DS18B20的工作原理及应用.docx
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DS18B20的工作原理及应用
1.DS18B20的工作原理
①DS18B20数字温度传感器概述
DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
DS18B20产品的特点
●只要求一个端口即可实现通信。
●在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
●实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
●测量温度范围在－55.C到＋125.C之间。
●数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
●内部有温度上、下限告警设置。
TO－92封装的DS18B20的引脚排列见右图，其引脚功能描述见表
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数字输入输出引脚,开漏单总线接口引脚,当使用寄生电源时,可向电源提供电源
3
VDD
可选择的VDD引脚,当工作于寄生电源时,该引脚必须接地
表3-2 DS18B20详细引脚功能描述
②DS18B20的内部结构
DS18B20的内部框图下图所示，DS18B20的内部有64位的ROM单元，和9字节的暂存器单元。
64位ROM存储器件独一无二的序列号。
暂存器包含两字节（0和1字节）的温度寄存器，用于存储温度传感器的数字输出。
暂存器还提供一字节的上线警报触发（TH）和下线警报触发（TL）寄存器（2和3字节），和一字节的配置寄存器（4字节），使用者可以通过配置寄存器来设置温度转换的精度。
暂存器的5、6和7字节器件内部保留使用。
第八字节含有循环冗余码（CRC）。
使用寄生电源时，DS18B20不需额外的供电电源；当总线为高电平时，功率由单总线上的上拉电阻通过DQ引脚提供；高电平总线信号同时也向内部电容CPP充电，CPP在总线低电平时为器件供电。
（字节5~8就不用看了）。
图为暂存器
A.温度寄存器（0和1字节）
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
DS18B20的温度操作是使用16位，也就是说分辨率是0.0625。
BIT15~BIT11是符号位，为了就是表示转换的值是正数还是负数。
█要求出正数的十进制值，必须将读取到的LSB字节，MSB字节进行整合处理，然后乘以0.0625即可。
Eg：
假设从，字节0读取到0xD0赋值于Temp1，而字节1读取到0x07赋值于Temp2，然后求出十进制值。
unsignedintTemp1,Temp2,Temperature;
Temp1=0xD0;//低八位
Temp2=0x07;//高八位
Temperature=（（Temp2<<8）|Temp1）*0.0625;//又或者
Temperature=（Temp1+Temp2*256）*0.0625;//Temperature=125
█在这里我们遇见了一个问题，就是如何求出负数的值呢？
很遗憾的，单片机不像人脑那样会心算，我们必须判断BIT11~15是否是1，然后人为置一负数标志。
Eg.假设从，字节0读取到0x90赋值于Temp1，而字节1读取到0xFC赋值于Temp2，然后求出该值是不是负数，和转换成十进制值。
unsignedintTemp1,Temp2,Temperature;
unsignedcharMinus_Flag=0;
Temp1=0x90;//低八位
Temp2=0xFC;//高八位
//Temperature=（Temp1+Temp2*256）*0.0625;//Temperature=64656
//很明显不是我们想要的答案
if（Temp2&0xFC）//判断符号位是否为1
{
Minus_Flag=1;//负数标志置一
Temperature=（（Temp2<<8）|Temp1）//高八位第八位进行整合
Temperature=（（~Temperature）+1）;//求反，补一
Temperature*=0.0625;//求出十进制
}//Temperature=55;
else
{
Minus_Flag=0;
Temperature=（（Temp2<<8）|Temp1）*0.0625;
}
█如果我要求出小数点的值的话，那么我应该这样做。
Eg：
假设从，字节0读取到0xA2赋值于Temp1，而字节1读取到0x00赋值于Temp2，
然后求出十进制值，要求连同小数点也求出。
unsignedintTemp1,Temp2,Temperature;
Temp1=0x90;//低八位
Temp2=0xFC;//高八位
//实际值为10.125
//Temperature=（（Temp2<<8）|Temp1）*0.0625;//10，无小数点
Temperature=（（Temp2<<8）|Temp1）*（0.0625*10）;//101，一位小数点
//Temperature=（（Temp2<<8）|Temp1）*（0.0625*100）;//1012，二位小数点
█如以上的例题，我们可以先将0.0625乘以10，然后再乘以整合后的Temperature变量，就可以求出后面一个小数点的值（求出更多的小数点，方法都是以此类推）。
得出的结果是101，然后再利用简单的算法，求出每一位的值。
unsingedcharTen,One,Dot1
Ten=Temperature/100;//1
One=Temperature%100/10;//0
Dot1=%10;//1
求出负数的思路也一样，只不过多出人为置一负数标志，求反补一的动作而已。
自己发挥想象力吧。
B.字节2~3：
TH和TL配置
TH与TL就是所谓的温度最高界限，和温度最低界限的配置。
其实这些可以使用软件来试验，所以就无视了。
C字节4：
配置寄存器
BIT7出厂的时候就已经设置为0，用户不建议去更改。
而R1与R0位组合了四个不同的转换精度，00为9位转换精度而转换时间是93.75ms，01为10位转换精度而转换时间是187.5ms，10为11位转换精度而转换时间是375ms，11为12位转换精度而转换时间是750ms（默认）。
该寄存器还是留默认的好，毕竟转换精度表示了转换的质量。
低五位一直都是"1"，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。
R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：
（DS18B20出厂时被设置为12位）
表3-6R1与R0确定传感器分辨率设置表
R1
R0
传感器精度/bit
转换时间/ms
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
D.字节5~7，8：
保留位，CRC无视，无视吧。
③光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是：
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
④DS18B20温度传感器的存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
2DS18B20的工作过程
DS18B20一般都是充当从机的角色，而单片机就是主机。
单片机通过一线总线访问DS18B20的话，需要经过以下几个步骤：
①DS18B20复位（初始化），DS18B20复位。
在某种意义上就是一次访问DS18B20的开始，或者可说成是开始信号。
②执行ROM指令（ROM命令跟随着需要交换的数据）；ROM指令，也就是访问，搜索，匹配，DS18B20个别的64位序列号的动作。
在单点情况下，可以直接跳过ROM指令。
而跳过ROM指令的字节是0xCC
③执行DS18B20功能指令（RAM指令），功能命令跟随着需要交换的数据。
DS18B20功能指令有很多种，我就不一一的介绍了，数据手册里有更详细的介绍。
这里仅列出比较常用的几个DS18B20功能指令。
0x44：
开始转换温度。
转换好的温度会储存到暂存器字节0和1。
0xEE：
读暂存指令。
读暂存指令，会从暂存器0到9，一个一个字节读取，如果要停止的话，必须写下DS18B20复位。
访问DS18B20必须严格遵守这一命令序列，如果丢失任何一步或序列混乱，DS18B20都不会响应主机（除了SearchROM和AlarmSearch这两个命令，在这两个命令后，主机都必须返回到第一步）。
一般上我们都是使用单点，也就是说单线总线上仅有一个DS18B20存在而已。
所以我们无需刻意读取ROM里边的序列号来，然后匹配那个DS18B20？
而是更直接的，跳过ROM指令，然后直接执行DS18B20功能指令。
a．初始化，DS18B20复位：
在初始化过程中，主机通过拉低单总线至少480µs，以产生复位脉冲（TX）。
然后主机释放总线并进入接收（RX）模式。
当总线被释放后，5kΩ的上拉电阻将单总线拉高。
DS18B20检测到这个上升沿后，延时15µs~60µs，通过拉低总线60µs~240µs产生应答脉冲。
初始化波形如图3-8所示。
DS18B20的复位时序如下：
1.单片机拉低总线480us~950us,然后释放总线（拉高电平）。
2.这时DS18B20会拉低信号，大约60~240us表示应答。
3.DS18B20拉低电平的60~240us之间，单片机读取总线的电平，如果是低电平，那么表示复位成功。
4.DS18B20拉低电平60~240us之后，会释放总线。
C语言代码：
//DS1302复位函数
voidDS1302_Reset（）
{
DDRA|=BIT（DQ）;//DQ为输出状态
PORTA&=~BIT（DQ）;//输出低电平
Delay_1us（500）;//延迟500微妙
PORTA|=BIT（DQ）;//示范总线
Delay_1us（60）;//延迟60微妙
DDRA&=~BIT（DQ）;//DQ位输出状态
while（PINA&BIT（DQ））;//等待从机DS18B20应答（低电平有效）
while（!
（PINA&BIT（DQ）））;//等待从机DS18B20释放总线
}
DS18B20所有的数据交换都由一个初始化序列开始。
由主机发出的复位脉冲和跟在其后的由DS18B20发出的应答脉冲构成。
当DS18B20发出响应主机的应答脉冲时，即向主机表明它已处在总线上并且准备工作。
b.ROM命令：
ROM命令通过每个器件64-bit的ROM码，使主机指定某一特定器件（如果有多个器件挂在总线上）与之进行通信。
DS18B20的ROM如表3-4所示，每个ROM命令都是8bit长。
c.功能命令：
主机通过功能命令对DS18B20进行读/写Scratchpad存储器，或者启动温度转换。
DS18B20的功能命令如表3-7所示。
指令
协议
功能
读ROM
33H
读DS18B20中的编码（即64位地址）
符合ROM
55H
发出此命令后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS18B20,使之作出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备
搜索ROM
0F0H
用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作好准备
跳过ROM
0CCH
忽略64位ROM地址，直接向DS18B20V温度转换命令，适用于单个DS18B20工作
报警搜索命令
0ECH
执行后，只有温度超过庙宇值上限或下限的片子才做出响应
温度转换
44H
启动DS18B20进行温度转换，转换时间最长为500ms（典型为200ms）,结果丰入内部9字节RAM中
读暂存器
BEH
读内部RAM中9字节的内容
写暂存器
4EH
发出向内部RAM的第3、4字节写上、下温度数据命令，紧该温度命令之后，传达两字节的数据
复制暂存器
48H
将RAM中第3、4字内容复制到E2PROM中
重调E2PROM
0B8H
将E2PROM中内容恢复到RAM中的第3、4字节
读供电方式
0B4H
读DS18B20的供电模式，寄生供电时DS18B20发送“0”，外部供电时DS18B20发送“1”
表3-7
（6）DS18B20的信号方式
DS18B20采用严格的单总线通信协议，以保证数据的完整性。
该协议定义了几种信号类型：
复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。
除了应答脉冲所有这些信号都由主机发出同步信号。
总线上传输的所有数据和命令都是以字节的低位在前。
a.初始化序列：
复位脉冲和应答脉冲
在初始化过程中，主机通过拉低单总线至少480µs，以产生复位脉冲（TX）。
然后主机释放总线并进入接收（RX）模式。
当总线被释放后，5kΩ的上拉电阻将单总线拉高。
DS18B20检测到这个上升沿后，延时15µs~60µs，通过拉低总线60µs~240µs产生应答脉冲。
初始化波形如图3-8所示。
b.读和写时序
在写时序期间，主机向DS18B20写入指令；而在读时序期间，主机读入来自DS18B20的指令。
在每一个时序，总线只能传输一位数据。
读/写时序如图3-9所示。
●写时序
存在两种写时序：
“写1”和“写0”。
主机在写1时序向DS18B20写入逻辑1，而在写0时序向DS18B20写入逻辑0。
所有写时序至少需要60µs，且在两次写时序之间至少需要1µs的恢复时间。
两种写时序均以主机拉低总线开始。
产生写1时序：
主机拉低总线后，必须在15µs内释放总线，然后由上拉电阻将总线拉至高电平。
产生写0时序：
主机拉低总线后，必须在整个时序期间保持低电平（至少60µs）。
在写时序开始后的15µs~60µs期间，DS18B20采样总线的状态。
如果总线为高电平，则逻辑1被写入DS18B20；如果总线为低电平，则逻辑0被写入DS18B20。
●写时序
DS18B20写逻辑0的步骤如下：
1.单片机拉低电平大约10~15us,。
2.单片机持续拉低电平大约20~45us的时间。
3.释放总线
DS18B20写逻辑1的步骤如下：
1.单片机拉低电平大约10~15us,。
2.单片机拉高电平大约20~45us的时间。
3.释放总线
●写时序
DS18B20读逻辑0的步骤如下：
1.在读取的时候单片机拉低电平大约1us
2.单片机释放总线，然后读取总线电平。
3.这时候DS18B20会拉低电平。
4.读取电平过后，延迟大约40~45微妙
DS18B20读逻辑1的步骤如下：
1.在读取的时候单片机拉低电平大约1us
2.单片机释放总线，然后读取总线电平。
3.这时候DS18B20会拉高电平。
4.读取电平过后，延迟大约40~45微妙
如果要读或者写一个字节，就要重复以上的步骤八次。
如以下的C代码，使用for循环，和数据变量的左移和或运算，实现一个字节读与写。
//DS18B20写字节函数
voidDS1302_Write（unsignedcharData）
{
unsignedchari;
DDRA|=BIT（DQ）;//DQ为输出
for（i=0;i<8;i++）
{
PORTA&=~BIT（DQ）;//拉低总线
Delay_1us（10）;//延迟10微妙（最大15微妙）
if（Data&0x01）PORTA|=BIT（DQ）;
elsePORTA&=~BIT（DQ）;
Delay_1us（40）;//延迟40微妙（最大45微妙）
PORTA|=BIT（DQ）;//释放总线
Delay_1us
（1）;//稍微延迟
Data>>=1;
}
}
//DS18B20读字节函数
unsignedcharDS1302_Read（）
{
unsignedchari,Temp;
for（i=0;i<8;i++）
{
Temp>>=1;//数据右移
DDRA|=BIT（DQ）;//DQ为输出状态
PORTA&=~BIT（DQ）;//拉低总线，启动输入
PORTA|=BIT（DQ）;//释放总线
DDRA&=~BIT（DQ）;//DQ为输入状态
if（PINA&BIT（DQ））Temp|=0x80;
Delay_1us（45）;//延迟45微妙（最大45微妙）
}
returnTemp;
}
就是这么建档而已，不过这里有一个注意点，就是Delay_1us（）;函数延迟的时间，必须模拟非常准
确，因为单线总线对时序的要求敏感点。
DS18B20只能在主机发出读时序时才能向主机传送数据。
所以主机在发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便DS18B20能够传送数据。
所有读时序至少60µs，且在两次独立的读时序之间至少需要1µs的恢复时间。
每次读时序由主机发起，拉低总线至少1µs。
在主机发起读时序之后，DS18B20开始在总线上传送1或0。
若DS18B20发送1，则保持总线为高电平；若发送0，则拉低总线。
当传送0时，DS18B20在该时序结束时释放总线，再由上拉电阻将总线拉回空闲高电平状态。
DS18B20发出的数据在读时序下降沿起始后的15µs内有效，因此主机必须在读时序开始后的15µs内释放总线，并且采样总线状态。
DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。
只需将DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度检测。
（7）DS18B20的温度计算
DS18B20允许通过程序对传感器的分辨率,温度报警的上、下限等参数进行配置。
它的内部存储器包括一个高速暂存存储器和一个非易失性可擦除E²PROM。
速暂存存储器共有8个字节（byte）,每个字节8位（bit）。
根据温度的计算方法如下:
SSSSS=11111b温度值:
T=[（MSBand7）×256+LSB]×0.0625℃
SSSSS=00000b温度值:
T=-[（256-MSB）×256-LSB]×0.0625℃
如果,存储器高位寄存器MS的SSSSS均为1,则被测温度为正值,用上面第1个公式来计算温度。
如果存储器高位寄存器MSB的SSSSS均为0,则被测温度为负值,用上面第2个公式来计算温度。
在这里,有两点应当注意:
一是公式中中括号内的数值为二进制,在计算口号内计算完成后应转化为十进制;二是这里的7与0.0625是假设传感器的分辨率设置0.0625时的计算值。
如果分辨率的设置值不是0.0625,那么就应当作相应的变化。
第3和第4个字节分别用来存放温度报警的上限（TH）和下限值（TL）。
DS18B20在完成温度变换后,会将所测温度值与贮存在TH和TL内的上下限值相比较,如果测温结果高于TH或低于TL,DS18B20内部的告警标志就会被置位,表示温值超出了测量范围。
并且该值在掉电后不会丢失,而是记忆其设定的上下限值。
第5字节是配置寄存器,如表2.3所示,该寄存器用于对温度转换值的分辨率进行设置。
其中,最高位用于设置传感器是工作模式还是测试模式,是生产厂家为便于检验使用。
其出厂时的默认值为0,为工作模式（即用户使用时的模式）。
并且在用户使用中,该位总是保持为0。
R1与R0确定传感器的分辨率,如表2.4所示,DS18B20有4种分辨率可供选择。
使用时可以根据实际需要来设置,出厂时的默认设置是12位。
最后5位总保持为1
简单归纳
实验开始之前，简单的归纳一些重点。
单线总线高电平为闲置状态。
单片机访问DS18B20必须遵守，DS18B20复位-->执行ROM指令-->执行DS18B20功能指令。
而在单点上，可以直接跳过ROM指令。
DS18B20的转换精度默认为12位，而分辨率是0.0625。
DS18B20温度读取函数参考步骤：
DS18B20开始转换：
1.DS18B20复位。
2.写入跳过ROM的字节命令，0xCC。
3.写入开始转换的功能命令，0x44。
4.延迟大约750~900毫秒
DS18B20读暂存数据：
1.DS18B20复位。
2.写入跳过ROM的字节命令，0xCC。
3.写入读暂存的功能命令，0xee。
4.读入第0个字节LSByte，转换结果的低八位。
5.读入第1个字节MSByte，转换结果的高八位。
6.DS18B20复位，表示读取暂存结束。
数据求出十进制：
1.整合LSByte和MSByte的数据
2.判断是否为正负数（可选）
3.求得十进制值。
正数乘以0.0625，一位小数点乘以0.625，二位小数点乘以6.25。
4.十进制的“个位”求出。
ds18b20c程序
//DS1820C51子程序
//这里以11.0592M晶体为例，不同的晶体速度可能需要调整延时的时间
//sbitDQ=P2^1;//根据实际情况定义端口
typedefunsignedcharbyte;
typedefunsignedintword;
//延时
voiddelay（worduseconds）
{
for（;useconds>0;useconds--）;
}
//复位
byteow_reset（void）
{
bytepresence;
DQ=0;//pullDQlinelow时序中
delay（29）;//leaveitlowfor480us
DQ=1;//allowlinetoreturnhigh
delay（3）;//waitforpresence
presence=DQ;//getpresencesignal
delay（25）;//waitforendoftimeslot
return（presence）;//presencesignalreturned
}//0=presence,1=nopart
//从1-wire总线上读取一个字节
byteread_byte（void）
{
byt
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