ds18b20讀取溫度的工作原理

DS18B20 通過(guò) 單總線(1-Wire)協(xié)議 與微控制器通信，其溫度讀取過(guò)程可分為 初始化、發(fā)送指令、溫度轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)讀取 等步驟。以下是詳細(xì)的工作原理：

一. 硬件工作原理

- 溫度傳感核心

DS18B20 內(nèi)部包含一個(gè) 高精度溫敏振蕩器，通過(guò)測(cè)量與溫度相關(guān)的脈沖頻率來(lái)量化溫度值。

- 溫度變化 → 晶體振蕩頻率變化 → 計(jì)數(shù)器記錄脈沖數(shù) → 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

- 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

- 64位ROM：存儲(chǔ)全球唯一地址(用于多設(shè)備識(shí)別)。

- 溫度傳感器：核心測(cè)量單元。

- 配置寄存器：設(shè)置分辨率(9~12位)。

- 暫存器(Scratchpad)：臨時(shí)存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)和控制參數(shù)。

二. 溫度讀取流程

步驟1：總線初始化(復(fù)位脈沖)

- 微控制器發(fā)送 480~960μs的低電平脈沖，釋放總線后等待DS18B20的 存在脈沖(60~240μs低電平)，確認(rèn)設(shè)備在線。

步驟2：發(fā)送ROM指令

- 若總線上有多個(gè)DS18B20，需通過(guò)ROM指令選擇目標(biāo)設(shè)備：

- `0x55`：匹配特定ROM地址(單設(shè)備操作可跳過(guò))。

- `0xCC`：跳過(guò)ROM地址檢測(cè)(適用于單設(shè)備場(chǎng)景)。

步驟3：發(fā)送功能指令

- 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換：發(fā)送指令 `0x44`，DS18B20開始測(cè)量溫度。

- 轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于分辨率(9位約93ms，12位約750ms)。

- 在此期間，微控制器可輪詢總線狀態(tài)或延時(shí)等待。

步驟4：讀取溫度數(shù)據(jù)

1. 重新初始化總線，發(fā)送 `0xBE` 指令讀取暫存器數(shù)據(jù)。

2. 連續(xù)讀取9字節(jié)(包括溫度值、配置參數(shù)等，通常只需前2字節(jié))。

3. 溫度數(shù)據(jù)以 16位二進(jìn)制補(bǔ)碼 格式存儲(chǔ)，需轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度值。

三. 數(shù)據(jù)格式與溫度計(jì)算

- 示例：若讀取的16位數(shù)據(jù)為 `0x0191`(二進(jìn)制 `0000 0001 1001 0001`)：

- 高字節(jié) `0000 0001` → 正溫度(最高位為0)。

- 低字節(jié) `1001 0001` → 小數(shù)部分。

- 計(jì)算：

- 整數(shù)部分：`0000 0001` → 1 × 16 = 16(高4位為整數(shù)高位)。

- 小數(shù)部分：`0001` → 1 × 0.0625 = 0.0625(低4位為小數(shù)，12位分辨率時(shí)每單位0.0625°C)。

- 實(shí)際溫度：16 + 0.0625 = 16.0625°C。

- 負(fù)溫度處理：

若高字節(jié)最高位為1(如 `0xFF8F`)，需取補(bǔ)碼后計(jì)算：

```c

temp = (讀取值 & 0xFFF8) * (-1) + (16 - (讀取值 & 0x000F) * 0.0625);

```

四. 關(guān)鍵時(shí)序與信號(hào)

- 單總線協(xié)議時(shí)序：

- 寫“0”：保持低電平 >60μs。

- 寫“1”：拉低總線1μs后釋放。

- 讀數(shù)據(jù)：微控制器拉低總線1μs后采樣。

- 寄生供電模式注意事項(xiàng)：

- 溫度轉(zhuǎn)換期間需通過(guò) 強(qiáng)上拉電阻 保持總線高電平供電，否則可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換失敗。

五. 常見問題與解決

1. 讀取值為85°C

- 原因：未等待溫度轉(zhuǎn)換完成或初始化失敗。

- 解決：增加延時(shí)(如 `delay(750)`)或檢查總線連接。

2. 數(shù)據(jù)不穩(wěn)定

- 原因：總線干擾或電源不穩(wěn)。

- 解決：縮短導(dǎo)線長(zhǎng)度，增加濾波電容(0.1μF靠近DS18B20的VDD和GND)。

3. 多設(shè)備沖突

- 原因：未正確匹配ROM地址。

- 解決：遍歷總線設(shè)備并單獨(dú)操作(使用 `search()` 函數(shù)獲取ROM地址)。

通過(guò)理解上述原理，可更高效地集成DS18B20到項(xiàng)目中，避免常見時(shí)序和硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。