温度传感器DS18B20

　　DS18B20是美信公司的一款温度传感器，单片机可以通过1-Wire和DS18B20进行通信，最终将温度读出。1-Wire总线的硬件接口很简单，只需要把18B20的数据引脚和单片机的一个IO口接上就可以通信。硬件的简单，随之而来的，就是软件时序的复杂。1-Wire总线的时序比较复杂，很多同学在这里独立看时序图都看不明白，所以这里还要带着大家来研究18B20的时序图。我们先来看一下DS18B20的硬件原理图，如图1所示。

图1 DS18B20

　　DS18B20通过编程，可以实现最高12位的温度存储值，在寄存器中，以补码的格式存储，如图2所示。

图2 DS18B20温度表示

　　一共2个字节，LSB是低字节，MSB是高字节，其中MSb是字节的高位，LSb是字节的低位。大家可以看出来，二进制数字，每一位代表的温度的含义，都表示出来了。其中S表示的是符号位，低11位都是2的幂，用来表示最终的温度。DS18B20的温度测量范围是从-55度到 125度，而温度数据的表现形式，有正负温度，寄存器中每个数字如同卡尺的刻度一样分布，如图3所示。

图3 DS18B20温度显示

　　二进制数字最低位变化1，代表温度变化0.0625度的映射关系。当0度的时候，那就是0x0000，当温度125度的时候，对应十六进制是0x07D0，当温度是零下55度的时候，对应的数字是0xFC90。反过来说，当数字是0x0001的时候，那温度就是0.0625度了。

　　首先，我先根据手册上DS18B20工作协议过程大概讲解一下。

　　1、初始化。和I2C的寻址类似，1-Wire总线开始也需要检测这条总线上是否存在DS18B20这个器件。如果这条总线上存在DS18B20，总线会根据时序要求返回一个低电平脉冲，如果不存在的话，也就不会返回脉冲，即总线保持为高电平，所以习惯上称之为检测存在脉冲。此外，获取存在脉冲不仅仅是检测是否存在DS18B20，还要通过这个脉冲过程通知DS18B20准备好，单片机要进行操作它了，如图4所示。

图4 获取存在脉冲

　　大家注意看图，实粗线是我们单片机IO口拉低这个引脚，虚粗线是DS18B20拉低这个引脚，细线是单片机和DS18B20释放总线后，依靠上拉电阻的作用把IO口引脚拉上去的。这个我们前边提到过了，51单片机释放总线就是给高电平即可。

　　存在脉冲检测过程，首先我们单片机要拉低这个引脚，持续大概480us到960us之间的时间即可，我们的程序中持续了500us。然后，单片机释放总线，就是给高电平，DS18B20等待大概15到60us后，会主动拉低这个引脚大概是60到240us，而后DS18B20会主动释放总线，这样IO口会被上拉电阻自动拉高。

　　有的同学还是不能够彻底理解，程序列出来逐句解释。首先，由于DS18B20时序要求非常严格，所以在操作时序的时候，为了防止中断干扰总线时序，先关闭总中断。然后第一步，拉低DS18B20这个引脚，持续500us；第二步，延时60us；第三步，读取存在脉冲，并且等待存在脉冲结束。

　　bit Get18B20Ack(void) //复位总线，获取存在脉冲，以启动一次读写操作

{

bit ack;

EA = 0; //禁止总中断

IO_18B20 = 0; //产生500us复位脉冲

DelayX10us(50);

IO_18B20 = 1;

DelayX10us(6); //延时60us

ack = IO_18B20; //读取存在脉冲

while(!IO_18B20); //等待存在脉冲结束

EA = 1; //重新使能总中断

return ack;

}

　　很多同学对第二步不理解，时序图上明明是DS18B20等待15us到60us，为什么要延时60us呢？举个例子，妈妈在做饭，告诉你大概5分钟到10分钟饭就可以吃了，那么我们什么时候去吃，能够绝对保证吃上饭呢？很明显，10分钟以后去吃肯定可以吃上饭。同样的道理，DS18B20等待大概是15us到60us，我们要保证读到这个存在脉冲，那么60us以后去读肯定可以读到。当然，不能延时太久，太久，超过75us，就可能读不到了，为什么是75us，大家自己思考一下。

　　2、ROM操作指令。我们学I2C总线的时候，总线上可以挂多个器件，通过不同的器件地址来访问不同的器件。同样，1-Wire总线也可以挂多个器件，但是他只有一条线，如何区分不同的器件呢？

　　 在每个DS18B20内部都有一个唯一的64位长的序列号，这个序列号值就存在DS18B20内部的ROM中。开始的8位是产品类型编码(DS18B20是10H)，接着的48位是每个器件唯一的序号，最后的8位是CRC校验码。DS18B20可以引出去很长的线，最长可以到几十米，测不同位置的温度。单片机可以通过和DS18B20之间的通信，获取每个传感器所采集到的温度信息，也可以同时给所有的DS18B20发送一些指令。这些指令相对来说比较复杂，而且应用很少，所以这里大家有兴趣自己查手册自己完成，我们这里只讲一条总线上只接一个器件的指令和程序。

　　Skip ROM(跳过ROM)：0xCC。当总线上只有一个器件的时候，可以跳过ROM，不进行ROM检测。

　　3、RAM存储器操作指令。

　　RAM读取指令，只讲2条，其他的大家有需要可以随时去查资料。

　　Read Scratchpad(读暂存寄存器)：0xBE

　　这里要注意的是，我们的DS18B20的温度数据是2个字节，我们读取数据的时候，先读取到的是低字节的低位，读完了第一个字节后，再读高字节的低位，一直到两个字节全部读取完毕。

　　Convert Temperature(启动温度转换)：0x44

　　当我们发送一个启动温度转换的指令后，DS18B20开始进行转换。从转换开始到获取温度，DS18B20是需要时间的，而这个时间长短取决于DS18B20的精度。前边说DS18B20最高可以用12位来存储温度，但是也可以用11位，10位和9位一共四种格式。位数越高，精度越高，9位模式最低位变化1温度变化0.5度，同时转换速度也要快一些，如图5所示。

图5 DS18B20温度转换时间

　　其中寄存器R1和R0决定了转换的位数，出场默认值就是11，也就是12位表示温度，最大的转换时间是750ms。当启动转换后，至少要再等750ms之后才能读取温度，否则读到的温度有可能是错误的值。这就是为什么很多同学读DS18B20的时候，第一次读出来的是85度，这个值要么是没有启动转换，要么是启动转换了，但还没有等待一次转换彻底完成，读到的是一个错误的数据。

　　4、DS18B20的位读写时序。

　　DS18B20的时序图不是很好理解，大家对照时序图，结合我的解释学明白。写时序图如图6所示。

图6 DS18B20位写入时序

　　当要给DS18B20写入‘0’的时候，单片机直接将引脚拉低，持续时间大于60us小于120us就可以了。图上显示的意思是，单片机先拉低15us之后，DS18B20会在从15us到60us之间的时间来读取这一位，DS18B20最早会15us的时刻读取，典型值是30us的时刻读取，最多不会超过60us，DS18B20必然读取完毕，所以持续时间超过60us即可。

　　当要给DS18B20写入‘1’的时候，单片机先将这个引脚拉低，拉低时间大于1us，然后马上释放总线，即拉高引脚，并且持续时间也要大于60us。和写‘0’类似的是，DS18B20会在15到60us之间来读取这个‘1’。

　　可以看出来，DS18B20的时序比较严格，写的过程中最好不要有中断打断，但是在两个“位”之间的间隔，是大于1小于无穷的，那在这个时间段，我们是可以开中断来处理其他程序的。发送一个字节的数据程序如下。

void Write18B20(unsigned char dat) //向DS18B20写入一个字节数据

{

unsigned char mask;

EA = 0; //禁止总中断

for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在先，依次移出8个bit

{

IO_18B20 = 0; //产生2us低电平脉冲

_nop_();

_nop_();

if ((mask