DS18B20 是美信公司的一款溫度傳感器，單片機可以通過 1-Wire 協(xié)議與 DS18B20 進行通信，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，就是軟件時序的復雜。1-Wire總線的時序比較復雜，很多同學在這里獨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。
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圖16-12 DS18B20 電路原理圖
DS18B20 通過編程，可以實現(xiàn)最高12位的溫度存儲值，在寄存器中，以補碼的格式存儲，如圖16-13所示。
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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。
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圖16-14 DS18B20 溫度值
二進制數(shù)字最低位變化1，代表溫度變化0.0625度的映射關系。當0度的時候，那就是 0x0000，當溫度125度的時候，對應十六進制是 0x07D0，當溫度是零下55度的時候，對應的數(shù)字是 0xFC90。反過來說，當數(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 準備好，單片機要對它進行操作了，如圖16-15所示。
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圖16-15 檢測存在脈沖
大家注意看圖，實粗線是我們的單片機 IO 口拉低這個引腳，虛粗線是 DS18B20 拉低這個引腳，細線是單片機和 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單片機釋放總線就是給高電平。
存在脈沖檢測過程，首先單片機要拉低這個引腳，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。
bit Get18B20Ack(){
bit ack;
EA = 0; //禁止總中斷
IO_18B20 = 0; //產(chǎn)生 500us 復位脈沖
DelayX10us(50);
IO_18B20 = 1;
DelayX10us(6); //延時 60us
ack = 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
return ack;
}很多同學對第二步不理解，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 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雜，而且應用很少，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。當總線上只有一個器件的時候，可以跳過 ROM，不進行 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
當我們發(fā)送一個啟動溫度轉(zhuǎn)換的指令后，DS18B20 開始進行轉(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。
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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)，出廠默認值就11，也就是12位表示溫度，最大的轉(zhuǎn)換時間是 750 ms。當啟動轉(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，一定要把它學明白。寫時序圖如圖16-17所示。
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圖16-17 DS18B20 位寫入時序
當要給 DS18B20 寫入0的時候，單片機直接將引腳拉低，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。
當要給 DS18B20 寫入1的時候，單片機先將這個引腳拉低，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。
void Write18B20(unsigned char dat){
unsigned char mask;
EA = 0; //禁止總中斷
for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1){ //低位在先，依次移出 8 個 bit
IO_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 60us
IO_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。
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圖16-18 DS18B20 位讀取時序
當要讀取 DS18B20 的數(shù)據(jù)的時候，我們的單片機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。
unsigned char Read18B20({
unsigned char dat;
unsigned char mask;
EA = 0; //禁止總中斷
for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1){ //低位在先，依次采集 8 個 bit
IO_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
return dat;
}DS18B20 所表示的溫度值中，有小數(shù)和整數(shù)兩部分。常用的帶小數(shù)的數(shù)據(jù)處理方法有兩種，一種是定義成浮點型直接處理，第二種是定義成整型，然后把小數(shù)和整數(shù)部分分離出來，在合適的位置點上小數(shù)點即可。我們在程序中使用的是第二種方法，下面我們就寫一個程序，將讀到的溫度值顯示在 1602 液晶上，并且保留一位小數(shù)位。
/***************************DS18B20.c 文件程序源代碼****************************/
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
sbit IO_18B20 = P3^2; //DS18B20 通信引腳
/* 軟件延時函數(shù)，延時時間(t*10)us */
void DelayX10us(unsigned char t){
do {
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
} while (--t);
}
/* 復位總線，獲取存在脈沖，以啟動一次讀寫操作 */
bit Get18B20Ack(){
bit ack;
EA = 0; //禁止總中斷
IO_18B20 = 0; //產(chǎn)生 500us 復位脈沖
DelayX10us(50);
IO_18B20 = 1;
DelayX10us(6); //延時 60us
ack = 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
return ack;
}
/* 向 DS18B20 寫入一個字節(jié)，dat-待寫入字節(jié) */
void Write18B20(unsigned char dat){
unsigned char mask;
EA = 0; //禁止總中斷
for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1){ //低位在先，依次移出 8 個 bit
IO_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 60us
IO_18B20 = 1; //拉高通信引腳
EA = 1; //重新使能總中斷
}
/* 從 DS18B20 讀取一個字節(jié)，返回值-讀到的字節(jié) */
unsigned char Read18B20(){
unsigned char dat;
unsigned char mask;
EA = 0; //禁止總中斷
for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1){ //低位在先，依次采集 8 個 bit
IO_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
return dat;
}
/* 啟動一次 18B20 溫度轉(zhuǎn)換，返回值-表示是否啟動成功 */
bit Start18B20(){
bit ack;
ack = Get18B20Ack(); //執(zhí)行總線復位，并獲取 18B20 應答
if (ack == 0){ //如 18B20 正確應答，則啟動一次轉(zhuǎn)換
Write18B20(0xCC); //跳過 ROM 操作
Write18B20(0x44); //啟動一次溫度轉(zhuǎn)換
}
return ~ack; //ack==0 表示操作成功，所以返回值對其取反
}
/* 讀取 DS18B20 轉(zhuǎn)換的溫度值，返回值-表示是否讀取成功 */
bit Get18B20Temp(int *temp){
bit ack;
unsigned char LSB, MSB; //16bit 溫度值的低字節(jié)和高字節(jié)
ack = Get18B20Ack(); //執(zhí)行總線復位，并獲取 18B20 應答
if (ack == 0){ //如 18B20 正確應答，則讀取溫度值
Write18B20(0xCC); //跳過 ROM 操作
Write18B20(0xBE); //發(fā)送讀命令
LSB = Read18B20(); //讀溫度值的低字節(jié)
MSB = Read18B20(); //讀溫度值的高字節(jié)
*temp = ((int)MSB << 8) + LSB; //合成為 16bit 整型數(shù)
}
return ~ack; //ack==0 表示操作應答，所以返回值為其取反值
}/*Lcd1602.c 文件程序源代碼***/ （此處省略，可參考之前章節(jié)的代碼）
/*****************************main.c 文件程序源代碼******************************/
#include <reg52.h>
bit flag1s = 0; //1s 定時標志
unsigned char T0RH = 0; //T0 重載值的高字節(jié)
unsigned char T0RL = 0; //T0 重載值的低字節(jié)
void ConfigTimer0(unsigned int ms);
unsigned char IntToString(unsigned char *str, int dat);
extern bit Start18B20();
extern bit Get18B20Temp(int *temp);
extern void InitLcd1602();
extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str);
void main(){
bit res;
int temp; //讀取到的當前溫度值
int intT, decT; //溫度值的整數(shù)和小數(shù)部分
unsigned char len;
unsigned char str[12];
EA = 1; //開總中斷
ConfigTimer0(10); //T0 定時 10ms
Start18B20(); //啟動 DS18B20
InitLcd1602(); //初始化液晶
while (1){
if (flag1s){ //每秒更新一次溫度
flag1s = 0;
res = Get18B20Temp(&temp); //讀取當前溫度
if (res){ //讀取成功時，刷新當前溫度顯示
intT = temp >> 4; //分離出溫度值整數(shù)部分
decT = temp & 0xF; //分離出溫度值小數(shù)部分
len = IntToString(str, intT); //整數(shù)部分轉(zhuǎn)換為字符串
str[len++] = '.'; //添加小數(shù)點
decT = (decT*10) / 16; //二進制的小數(shù)部分轉(zhuǎn)換為 1 位十進制位
str[len++] = decT + '0'; //十進制小數(shù)位再轉(zhuǎn)換為 ASCII 字符
while (len < 6){ //用空格補齊到 6 個字符長度
str[len++] = ' ';
}
str[len] = '\0'; //添加字符串結(jié)束符
LcdShowStr(0, 0, str); //顯示到液晶屏上
}else{ //讀取失敗時，提示錯誤信息
LcdShowStr(0, 0, "error!");
}
Start18B20(); //重新啟動下一次轉(zhuǎn)換
}
}
}
/* 整型數(shù)轉(zhuǎn)換為字符串，str-字符串指針，dat-待轉(zhuǎn)換數(shù)，返回值-字符串長度 */
unsigned char IntToString(unsigned char *str, int dat){
signed char i = 0;
unsigned char len = 0;
unsigned char buf[6];
if (dat < 0){ //如果為負數(shù)，首先取絕對值，并在指針上添加負號
dat = -dat;
*str++ = '-';
len++;
}
do { //先轉(zhuǎn)換為低位在前的十進制數(shù)組
buf[i++] = dat % 10;
dat /= 10;
} while (dat > 0);
len += i; //i 最后的值就是有效字符的個數(shù)
while (i-- > 0){ //將數(shù)組值轉(zhuǎn)換為 ASCII 碼反向拷貝到接收指針上
*str++ = buf[i] + '0';
}
*str = '\0'; //添加字符串結(jié)束符
return len; //返回字符串長度
}
/* 配置并啟動 T0，ms-T0 定時時間 */
void ConfigTimer0(unsigned int ms){
unsigned long tmp; //臨時變量
tmp = 11059200 / 12; //定時器計數(shù)頻率
tmp = (tmp * ms) / 1000; //計算所需的計數(shù)值
tmp = 65536 - tmp; //計算定時器重載值
tmp = tmp + 12; //補償中斷響應延時造成的誤差
T0RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定時器重載值拆分為高低字節(jié)
T0RL = (unsigned char)tmp;
TMOD &= 0xF0; //清零 T0 的控制位
TMOD |= 0x01; //配置 T0 為模式 1
TH0 = T0RH; //加載 T0 重載值
TL0 = T0RL;
ET0 = 1; //使能 T0 中斷
TR0 = 1; //啟動 T0
}
/* T0 中斷服務函數(shù)，完成 1 秒定時 */
void InterruptTimer0() interrupt 1{
static unsigned char tmr1s = 0;
TH0 = T0RH; //重新加載重載值
TL0 = T0RL;
tmr1s++;
if (tmr1s >= 100){ //定時 1s
tmr1s = 0;
flag1s = 1;
}
}
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