【51单片机入门记录】Onewire单总线协议温度传感器DS18B20概述

一、温度传感器DS18B20概述

（1）数字化温度传感器

美国DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口
的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。DS18B20测量温度范围为-55℃C~.+125℃。在-10℃~+85℃范围内，精度为+0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

（2）DS18B20特征

适应电压范围更宽，电压范围:3~5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。
DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的一根线上，实现组网多点测温。
DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
测温范围-55℃℃~+125℃℃，在-10℃℃~+85℃时精度为+0.5℃℃。
可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃℃、0.25℃℃、0.125℃℃和0.0625℃℃，可实现高精度测温。
在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms时间内把温度值转换为数字，速度更快。
测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
负压特性:电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

（3）DS18B20内部结构图

（4）DS18B20的4个主要数据部件

光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看做是该DS18B20的地址序列码，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
64位光刻ROM的排列是:开始8位(28H)是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量。
以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625°C/LSB形式表达，其中S为符号位。

DS18B20温度值格式表如表所示。

其中“S”为标志位，对应的温度计算:当符号位S=0时，表示测得温度值为正，直接将二进制位转换为十进制;当S=1时，表示测得温度值为负,先将补码变换为原码，再计算十进制值。
DS18B20温度传感器的存储器。
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PROM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后。第9个字节是冗余检验字节。
配置寄存器。
配置寄存器的格式如表所示。

低5位一直都是“1”，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如右表所示(DS18B20出厂时被设置为12位)。

（5）DS18B20的指令表

1.ROM指令表

指令	约定代码	功能
读ROM	33H	读DS1820温度传感器ROM中的编码(即64位地址)
符合	55H	发出此命令之后，接着发出64 位ROM 编码，访问单总线上与该编码相对应的 DS1820，使之做出响应，为下一步对该 DS1820 的读写做准备
搜索	0F0H	用于确定挂接在同一总线上 DS1820 的个数和识别 64位 ROM 地址。为操作各器件做好准备
跳过	0CCH	忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 发温度变换命令。适用于单片工作
告警搜索命令	0ECH	执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应

2.功能指令表

指令	约定代码	功能
温度变化	44H	启动DS18B20进行温度转换，12位转换时最长为750ms(9位为93.75ms)。结果存入内部9字节RAM中
读暂存器	08EH	读内部RAM中9字节的内容
写暂存器	4EH	发出向内部RAM的2、3、4字节写上、下限温度数据和配置寄存器命令，紧跟该命令之后，是传送三字节的数据
复制暂存器	48H	将RAM中第2、3字节的内容复制到E²PROM中
重调E²PROM	0B8H	将E²PROM中内容恢复到RAM中的第2、3字节
读供电方式	0B4H	读DS18B20的供电模式。寄生供电时DS18B20发送“0”，外接电源供电 DS18B20发送“1’

（6）DS18B20的通信过程（详细）

根据DS18B20的通信协议，主机(单片机)控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤:

每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作;
复位成功后发送一条ROM指令;
最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作;复位要求主CPU将数据线下拉500us，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16~60us左右，后发出60~240us的应答低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。

（7）DS18B20的通信过程（蓝桥杯版）

初始总线;
写ROM指令(跳过ROM);
写RAM指令(启动温度转换);
初始总线;
写ROM指令(跳过ROM);
写RAM指令(读取温度数据);
接收数据;
分析处理数据;

二、Onewire单总线协议概述

（1）One-Wire总线（单总线）

One-Wire总线是DALLAS公司研制开发的一种协议。
它由一个总线主节点、一个或多个从节点组成系统，通过一根信号线对从芯片进行数据的读取。每一个符合One-Wire协议的从芯片都有一个唯一的地址，包括48位的序列号48位的家族代码和8位的CRC代码。主芯片对各个从芯片的寻址依据这64位的不同来进行。
One-Wire总线利用一根线实现双向通信。因此其协议对时序的要求较严格，如应答等时序都有明确的时间要求。基本的时序包括复位及应答时序、写一位时序读一位时序。
在复位及应答时序中，主器件发出复位信号后，要求从器件在规定的时间内送回应答信号;在位读和位写时序中，主器件要在规定的时间内读回或写出数据。
单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。
主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作;当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作。

（2）单总线的工作原理

单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都由这根线完成。设备(主机或从机)通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其他设备使用总线。
单总线通常要求外接一个约为4.7k的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。
主机和从机之间的通信可通过3个步骤完成，分别为初始化One-Wire器件识别One-Wire器件和交换数据。
由于它们是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问One-Wire器件都必须严格遵循单总线命令序列，即初始化、ROM命令、功能命令。
如果出现序列混乱，One-Wire器件将不响应主机(搜索ROM命令、报警搜索命令除外)。

（3）单总线的时序

1.初始化时序图

理解：初始化时序即唤醒脉冲，正常情况下，VCC不用的时候保持高电平（上拉电阻）；单片机想操作的时候，单片机使VCC为低电平；单片机再将其拉为高电平（等待15微秒）；上述过程使器件“意识到”单片机在“喊他工作了”，然后出现“应答脉冲”，代表器件进行回应，表示“它可以正常工作”。（为什么一个器件为低电平就为低电平？单总线协议就像两个同学手里拿着一根线，通过手抬高或抬低来表示高低电平，但是由于这两个同学都没吃饭导致即使抬高也没有抬高得很彻底）