#51单片机#DS18B20硬件原理以及通信的工作时序

DS18B20的硬件原理——温度存储器

DS18B20的温度测量范围：-55~+125°C。

如上图所示，DS18B20温度存储器一共有两个字节。LSB低字节，MSB高字节。Msb字节高位，Lsb字节低位。图中的S表示的是符号位。
通过编程，DS18B20可实现最高12位的温度存储器。以补码的格式存储在寄存器中。

结合下面寄存器温度对应存储数值的表格，理解DS18B20温度存储器。

ps：二进制数最低位变化1，代表温度变化0.0625°C。

DS18B20与单片机通信

单片机可通过1-Wire协议与DS18B20通信，读取温度

1-Wire总线的硬件接口简单，时序复杂。

下面可根据DS18B20工作协议过程，了解其工作时序。

1）初始化

类似于I2C寻址。开始时，1-Wire总线也需检测总线上是否存在DS18B20器件。若存在，则总线根据时序要求返回一个低电平脉冲，若不存在，则无返回脉冲，即总线保持高电平。习惯上将这个动作称为检测存在脉冲。该动作除了有检测DS18B20器件的功能外，还有通知DS18B20做准备的作用。

下图是关于存在脉冲检测的时序图，以便直观感受时间与脉冲变化的关系。

图中可以看到，首先单片机拉低引脚，持续480 ~ 960μs。然后，单片机释放总线，即给总线高电平。DS18B20等待15 ~ 60μs，主动拉低这个引脚。60 ~ 240μ后，DS18B20主动释放总线。之后IO口被上拉电阻拉高。

2）ROM操作指令

类似于I2C，1-Wire总线也可挂多个器件。

该操作应用于一个总线上挂多个器件的情况下，对不同器件进行区分。

每个DS18B20内部都有一个唯一的64位长的序列号。序列号值存在于DS18B20内部的ROM中。其首8位是产品类型编码，末8位是CRC效验码，中间48位是每个器件的唯一序号。单片机可通过与DS18B20的通信，获取数据发送指令。这些指令相对复杂。应用不多。这里不介绍这部分，需要时可查看手册。

下面只介绍一个总线接一个器件的指令和程序。

Skip ROM：0XCC。当总线上只有一个器件时，可跳过ROM，不进行ROM检测。

3）RAM存储器操作指令。

这里介绍两条，其他有需要再查资料。

Read Scratchpad（读暂存寄存器）：0XBE。

注意：DS18B20温度数据有两个字节。读取数据时，每个字节从低位读起，先读低字节再读高字节。

Convert Temperature（启动温度转换）：0X44。

发送指令后，开始温度转换。这个过程需要一定时间，时长取决于DS18B20精度。温度数据用到的位数越高，精度越高，速度越慢。例子：9位模式与12位模式的最低变化值分别为0.5和0.0625，9位的转换速度更快。

下图为9位模式下的DS18B20温度转换时间表

其中寄存器R1和R0决定了转换的位数。他们的出厂设置默认值为11。即12位表示温度，最大转换时间750μs。启动转换后，至少要再等750μs才能读取温度。否则就有可能读错。

4）DS18B20的位写时序

下面是一张DS18B20写入操作的时序图：

当要给DS18B20写入0时，单片机拉低引脚。持续时间在60~120μs之间。

图中可见，单片机先拉低15μs之后，DS18B20会在15~60μs这个时间段读取这一位，典型值是在30μs时刻读取。持续时间超过60μs，DS18B20必定读取完毕。

当要给DS18B20写入1时，单片机拉低引脚。拉低时间>1μs，紧接着马上释放总线，即拉高引脚，持续时间>60μs。

ps：DS18B20时序较严格，写的过程中最好不要有中断，但是两个位之间的间隔处是例外，可以开启中断。

5）DS18B20的位读时序

当读取DS18B20数据时，单片机拉低引脚，至少保持1μs，然后释放引脚，释放完毕后要尽快读取。从拉低引脚到读取引脚状态不可超过15μs。

下面是DS18B20的操作代码（读写，检测脉冲，温度转换）

#include 
#include 

sbit IO_18B20 = P3^5;	//DS18B20通信引脚

//软件延时函数，延时（t*10）μs
void Delay(unsigned char t)
{
	do{
		_nop_();
		_nop_();
		_nop_();
		_nop_();
		_nop_();
		_nop_();
		_nop_();
		_nop_();
	}while(--t);
}

//复位总线，获取存在脉冲，准备启动一次读写操作
bit Get18B20Ack()
{
	bit ack;
	EA = 0;				//禁止中断
	IO_18B20 = 0;		//产生500微秒复位脉冲
	Delay(50);
	IO_18B20 = 1;
	Deylay(60);
	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;
}

//向DS18B20写入一个字节，dat为待写入字节
void Write18B20(unsigned char dat)
{
	unsigned char mask;

	EA = 0;				//禁止中断
	for(mask = 0X01;mask!=0;mask<<=1)	//低位在前，依次移出8个bit
	{	
		IO_18B20 = 0;					//产生2微秒低电平脉冲
		_nop_();
		_nop_();
		if((mask&dat) == 0)				//输出该bit值
			IO_18B20 = 0;
		else
			IO_18B20 = 1;
		Delay(6);						//延时60微秒
		IO_18B20 = 1;					//拉高通信引脚
	}
	EA  = 1;							//重新使能总中断
}

//从DS18B2读取一个字节，返回值为读到的字节
unsigned char Read18B20()
{
	unsigned char dat;
	unsigned char mask;

	EA = 0;			//禁止总中断
	for(mask = 0X01;mask != 0;mask <<= 1)//低位在先，依次采集8个bit
	{
		IO_18B20 = 0;					//产生2微秒低电平脉冲
		_nop_();	
		_nop_();
		IO_18B20 = 1;		   			//结束低电平脉冲，等待18B20输出数据
		_nop_();			  			//延时2微秒
		_nop_();
		if(!IO_18B20)		   			//读取通信引脚上的值
			dat &= ~mask;
		else		
			dat |= mask;
		Delay(60);			  			//再延时60微秒
	}
	EA = 1;			//重新使能总中断

	return dat;
}

//启动一次18B20温度转换，返回值为表示是否启动成功
bit Start18B20()
{
	bit ack;

	ack = Get18B20Ack();	//执行总线，获取18B20应答
	if(ack == 0)			//若18B20正确应答，则启动一次转换
	{
		Write18B20(0XCC);	//跳过ROM操作
		Write18B20(0X44);	//启动一次温度转换
	}

	return ~ack;			//ack=0表示操作成功，故取反返回值
}

//读取DS18B20转换的温度值，返回值为是否读取成功
bit Get18B20Temp(int *temp)
{
	bit ack;
	unsigned char LSB,MSB;	//16bit温度值的高低字节

	ack = Get18B20Ack();	//执行总线，获取18B20应答
	if(ack == 0)			//若18B20正确应答，则启动一次转换
	{
		Write18B20(0XCC);	//跳过ROM操作
		Write18B20(0XBE);	//发送读命令
		LSB = Read18B20();	//读温度值的低字节
		MSB = Read18B20();	//读温度值的高字节
		*temp = ((int)MSB<<8)+LSB;//合并成为16bit整型数	
	}
	return ~ack;//ack=0表示操作成功，故取反返回值
}