基于DS18B20的测温实验原理、实现与通信线路详解产品大全四川顺同商贸有限公司

引言

DS18B20是一款由美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器，以其高精度、微型封装和独特的单总线通信协议而著称。它无需外部元件，可直接将温度值转换为数字信号，通过一条通信线路与微控制器（如Arduino、STM32等）进行数据交换，极大地简化了测温系统的硬件设计与布线。本文旨在详细阐述基于DS18B20的测温实验工作原理、具体实现步骤，并深入剖析其核心的通信线路机制。

一、实验原理

1. 核心特性

DS18B20的核心是一个经过激光修正的硅温度传感器和数字转换模块。其关键特性包括：

高精度：典型精度为±0.5°C（在-10°C至+85°C范围内）。
数字输出：直接输出9至12位的二进制温度数据，无需A/D转换。
单总线接口：仅需一条数据线（DQ）即可完成电源供给和数据通信，支持“寄生电源”模式（从数据线“窃取”电源）和外部供电模式。
多点组网能力：每个DS18B20都有唯一的64位激光ROM序列号，允许在同一条总线上挂载多个传感器，实现多点测温。

2. 测温与转换原理

传感器内部的核心是一个对温度高度敏感的振荡器，其频率随温度变化。通过一个低温系数振荡器产生的固定频率脉冲作为基准，对温度敏感振荡器的脉冲进行计数，从而将温度信息转换为数字值，并存储在内部的温度寄存器中。转换分辨率可通过配置寄存器设定（9、10、11或12位），分辨率越高，转换时间越长。

二、通信线路详解

通信线路是DS18B20实验实现的关键，特指连接微控制器与DS18B20的单总线（1-Wire Bus）。

1. 物理连接

基本电路：DS18B20的DQ引脚（数据输入/输出）通过一个4.7kΩ的上拉电阻连接到微控制器的某个I/O引脚（如GPIO）和电源VCC（通常为3.3V或5V）。VDD引脚在外部供电模式下接VCC，在寄生电源模式下接地。GND引脚接地。
上拉电阻的作用：单总线协议是开漏输出，需要上拉电阻将总线在空闲时保持在高电平状态，并为总线提供驱动能力。
多点组网连接：所有DS18B20的DQ引脚并联接至同一条总线上，VCC和GND并联。微控制器通过识别每个器件的唯一ROM序列号来分别访问。

2. 单总线通信协议

单总线协议通过精确的时序来完成数据读写，所有操作均以微控制器作为主机（Master），DS18B20作为从机（Slave）。一次完整的温度数据获取流程通常包括以下序列：

初始化（复位脉冲 + 存在脉冲）：主机拉低总线至少480µs，然后释放（进入接收模式）。DS18B20在检测到上升沿后，等待15-60µs，然后拉低总线60-240µs作为“存在脉冲”，向主机表明其在线。
ROM命令（如搜索ROM、匹配ROM）：主机发送命令，用于在多点系统中寻址特定的DS18B20。对于单点系统，通常使用“跳过ROM”命令（0xCC）来忽略地址匹配，直接与总线上的唯一器件通信。
功能命令：最重要的功能命令是启动温度转换（0x44）和读取暂存器（0xBE）。发送启动转换命令后，DS18B20开始进行A/D转换，在此期间主机可以释放总线执行其他任务（通过“读时隙”查询转换完成状态，或等待固定的转换时间，如12位分辨率时需750ms）。
数据读写：所有数据以字节为单位，LSB（最低有效位）在先。每个“时隙”传输1位数据。主机通过控制拉低总线的时间长短来区分写“0”（拉低60-120µs）、写“1”（拉低1-15µs后释放）或读数据（主机拉低总线至少1µs后释放，然后在15µs内采样总线电平，低电平为0，高电平为1）。

三、实验实现步骤（以Arduino为例）

1. 硬件连接

DS18B20的VDD引脚接Arduino的5V引脚。
GND引脚接Arduino的GND引脚。
DQ引脚接Arduino的数字引脚（如Pin 2），并通过一个4.7kΩ电阻上拉到5V。

2. 软件实现

1. 库支持：在Arduino IDE中安装OneWire和DallasTemperature库，它们封装了复杂的单总线协议时序。
2. 代码流程：
`cpp
#include

#include

#define ONEWIREBUS 2 // 数据线连接引脚

OneWire oneWire(ONEWIREBUS); // 初始化OneWire实例
DallasTemperature sensors(&oneWire); // 将OneWire实例传递给DallasTemperature

void setup() {
Serial.begin(9600);
sensors.begin(); // 启动传感器总线
}

void loop() {
sensors.requestTemperatures(); // 发送转换命令（广播，无需地址）
float tempC = sensors.getTempCByIndex(0); // 读取索引0（第一个）传感器的摄氏温度值
Serial.print("Temperature: ");
Serial.print(tempC);
Serial.println(" °C");
delay(1000); // 延时1秒
}
`

工作过程：sensors.requestTemperatures()函数内部完成了初始化、跳过ROM、发送启动转换命令（0x44）并等待转换完成。sensors.getTempCByIndex(0)函数则再次初始化、跳过ROM、发送读暂存器命令（0xBE），并从总线读取9字节数据（包含2字节的温度值），将其转换为浮点数。