【单片机毕业设计模块选型】DS18B20温度传感器

DS18B20 温度传感器：原理与读取方法详解

演示视频：

【开源】STM32+DS18B20

在工业控制、智能家居、医疗设备等众多领域，温度检测是一项基础且关键的技术需求。DS18B20 作为 Maxim（原 Dallas）公司推出的一款单总线数字温度传感器，凭借其高精度、宽量程、单总线通信等优势，成为了电子工程师和爱好者的常用选择。本文将从传感器的工作原理入手，详细解析其温度采集与数据处理机制，并全面介绍不同场景下的读取方法，为实际应用提供技术参考。

一、DS18B20 传感器的基本特性

在深入原理之前，先梳理 DS18B20 的核心特性，帮助理解其应用场景的适配性：

• 温度量程宽：默认测量范围为 - 55℃~+125℃，在 - 10℃~+85℃区间内精度可达 ±0.5℃，满足绝大多数民用和工业场景需求；

• 单总线通信：仅需 1 根数据线（DQ）即可实现与微控制器（如 MCU）的双向通信，大幅简化硬件接线；

• 无需外部元件：内部集成温度采集、A/D 转换、数据存储等模块，除电源外无需额外外接电阻、电容等元件（仅需在 DQ 线上接 1 个 4.7kΩ 上拉电阻）；

• 支持多节点组网：同一根 DQ 总线上可挂载多个 DS18B20，通过每个传感器唯一的 64 位 ROM 地址实现区分，适用于多点温度监测（如冷链车厢、机房环境）；

• 灵活供电方式：支持 “寄生电源模式”（从 DQ 线取电，无需单独 VCC）和 “外部电源模式”（单独接入 3.0V~5.5V 电源），适配不同功耗需求场景。

二、DS18B20 的工作原理

DS18B20 的核心功能是 “将环境温度转换为数字信号”，整个过程可分为供电与复位、温度采集与 A/D 转换、数据存储三个关键环节，其内部结构包含温度传感器、12 位 A/D 转换器、非易失性（NV）数据寄存器、64 位 ROM 地址寄存器等模块。

1. 供电与复位：建立通信前的 “握手准备”

DS18B20 与微控制器（如 STM32、Arduino）的通信需从 “复位 - 应答” 开始，这是单总线协议的基础：

• 主机复位（Reset）：微控制器通过 DQ 线输出低电平，持续至少 480μs（最长不超过 960μs），向 DS18B20 发送 “复位信号”，告知传感器 “即将开始通信”；

• 从机应答（Presence Pulse）：DS18B20 检测到复位信号后，会在主机释放 DQ 线（变为高电平）的 15μs~60μs 内，主动将 DQ 线拉低 60μs~240μs，向主机返回 “应答信号”。主机检测到这个低电平，即确认 DS18B20 已正常上电并准备就绪。

若未检测到应答信号，通常原因是 DQ 线上拉电阻缺失、传感器接线错误或传感器损坏。

2. 温度采集与 A/D 转换：模拟信号转数字信号

温度采集是 DS18B20 的核心功能，其过程由 “主机发指令 - 传感器执行采集 - 转换数字信号” 三步完成：

• 主机发送 “温度转换指令”：复位应答完成后，主机需先发送 “跳过 ROM 指令”（0xCC，适用于单传感器场景）或 “匹配 ROM 指令”（0x55，适用于多传感器场景，需后续发送目标传感器的 64 位 ROM 地址），再发送 “温度转换指令”（0x44）；

• 传感器执行采集与转换：DS18B20 接收 0x44 指令后，启动内部温度传感器采集环境温度，将模拟温度信号送入 12 位 A/D 转换器。转换过程耗时约 750ms（12 位精度下），若需更快速度，可通过配置寄存器将精度降至 10 位（190ms）、8 位（93.75ms）；

• A/D 转换原理：12 位 A/D 转换器将 - 55℃~+125℃的温度范围映射为数字量，其中：

  • 数字量为 “正温度” 时，最高位（符号位）为 0，其余 11 位表示温度值（1LSB=0.0625℃，即 1/16℃）；

  • 数字量为 “负温度” 时，最高位为 1，其余 11 位采用 “二进制补码” 形式表示（如 - 0.5℃对应的数字量为 0xFFF8）。

3. 数据存储：结果暂存与寄存器配置

温度转换完成后，数字结果会暂存到 DS18B20 内部的 “温度寄存器”（2 字节，即 16 位），同时可通过 “配置寄存器”（1 字节）调整测量精度：

• 温度寄存器：分为高字节（T_H）和低字节（T_L），16 位数据格式为 “符号位 + 7 位整数位 + 8 位小数位”（12 位精度下，小数位仅前 4 位有效，后 4 位为 0）。例如：

  • +25.0℃对应的 16 位数据为 0x0190（二进制 0000 0001 1001 0000），其中符号位 0（正），整数位 25（0x19），小数位 0（0x00）；

  • -10.125℃对应的 16 位数据为 0xFFF1（二进制 1111 1111 1111 0001），符号位 1（负），补码转换后整数位 10，小数位 0.125（0x1 对应 0.0625℃×1=0.0625？此处需修正：-10.125℃的正确数据为 0xFFF1？实际计算应为：-10℃=0xF5，小数 0.125=0.0625×2，故低字节为 0xF2，高字节为 0xFF，即 0xFFF2，需以实际数据手册为准）；

• 配置寄存器：通过修改该寄存器的 R1、R0 位（精度控制位），可设置 A/D 转换精度：R1R0=11（12 位，默认）、10（11 位）、01（10 位）、00（8 位），精度越高，转换耗时越长。

三、DS18B20 的温度读取方法

读取 DS18B20 的温度数据，本质是 “主机通过单总线协议，从传感器内部温度寄存器中读取 16 位数字量，再转换为实际温度值”。根据应用场景（单传感器 / 多传感器）和微控制器接口（GPIO 模拟单总线、硬件单总线模块），读取方法可分为以下两类：

1. 单传感器场景：简化的 “跳过 ROM” 读取法

当 DQ 总线上仅挂载 1 个 DS18B20 时，无需区分 ROM 地址，读取步骤更简洁，核心是 “复位应答→发指令→读数据→数据转换”：

• 步骤 1：复位与应答：如前所述，主机发复位信号（低电平≥480μs），检测传感器的应答信号（低电平 60~240μs），确认传感器正常；

• 步骤 2：发送指令序列：

1. 发送 “跳过 ROM 指令”（0xCC）：告知传感器 “无需匹配 ROM 地址，直接执行后续指令”；

2. 发送 “温度转换指令”（0x44）：启动传感器采集温度，等待约 750ms（12 位精度），确保转换完成（也可通过检测 DQ 线电平判断：转换期间 DQ 为低，转换完成后变为高）；

3. 再次发送复位信号→检测应答（二次复位，为读取数据做准备）；

4. 再次发送 “跳过 ROM 指令”（0xCC）；

5. 发送 “读取暂存器指令”（0xBE）：告知传感器 “准备输出温度寄存器中的数据”；

• 步骤 3：读取 16 位温度数据：传感器接收 0xBE 指令后，会将温度寄存器的低字节（T_L）、高字节（T_H）依次输出到 DQ 线，主机需按 “先读低字节、后读高字节” 的顺序，逐位读取 16 位数据（单总线协议中，数据位的读取需严格控制时序：主机拉低 DQ 线≤15μs 后释放，再在 15μs 内读取电平，高电平为 1，低电平为 0）；

• 步骤 4：数据转换为实际温度：根据 16 位数据的格式（符号位 + 整数位 + 小数位），计算实际温度：

  • 若符号位为 0（正温度）：温度值 =（高字节 ×256 + 低字节）×0.0625℃；

  • 若符号位为 1（负温度）：温度值 = [（高字节 ×256 + 低字节）- 65536] ×0.0625℃（65536 为 2¹⁶，用于将补码转换为原码）。

2. 多传感器场景：精准的 “匹配 ROM” 读取法

当 DQ 总线上挂载多个 DS18B20 时，需通过每个传感器唯一的 64 位 ROM 地址（出厂时固化，不可修改）区分目标设备，读取步骤与单传感器的核心差异是 “用匹配 ROM 指令替代跳过 ROM 指令”：

• 步骤 1：读取所有传感器的 ROM 地址（首次配置时）：

1. 主机发复位信号→检测应答；

2. 发送 “读取 ROM 指令”（0x33）；

3. 逐位读取 64 位 ROM 地址（前 8 位为家族码 0x28，代表 DS18B20；中间 48 位为唯一序列号；最后 8 位为前 56 位的 CRC 校验码），记录每个传感器的 ROM 地址；

• 步骤 2：读取指定传感器的温度：

1. 主机发复位信号→检测应答；

2. 发送 “匹配 ROM 指令”（0x55）；

3. 逐位发送目标传感器的 64 位 ROM 地址（需与传感器内部 ROM 地址完全一致，否则传感器不响应）；

4. 后续步骤（发送 0x44 转换指令→等待→二次复位→发送 0xBE 读数据指令→读 16 位数据→转换温度）与单传感器场景完全相同。

3. 硬件接口差异：GPIO 模拟 vs 硬件模块

无论单传感器还是多传感器场景，读取方法的底层实现需适配微控制器的接口，主要分为两类：

• GPIO 模拟单总线：绝大多数微控制器（如 51 单片机、STM32 GPIO 口、Arduino 数字口）均可通过软件模拟单总线的时序（复位、读位、写位），优点是兼容性强，无需依赖特定硬件模块，缺点是软件需严格控制时序（尤其是读位时的 15μs 窗口），否则易出现数据错误；

• 硬件单总线模块：部分高端微控制器（如 STM32L4 系列的 I2C/SPI 可模拟单总线，或部分专用 MCU 的 1-Wire 模块）集成了硬件单总线控制器，可自动处理复位、应答、数据收发的时序，减少软件开销，提高稳定性，适合对实时性要求较高的场景（如工业控制中的高频温度采集）。

四、读取过程中的常见问题与注意事项

1. 数据错误或无应答：

• 检查 DQ 线上拉电阻（必须接 4.7kΩ，若缺失会导致通信失败）；

• 确认复位信号时长（≥480μs）和应答检测窗口（15~60μs 内）；

• 多传感器场景下，确认 ROM 地址是否正确（可通过读取 ROM 指令重新获取）；

1. 温度精度偏差：

• 若精度低于预期，检查配置寄存器的 R1R0 位是否为 11（12 位精度，默认），避免误设为低精度模式；

• 传感器远离热源（如 MCU、电源模块），避免环境温度干扰；

1. 寄生电源模式的限制：

• 寄生电源模式下，传感器从 DQ 线取电，需确保主机在温度转换期间（750ms）保持 DQ 线为高电平（否则传感器断电，转换中断）；

• 寄生电源模式仅适用于短距离（≤10 米）、少传感器（≤8 个）场景，长距离或多传感器建议用外部电源模式；

1. CRC 校验：

• DS18B20 的暂存器包含 1 字节 CRC 校验码（读取暂存器时，第 9 字节为 CRC），主机可通过 Maxim 提供的 CRC 算法（1-Wire CRC）验证读取的温度数据是否正确，避免传输过程中的数据 corruption（尤其在工业强干扰环境中）。

总结

DS18B20 凭借单总线、高精度、无需外部元件的优势，成为温度检测场景的经典选择。其工作原理的核心是 “复位应答建立通信 - 温度采集与 A/D 转换 - 数据存储”，读取方法需根据传感器数量（单 / 多）和微控制器接口（GPIO 模拟 / 硬件模块）灵活适配，同时注意时序控制、上拉电阻、CRC 校验等细节。掌握这些原理与方法，即可在智能家居（如室内温度监测）、工业控制（如设备温度预警）、医疗设备（如低温存储监测）等场景中高效应用 DS18B20，实现稳定、精准的温度检测。