8、单总线与DB18B20实现温度的测量

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1、单总线(1-Wire)通信的基本概念

在串行通信系统中通常具备：
时钟信号线，数据信号线，控制信号线，设备电源线

UART:VCC GND TXD(串口的发送引脚) RXD(串口的接收引脚)
USART:VCC GND TXD RXD SCK（时钟信号）
SPI:VCC GND CS(片选引脚) MOSI MISO SCK
I2C:VCC GND SDA(串行数据线) SCK(串行时钟线)

优缺点：

总线的驱动能力较差，超过一定数量会不稳定
距离不长，1-Wire总线更适合中短距离低速
由于硬件集成一线比较简单，软件的复杂度上升

2、DS18B20温度传感器的介绍

1、外形
2、供电方式
寄生方式供电

外部供电方式（需要考虑压降）
3、内部电路
内部含有单元电源单元，ROM单元，存储器逻辑控制单元，温度转换单元，高速暂存器单元等

DS18B20只能去读而不能写，具备高温报警，-10°-40°

1）ROM操作指令

DS18B20设备中有关ROM操作的指令一共有5个，如下所示：

在这里插入图片描述
（读取和跳过用得比较多，其他的用得比较少）

2）功能性指令

除了ROM指令在之外，还有功能性的指令
在这里插入图片描述
（主要用的是温度转换和读暂存器）

3、DS18B20 的数据格式及转换

转换分配率问题
在配置寄存器中的位 6 和位 5 两个位来控制
温度值的存放问题
在高字节中的高 5 位是符号位，图中用 S 表示。如果温度值是正数，则 S 位均为 0，若为负数，则 S 位均为 1

问题1：符号位为什么要5个？

没有必要占用这么多位，其可测量的温度范围比较窄，为了数据好处理，所以用了5个符号位。

问题2：抛开符号位，其他的全部为只有11位？

将高位的5为结合成了一个符号位，也就是12位的分辨率指的是S位+其余的11位。
位0-位3部分是小数部分，位4-位19是整数部分，位11-位15是符号位。对于12位的转换分辨率，温度传感器的所以位都是有效的；对于11为的转换分辨率，位0是无效的；对于10为的分辨率，位0和位1是无效的；对于9位的分辨率，位2，位1，位0是无效的。

问题3：负数温度如何处理？

负数温度按照补码来操作，所以如果是-55°需要存储，其正确的答案不是0b1111101101110000也就是0xFB70，而是按照补码来显示为0b1111110010010000也就是0xFC90。（补码=反码+1，反码=源码取反）

问题4：温度如何转换为正确的摄氏温度？

实际温度 = 份数 * 最小的分辨率

温度数值转换格式的例子：
在这里插入图片描述
高温阈值和低温阈值的设置（少用）

当实际采样测量的温度值超过高温限值或者是低于低温阈值的时候，这时候DS18B20设备会发出报警信号。

4、 DS18B20 的时序图

DS18B20 设备采用了严格的 1-Wire 单总线通信协议来保证数据的完整性和有效性。第一是发送初始化时序，第二是发送 ROM 命令，第三是发送功能命令。
在这里插入图片描述

问题：如何写命令给从机，也就是如何让从机知道我们是写 1 还是写 0，才能将一个 1byte的数据发送过去？

对于一个字节的数据，有高低位之分，而数据的发送要先发低位，再发高位。注意好写 0 和写 1 的时间隙。在正确的时间隙中操作就是主机与从机之间正确通信的保障。

1）主机的两个写入操作

操作1：写1的时间隙
操作2：写0的时间隙

2）从机的两个应答操作(主机读0读1)

在这里插入图片描述
注意要注意好时间，主机的采样一定要是15微秒以内

在这里插入图片描述

5、 DS18B20 的操作流程

复位
首先我们必须对 ds18b20 芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给 ds18b20 单
总线至少 480uS 的低电平信号。当 18B20 接到此复位信号后则会在 15~60uS 后回发一个芯
片的存在脉冲。
存在脉冲
在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在 15~60uS 后接收存在
脉冲，存在脉冲为一个 60~240uS 的低电平信号。至此，通信双方已经达成了基本的协议，
接下来将会是控制器与 18B20 间的数据通信。如果复位低电平的时间不足或是单总线的电
路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。
控制器发送 ROM 指令
双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM 指令共有 5 条，每一个工作周期只能发一
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。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作处理。诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件
上所独有的 ID 号来区别，一般只挂接单个 18B20 芯片时可以跳过 ROM 指令（注意：此处指
的跳过 ROM 指令并非不发送 ROM 指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。ROM 指令在下
文有详细的介绍。
控制器发送存储器操作指令
在 ROM 指令发送给 18B20 之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。操作
指令同样为 8 位，共 6 条，存储器操作指令分别是写 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 18B20 作什么样的工作，是芯片控制的关键。
执行或数据读写
一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操
作指令而定。如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待 18B20 执行其指令，一般
转换时间为 500uS。如执行数据读写指令则需要严格遵循 18B20 的读写时序来操作。
需要注意：
换存储器操作指令、等待 500uS 温度转换时间。紧接着执行第二个周期为复位、跳过
ROM 指令、执行读 RAM 的存储器操作指令、读数据（最多为 9 个字节，中途可停止，只读
简单温度值则读前 2 个字节即可）。其它的操作流程也大同小异，在此不多介绍。

6、参考代码

/****************************************************************/
//设备初始化时序产生函数DS18B20_reset()，无形参和返回值
/****************************************************************/
void DS18B20_reset(void)
{
  u8 x;
  DS18B20_DQ_DDR(1);
  DS18B20_DQ=1;
  delay(1700);
  DS18B20_DQ=0;
  delay(1700);
  DS18B20_DQ=1;
  delay(65);
  DS18B20_DQ_DDR(0);
  delay(65);
  x=PI_IDR_IDR4;
  printf("|[1].开始检测DS18B20......\r\n");
  while(x);
  printf("|[2].DS18B20检测成功\r\n");
  delay(1150);//控制器等待至少480us
}

/****************************************************************/
//设备DQ引脚方向性配置函数DS18B20_DQ_DDR()，有形参ddr无返回值
/****************************************************************/
void DS18B20_DQ_DDR(u8 ddr)
{
  if(ddr==1)	//配置为输出方式
  {
    PI_DDR_DDR4=1;
    PI_CR1_C14=1;
    PI_CR2_C24=0;
  }
  else			//配置为输入方式
  {
    PI_DDR_DDR4=0;
    PI_CR1_C14=1;
    PI_CR2_C24=0;
  }
}

/****************************************************************/
//设备初始化函数DS18B20_init()，无形参和返回值
/****************************************************************/
void DS18B20_init(void)
{
  DS18B20_reset();
  delay(1000);
  DS18B20_Wbyte(0xCC);//写ROM指令（跳过ROM）
  DS18B20_Wbyte(0x44);//写功能指令（温度转换）
  printf("|[3].启用温度转换\r\n");
}

/****************************************************************/
//设备写一个字节函数DS18B20_Wbyte()，有形参xbyte无返回值
/****************************************************************/
void DS18B20_Wbyte(u8 xbyte)
{
  u8 i,x=0;
  DS18B20_DQ_DDR(1);
  for(i=0;i<8;i++)	//8次循环实现逐位写入
  {
    x=xbyte & 0x01; //从最低位取值到最高位
    if(x)			//写“1”
    {
      DS18B20_DQ=0;
      delay(30);
      DS18B20_DQ=1;
      delay(100);
      DS18B20_DQ=1;
    }
    else			//写“0”
    {
      DS18B20_DQ=0;
      delay(30);
      DS18B20_DQ=0;
      delay(100);
      DS18B20_DQ=1;
    }
    xbyte=xbyte>>1;	//右移一位实现逐位移出
  }
}

/****************************************************************/
//设备读字节函数DS18B20_Rbyte()，无形参有返回值rbyte
/****************************************************************/
u8 DS18B20_Rbyte(void)
{
  u8 rbyte=0,i=0,tempbit=0;
  for(i=0;i<8;i++)	//8次循环实现逐位拼合
  {
    tempbit=DS18B20_Rbit();	//读取单个位
    rbyte=rbyte>>1;			//右移实现将高低位排列
    rbyte=rbyte|tempbit;	//或运算移入数据
  }
  return rbyte;
}

/****************************************************************/
//设备读取单个位函数DS18B20_Rbit()，无形参有返回值rbit
/****************************************************************/
u8 DS18B20_Rbit(void)
{
  u8 rbit=0,x=0;
  DS18B20_DQ_DDR(1);
  DS18B20_DQ=0;
  delay(30);
  DS18B20_DQ=1;
  DS18B20_DQ_DDR(0);
  delay(20);
  x=PI_IDR_IDR4;
  if(x)
    rbit=0x80;
  delay(150);
  return rbit;
}

/****************************************************************/
//设备温度获取和转换函数DS18B20_get_Temperature()，无形参和返回值
/****************************************************************/
void DS18B20_get_Temperature(void)
{
  u8 msb_byte=0,lsb_byte=0;	//msb是温度值高位，lsb是温度值低位
  DS18B20_reset();			//初始化时序
  delay(1000);				//等待初始化稳定
  DS18B20_Wbyte(0xCC);		//写ROM指令（跳过ROM）
  DS18B20_Wbyte(0xBE);		//写功能指令（读暂存器）
  delay(1000);				//等待配置稳定
  printf("|[4].开始温度读取操作\r\n");
  lsb_byte=DS18B20_Rbyte();	//读取第一个低位数据字节
  msb_byte=DS18B20_Rbyte();	//读取第二个高位数据字节
  Tem_u16=msb_byte;			
  Tem_u16=Tem_u16<<8;		
  Tem_u16=Tem_u16|lsb_byte;	
  if(Tem_u16<=0x07FF)		//温度值正负判断
  {
    flag=1;					//温度值为正（最高能测到125摄氏度）
    Tem_f=Tem_u16*0.0625;	//乘以0.0625最小分辨值得到12位温度实际值
    Tem_u16=(u16)(Tem_f+0.5);//4舍5入得到温度整数值
  }
  else
  {
    flag=0;					//温度值为负（最低能测到-55摄氏度）
    Tem_u16=~(Tem_u16-1);	//此时数据是补码形式
    //采用“补码-1”再按位取反的方法得到对应原码
    Tem_f=Tem_u16*0.0625;//乘以0.0625最小分辨值得到12位温度实际值
    Tem_u16=(u16)(Tem_f+0.5);//4舍5入得到温度整数值
  }
}

曾经做过一个单片机课设，实现DB18B20获取温度然后使用LCD1602显示，并且串口打印出来，有兴趣的可以下载代码