51单片机——温度传感器DS18B20的原理、通信时序及检测周围环境温度
51单片机——温度传感器DS18B20的原理、通信时序及检测周围环境温度
DS18B20是美信公司推出的一款数字温度传感器，采用单总线（1-Wire）接口，可以方便地与单片机进行通信。本文将详细介绍DS18B20的工作原理、通信时序，并通过具体的代码实现，展示如何使用DS18B20传感器采集环境温度并在数码管上显示。
一、DS18B20简介
DS18B20 是美信公司的一款温度传感器，单片机可以通过 1-Wire 协议与 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 DS18B20 的数据引脚和单片机的一个 IO 口接上就可以了。
DS18B20引脚排列及说明
二、DB18B20通信时序
1.初始化序列
DS18B20的所有通信都由由复位脉冲组成的初始化序列开始。该初始化序列由主机发出，后跟由DS18B20发出的存在脉冲（presence pulse）。当发出应答复位脉冲的存在脉冲后，DS18B20通知主机它在总线上并且准备好操作了。
初始化过程“复位和存在脉冲”
在初始化步骤中，总线上的主机通过拉低单总线至少480μs来产生复位脉冲。然后总线主机释放总线并进入接收模式。
当总线释放后，5kΩ的上拉电阻把单总线上的电平拉回高电平。当DS18B20检测到上升沿后等待15到60us，然后以拉低总线60-240us的方式发出存在脉冲。
2.写时序
读/写时序
读写时隙
主机在写时隙向DS18B20写入数据，并在读时隙从DS18B20读入数据。在单总线上每个时隙只传送一位数据。
写时间隙
有两种写时隙：写“0”时间隙和写“1”时间隙。总线主机使用写“1”时间隙向DS18B20写入逻辑1，使用写“0”时间隙向DS18B20写入逻辑0。
所有的写时隙必须至少有60us的持续时间。相邻两个写时隙必须要有最少1us的恢复时间。所有的写时隙（写0和写1）都由拉低总线产生。
为产生写1时隙，在拉低总线后主机必须在15us内释放总线（拉低的电平要持续至少1us）。由于上拉电阻的作用，总线电平恢复为高电平，直到完成写时隙。
为产生写0时隙，在拉低总线后主机持续拉低总线即可，直到写时隙完成后释放总线（持续时间60-120us）。
写时隙产生后，DS18B20会在产生后的15到60us的时间内采样总线，以此来确定写0还是写1。
代码实现：
向DS18B20写一位数据
void WR_Bit(bit i)
{
DQ=0;//产生写时序
_nop_();
_nop_();//总线拉低持续时间要大于1us
DQ=i;//写数据 ，0和1均可
Delayxus_DS18B20(3);//延时60us，等待ds18b20采样读取
DQ=1;//释放总线
}
DS18B20写字节函数，先写最低位
void WR_Byte(unsigned char dat)
{
unsigned char i="0";
while(i++<8)
{
WR_Bit(dat&0x01);//从最低位写起
dat>>=1; //注意不要写成dat>>1
}
}
3.读时序
读时序
DS18B20只有在主机发出读时隙后才会向主机发送数据。因此，在发出读暂存器命令 [BEh]或读电源命令[B4h]后，主机必须立即产生读时隙以便DS18B20提供所需数据。另外，主机可在发出温度转换命令T [44h]或Recall命令E 2[B8h]后产生读时隙，以便了解操作的状态(在 DS18B20操作指令这一节会详细解释)。
读时间隙
所有的读时隙必须至少有60us的持续时间。相邻两个读时隙必须要有最少1us的恢复时间。所有的读时隙都由拉低总线，持续至少1us后再释放总线(由于上拉电阻的作用，总线恢复为高电平)产生。在主机产生读时隙后，DS18B20开始发送0或1到总线上。DS18B20让总线保持高电平的方式发送1，以拉低总线的方式表示发送0.当发送0的时候，DS18B20在读时隙的末期将会释放总线，总线将会被上拉电阻拉回高电平(也是总线空闲的状态)。DS18B20输出的数据在下降沿(下降沿产生读时隙)产生后15us后有效。因此，主机释放总线和采样总线等动作要在15μs内完成。
代码实现：
向DS18B20读一位数据
unsigned char Read_Bit()
{
unsigned char ret;
DQ=0;//拉低总线
_nop_(); _nop_();
DQ=1;//释放总线
_nop_(); _nop_();
_nop_(); _nop_();
ret=DQ;//读时隙产生7 us后读取总线数据。把总线的读取动作放在15us时间限制的后面是为了保证数据读取的有效性
Delayxus_DS18B20(3);//延时60us，满足读时隙的时间长度要求
DQ=1;//释放总线
return ret; //返回读取到的数据
}
DS18B20读一个字节函数，先读最低位
unsigned char Read_Byte()
{
unsigned char i;
unsigned char dat="0";
for(i=0;i<8;i++)
{
dat>>=1;//先读最低位
if(Read_Bit())
dat|=0x80;
}
return(dat);
}
三、环境温度采集
1.代码实现
要求：使用DS18B20温度传感器采集当前环境温度、数码管显示检测的温度值，以此达到检测环境温度的要求。
具体代码如下：
#include "reg51.h"
#include "intrins.h"
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define out P0
sbit smg1=out^4;
sbit smg2=out^5;
sbit DQ=P3^7;
void delay5(uchar);
void init_ds18b20(void);
uchar readbyte(void);
void writebyte(uchar);
uchar retemp(void);
void main(void)
{
uchar i,temp;
delay5(1000);
while(1)
{
temp=retemp();
for(i=0;i<10;i++)
{
out=(temp/10)&0x0f;
smg1=0;
smg2=1;
delay5(1000);
out=(temp%10)&0x0f;
smg1=1;
smg2=0;
delay5(1000);
}
}
}
void delay5(uchar n)
{
do
{
_nop_();
_nop_();
_nop_();
n--;
}
while(n);
}
void init_ds18b20(void)
{
uchar x=0;
DQ =0;
delay5(120);
DQ =1;
delay5(16);
delay5(80);
}
uchar readbyte(void)
{
uchar i=0;
uchar date=0;
for (i=8;i>0;i--)
{
DQ =0;
delay5(1);
DQ =1;
date>>=1;
if(DQ)
date|=0x80;
delay5(11);
}
return(date);
}
void writebyte(uchar dat)
{
uchar i=0;
for(i=8;i>0;i--)
{
DQ =0;
DQ =dat&0x01;
delay5(12);
DQ = 1;
dat>>=1;
delay5(5);
}
}
uchar retemp(void)
{
uchar a,b,tt;
uint t;
init_ds18b20();
writebyte(0xCC);
writebyte(0x44);
init_ds18b20();
writebyte(0xCC);
writebyte(0xBE);
a=readbyte();
b=readbyte();
t=b;
t<<=8;
t=t|a;
tt=t*0.0625;
return(tt);
}
2.Pertous仿真
pertous里面我们使用仿真DS18B20传感器向芯片输入数值，然后在数码管上显示，仿真电路如下：
开发板实验结果如下：
温度传感器
3.keil波形分析
分析波形可知，此程序是符合技术要求的。
4.改变时序再行观察
当我们修改延时函数，将时序弄错后再行重复实验仿真，得到的温度是不准确的，不会再返回正确的温度，仿真效果如下：
总结
在学习温度传感器中，时序是非常重要的概念，理解它尤为重要。在之后的实操中，想让传感器工作首先就得写时序，所以还需要更加深入的学习。
参考链接：
DS18B20时序分析详细步骤_ds18b20时序示波器测量-CSDN博客