51单片机——DS18B20温度传感器

        由于DS18B20数字温度传感器是单总线接口，所以需要使用51单片机的一个IO口模拟单总线时序与DS18B20通信，将检测的环境温度读取出来

1、DS18B20模块电路

        传感器接口的单总线管脚接至单片机P3.7IO口上 

2、DS18B20介绍

2.1 DS18B20外观实物图 

        管脚1为GND，管脚2为数据DQ，管脚3为VDD 

2.2 DS18B20内部结构图

2.2.1 64位光刻ROM

        64位光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。

        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。

        光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的

2.2.2 高速缓存存储器 

        DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速的暂存器RAM和一个非易失性的可电擦除的 EEPROM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和配置寄存器 

2.2.2.1 配置寄存器

        配置寄存器是配置不同的位数来确定温度和数字的转化，配置寄存器结构如下图所示：

 

（1）低五位一直都是“1”

（2）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，用户不需要去改动

（3）R1和R0用来设置DS18B20的精度（分辨率），精度可设置为9，10，11或12位，对应的分辨率温度是 0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。R0和R1配置如下图所示：

在初始状态下默认的精度是12位，即R0=1、R1=1

2.2.2.2 高速暂存存储器

        （1）高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如下图所示：

        当温度转换命令（44H）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

        （2）存储的两个字节，高字节的前5位是符号位S，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，数据格式如下：

 

如果测得的温度大于0，这5位为“0”，只要将测到的数值乘以0.0625（默认精度是12位）即可得到实际温度

如果温度小于0，这5位为“1”， 测到的数值需要取反加1再乘以0.0625即可得到实际温度。

温度与数据对应关系如下图所示：

 

2.3 DS18B20时序

DS18B20时序包括如下几种：初始化时序、写（0和1）时序、 读（0和1）时序

DS18B20发送所有的命令和数据都是字节的低位在前

2.3.1 初始化时序

        主机输出低电平，保持低电平至少480us（该时间范围：480-960us），以产生复位脉冲。接着主机释放总线，外部的上拉电阻将单总线拉高，延时15-60us，并进入接收模式

        接着DS18B20拉低总线60-240us，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，还要做延时，其延时的时间从外部上拉电阻将单总线拉高算起最少要480us

//初始化时序图13的左半段：复位脉冲时序
void ds18b20_reset(){
    DS18B20_PORT=0;  //拉低DQ线（单总线）     主机输出低电平
    delay_10us(75);  //750us（480us-960us）        保持低电平至少480us
    DS18B20_PORT=1;  //拉高DQ线                       主机释放总线，外部的上拉电阻将单总线拉高
    delay_10us(2);  //20us(15us-60us)                     延时15-60us
}

//初始化时序图13的右半段：检测DS18B20是否存在，返回值0存在；返回值1不存在
u8 ds18b20_check(){
    u8 time_temp=0;
    while(DS18B20_PORT&&time_temp<20){  //DS18B20_PORT：1
        time_temp++;
        delay_10us(1);  //10us，要循环20次，相当于200us(60-240us)
    }
    if(time_temp>=20){
        return 1;  //超时了，仍没有等到低电平
    }else{
        time_temp=0;
    }
    //如果等到了低电平，DS18B20_PORT变为0
    while((!DS18B20_PORT)&&time_temp<20){  //DS18B20_PORT：0
        time_temp++;
        delay_10us(1);
    }
    if(time_temp>=20){
        return 1;  //超时了，仍没有等到高电平
    }
    return 0;
}

2.3.2 写时序

        写时序包括写0时序和写1时序。所有写时序至少需要60us，且在2次独立的写时序之间至少需要1us的恢复时间，两种写时序均起始于主机拉低总线

        写1时序：主机输出低电平，延时2us，然后释放总线，延时60us

        写0时序：主机输出低电平，延时60us，然后释放总线，延时2us

//写时序：写一个字节到ds18b20中，提前准备好数据
void ds18b20_write_byte(u8 dat){  
    u8 i=0;
    u8 temp=0;
    //从低位向高位写 eg：1001 0011
    for(i=0;i<8;i++){
        temp=dat&0x01;  //拿到dat中低位的数据
        dat>>=1;
        if(temp){
            //写1时序
            DS18B20_PORT=0;                                     主机输出低电平
            _nop_();  //1us                                              延时2us
            _nop_();
            DS18B20_PORT=1;                                     释放总线
            delay_10us(10);  //100us(60-120us)            延时60us
        }else{
            //写0时序
            DS18B20_PORT=0;                                     主机输出低电平
            delay_10us(6);                                              延时60us
            DS18B20_PORT=1;                                     释放总线
            _nop_();  //1us                                              延时2us
            _nop_();
        }
    }
}  

2.3.3 读时序 

 

        所有读时序至少需要60us，且在2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间。每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1us。主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的15us之内采样总线状态

        典型的读时序过程为：主机输出低电平延时2us，然后主机转入输入模式延时12us，然后读取单总线当前的电平，然后延时50us

 //读一位
u8 ds18b20_read_bit(){
    u8 dat=0;  //存的是某一位（0或1）
    //主机输出低电平
    DS18B20_PORT=0;
    //延时2us
    _nop_();  //1us
    _nop_();
    DS18B20_PORT=1;     主机转入输入模式
    //延时2us，时间不能过长，必须在15us内读到数据  延时12us
    _nop_();  //1us
    _nop_();
    if(DS18B20_PORT){      读取单总线当前的电平
        dat=1;
    }else{
        dat=0;
    }
    delay_10us(5);     延时50us
    return dat;
}
//读一个字节
u8 ds18b20_read_byte(){
    u8 i=0;
    u8 dat=0;
    u8 temp=0;
    for(i=0;i<8;i++){
        temp=ds18b20_read_bit();  //i=0时，temp=1；i=1时，temp=1
        dat>>=1;  //i=0时，dat=000 0000；i=1时，dat=0100 0000
        dat|=temp<<7;  //i=0时，dat=1000 0000；i=1时，dat=1100 0000
    }
    return dat;
}

2.3.4 DS18B20的典型温度读取过程

复位→发SKIPROM命令（0XCC）→发开始转换命令（0X44）→延时→复位→发送SKIPROM命令（0XCC）→发读存储器命令（0XBE）→连续读出两个字节数据（即温度）→结束

 /*
DS18B20 的典型温度读取过程为：
复位→发SKIPROM命令（0XCC）→发开始转换命令（0X44）
→延时→
复位→发送SKIPROM命令（0XCC）→发读存储器命令（0XBE）→连续读出两个字节数据(即温度)→结束。
*/
//开始温度转换
void ds18b20_start(){
    ds18b20_init();  //初始化：复位和检查
    ds18b20_write_byte(0xcc);  //发SKIPROM命令（0XCC）
    ds18b20_write_byte(0x44);  //发开始转换命令（0X44）
}
//从ds18b20得到温度值
double ds18b20_read_temperture(){
    double temp;
    u8 dath=0;
    u8 datl=0;
    u16 value=0;
    ds18b20_start();
    ds18b20_init();  //初始化：复位和检查
    ds18b20_write_byte(0xcc);  //发送SKIPROM命令（0XCC）
    ds18b20_write_byte(0xbe);  //发读存储器命令（0XBE）
    //连续读出两个字节数据(即温度)
    datl=ds18b20_read_byte();  //低8位
    dath=ds18b20_read_byte();  //高8位
    //高8位和低8位连接起来，拼成16位
    value=(dath<<8)+datl;  
    //判断是正温度还是负温度
    if((value&0xf800)==0xf800){  //负温度
        value=(~value)+1;
        temp=value*(-0.0625);
    }else{  //正温度
        temp=value*0.0625;
    }
    return temp;
} 

3、实验

要实现的功能是：插上DS18B20温度传感器，数码管显示检测的温度值 

如果不知道怎么进行多文件编程，51单片机——I2C-EEPROM-CSDN博客中有

3.1 Public文件

3.1.1 public.h

//头文件中放置函数的声明、全局变量的定义
#ifndef _public_H
#define _public_H
#include "reg52.h"
//全局变量
typedef unsigned int u16;
typedef unsigned char u8;
//两个延迟函数声明
void delay_10us(u16 us);
void delay_ms(u16 ms);
#endif

3.1.2 public.c

#include "public.h"
void delay_10us(u16 us){
    while(us--);
}
void delay_ms(u16 ms){
    u16 i=0,j=0;
    for(i=0;i<ms;i++){
        for(j=0;j<110;j++);
    }
}

3.2 动态数码管 

3.2.1 smg.h

#ifndef _smg_H
#define _smg_H
#include "public.h"
sbit LSA=P2^2;
sbit LSB=P2^3;
sbit LSC=P2^4;
#define SMG_A_DP_PORT P0
extern u8 gsmg_code[];
void smg_display(u8 save_buff[],u8 pos);
#endif

3.2.2 smg.c

 #include "smg.h"
u8 gsmg_code[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};
//save_buff是一个u8类型的数组，方便外部传入要显示的数据
//pos是数码管从左开始第几个位置开始显示，取值范围是1-8
void smg_display(u8 save_buff[],u8 pos){
    u16 i=0;
    u16 pos_temp=pos-1;
    for(i=pos_temp;i<8;i++){
        //位选
        switch(i){
            case 0:
                LSC=1,LSB=1,LSA=1;  //7
                break;
            case 1:
                LSC=1,LSB=1,LSA=0;  //6
                break;
            case 2:
                LSC=1,LSB=0,LSA=1;  //5
                break;
            case 3:
                LSC=1,LSB=0,LSA=0;  //4
                break;
            case 4:
                LSC=0,LSB=1,LSA=1;  //3
                break;
            case 5:
                LSC=0,LSB=1,LSA=0;  //2
                break;
            case 6:
                LSC=0,LSB=0,LSA=1;  //1
                break;
            case 7:
                LSC=0,LSB=0,LSA=0;  //0
                break;
        }
        SMG_A_DP_PORT=save_buff[i-pos_temp]; 
        delay_10us(100);
        SMG_A_DP_PORT=0x00;  //消隐
    }
}

3.3 DS18B20

3.3.1 ds18b20.h

#ifndef _ds18b20_H
#define _ds18b20_H
#include "public.h"
#include "intrins.h"  //_nop_()：1us
sbit DS18B20_PORT=P3^7;  //DQ
//初始化时序图13的左半段：复位脉冲时序
void ds18b20_reset();
//初始化时序图13的右半段：检测DS18B20是否存在，返回值0存在；返回值1不存在
u8 ds18b20_check();
//初始化时序
u8 ds18b20_init();
//写时序：写一个字节到ds18b20中，提前准备好数据
void ds18b20_write_byte(u8 dat);
//读一位
u8 ds18b20_read_bit();
//读一个字节
u8 ds18b20_read_byte();
//开始温度转换
void ds18b20_start();
//从ds18b20得到温度值
double ds18b20_read_temperture();
#endif

3.3.2 ds18b20.c

#include "ds18b20.h"
//协议层
//初始化时序图13的左半段：复位脉冲时序
void ds18b20_reset(){
    DS18B20_PORT=0;  //拉低DQ线（单总线）
    delay_10us(75);  //750us（480us-960us）
    DS18B20_PORT=1;  //拉高DQ线
    delay_10us(2);  //20us(15us-60us)
}

//初始化时序图13的右半段：检测DS18B20是否存在，返回值0存在；返回值1不存在
u8 ds18b20_check(){
    u8 time_temp=0;
    while(DS18B20_PORT&&time_temp<20){  //DS18B20_PORT：1
        time_temp++;
        delay_10us(1);  //10us，要循环20次，相当于200us(60-240us)
    }
    if(time_temp>=20){
        return 1;  //超时了，仍没有等到低电平
    }else{
        time_temp=0;
    }
    //如果等到了低电平，DS18B20_PORT变为0
    while((!DS18B20_PORT)&&time_temp<20){  //DS18B20_PORT：0
        time_temp++;
        delay_10us(1);
    }
    if(time_temp>=20){
        return 1;  //超时了，仍没有等到高电平
    }
    return 0;
}

//初始化时序（将初始化时序图13的左半段和右半段连接起来）
u8 ds18b20_init(){
    ds18b20_reset();
    return ds18b20_check();
}

//ds18b20中读写操作
//写时序：写一个字节到ds18b20中，提前准备好数据
void ds18b20_write_byte(u8 dat){  
    u8 i=0;
    u8 temp=0;
    //从低位向高位写 1001 0011
    for(i=0;i<8;i++){
        temp=dat&0x01;  //拿到dat中低位的数据
        dat>>=1;
        if(temp){
            //写1时序
            DS18B20_PORT=0;
            _nop_();  //1us
            _nop_();
            DS18B20_PORT=1;
            delay_10us(10);  //100us(60-120us)
        }else{
            //写0时序
            DS18B20_PORT=0;
            delay_10us(6);
            DS18B20_PORT=1;
            _nop_();  //1us
            _nop_();
        }
    }
}

//读时序：读位、读字节 1001 0011
//读一位
u8 ds18b20_read_bit(){
    u8 dat=0;  //存的是某一位（0或1）
    //主机输出低电平
    DS18B20_PORT=0;
    //延时2us
    _nop_();  //1us
    _nop_();
    DS18B20_PORT=1;
    //延时2us，时间不能过长，必须在15us内读到数据
    _nop_();  //1us
    _nop_();
    if(DS18B20_PORT){
        dat=1;
    }else{
        dat=0;
    }
    delay_10us(5);
    return dat;
}
//读一个字节
u8 ds18b20_read_byte(){
    u8 i=0;
    u8 dat=0;
    u8 temp=0;
    for(i=0;i<8;i++){
        temp=ds18b20_read_bit();  //i=0时，temp=1；i=1时，temp=1
        dat>>=1;  //i=0时，dat=000 0000；i=1时，dat=0100 0000
        dat|=temp<<7;  //i=0时，dat=1000 0000；i=1时，dat=1100 0000
    }
    return dat;
}

/*
DS18B20 的典型温度读取过程为：
复位→发SKIPROM命令（0XCC）→发开始转换命令（0X44）
→延时→
复位→发送SKIPROM命令（0XCC）→发读存储器命令（0XBE）→连续读出两个字节数据(即温度)→结束。
*/
//开始温度转换
void ds18b20_start(){
    ds18b20_init();  //初始化：复位和检查
    ds18b20_write_byte(0xcc);  //发SKIPROM命令（0XCC）
    ds18b20_write_byte(0x44);  //发开始转换命令（0X44）
}
//从ds18b20得到温度值
double ds18b20_read_temperture(){
    double temp;
    u8 dath=0;
    u8 datl=0;
    u16 value=0;
    ds18b20_start();
    ds18b20_init();  //初始化：复位和检查
    ds18b20_write_byte(0xcc);  //发送SKIPROM命令（0XCC）
    ds18b20_write_byte(0xbe);  //发读存储器命令（0XBE）
    //连续读出两个字节数据(即温度)
    datl=ds18b20_read_byte();  //低8位
    dath=ds18b20_read_byte();  //高8位
    //高8位和低8位连接起来，拼成16位
    value=(dath<<8)+datl;  
    //判断是正温度还是负温度
    if((value&0xf800)==0xf800){  //负温度
        value=(~value)+1;
        temp=value*(-0.0625);
    }else{  //正温度
        temp=value*0.0625;
    }
    return temp;
}

3.4 main.c

#include "public.h"
#include "smg.h"
#include "ds18b20.h"
/*
下载程序后，插上DS18B20温度传感器，数码管显示检测的温度值
*/
void main(){
    u8 i=0;
    int temp_value;  //有负温度
    u8 temp_buf[5];
    ds18b20_init();  //起始信号，检查ds18b20在不在，要不要都可以
    while(1){
        i++;
        if(i%50==0){  //减少读的频率，750us转换一次
            temp_value=ds18b20_read_temperture()*10;
        }
        if(temp_value<0){
            //显示符号位
            temp_value=-temp_value;
            temp_buf[0]=0x40;  //显示负号
        }else{
            temp_buf[0]=0x00;  //不显示
        }
        //读的温度要在数码管显示
        temp_buf[1]=gsmg_code[temp_value/1000];
        temp_buf[2]=gsmg_code[temp_value%1000/100];
        temp_buf[3]=gsmg_code[temp_value%1000%100/10]|0x80;
        temp_buf[4]=gsmg_code[temp_value%1000%100%10];
        smg_display(temp_buf,4);
    }
}