温度传感器DS18B20原理详解附STM32单片机源程序

只看该作者 · 2022-4-24 14:50

DS18B20原理

传感器参数

测温范围为-55℃到+125℃，在-10℃到+85℃范围内误差为±0.4°

返回16位二进制温度数值

主机和从机通信使用单总线，即使用单线进行数据的发送和接收

在使用中不需要任何外围元件，独立芯片即可完成工作

掉电保护功能 DS18B20 内部含有 EEPROM ，通过配置寄存器可以设定数字转换精度和报警温度，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值

每个DS18B20都有独立唯一的64位-ID，此特性决定了它可以将任意多的DS18b20挂载到一根总线上，通过ROM搜索读取相应DS18B20的温度值

宽电压供电，电压2.5V~5.5V

DS18B20 返回的16位二进制数代表此刻探测的温度值，其高五位代表正负。如果高五位全部为1，则代表返回的温度值为负值。如果高五位全部为0，则代表返回的温度值为正值。后面的11位数据代表温度的绝对值，将其转换为十进制数值之后，再乘以0.0625即可获得此时的温度值

传感器引脚及原理图

DS18B20传感器的引脚及封装图如下:

只看该作者 · 2022-4-24 14:52

DS18B20一共有三个引脚，分别是：

GND：电源地线

DQ：数字信号输入／输出端

VDD：外接供电电源输入端

单个DS18B20接线方式：VDD接到电源，DQ接单片机引脚，同时外加上拉电阻，GND接地。

注意这个上拉电阻是必须的，就是DQ引脚必须要一个上拉电阻。

DS18B20上拉电阻

首先来看一下什么是场效应管（MOSFET），如下图。

场效应管是电压控制型元器件，只要对栅极施加一定电压，DS就会导通。

漏极开路：MOS管的栅极G和输入连接，源极S接公共端，漏极D悬空（开路）什么也没有接，直接输出，这时只能输出低电平和高阻态，不能输出高电平。

那么这个时候会出现三种情况：

下图a为正常输出（内有上拉电阻）：场效应管导通时，输出低电位输出低电位，截止时输出高电位

下图b为漏极开路输出，外接上拉电阻：场效应管导通时，驱动电流是从外部的VCC流经电阻通过MOSFET到GND，输出低电位，截止时输出高电位

下图c为漏极开路输出，无外接上拉电阻：场效应管导通时输出低电位，截止呈高阻态(断开)

只看该作者 · 2022-4-24 15:02

总结一下：

开漏输出只能输出低电平，不能输出高电平。漏极开路输出高电平时必须在输出端与正电源（VCC）间外接一个上拉电阻。否则只能输出高阻态。

DS18B20 是单线通信，即接收和发送都是这个通信脚进行的。其接收数据时为高电阻输入，其发送数据时是开漏输出，本身不具有输出高电平的能力，即输出0时通过MOS 下拉为低电平，而输出1时，则为高阻，需要外接上拉电阻将其拉为高电平。因此，需要外接上拉电阻，否则无法输出1。

外接上拉电阻阻值：

DS18B20的工作电流约为1mA，VCC一般为5V，则电阻R=5V/1mA=5KΩ，所以正常选择4.7K电阻，或者相近的电阻值。

DS18B20寄生电源

DS18B20的另一个特点是不需要再外部供电下即可工作。当总线高电平时能量由单线上拉电阻经过DQ引脚获得。高电平同时充电一个内部电容，当总线低电平时由此电容供应能量。这种供电方法被称为“寄生电源”。另外一种选择是DSl8B20由接在VDD的外部电源供电。

DS18B20内部构成

主要由以下3部分组成：

64 位ROM

高速暂存器

存储器

64位ROM存储独有的序列号，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的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

高速暂存器包含：

温度传感器

一个字节的温度上限和温度下限报警触发器(TH和TL)

配置寄存器允许用户设定9位，10位，11位和12位的温度分辨率，分别对应着温度的分辨率为：0.5°C，0.25°C，0.125°C，0.0625°C，默认为12位分辨率

存储器：由一个高速的RAM和一个可擦除的EEPROM组成，EEPROM存储高温和低温触发器(TH和TL)以及配置寄存器的值，(就是存储低温和高温报警值以及温度分辨率)

DS18B20温度读取与计算

DS18B20采用16位补码的形式来存储温度数据，温度是摄氏度。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。

高字节的五个S为符号位，温度为正值时S=1,温度为负值时S=0。

剩下的11位为温度数据位，对于12位分辨率，所有位全部有效，对于11位分辨率，位0(bit0)无定义，对于10位分辨率，位0和位1无定义,对于9位分辨率，位0，位1，和位2无定义。

只看该作者 · 2022-4-24 15:06

对应的温度计算：

当五个符号位S=0时，温度为正值，直接将后面的11位二进制转换为十进制，再乘以0.0625(12位分辨率)，就可以得到温度值。

当五个符号位S=1时，温度为负值，先将后面的11位二进制补码变为原码(符号位不变，数值位取反后加1)，再计算十进制值。再乘以0.0625(12位分辨率)，就可以得到温度值。

举两个例子：

数字输出07D0(00000111 11010000)，转换成10进制是2000，对应摄氏度：0.0625x2000=125°C

数字输出为 FC90，首先取反，然后+1，转换成原码为：11111011 01101111，数值位转换成10进制是870，对应摄氏度：-0.0625x870=-55°C

温度对应表如下：

DS18B20工作步骤

DS18B20的工作步骤可以分为三步：

初始化DS18B20

执行ROM指令

执行DS18B20功能指令

其中第二步执行ROM指令，也就是访问每个DS18B20，搜索64位序列号，读取匹配的序列号值，然后匹配对应的DS18B20，如果我们仅仅使用单个DS18B20，可以直接跳过ROM指令。而跳过ROM指令的字节是0xCC。

初始化DS18B20

任何器件想要使用，首先就是需要初始化，对于DS18B20单总线设备，首先初始化单总线为高电平，然后总线开始也需要检测这条总线上是否存在 DS18B20这个器件。如果这条总线上存在DS18B20，总线会根据时序要求返回一个低电平脉冲，如果不存在的话，也就不会返回脉冲，即总线保持为高电平。

初始化具体时序步骤如下:

单片机拉低总线至少480us，产生复位脉冲，然后释放总线（拉高电平）

这时DS8B20检测到请求之后，会拉低信号，大约60~240us表示应答

DS8B20拉低电平的60~240us之间，单片机读取总线的电平，如果是低电平，那么表示初始化成功

DS18B20拉低电平60~240us之后，会释放总线

只看该作者 · 2022-4-24 15:07

采用多个DS18B20时，需要写ROM指令来控制总线上的某个DS18B20。如果是单个DS18B20，直接写跳过ROM指令0xCC即可。DS18B20写入ROM功能指令如下表：

DS18B20的一些RAM功能指令如下表。其中常用的是温度转换指令，开启温度读取转换，读取好的温度会存储在高速暂存器的第0个和第一个字节中。另一个常用的是读取温度指令，读取高速暂存器存储的数据。

读时序

读时隙由主机拉低总线电平至少1μs然后再释放总线，读取DS18B20发送过来的1或者0。

DS18B20在检测到总线被拉低1微秒后，便开始送出数据，若是要送出0就把总线拉为低电平直到读周期结束。若要送出1则释放总线为高电平。

注意：所有读时隙必须至少需要60us，且在两次独立的时隙之间至少需要1ps的恢复时间。

同时注意：主机只有在发送读暂存器命令(0xBE)或读电源类型命令(0xB4)后，立即生成读时隙指令，DS18B20才能向主机传送数据。也就是先发读取指令，再发送读时隙。

最后一点：写时序注意是先写命令的低字节，比如写入跳过ROM指令0xCC(11001100),写的顺序是“零、零、壹、壹、零、零、壹、壹”。

只看该作者 · 2022-4-24 15:09

读时序时是先读低字节，在读高字节，也就是先读取高速暂存器的第0个字节(温度的低8位)，在读取高速暂存器的第1个字节(温度的高8位) 我们正常使用DS18B20读取温度读取两个温度字节即可。

单片机源程序如下:

DS18B20.c代码：
#include "ds18b20.h"
#include "delay.h"
//复位DS18B20
void DS18B20_Rst(void)
{
DS18B20_IO_OUT(); //SET PG11 OUTPUT
DS18B20_DQ_OUT=0; //拉低DQ
delay_us(750); //拉低750us
DS18B20_DQ_OUT=1; //DQ=1
delay_us(15); //15US
}
//等待DS18B20的回应
//返回1:未检测到DS18B20的存在
//返回0:存在
u8 DS18B20_Check(void)
{
u8 retry=0;
DS18B20_IO_IN(); //SET PG11 INPUT
while (DS18B20_DQ_IN&&retry<200)
{
retry++;
delay_us(1);
};
if(retry>=200)return 1;
else retry=0;
while (!DS18B20_DQ_IN&&retry<240)
{
retry++;
delay_us(1);
};
if(retry>=240)return 1;
return 0;
}
//从DS18B20读取一个位
//返回值：1/0
u8 DS18B20_Read_Bit(void)
{
u8 data;
DS18B20_IO_OUT(); //SET PG11 OUTPUT
DS18B20_DQ_OUT=0;
delay_us(2);
DS18B20_DQ_OUT=1;
DS18B20_IO_IN(); //SET PG11 INPUT
delay_us(12);
if(DS18B20_DQ_IN)data=1;
else data=0;
delay_us(50);
return data;
}
//从DS18B20读取一个字节
//返回值：读到的数据
u8 DS18B20_Read_Byte(void)
{
u8 i,j,dat;
dat=0;
for (i=1;i<=8;i++)
{
j=DS18B20_Read_Bit();
dat=(j<<7)|(dat>>1);
}
return dat;
}
//写一个字节到DS18B20
//dat：要写入的字节
void DS18B20_Write_Byte(u8 dat)
{
u8 j;
u8 testb;
DS18B20_IO_OUT(); //SET PG11 OUTPUT;
for (j=1;j<=8;j++)
{
testb=dat&0x01;
dat=dat>>1;
if (testb)
{
DS18B20_DQ_OUT=0; // Write 1
delay_us(2);
DS18B20_DQ_OUT=1;
delay_us(60);
}
else
{
DS18B20_DQ_OUT=0; // Write 0
delay_us(60);
DS18B20_DQ_OUT=1;
delay_us(2);
}
}
}
//开始温度转换
void DS18B20_Start(void)
{
DS18B20_Rst();
DS18B20_Check();
DS18B20_Write_Byte(0xcc); // skip rom
DS18B20_Write_Byte(0x44); // convert
}
//初始化DS18B20的IO口 DQ 同时检测DS的存在
//返回1:不存在
//返回0:存在
u8 DS18B20_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOG, ENABLE); //使能PORTG口时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11; //PORTG.11 推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_11); //输出1
DS18B20_Rst();
return DS18B20_Check();
}
//从ds18b20得到温度值
//精度：0.1C
//返回值：温度值（-550~1250）
short DS18B20_Get_Temp(void)
{
u8 temp;
u8 TL,TH;
short tem;
DS18B20_Start (); // ds1820 start convert
DS18B20_Rst();
DS18B20_Check();
DS18B20_Write_Byte(0xcc); // skip rom
DS18B20_Write_Byte(0xbe); // convert
TL=DS18B20_Read_Byte(); // LSB
TH=DS18B20_Read_Byte(); // MSB
if(TH>7)
{
TH=~TH;
TL=~TL;
temp=0; //温度为负
}else temp=1; //温度为正
tem=TH; //获得高八位
tem<<=8;
tem+=TL; //获得底八位
tem=(float)tem*0.625; //转换
if(temp)return tem; //返回温度值
else return -tem;
}
DS18B20.h代码：
#ifndef __DS18B20_H
#define __DS18B20_H
#include "sys.h"
//IO方向设置
#define DS18B20_IO_IN() {GPIOG->CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOG->CRH|=8<<12;}
#define DS18B20_IO_OUT() {GPIOG->CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOG->CRH|=3<<12;}
//IO操作函数
#define DS18B20_DQ_OUT PGout(11) //数据端口 PA0
#define DS18B20_DQ_IN PGin(11) //数据端口 PA0
u8 DS18B20_Init(void);//初始化DS18B20
short DS18B20_Get_Temp(void);//获取温度
void DS18B20_Start(void);//开始温度转换
void DS18B20_Write_Byte(u8 dat);//写入一个字节
u8 DS18B20_Read_Byte(void);//读出一个字节
u8 DS18B20_Read_Bit(void);//读出一个位
u8 DS18B20_Check(void);//检测是否存在DS18B20
void DS18B20_Rst(void);//复位DS18B20
#endif

复制代码

只看该作者 · 2022-10-5 21:29

刚好需要，学到了

只看该作者 · 2022-10-6 14:02

讲的很好！一般元气件厂家有时候会有例程提供的

只看该作者 · 2022-10-8 09:05

多次检查也会给单片机带来负荷，对功耗不利

只看该作者 · 2022-10-8 16:06

来自单片机内部的定时器和GPIO、串行通信设备UART等外设机器的中断被称为外部设备中断

只看该作者 · 2022-10-8 19:05

中断产生于单片机内部和外部的各种设备

只看该作者 · 2023-4-12 14:58

感谢楼主！！精华贴！

只看该作者 · 2023-4-12 14:58

感谢楼主！！精华贴！

只看该作者 · 2023-5-5 13:35

怎么用示波器调试DS18B20时序

只看该作者 · 2023-5-5 20:52

STM32写DS18B20程序管脚又要做输入又要做输出该怎么设置?

只看该作者 · 2023-5-5 20:58

DS18B20 有没有C语言编写的程序?

只看该作者 · 2023-5-5 22:29

stm32驱动ds18b20如何配置管脚

只看该作者 · 2023-5-6 00:24

DS18B20读写时序问题

只看该作者 · 2023-5-7 10:38

这个如何检测设备是否存在呢

只看该作者 · 2023-7-1 08:02

孔璧里头必须经过电镀

温度传感器DS18B20原理详解 附STM32单片机源程序

技术高手奖章

经常做客

温度传感器DS18B20原理详解附STM32单片机源程序