DQ = 1;
  	Delay_OneWire(10); 
    initflag = DQ;     
  	Delay_OneWire(5);
  
  	return initflag;
}
//该函数用于初始化 DS18B20。在单总线协议中，每次通信前都需要进行初始化操作。主机先将数据线拉高，然后拉低一段时间，再释放数据线，等待 DS18B20 响应。如果 DS18B20 正常响应，数据线会被拉低，通过读取数据线的电平来判断初始化是否成功。
float read_t()
{
	unsigned char low,high;
	init_ds18b20();
	Write_DS18B20(0xcc);
	Write_DS18B20(0x44);
	init_ds18b20();
	Write_DS18B20(0xcc);
	Write_DS18B20(0xbe);
	low = Read_DS18B20();
	high = Read_DS18B20();
	return ((high << 8) | low) / 16.0;
}
//实时读取温度值

在上面的底层代码配置过后，创建.h文件声明函数名，在主函数中调用read_t()函数即可实时读取温度值，下面介绍一下one wire协议

one wire协议

One Wire 协议，正如其名，是一种仅需一根数据线和一根地线就能实现通信的串行协议。这种极简的设计理念，极大地简化了硬件电路，降低了成本，尤其适合在资源受限的嵌入式系统中使用。与传统的通信协议（如 SPI、I2C）相比，One Wire 协议虽然通信速度相对较慢，但在对引脚数量有严格要求的场景下，它的优势便凸显无疑。

特点

单数据线通信：所有的数据传输都通过这一根数据线完成，主设备（通常是微控制器）和从设备（如 DS18B20）在这根线上分时进行数据的发送和接收。
寄生电源模式：DS18B20 可以通过数据线从主设备获取电源，无需额外的电源线，进一步简化了硬件设计。不过，在一些对功率要求较高的场景下，也可以使用外部电源供电。
独特的 ROM 编码：每个支持 One Wire 协议的设备都有一个唯一的 64 位 ROM 编码，这使得多个设备可以并联在同一总线上，主设备能够通过 ROM 编码准确地识别和访问每个设备。

与ds18b20的关系

初始化是每次通信的第一步，主设备需要通过一个复位脉冲来唤醒 DS18B20。具体步骤如下：

主设备将数据线拉低至少 480μs，然后释放数据线（拉高）。
DS18B20 在检测到上升沿后，会在 15 - 60μs 内将数据线拉低，表示应答信号。
主设备在释放数据线后，会等待一段时间（通常为 60 - 240μs）来检测 DS18B20 的应答信号。如果检测到低电平，则表示初始化成功；否则，初始化失败。

在初始化成功后，主设备需要进行 ROM 操作，以确定要与哪个 DS18B20 进行通信。常见的 ROM 操作命令有：

搜索 ROM（0xF0）：当总线上连接了多个 DS18B20 时，主设备使用该命令来搜索所有设备的 64 位 ROM 编码。
读取 ROM（0x33）：如果总线上只有一个 DS18B20，可以使用该命令直接读取其 ROM 编码。
匹配 ROM（0x55）：主设备通过该命令指定要与哪个特定的 DS18B20 进行通信，需要发送该设备的 64 位 ROM 编码。
跳过 ROM（0xCC）：当总线上只有一个 DS18B20 时，可以使用该命令跳过 ROM 编码的检查，直接进行功能操作。

在完成 ROM 操作后，主设备就可以对 DS18B20 进行功能操作，如启动温度转换、读取温度数据等。常见的功能操作命令有：

启动温度转换（0x44）：主设备发送该命令后，DS18B20 开始进行温度转换，转换时间取决于所选的分辨率，最高分辨率（12 位）下大约需要 750ms。
读取温度寄存器（0xBE）：主设备发送该命令后，可以从 DS18B20 读取温度数据，温度数据以 16 位的形式存储，其中高字节的高 5 位为符号位，低字节的低 4 位为小数部分。