DS18B20 是美信公司的一款溫度傳感器，單片機(jī)可以通過 1-Wire 協(xié)議與 DS18B20 進(jìn)行通信，最終將溫度讀出。1-Wire 總線的硬件接口很簡單，只需要把 DS18B20 的數(shù)據(jù)引腳和單片機(jī)的一個 IO 口接上就可以了。硬件的簡單，隨之而來的，就是軟件時序的復(fù)雜。1-Wire總線的時序比較復(fù)雜，很多同學(xué)在這里獨(dú)立看時序圖都看不明白，所以這里還要帶著大家來研究 DS18B20 的時序圖。我們先來看一下 DS18B20 的硬件原理圖，如圖16-12所示。
圖16-12 DS18B20 電路原理圖
DS18B20 通過編程，可以實(shí)現(xiàn)最高12位的溫度存儲值，在寄存器中，以補(bǔ)碼的格式存儲，如圖16-13所示。
圖16-13 DS18B20 溫度數(shù)據(jù)格式
一共2個字節(jié)，LSB 是低字節(jié)，MSB 是高字節(jié)，其中 MSb 是字節(jié)的高位，LSb 是字節(jié)的低位。大家可以看出來，二進(jìn)制數(shù)字，每一位代表的溫度的含義，都表示出來了。其中 S表示的是符號位，低11位都是2的冪，用來表示最終的溫度。DS18B20 的溫度測量范圍是從-55度到+125度，而溫度數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式，有正負(fù)溫度，寄存器中每個數(shù)字如同卡尺的刻度一樣分布，如圖16-14所示。
圖16-14 DS18B20 溫度值
二進(jìn)制數(shù)字最低位變化1，代表溫度變化0.0625度的映射關(guān)系。當(dāng)0度的時候，那就是 0x0000，當(dāng)溫度125度的時候，對應(yīng)十六進(jìn)制是 0x07D0，當(dāng)溫度是零下55度的時候，對應(yīng)的數(shù)字是 0xFC90。反過來說，當(dāng)數(shù)字是 0x0001 的時候，那溫度就是0.0625度了。
首先，我先根據(jù)手冊上 DS18B20 工作協(xié)議過程大概講解一下。
1)初始化和 I2C 的尋址類似，1-Wire 總線開始也需要檢測這條總線上是否存在 DS18B20 這個器件。如果這條總線上存在 DS18B20，總線會根據(jù)時序要求返回一個低電平脈沖，如果不存在的話，也就不會返回脈沖，即總線保持為高電平，所以習(xí)慣上稱之為檢測存在脈沖。此外，獲取存在脈沖不僅僅是檢測是否存在 DS18B20，還要通過這個脈沖過程通知 DS18B20 準(zhǔn)備好，單片機(jī)要對它進(jìn)行操作了，如圖16-15所示。
圖16-15 檢測存在脈沖
大家注意看圖，實(shí)粗線是我們的單片機(jī) IO 口拉低這個引腳，虛粗線是 DS18B20 拉低這個引腳，細(xì)線是單片機(jī)和 DS18B20 釋放總線后，依靠上拉電阻的作用把 IO 口引腳拉上去。這個我們前邊提到過了，51單片機(jī)釋放總線就是給高電平。
存在脈沖檢測過程，首先單片機(jī)要拉低這個引腳，持續(xù)大概 480 us 到 960 us 之間的時間即可，我們的程序中持續(xù)了 500 us。然后，單片機(jī)釋放總線，就是給高電平，DS18B20 等待大概15到 60 us 后，會主動拉低這個引腳大概是60到 240 us，而后 DS18B20 會主動釋放總線，這樣 IO 口會被上拉電阻自動拉高。
有的同學(xué)還是不能夠徹底理解，程序列出來逐句解釋。首先，由于 DS18B20 時序要求非常嚴(yán)格，所以在操作時序的時候，為了防止中斷干擾總線時序，先關(guān)閉總中斷。然后第一步，拉低 DS18B20 這個引腳，持續(xù) 500 us；第二步，延時 60 us；第三步，讀取存在脈沖，并且等待存在脈沖結(jié)束。
bitGet18B20Ack(){bitack;EA=0;//禁止總中斷IO_18B20=0;//產(chǎn)生500us復(fù)位脈沖DelayX10us(50);IO_18B20=1;DelayX10us(6);//延時60usack=IO_18B20;//讀取存在脈沖while(!IO_18B20);//等待存在脈沖結(jié)束EA=1;//重新使能總中斷returnack;}很多同學(xué)對第二步不理解，時序圖上明明是 DS18B20 等待 15 us 到 60 us，為什么要延時60 us 呢？舉個例子，媽媽在做飯，告訴你大概5分鐘到10分鐘飯就可以吃了，那么我們什么時候去吃，能夠絕對保證吃上飯呢？很明顯，10分鐘以后去吃肯定可以吃上飯。同樣的道理，DS18B20 等待大概是 15 us 到 60 us，我們要保證讀到這個存在脈沖，那么 60 us 以后去讀肯定可以讀到。當(dāng)然，不能延時太久，太久，超過 75 us，就可能讀不到了，為什么是 75 us，大家自己思考一下。
2)ROM 操作指令我們學(xué) I2C 總線的時候就了解到，總線上可以掛多個器件，通過不同的器件地址來訪問不同的器件。同樣，1-Wire 總線也可以掛多個器件，但是它只有一條線，如何區(qū)分不同的器件呢？
在每個 DS18B20 內(nèi)部都有一個唯一的64位長的序列號，這個序列號值就存在 DS18B20 內(nèi)部的 ROM 中。開始的8位是產(chǎn)品類型編碼（DS18B20 是 0x10），接著的48位是每個器件唯一的序號，最后的8位是 CRC 校驗(yàn)碼。DS18B20 可以引出去很長的線，最長可以到幾十米，測不同位置的溫度。單片機(jī)可以通過和 DS18B20 之間的通信，獲取每個傳感器所采集到的溫度信息，也可以同時給所有的 DS18B20 發(fā)送一些指令。這些指令相對來說比較復(fù)雜，而且應(yīng)用很少，所以這里大家有興趣的話就自己去查手冊完成吧，我們這里只講一條總線上只接一個器件的指令和程序。
Skip ROM（跳過 ROM）：0xCC。當(dāng)總線上只有一個器件的時候，可以跳過 ROM，不進(jìn)行 ROM 檢測。
3)RAM 存儲器操作指令RAM 讀取指令，只講2條，其它的大家有需要可以隨時去查資料。 Read Scratchpad（讀暫存寄存器）：0xBE
這里要注意的是，DS18B20 的溫度數(shù)據(jù)是2個字節(jié)，我們讀取數(shù)據(jù)的時候，先讀取到的是低字節(jié)的低位，讀完了第一個字節(jié)后，再讀高字節(jié)的低位，直到兩個字節(jié)全部讀取完畢。
Convert Temperature（啟動溫度轉(zhuǎn)換）：0x44
當(dāng)我們發(fā)送一個啟動溫度轉(zhuǎn)換的指令后，DS18B20 開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換。從轉(zhuǎn)換開始到獲取溫度，DS18B20 是需要時間的，而這個時間長短取決于 DS18B20 的精度。前邊說 DS18B20 最高可以用12位來存儲溫度，但是也可以用11位，10位和9位一共四種格式。位數(shù)越高，精度越高，9位模式最低位變化1個數(shù)字溫度變化0.5度，同時轉(zhuǎn)換速度也要快一些，如圖16-16所示。
圖16-16 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換時間
其中寄存器 R1 和 R0 決定了轉(zhuǎn)換的位數(shù)，出廠默認(rèn)值就11，也就是12位表示溫度，最大的轉(zhuǎn)換時間是 750 ms。當(dāng)啟動轉(zhuǎn)換后，至少要再等 750 ms 之后才能讀取溫度，否則讀到的溫度有可能是錯誤的值。這就是為什么很多同學(xué)讀 DS18B20 的時候，第一次讀出來的是85度，這個值要么是沒有啟動轉(zhuǎn)換，要么是啟動轉(zhuǎn)換了，但還沒有等待一次轉(zhuǎn)換徹底完成，讀到的是一個錯誤的數(shù)據(jù)。
4)DS18B20 的位讀寫時序DS18B20 的時序圖不是很好理解，大家對照時序圖，結(jié)合我的解釋，一定要把它學(xué)明白。寫時序圖如圖16-17所示。
圖16-17 DS18B20 位寫入時序
當(dāng)要給 DS18B20 寫入0的時候，單片機(jī)直接將引腳拉低，持續(xù)時間大于 60 us 小于 120 us就可以了。圖上顯示的意思是，單片機(jī)先拉低 15 us 之后，DS18B20 會在從 15 us 到 60 us 之間的時間來讀取這一位，DS18B20 最早會在 15 us 的時刻讀取，典型值是在 30 us 的時刻讀取，最多不會超過 60us，DS18B20 必然讀取完畢，所以持續(xù)時間超過 60 us 即可。
當(dāng)要給 DS18B20 寫入1的時候，單片機(jī)先將這個引腳拉低，拉低時間大于 1 us，然后馬上釋放總線，即拉高引腳，并且持續(xù)時間也要大于 60 us。和寫0類似的是，DS18B20 會在 15 us 到 60 us 之間來讀取這個1。
可以看出來，DS18B20 的時序比較嚴(yán)格，寫的過程中最好不要有中斷打斷，但是在兩個“位”之間的間隔，是大于1小于無窮的，那在這個時間段，我們是可以開中斷來處理其它程序的。發(fā)送即寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)程序如下。
voidWrite18B20(unsignedchardat){unsignedcharmask;EA=0;//禁止總中斷for(mask=0x01;mask!=0;mask<<=1){//低位在先，依次移出8個bitIO_18B20=0;//產(chǎn)生2us低電平脈沖_nop_();_nop_();if((mask&dat)==0){//輸出該bit值IO_18B20=0;}else{IO_18B20=1;}DelayX10us(6);//延時60usIO_18B20=1;//拉高通信引腳}EA=1;//重新使能總中斷}讀時序圖如圖16-18所示。
圖16-18 DS18B20 位讀取時序
當(dāng)要讀取 DS18B20 的數(shù)據(jù)的時候，我們的單片機(jī)首先要拉低這個引腳，并且至少保持 1 us 的時間，然后釋放引腳，釋放完畢后要盡快讀取。從拉低這個引腳到讀取引腳狀態(tài)，不能超過 15 us。大家從圖16-18可以看出來，主機(jī)采樣時間，也就是 MASTER SAMPLES，是在 15 us 之內(nèi)必須完成的，讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)的程序如下。
unsignedcharRead18B20({unsignedchardat;unsignedcharmask;EA=0;//禁止總中斷for(mask=0x01;mask!=0;mask<<=1){//低位在先，依次采集8個bitIO_18B20=0;//產(chǎn)生2us低電平脈沖_nop_();_nop_();IO_18B20=1;//結(jié)束低電平脈沖，等待18B20輸出數(shù)據(jù)_nop_();//延時2us_nop_();if(!IO_18B20){//讀取通信引腳上的值dat&=~mask;}else{dat"=mask;}DelayX10us(6);//再延時60us}EA=1;//重新使能總中斷returndat;} 
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