DS18B20传感器与单片机的接口
DS18B20是DALLAS半导体公司生产的具有“一线总线（单总线）”接口的数字温度传感器。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。DS18B20的管脚排列如图7-43所示。
图7-43 DS18B20引脚分布
（一）DS18B20的性能特点
（1）采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其他I/O口线与微机/单片机接口，无须经过其他变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）。
（2）测温范围为-55～+125℃，测量分辨率为0.0625℃，DS18B20可通过程序设定9～12位的分辨率。
（3）内含64位经过激光修正的只读存储器ROM。
（4）适配各种单片机或系统机。
（5）内置EEPROM，具有限温报警功能。用户可分别设定各路温度的上、下限，设定的分辨率以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
（6）内含寄生电源。
（二）DS18B20的内部结构
DS18B20共有三种形态的存储器资源，具体如下。
（1）64位光刻ROM，用于存放DS18B20ID编码，数据在出产时设置不由用户更改。其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19 H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56位的CRC码（冗余校验）。
（2）RAM高速数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存，存放温度上、下限）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。第6～8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9个字节为前8个字节的CRC码。
（3）EEPROM非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据、上下限温度报警值和校验数据。DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。
在实际应用中，测量的实际温度值与分辨率有关。DS18B20温度测量分辨率有四种，即9位测量分辨率、10位测量分辨率、11位测量分辨率和12位测量分辨率，对应的温度测量精度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃。9～12位的测量，无论采用哪种分辨率，温度整数的有效位均是表7-8中26～20、2-1～2-4，低8位中低4位为温度小数的有效位。
表7-8 DS18B20中16位温度数值的含义
以12位测量分辨率为例说明温度高低字节存放形式及计算：12位转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个高、低8位的RAM中，其中二进制中的前面5位是符号位。如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度（等价说明：高8位字节的低3位和低8位字节的高4位组成温度整数值的二进制数；或者说：12位测量时，所测数值乘以0.0625（=1/16），即右移4位后去掉了二进制数的小数部分）；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才能得到实际温度（等价说明：当温度小于0时，整数部分就是各位取反，小数部分则是各位取反后加1）。部分实际温度值与测量数据的关系见表7-9。
表7-9 实际温度值与测量数据的对应关系
（三）DS18B20控制方法
在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5kΩ左右的上拉电阻。
单片机与DS18B20进行数据交换之前，单片机首先发送ROM指令，双方达成协议之后才进行数据交换。ROM指令共有5条，一个工作周期发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索，见表7-10。ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并做处理。如果总线上只有一个从属设备DS18B20时，则不需要匹配，执行0CCH（跳过命令）即可。
表7-10 DS18B20的ROM指令
在ROM指令发送给DS18B20之后，接着（不间断）发送存储器操作指令。操作指令同样为8位，共6条，分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。存储器操作指令的功能是命令DS18B20工作，是芯片控制的关键。单片机发送存储器RAM操作指令见表7-11。
表7-11 DS18B20芯片存储器操作指令表
CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器和数据操作。如果只有一个DS18B20，不需要匹配，主机送出0CCH（跳过命令）之后紧跟着BEH（读命令）。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通信协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，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。
（四）DS18B20的时序
1.DS18B20复位时序
DS18B20复位时序如图7-44所示：总线在t0时刻发送一个复位脉冲（最短为480μs的低电平信号），接着在t1时刻释放总线并进入接收状态，DS18B20在总线的上升沿之后等待15～60μs，然后在t2时刻发出存在脉冲（低电平持续60～240μs），单片机接收到低电平脉冲说明复位成功，否则需重新进行复位操作。
图7-44 DS18B20复位时序
复位函数必须严格按照时序图编写，尤其应注意延时时间的准确性。图7-45为DS18B20复位流程图。
假设51单片机晶振12MHz，采用一根I/O口线P2.2与温度传感器DS18B20的数据端I/O连接，如图7-46所示。
图7-45 DS18B20复位流程图
图7-46 单片机与DS18B20的接口
基于单片机与DS18B20的接口图，复位初始化子程序如下：
2.DS18B20写0和写1时序
DS18B20写0和写1时序如图7-47所示：当主机总线在t0时刻从高拉至低电平时就产生写时间间隙。从t0时刻开始15μs之内主机应将所需写的位送到总线上，DS18B20在随后15～60μs内对总线电平采样，然后数据端置位高电平。连续写2位的间隙应大于1μs。图7-48为写DS18B20指令字节的流程图，写DS18B20的子程序如下：
图7-47 DS18B20的写时序
图7-48 写DS18B20指令字节的流程图
3.DS18B20读字节时序
DS18B20读字节时序如图7-49所示：主机总线在t0时刻从高拉至低电平时，总线只需保持低电平1～4μs，之后在t1时刻将总线拉高产生读时间隙，读时间隙在t1时刻后t2时刻前有效，t2距t0 15μs，也就是说t2时刻前主机必须完成读操作，并在t0后的60～120μs内释放总线。连续读2位的间隙应大于1μs。从DS18B20中读出两个字节的温度数据流程图如图7-50所示，程序如下。
图7-49 DS18B20的读时序
图7-50 读DS18B20两个温度字节的流程图
（五）单片机与DS18B20的接口程序
DS18B20采用器件默认的12位转化，最大转化时间为750μs，目的是将检测到的温度直接显示到AT89C51的两个数码管上。读DS18B20测量温度子程序流程图如图7-51所示。LCALL GET_TEMPATURE返回后，由于12位转化时每一位的精度为0.0625度，题目不要求显示小数，所以可以丢弃29H的低4位。将29H的高4位移入低4位，将28 H中的低4位移入29 H中的高4位，这样29 H单元中就是实际测量获得的温度。单片机汇编程序如下：
图7-51 读DS18B20温度的流程图
读出转换后的温度值子程序如下：
