AutoLeaders控制组——51单片机学习笔记（DS18B20温度传感器、LCD1602、直流电机+PWM）

本篇内容是观看B站江科大自化协UP主的教学视频所做的笔记，对其中内容有所引用，并结合自己的单片机板块进行了更改调整。

以下笔记内容以一个视频为一个片段（内容较多，可能不适合速食，望见谅）

一些内容涉及前面的知识点，可能需要提前了解（可以翻看本人之前的文章或者去B站看UP主的视频）

13-1 DS18B20温度传感器

单片机上的DS18B20：

拆卸后的DS18B20：

DS18B20部分

Ⅰ、DS18B20介绍

DS18B20是一种常见的数字温度传感器，其控制命令和数据都是以数字信号的方式输入输出，相比较于模拟温度传感器，具有功能强大、硬件简单、易扩展、抗干扰性强等特点

测温范围：-55°C 到 +125°C

通信接口：1-Wire（单总线）

其它特征：可形成总线结构、内置温度报警功能、可寄生供电

（可寄生供电即无需接VCC，只需要接数据线与GND即可完成数据通信，节省线路）

模拟温度传感器原理：

通过外接电路，当温度变化时，热敏电阻两端电压发生改变，产生连续的电压变化（模拟信号），通过AD芯片将模拟信号转换为数字信号，最终将数据反馈出来。

（最终读取的数据只是正比于温度，还需要进行系数配比才能显示出温度）

——因此应用方面不如数字温度传感器。

电路模块：

来自up主数据手册截图：

数字温度传感器原理：

DS18B20（TO-92分装）：

如DS18B20一样，它内部集成了上面模拟温度传感器的部分（集成模拟温度传感器，并在内部实现数据转化），并将数据存储在内部的RAM（随机存储器）中。

——因此无需设计电路，只需要通过引脚与单总线通信协议，将RAM里面的温度转化读取出来即可。

（也就是说，模拟温度传感器的部分都需要利用外界资源，但数字温度传感器自己内部已经集成有了）

Ⅱ、引脚及应用电路

up主处部分：

本单片机DS18B20原理图：

up主部分的R1为上拉电阻，与I2C部分的上拉电阻功能相同。（可以参考I2C总线部分笔记对照）

Ⅲ、内部结构框图

本单片机芯片资料内部结构框图（DS1820，不是DS18B20）：

一、PARASITE POWER CIRCUIT（寄生供电）部分

解释作用：这一部分电路能省去VDD，直接采用DQ供电。

①POWER-SUPPLY SENSE负责检测电路是否连接VDD。

②当VDD连接时，电流会正常过来，如下图。

③当VDD没有连接时，上方的DQ会通过二极管流下来进行供电。

这里加入了一个上拉电阻，为了使得寄生供电能满足温度传感器的工作电流要求。

④当为低电平状态时，VDD与DQ都不流入电流，这时为了维持内部系统正常运转，于是需要Cpp（电容）来进行供电。

Cpp在高电平状态时会存储电能，当转为低电平时，将电能释放，以维持系统运转工作。

PS：本单片机并没有接入强上拉电路（上拉电阻部分），因此这里不使用该功能，而采用外部供电。

二、64-BIT ROM AND 1-Wire PORT（64位ROM与单总线PORT接口）部分

这里的ROM为只读存储器（真的只能只读），记录器件的地址（ID号），用于总线通信的寻址（不能更改）。

PS：当外部发送正确地址时，才能进入下一部分。（也可以设置指令跳过该部分）

三、控制逻辑与RAM部分

①上面的MEMORY CONTROL LOGIC为内存控制逻辑部分，负责与指令进行交互，进行指令的执行（如写入数据到下方的RAM，或将RAM数据放到单总线上）。

②下面的SCRATCHPAD（暂存器）为RAM，存储着温度等参数，为数据交互的一个寄存器。

四、存储数据部分

①TEMPERATURE SENSOR（温度传感器）相当于内部的模拟传感器集成部分。

当发出指令让其开始温度转换时，该部分就开始工作，并将数据放入RAM中。

②ALARM HIGH TRIGGER REGISTER（TH，报警高触发器）用于存储温度上限阈值，实现温度报警。

存储介质为EEPROM，掉电不丢失数据。

③ALARM LOW TRIGGER REGISTER（TL，报警低触发器）用于存储温度下限阈值，实现温度报警。

存储介质为EEPROM，掉电不丢失数据。

④CONFIGURATION REGISTER（配置寄存器）用于设置分辨率（精度）

——这里出厂默认最高精度为0.0625℃。

可以通过配置寄存器中两位（其他位无效）来降低精度，最低为0.5℃。

当精度降低时，温度转换速率会迅速提升。（相当于处理的数据少了，流程简化，速度就上去了）

存储介质为EEPROM，掉电不丢失数据。

⑤8-BIT CRC GENERATOR（8位CRC生成器）中CRC为校验码，该部分将RAM之前的数据进行校验，并生成一个校验码放于后端，通讯时检测即可判断数据是否正确。（CRC为校正率较高的一种校验码）

※存储器结构（RAM部分）

本单片机芯片资料图：

右边（EEPROM）部分

这里的EEPROM对应上面存储数据部分的②~④。（因为其他为存在的硬件部分）

左边（RAM）部分

温度存储部分：

①Byte 0存储的是温度的最低有效字节，括号内为默认值。

②Byte1存储的是温度的最高有效字节，括号内为默认值。

③两个字节共同组成温度值，在未变动情况下，默认值为85℃。（不同单片机默认值不一样）

配置温度数据部分：

①Byte 2存储为温度上限阈值，Byte 3存储为温度下限阈值，Byte 4存储为精度（分辨率）。

②右边的EEPROM负责存储数据，需要读取与写入数据要先经过RAM部分，然后通过指令将数据存储进EEPROM中（当上电时，EEPROM的数据会自动放入RAM中）

保留部分：

Byte 5~Byte 7为保留部分，并没有使用到，当后续功能升级再添加。

CRC校验部分：

将前面八个字节进行运算，并生成CRC校验码。

可以读取CRC校验码，并对前面八个字节数据进行运算，如果运算结果与CRC相同，那么校验正确，反之数据出错。

单总线部分

Ⅰ、单总线介绍

单总线（1-Wire BUS）是由Dallas公司开发的一种通用数据总线一根通信线：DQ

异步、半双工

单总线只需要一根通信线即可实现数据的双向传输，当采用寄生供电时，还可以省去设备的VDD线路，此时，供电加通信只需要DQ和GND两根线

DS18B20：

DHT11：

DHT11为温湿度传感器（顾名思义，既可以测温度，也可以测湿度）。

Ⅱ、单总线电路规范

• 设备的DQ均要配置成开漏输出模式
• DQ添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右。

​ （与I2C总线部分类似，可以去I2C总线部分内容对比了解）

• 若此总线的从机采取寄生供电，则主机还应配一个强上拉输出电路

外部供电：

类似于I2C总线原理。

寄生供电：

解释：

这里VDD与GND合并为一条线（即没有VDD）。

Vpu部分有一个电子开关，当输出为高电平时，开关闭合，此时DQ被Vpu部分强上拉进行供电，充当VDD作用。

而当低电平状态时，电子开关断开，此时供电由下方小型的弱上拉Vpu部分进行提供，仅保证工作的电能。

（当进行EEPROM读写等耗电操作时，必须给强上拉才能工作）

Ⅲ、单总线时序结构

一、初始化部分

这里使用了绝对时间，是因为只有一根线的原因，无法像I2C总线一样利用上升沿或下降沿。

过程：

①图中黑粗线Bus master pulling low（主机拉低）是将总线拉低；

②图中黑细线Resistor pullup为上拉电阻将总线上拉（因为是弱上拉，所以利用曲线来表示弱的状态，而不是强上拉一下拉上去）

③当从机存在时，从机会将总线拉低（即图中棕线DS18B20 pulling low）。

④最终上拉电阻拉高，总线恢复空闲状态。

⑤通过以上步骤，可以将过程分为复位与响应两个部分。

操作：

①在从机（棕色部分）响应时，检测I/O口即可知道从机是否存在。

②因为中间的操作间隔时间为范围值，且没有参考数据，于是取中间值作为等待间隔时间。

二、发送一位部分

上面的时间片为时序结构。

过程：

可以将上面的部分分为发送0与发送1两部分的时序。

①发送0时拉低超过60us即可，但不能超过120us，否则可能会变为初始化操作（至少480us）

②中间存在总线恢复时间，因此连续发送两位不能低于这个恢复时间。（本单片机操作时间较长，因此这里了解即可）

③图中阴影部分，表示可以在1~15us时释放总线即可，这时电阻都会将总线拉高。

④从机在主线拉低30us后进行操作（如果发送0，就一直保持总线拉低；如果发送1，就在主线拉低后，将总线释放）

操作：

在主机拉低后30us后，从机读取I/O口即可。

三、接收一位部分

过程：

①当主机拉低总线后，从机如果需要发0，那么也拉低总线，当主机在1~15us后释放总线时，因为从机拉低着，因此总线状态为拉低状态（0）。

②当主机拉低总线后，从机如果需要发1，那么就不动总线。当主机经过1~15us后释放总线时，因为没有被拉低，因此总线状态为拉高状态（1）。

操作：

在总机拉低后15us内读取总线电平（I/O口），即可知道从机需要发送的数据。

（之所以主机读取的时间短，是为了给从机留下充足时间，因为从机无法找到其什么时候释放总线恢复为高电平——如图中主机接收0后面的大片阴影部分）

四、发送一个字节部分

五、接收一个字节部分

DS18B20操作部分

Ⅰ、DS18B20操作流程

初始化：从机复位，主机判断从机是否响应

ROM操作：ROM指令+本指令需要的读写操作

功能操作：功能指令+本指令需要的读写操作（RAM操作）

ROM指令：

①SEARCH ROM（搜寻ROM）

②READ ROM（读取ROM）：先调用读取指令，再调用读取时序（接收部分），就可以将ROM读取出来。

③MATCH ROM（匹配ROM）：先发送匹配指令，然后发送ROM地址，实现利用该指令匹配与哪个设备进行通信的效果。

④SKIP ROM（跳过ROM）：调用跳过指令，直接将ROM部分跳过进入下一部分。

（当总线上只有一个设备时使用。多个设备挂载时，使用这个指令会产生混乱，无法确定是哪个设备）

⑤ALARM SEARCH（报警搜索）：当挂载多个设备的情况下，某个设备温度超过设定温度阈值时，会产生报警，利用这个指令即可搜索出超过温度阈值的设备。

功能指令：

①CONVERT T（温度变换）：调用该指令时，温度传感器部分会将温度数据的模拟信号转化为数字信号，并将数据放在RAM中（相当于数据更新）。

②WRITE SCRATCHPAD（写暂存器）：调用该指令后，再接着写入时序（发送一个字节部分），那么该字节就会被写入RAM中的配置温度数据部分。

③READ SCRATCHPAD（读暂存器）：调用该指令后，再接着接收时序（接收一个字节部分部分），那么DS18B20就会依次将RAM里面内容读取出来