初步认识51单片机-2.3单片机控制DS18B20温度传感器模块

通过前面LCD1602的例子我相信对IO口的控制和延时基本有所了解，下面再来一个例子温度传感器，同样只需要IO口操作和延时。先来个DS18B20温度传感器的简介。既然是温度传感器，那么一定有个感知温度的感应器。这个感应器能把它周围的温度直接转成数字并存储在scratchpad存储器中。这个感知温度和转换成数字信号的过程我们可以不用理解。我们要做的事情就是读存储器的内容及其他一些配置。其原理图如下：

在DS18B20中有一个温度传感器(如上图所示)，它能感知周围环境温度，并能将温度的结果直接转成数字信号存储起来。温度信号转成数字信号的过程我们可以不用关心。那么数字信号存在哪里了？DS18B20中有一个叫做ScratchPad的存储器，一共9个字节(Byte0-Byte8),数字信号就存储在Byte0_LSM和Byte1_MSB中。其中Byte0为低位，Byte1为高位。事实上，我们的目的就是读出Byte0和Byte1中存储的数字信号而已。由此可见，虽然名字是温度传感器模块，但是在我们的思考过程中丝毫不用关心传感的过程，这一点与前面讲到的LCD1602其实是一样，我们要做的事情只是去读或者写。这就是模块的作用，我们可以把它当作黑盒子，按照它的规则，只要掌握往里面输入，它会产出什么就行了，不需要关注中间的过程。我们把Byte0_LSM和Byte1_MSB组合成一个16bit的数字信号，Byte0_LSB为低位，Byte1_MSB为高位，并给它取个名字叫”T-16bit”,如上图所示。那么如何把这个”T-16bit”的数字信号转换成温度呢？从图中看出，bit11-bit15为S，表示温度的正负，如果S=0，那么温度为正，如果S=1那么温度为负。后面的bit10-bit0,数值每增加一就表示温度增加0.0625°C,举个例子: 假如LSB中读出来的是1100 0011，MSB读出来的是0000 0110，那么LSB和MSB结合起来”T-16bit”就是0000 0110 1100 0011，高5位为0，表示温度为正，余下11位bit10-bit0(110 1100 0011=1731)，把1731×0.0625=108.1875，那么测量的温度为+108.1875°C. 如果LSB和MSB结合起来”T-16bit”为1111 1110 1100 0011,那么测量的温度为-108.1875°C. 在”T-16bit”中，我们也可以这样理解，bit0位每加1，表示20×0.0625°C,bit1位每变化1表示21×0.0625°C, 依此类推, bit4位每变化1为24×0.0625°C=1°C.

接着就是Byte2_TH和Byte3_TL报警的功能了，图中Byte2_TH表示设置的最高温度，Byte3_TL表示设置的最低温度。同样S表示温度的正负，如果S=0，那么表示正，如果S=1，那么温度为负。Byte2_TH和Byte3_TL就表示设定温度的范围了。注意这里的Byte2_TH与Byte3_TL与”T-16bit”中的bit11到bit4是对应的，如图中蓝色部分所示。前面讲了，在”T-16bit”中，bit4每变化1为1°C,因此在Byte2_TH与Byte3_TL中的最低位每变化1，表示温度变化1°C. 比如Byte2_TH设定为,01111001(十进制为121)，首位为0，表示+121°C, Byte3_TL为01001001(十进制为73)，首位为0，表示+73°C .因此温度的设定范围为:73-121°C. 当”T-16bit”中的温度高于/等于+121°C,或者低于/等于73°C时，将触发报警。

接下来就是温度采集的精度设置了，如图中的Byte4_Config所示。bit5和bit6分别为R0和R1,其他几位是固定的。R0和R1分别可以取0或者1，因此可以组合成4种情况，00/01/10/11，分别对应不同的精度，如下表所示:

Byte5-Byte7未给出，Byte8为CRC用与通信错误检测，我们暂且不用管它，我们先考虑简单的部分

通过上面的讲解，相信对DS18B20有了初步的认识，现在再来谈谈它与单片机如何沟通的。DS18B20一共三个引脚，两个电源引脚(电源正负极)，一个数据引脚DQ.  其结构图如下所示。黑色壳体朝上，引脚朝下，平面对着自己，左手边第一个引脚为GND. DS18B20的正负极如果接反，可能会烧掉。

可见单片机与DS18B20的沟通只能靠这一根线了，另外这一根线上可以同时接很多个DS18B20. 那么单片机是如何通过这一根线准确的与多个DS18B20沟通的呢？单片机是不知道DQ线上有没有DS18B20的，或者有多个，或者有但是坏了。与人的沟通方式一样，当你不知道屋里情况的时候，会先打个招呼，问下有人没。同样，单片机也一样，先来个初始化，打个招呼，看看DQ线上有没有18B20。怎么样打招呼呢，与前面讲LCD1602一样，当然按照DS18B20的规则。单片机先要把DQ拉低至少480μS, 然后释放DQ，大约在15-60μS后，如果线上有DS18B20并能正常工作，那么DS18B20将DQ拉低并维持60-240μS. 单片机通过检查这个信号，从而判断线上是否有能正常工作的DS18B20，有多少个信号就挂着多少个DS18B20，这个就是DS18B20的规则，具体如下，

初始化后之后就可以与DS18B20沟通了？线上如果有多个DS18B20，你到底是要与哪个沟通呢？因此沟通之前要先来个确定对象。这里我们取最简单一个DS18B20，搞懂了一个，自然会做控制多个DS18B20了。我们来看看初始化代码如何写，

step1:首先DQ拉低，要维持至少480Us,这里我们取500Us保险一点

step2:释放总线(DQ=1)，大约等待15-60Us后，DS18B20会把DQ拉低。那么这里到底是选15Us,还是60Us?

step3:此时DS18B20把DQ拉低信号(L_DQ)能持续60-240Us.那么到底选60Us还是240Us?

注意我们这里的目的是要检测出DS18B20是否拉低DQ的信号(L_DQ)。那么在step2中，释放总线(DQ=1)后，我们到底要延时多长时间(Tdelay)，去读DQ是否等于0的信号？

我们来个极端假设，最小值和最大值

(1)在step2中, 单片机释放总线(DQ=1),等待15Us(最小值)后，DS18B20把DQ拉低，在step3中，DQ拉低持续了60Us(最小值)

    在这种情况下，如果Tdelay>75Us,你就不能检测到L_DQ信号了。因此Tdelay要小于75Us.

(2)在step2中, 单片机释放总线(DQ=1),等待60Us(最大值)后，DS18B20把DQ拉低，在step3中，DQ拉低持续了60/240Us(两种情况)

   在这种情况下，如果Tdelay<60Us,你就检测不到L_DQ信号了。比如你设置Tdelay=50Us然后去读DQ，此时DQ仍然为1，为什么？因为60Us后

   DS18B20才把DQ拉低。因此Tdelay>60Us.

综上所述，保险时间为：75Us>Tdelay>60Us，代码如下:

void ds18b20_init(void)

{

        DQ=0;//总线拉低

        delayUs(240);  //延时526Us

        DQ=1;//释放总线

    delayUs(28);//延时66Us（60-75Us之间）

        if(DQ==0)

        {

                LED1=0;//(设置一个LED，如果检测到DQ=0，就把LED1点亮)

        }

        else

        {

                LED2=0;

        }

        delayUs(240);//注意读完DQ后要继续延时480Us

}

DS18B20的ID信号在ROM中，因此这里我们可以跳过读ROM(Skip ROM[CCh]).

接下来就到了与DS18B20沟通的部分了。DS18B20一上电的时候是钝态的，就是说它是被动的，没有指令它就不干活。所以，单片机给DS18B20的第一个指令就是让它开始测量温度(Convert T [44h]). 当DS18B20收到这条指令后干什么呢？这里就要回到前面的我们讲的图1，DS18B20开始感知周围温度并把温度高低转成数字信号存储在ScratchPad中的Byte0和Byte1中。从这里我们知道，我们仅仅通过一条指令Convert T,就让DS18B20开始温度测量并存储，至于这个过程怎么发生的我们并不关心。从这里我们看到，其实控制DS18B20模块与LCD1602模块没有本质上区别，我们要做的事情仅仅是去读懂规则，这些规则来源与它们的芯片手册，那么简单的讲就是阅读理解芯片手册。这一点其实被很多初学者忽略了，不愿意或者不习惯查看芯片手册。DS18B20把温度信号转成数字信号需要一定的时间，因此在发布下一条指令前，我们这里需要检测DS18B20是否仍处于工作之中，如果你想简化，来个延时也行。转换完成后，DS18B20又处于钝态了，这个转换过程不是持续的，因此你想让它再转换，那么就必须再发一次Convert T指令。

那么怎么发指令呢？这个就涉及到‘DS18B20写’的部分了。参考数据手册，找到‘写时序

首先看单片机如何往DS18B20中写0和1，

(1)写0：DQ拉低，维持至少60Us,在大约15-60Us的时候，DS18B20开始接受数据

(2)写1: DQ拉低，延时2Us,然后释放DQ，此时，上拉电阻会把DQ拉高，延时至少60Us,在15-60Us的时候，DS18B20开始接受数据

因此写指令的代码如下

void ds18b20_com(unsigned char mycom)

{

        unsigned char temp;

        unsigned char i;

        for (i=0;i<8;i++)

        {

                temp=mycom & 0x01;

                if (temp==1)

                {

                        DQ=0;

                        _nop_();

                        _nop_();

                        DQ=1;

                        delayUs(35);

                }

                else

                {

                        DQ=0;

                        delayUs(35);

                        DQ=1;

                

                }

                mycom>>=1;

        }        

}

所以，如果你要发指令 ds18b20_com(0xcch)//skip rom,DS18B20就知道了要跳过读ROM，如果要发指令Convert T, ds18b20_com(0x44h),DS18B20就开始温度转换，并存储在ScratchPad中的前两个字节。

当转换完成后，数据存储在Byte0和Byte1中，下面的任务就是去读Byte0和Byte1了。这里需要注意的是，再单片机每发一次指令之前都要: 初始化->ROM指令->功能指令。这个是芯片手册上规定的。因此在读Byte0和Byte1之前要再初始化一次，Skip ROM([CCh]), 就可以读Byte0和Byte1了。之后将Byte0和Byte1合并，然后转换成温度就可以了。

现在我们来看看如何读DS18B20，同样查看芯片手册，找到读的时序图

DS18B20要把数据发送给单片机，那么DS18B20怎么知道单片机什么时候开始要数据呢？这里同样有个规则，当单片机将DQ拉低，延时1Us，然后释放DQ。此时，DS18B20就知道了，哦，单片机开始要数据了。如果此时DS18B20要给0，就把DQ拉低，相反，如果要写1就让DQ维持高的状态。从单片机发出读数据信息，DS18B20给数据，单片机采集数据，这个过程要在15Us完成，之后需要延时45Us，为保险，我们这里取65Us。两个读之间，至少要有1Us的间隔。因此很容易得出单片机读DS18B20的代码：

unsigned int ds18b20_read(void)

{

        unsigned char temp1=0;

        unsigned int temp2=0;

        unsigned int temp=0;

        unsigned char i;

        for (i=0;i<8;i++)

        {

                temp1>>=1;

                DQ=0;

                _nop_();

                _nop_();

                DQ=1;

                if(DQ==1)

                temp1 |=0x80;

                delayUs(35);

        }

        for (i=0;i<8;i++)

        {

                temp2>>=1;

                DQ=0;

                _nop_();

                _nop_();

                DQ=1;

                if(DQ==1)

                temp2 |=0x80;

                delayUs(35);

        }

        temp2 <<=8;

        temp=temp1+temp2;

        return temp;

}

通过LCD1602和DS18B20两个例子可以看出，对这两个模块的控制，其实只用了单片机的引脚控制和延时程序。重点和难点其实在理解各模块的控制规则。其实这些只需要通过仔细阅读对应的芯片手册就能找到。而单片机引脚的控制和延时部分与LED的操作并无区别，难怪有人说，如果你把操作LED的过程真正搞懂了，单片机你就学会了一半。后面我们会反复的使用LED作为例子，讲解单片机其它相关内容。