单总线接口DS18B20温度传感器

电子小跑腿 · 发表于 2016-3-5 16:24:49

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在单片机与器件的有线通信中，并行最简单了，比方说1602液晶屏。但是代价就是连线多，占用单片机较多的IO口。一般的话，都是使用串行通信方式，其中有UART、SPI、IIC，还有一个我一直以来都比较头疼的达拉斯公司（现被美信收购）的单总线。单总线，故名思意，就是用1条连线进行通信，比起两条线的IIC（时钟线、数据线）,单总线在操作上比较困难，对于时序要求比较高。没有了时钟线的帮助，它依靠电平持续时间判断信号，操作难度可想而知。
      在这之前，个人曾经购买过两个价格不菲(主要是价格贵，传感器又是小得不起眼)的DS18B20。这两块都在我手上经过了相同的经历：起初用用还行，勉强能够用单片机驱动，可以读出温度值来。一段时间没有用过后，重新拿出来后就出现各色各样的问题（要不就原来的程序压根驱动不了，要不就是有温度，当是读出来的温度是芯片内部默认的85度）。就这样子，毁掉了。所以，对于单总线，我有一种莫名的恐惧。
      不过现在，被我花了大半天时间，从阅读手册开始，重新开始掌握单总线的编程。当然，也花了几个钟头调试（在protues上面仿真），结果，是看到了成功。现在将其中的一点点心得记载下来。
      DS18B20的硬件连接就不多说了，分为外部电源供电与寄生电源供电方式。
其内部方框图如下图，64位的ROM（只读），可以理解为DS18B20的ID。一个暂存器（掉电丢失数据）有8byte：从低字节开始是温度传感器的低字节、高字节、上限触发（用于设置温度报警上限）、下限触发、配置寄存器（用于设置温度传感器转化位数，默认12位）、（3字节保留位）、CRC。另外有一个EEPROM（掉电不丢失数据），用来保存暂存器相应的上限触发、下限触发、配置寄存器、CRC。

现在，我们需要跟传感器通信，通信的话一般先要先要有一个初始化，所谓初始化，说白了就是问一下DS18B20在不在，然后，如果DS18B20还“活“着的话，它会给你回话，当然这里的回话很简单，把原来高电平拉至低电平。（跟IIC差不多，平常状态是高电平，低电平的话就是非常态）
初始化的时序如下图：

仔细看这张图就知道，主控器先将电平拉低，最少拉低480us，然后将总线释放掉（回到高电平）。然后，DS18B20为了表示存在，会在60-240us这段时间之间把总线拉低。这样，你可以在将总线释放掉后大约70us时候，读取一下总线电平状态，就可以知道了。
打完了招呼之后，就需要聊天。没错，就是向其发送命令或者数据。但你得知道怎么在一条总线上发一位数据。

上图就是单片机向总线发送1位数据的时序图。先拉低总线（持续时间要大于1us），然后在15us之内，你要发送你的电平（如果是高电平，释放掉总线；如果是低电平，就持续拉低电平），在接下来的45us之内，DS18B20会采样总线电平值。最后你还要把总线释放掉，便会常态。通常需要一次发个8bit，在每比特之间，要记得至少有1us的延时，当然，延时没上限。
学会了发送数据，也要学会接受数据。

从总线上面接受数据也跟发送数据一样，仔细看时序图，就可以解决了。
通常，我们会写成发一个字节的函数（而不是一比特）。有了通信的手段，再去看看通信的内容。就像人类可以看懂a，b，c一样，DS18B20可以看懂的就比较少，而且你得按照规则发送，不然它也看不懂。
在数据手册上，分为ROM指令：包括MATCH ROM[0x55]、SKIP ROM[0xCC]等。当然SKIP ROM这几个单词是给人类看的，真正发送给DS18B20的是0xcc（十六进制）。还有功能指令：包括CONVERT T[0x44]等。
总结来看，你得这样跟DS18B20交流：
步骤1：初始化（打招呼）
步骤2：ROM操作指令（就是发送指令）
步骤3：DS18B20功能指令（还是发送指令）
当然，可能需要读取温度数据，就跟在发送完读取指令之后。需要提醒一下：各个步骤之间不必没有空隙，而是需要有个延时（总线一直处于高电平），这个延时很长也不要紧，就是不要太短，不然的话，DS18B20就工作不正常。

下面贴出我写的代码：
头文件部分：（通常头文件写常数、变量、宏定义、函数原型，C文件写函数实体）

#ifndef __hal_ds18b20_h__
#define __hal_ds18b20_h__

#include<reg52.h>
#include"datatype.h"
#include"hal.h"
#include"delay.h"

sbit dq=P1^2;

#define DQ dq

//DS18B20 ROM指令
#define SEARCH_ROM 0xf0
#define READ_ROM 0x33
#define MATH_ROM 0x55
#define SKIP_ROM 0xcc//使用该指令跳过ROM指令
#define ALARM_SEARCH 0xec

//DS18B20 功能指令
#define CONVERT_T 0x44//使用该指令开始转换温度
#define WRITE_SCRATCHPAD 0x4e
#define READ_SCRATCHPAD 0xbe//使用该指令读取温度值
#define COPY_SCRATCHPAD 0x48
#define RECALL_E2 0xb8
#define READ_POWER_SUPPLY 0xb4

bit hal_ds18b20_init();
void hal_ds18b20_bit_write(bit val);
bit hal_ds18b20_bit_read();
void hal_ds18b20_byte_write(uchar val);
uchar hal_ds18b20_byte_read();
uint hal_ds18b20_get_temp(bit length,uchar * flag);

#endif

C文件部分：

#include"hal_ds18b20.h"

//返回1：表示初始化成功
bit hal_ds18b20_init()
{
      //DQ高电平
      DQ=0;//先拉低
      delay_480us();//等待480us
      DQ=1;//再释放总线，进入等待状态
      delay_70us();//等待70us
      return !DQ;
      //延时一段时间后，DQ高电平
}

void hal_ds18b20_bit_write(bit val)
{
      //DQ高电平
      DQ=0;//拉低
      delay_8us();//延时8us
      if(val)
      {
               DQ=1;//写1的话，需要在15us之内拉高
      }
      //如果写0，则DQ依旧是低电平
      delay_52us();
      DQ=1;//经过60us，然后释放总线
      //DQ高电平
}

bit hal_ds18b20_bit_read()
{
      bit tmp=0;
      //DQ高电平
      DQ=0;
      _nop_();_nop_();//拉低电平2us
      DQ=1;//释放总线
      delay_10us();//时间到此有12us
      tmp=DQ;//对总线进行采样
      delay_48us();//时间到此有60us
      return tmp;
      //此时，DQ被ds18b20释放
      //DQ高电平
}

//单总线要求从最低有效位开始传送
void hal_ds18b20_byte_write(uchar val)
{
      uchar i;
      for(i=0;i<8;i++)
      {
               _nop_();_nop_();//每传送一位，期间至少间隔1us
               if(val&(0x01<<i))
                        hal_ds18b20_bit_write(1);
               else
                        hal_ds18b20_bit_write(0);
      }
}

uchar hal_ds18b20_byte_read()
{
      uchar tmp=0,i;
      for(i=0;i<8;i++)
      {
               _nop_();_nop_();//每传送一位，期间至少间隔1us
               if(hal_ds18b20_bit_read())
                        tmp=tmp|(0x01<<i);
      }
      return tmp;
}

//参数length=0：返回精确度为1位小数，此时返回值扩大了10倍
//参数length=1：返回精确度为2位小数，此时返回值扩大了100倍
//参数*flag,只是作为温度正负值标志传出用。0：正；1：负
//注意接收返回值变量需要是int型的
uint hal_ds18b20_get_temp(bit length,uchar * flag)
{
      uint val=0;
      uchar tmp1,tmp2;
      while(!hal_ds18b20_init())
               DELAY_500MS();
      delay_ms(1);//发指令期间延时比较重要
      hal_ds18b20_byte_write(SKIP_ROM);
      delay_ms(1);
      hal_ds18b20_byte_write(CONVERT_T);
      DELAY_1S();//12bit精度情况下，需要750ms转换温度时间
      while(!hal_ds18b20_init())
               DELAY_500MS();
      delay_ms(1);
      hal_ds18b20_byte_write(SKIP_ROM);
      delay_ms(1);
      hal_ds18b20_byte_write(READ_SCRATCHPAD);
      delay_ms(1);
      tmp1=hal_ds18b20_byte_read();//一共可以读取9字节
      tmp2=hal_ds18b20_byte_read();//这里来只读取前两个字节，温度值
      //tmp1低字节       tmp2高字节
      *flag=(tmp2&0x80)?1:0;//传回温度正负
      val=tmp1|tmp2<<8;//组成16位
      if(*flag)//温度值是负数,需要取反加一
               val=(~val)+1;
      //按照12bit测温精度来算，扩大了100倍
      return ((uint)(val*6.25+(length?0.5:50)))/(length?1:10);
}