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&dat) == 0) //输出该bit值
IO_18B20 = 0;
else
IO_18B20 = 1;
DelayX10us(6); //延时60us
IO_18B20 = 1; //拉高通信引脚
}
EA = 1; //重新使能总中断
}
读时序图如图7所示。
图7 DS18B20位读取时序
当要读取DS18B20的数据的时候，我们的单片机首先要拉低这个引脚，并且至少保持1us的时间，然后释放引脚，释放完毕后要尽快读取。从拉低这个引脚到读取引脚状态，不能超过15us。大家从图7可以看出来，主机采样时间，也就是MASTER SAMPLES，是在15us之内必须完成的，读取一个字节数据的程序如下。
unsigned char Read18B20(void) //从DS18B20读取一个字节数据
{
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2us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2us
_nop_();
if (!IO_18B20) //读取通信引脚上的值
dat &= ~mask;
else
dat |= mask;
DelayX10us(6); //再延时60us
}
EA = 1; //重新使能总中断
return dat;
}
DS18B20所表示的温度值中，有小数和整数两部分。常用的带小数的数据处理方法有两种，一种是定义成浮点型直接小数整数处理，第二种是定义成整型，然后把小数和整数部分分离出来，在合适的位置点上小数点即可。我们在程序中使用的是第二种方法，下面我们就写一个程序，将我们读到的温度值显示在1602液晶上，并且保留一位小数数字。
/***********************lcd1602.c文件程序源代码*************************/
#include
#define LCD1602_DB P0
sbit LCD1602_RS = P1^0;
sbit LCD1602_RW = P1^1;
sbit LCD1602_E = P1^5;
void LcdWaitReady() //等待液晶准备好
{
unsigned char sta;
LCD1602_DB = 0xFF;
LCD1602_RS = 0;
LCD1602_RW = 1;
do
{
LCD1602_E = 1;
sta = LCD1602_DB; //读取状态字
LCD1602_E = 0;
} while (sta & 0x80); //bit7等于1表示液晶正忙，重复检测直到其等于0为止
}
void LcdWriteCmd(unsigned char cmd) //写入命令函数
{
LcdWaitReady();
LCD1602_RS = 0;
LCD1602_RW = 0;
LCD1602_DB = cmd;
LCD1602_E = 1;
LCD1602_E = 0;
}
void LcdWriteDat(unsigned char dat) //写入数据函数
{
LcdWaitReady();
LCD1602_RS = 1;
LCD1602_RW = 0;
LCD1602_DB = dat;
LCD1602_E = 1;
LCD1602_E = 0;
}
void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, const unsigned char *str) //显示字符串，屏幕起始坐标(x,y)，字符串指针str
{
unsigned char addr;
//由输入的显示坐标计算显示RAM的地址
if (y == 0)
addr = 0x00 + x; //第一行字符地址从0x00起始
else
addr = 0x40 + x; //第二行字符地址从0x40起始
//由起始显示RAM地址连续写入字符串
LcdWriteCmd(addr | 0x80); //写入起始地址
while (*str != '/0') //连续写入字符串数据，直到检测到结束符
{
LcdWriteDat(*str);
str++;
}
}
void LcdInit() //液晶初始化函数
{
LcdWriteCmd(0x38); //16*2显示，5*7点阵，8位数据接口
LcdWriteCmd(0x0C); //显示器开，光标关闭
LcdWriteCmd(0x06); //文字不动，地址自动+1
LcdWriteCmd(0x01); //清屏
}
/***********************DS18B20.c文件程序源代码*************************/
#include
#include
sbit IO_18B20 = P3^2; //DS18B20通信引脚
void DelayX10us(unsigned char t) //软件延时函数，延时时间(t*10)us
{
do {
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
} while (--t);
}
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;
}
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&dat) == 0) //输出该bit值
IO_18B20 = 0;
else
IO_18B20 = 1;
DelayX10us(6); //延时60us
IO_18B20 = 1; //拉高通信引脚
}
EA = 1; //重新使能总中断
}
unsigned char Read18B20(void) //从DS18B20读取一个字节数据
{
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2us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2us
_nop_();
if (!IO_18B20) //读取通信引脚上的值
dat &= ~mask;
else
dat |= mask;
DelayX10us(6); //再延时60us
}
EA = 1; //重新使能总中断
return dat;
}
bit Start18B20() //启动一次18B20温度转换，返回值代表是否启动成功
{
bit ack;
ack = Get18B20Ack(); //执行总线复位，并获取18B20应答
if (ack == 0) //如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，所以返回值为其取反值
}
bit Get18B20Temp(int *temp) //读取DS18B20温度值，返回值代表是否读取成功
{
bit ack;
unsigned char LSB, MSB; //16bit温度值的低字节和高字节
ack = Get18B20Ack(); //执行总线复位，并获取18B20应答
if (ack == 0) //如18B20正确应答，则读取温度值
{
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; //合成为16bit整型数
}
return ~ack; //ack==0表示操作应答，所以返回值为其取反值
}
/***********************main.c文件程序源代码*************************/
#include
bit flag1s = 0; //1s定时标志
unsigned char T0RH = 0; //T0重载值的高字节
unsigned char T0RL = 0; //T0重载值的低字节
void ConfigTimer0(unsigned int ms);
unsigned char IntToString(unsigned char *str, int dat);
extern bit Start18B20();
extern bit Get18B20Temp(int *temp);
extern void LcdInit();
extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, const unsigned char *str);
void main ()
{
bit res;
int temp; //读取到的当前温度值
int intT, decT; //温度值的整数和小数部分
unsigned char len;
unsigned char str[12];
LcdInit(); //初始化液晶
Start18B20(); //启动DS18B20
ConfigTimer0(10); //T0定时10ms
EA = 1; //开总中断
while(1)
{
if (flag1s) //每秒更新一次温度
{
flag1s = 0;
res = Get18B20Temp(&temp); //读取当前温度
if (res) //读取成功时，刷新当前温度显示
{
intT = temp >> 4; //分离出温度值整数部分
decT = temp & 0xF; //分离出温度值小数部分
len = IntToString(str, intT); //整数部分转换为字符串
str[len++] = '.'; //添加小数点
decT = (decT*10) / 16; //二进制的小数部分转换为1位十进制位
str[len++] = decT + '0'; //十进制小数位再转换为ASCII字符
while (len < 6) //用空格补齐到6个字符长度
{
str[len++] = ' ';
}
str[len] = '/0'; //添加字符串结束符
LcdShowStr(0, 0, str); //显示到液晶屏上
}
else //读取失败时，提示错误信息
{
LcdShowStr(0, 0, "error!");
}
Start18B20(); //重新启动下一次转换
}
}
}
unsigned char IntToString(unsigned char *str, int dat) //整型数转换为十进制字符串，返回值为转换后的字符串长度
{
signed char i;
unsigned char len = 0;
unsigned char buf[6];
if (dat < 0) //如果为负数，首先取绝对值，并添加负号
{
dat = -dat;
*str++ = '-';
len++;
}
for (i=0; i<=4; i++) //由低到高转换为十进制位
{
buf[i] = dat % 10;
dat /= 10;
}
for (i=4; i>=1; i--) //查找有效数字最高位，以忽略更高位的‘0’
{
if (buf[i] != 0)
{
break;
}
}
for ( ; i>=0; i--) //有效数字位转换为ASCII码
{
*str++ = buf[i] + '0';
len++;
}
*str = '/0'; //添加字符串结束符
return len; //返回字符串长度
}
void ConfigTimer0(unsigned int ms) //T0配置函数
{
unsigned long tmp;
tmp = 11059200 / 12; //定时器计数频率
tmp = (tmp * ms) / 1000; //计算所需的计数值
tmp = 65536 - tmp; //计算定时器重载值
tmp = tmp + 12; //修正中断响应延时造成的误差
T0RH = (unsigned char)(tmp >> 8); //定时器重载值拆分为高低字节
T0RL = (unsigned char)tmp;
TMOD &= 0xF0; //清零T0的控制位
TMOD |= 0x01; //配置T0为模式1
TH0 = T0RH; //加载T0重载值
TL0 = T0RL;
ET0 = 1; //使能T0中断
TR0 = 1; //启动T0
}
void InterruptTimer0() interrupt 1 //T0中断服务函数
{
static unsigned char tmr1s = 0;
TH0 = T0RH; //定时器重新加载重载值
TL0 = T0RL;
tmr1s++;
if (tmr1s >= 100) //定时1s
{
tmr1s = 0;
flag1s = 1;
}
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