2021年10月26日 | #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

}