代码收藏家技术教程 2024-02-14

蓝桥杯电子类单片机学习二：DS18B20温度传感器（OneWire驱动）教程

前言

本系列文章意在帮助各位正在准备蓝桥杯单片机组的同学，提供一个参考与指南，但是所有指南的前提是，默认你已经有单片机基础，本系列文章会提供本人对蓝桥杯单片机组编程方面的一些源码实现。当然，或许与你写代码的style完全不想同，那咱们也可以彼此相互交流各自的优缺点，或许你可能只是一个小白，就是想来抄一些可供借鉴的代码，这些都不重要，重要的是能给正在准备单片机组的同学提供到一些帮助。

此外代码可能有写的不完善的地方，但是每一个代码都是经过测试可行之后才发出来的，不敢保证十全十美，但是跑起来应该没问题。

此外，比赛时会提供一个单片机资源数据包，里面的内容比较多，这里只放一个下载链接，是2023年省赛是提供的单片机资源数据包（今年才2024，已经是最新的资源数据包了），正文中会直接使用资源数据包内的资料：

单片机资源数据包_2023（点击下载）

关于此资源数据包还得补充两句，他的3-底层驱动代码参考与往些年不同（但其实差异也很小，这里不再赘述），而且还是快比赛时才公布的这个资源数据包。也就是说，在写底层驱动代码时，我都是以2023年的资源数据包为基础写的，如果你使用的不是2023年的资源数据包的话，可能会跟我使用的底层驱动不完全相同，不过影响也不大。

下图为单片机资源数据包_2023内的所有资源，其中最关键的就是3-底层代码驱动以及SCH_硬件原理图V30了，当然共阳数码管段码表也十分常用，不过一般也就新写一个项目时，会把里面的东西CV到main函数里，然后这个文件就用不着了。

一、通过onewire（单总线）驱动DS18B20

1.关于onewire单总线通信

这里只简单科普一下单总线通信，不深入介绍，嫌啰嗦的可以直接PASS。

OneWire是一种数字通信协议，用于在主机设备和多个从机设备之间进行数据传输。它允许通过单个数据线同时进行数据传输和供电。也就是说，如果只用单个数据线只传输数据的话，驱动一个设备并完成数据传输最少需要三根线就可以完成：VCC，GND和单总线DQ，如果使用单个数据线在传输数据的同时也完成供电操作的话（寄生电源），则只需要两根线就可以驱动一个设备并完成数据传输：GND和单总线DQ。

OneWire协议的主要功能包括以下几点：

单线传输：OneWire只需要一根数据线来传输数据，同时使用电地作为信号的返回路径。这样可以减少连线的复杂性，提高数据传输的可靠性。
寄生电源：OneWire协议支持从主机设备提供电源给从机设备。对于一些简单的从机设备，它们可以通过从主机设备接收的电能进行运行，而无需单独外部电源。
独特的设备地址：每个OneWire设备都有一个唯一的64位地址，主机设备可以通过该地址来识别和定位每个从机设备。这样可以实现多个从机设备的并行连接和通信。
数据传输和控制：OneWire协议支持在主机设备和从机设备之间进行双向数据传输。主机设备可以向从机设备发送命令和参数，从机设备可以通过数据线将其响应发送回主机设备。

总之，OneWire是一种数字通信协议，具有单线传输、寄生电源、设备地址识别、数据传输和控制等功能，适用于各种应用领域。它使得设备之间的通信更加简单、快速和可靠，并且可以减少系统的复杂性和成本。

在蓝桥杯比赛当中，我们的单总线上只挂载了一个设备，也就是DS18B20，所以我们在使用时可以直接跳过ROM检测。蓝桥杯板子上的DS18B20接的有VCC，所以我们也可以不用使用DS18B20的寄生电源功能（单总线在传数据的同时也负责供电）。

如果以后有幸从事相关领域的工作的话，我们在使用单总线通信时，ROM检测就未必能够直接skip了，甚至为了节省资源，我们还会使用寄生电源功能。

2.关于onewire驱动

单片机资源数据包_2023里面提供了一些底层驱动，但仅包括基本的读写数据或者初始化和停止总线等。下面是单片机资源数据包_2023里面提供的onewire.c里面的代码，前边也已经提到，单片机资源数据包_2023里面提供的底层代码跟往些年的底层代码不太一样，这里不再比较2023年给的底层代码和往些年底层代码的差异，而是直接使用2023年的底层代码完成相关的任务。

/*	# 	单总线代码片段说明
	1. 	本文件夹中提供的驱动代码供参赛选手完成程序设计参考。
	2. 	参赛选手可以自行编写相关代码或以该代码为基础，根据所选单片机类型、运行速度和试题
		中对单片机时钟频率的要求，进行代码调试和修改。
*/

//
void Delay_OneWire(unsigned int t)  
{
	unsigned char i;
	while(t--){
		for(i=0;i<12;i++);
	}
}

//
void Write_DS18B20(unsigned char dat)
{
	unsigned char i;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		DQ = 0;
		DQ = dat&0x01;
		Delay_OneWire(5);
		DQ = 1;
		dat >>= 1;
	}
	Delay_OneWire(5);
}

//
unsigned char Read_DS18B20(void)
{
	unsigned char i;
	unsigned char dat;
  
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		DQ = 0;
		dat >>= 1;
		DQ = 1;
		if(DQ)
		{
			dat |= 0x80;
		}	    
		Delay_OneWire(5);
	}
	return dat;
}

//
bit init_ds18b20(void)
{
  	bit initflag = 0;
  	
  	DQ = 1;
  	Delay_OneWire(12);
  	DQ = 0;
  	Delay_OneWire(80);
  	DQ = 1;
  	Delay_OneWire(10); 
    initflag = DQ;     
  	Delay_OneWire(5);
  
  	return initflag;
}

这串代码是不能直接使用的，再加入这个.c文件之后，我们只要点编译就会报错。在正常使用之前，我们需要定义DQ引脚，以及引用头文件。此外，为了使得main函数可以正常使用onewire.c文件，

通过原理图可知，DS18B20的DQ引脚是连接在P14上的，因此我们要顶一DQ为P14引脚。

综上，我们想使用onewire.c文件，需要在代码前几行加上如下代码：

#include "onewire.h"//2023年比赛的时候没有给.h文件需要自己新建
#include <stc15.h>

sbit DQ=P1^4;

onewire.h文件里只有一个空壳，代码如下：

#ifndef _ONWIRE_H_
#define _ONWIRE_H_

#endif

做到这里，我们只完成了第一步——让我们点击编译时，不会报错。当然，此时点击编译会有许多警告，这些警告是说已经定义的函数未被调用，目前可以忽视（因为我们代码才只写了一半了）

二、读取DS18B20

1.ROM检查

DS18B20是一个温度传感器，挂载在onewire（单总线）上。

既然叫总线，那就说明一根总线就可以挂载多个支持onewire的设备，比如一根总线上可以挂载两个以上的DS18B20温度传感器，那我们启动某个特定的温度传感器，并与之通信之前，我们首先要“验证身份”，确定这个DS18B20就是我们要读取的那个温度传感器，然后才能发送控制指令。

这里的“验证身份”就是所谓的ROM检测。每个DS18B20都有一个64位的ROM，因此我们在启动总线之后，第一件事就是进行ROM检查。下面是常用的ROM检查命令：

Read ROM [33h]
这个命令允许总线控制器读到 DS1820 的 8 位系列编码、唯一的序列号和 8 位 CRC 码。只有在总线上存在单只 DS1820 的时候才能使用这个命令。如果总上有不止一个从机，当所有从机试图同时传送信号时就会发生数据冲突（漏极开路连在一起开成相与的效果）。

Match ROM [55h]
匹配 ROM 命令，后跟 64 位 ROM 序列，让总线控制器在多点总线上定位一只特定的 DS1820。只有和 64 位 ROM 序列完全匹配的 DS1820 才能响应随后的存储器操作命令。所有和 64 位 ROM序列不匹配的从机都将等待复位脉冲。这条命令在总线上有单个或多个器件时都可以使用。

Skip ROM [CCh]
这条命令允许总线控制器不用提供 64 位 ROM 编码就使用存储器操作命令，在单点总线情况下
右以节省时间。如果总线上不止一个从机，在 Skip ROM 命令之后跟着发一条读命令，由于多
个从机同时传送信号，总线上就会发生数据冲突（漏极开路下拉效果相当于相与）。

当然，我们的蓝桥杯板子上的单总线只挂载了一个设备（DS18B20），因此我们可以直接跳过ROM检测，也就是说初始化总线之后直接发送0xCC跳过ROM检查，我们也能正常操作我们的DS18B20。

那么，我们读取DS18B20数据的函数，头两行代码肯定是：

init_ds18b20();//初始化ds18b20，底层驱动里面已经给出，可以直接调用
Write_DS18B20(0xCC);//跳过ROM检查

2.DS18B20命令设置

在进行ROM检测之后，我们就可以对DS18B20进行控制了，下表格列举了DS18B20的一些命令设置：

命令	说明	协议	单线总线发出协议后	备注
温度转换命令
Convert T	开始温度转换	44h	<读温度忙状态>	1
存储器命令
Read Scratchpad	读取暂存器和 CRC 字节	BEh	<读数据直到 9 字节>
Write Schratchpad	把字节写入暂存器的地址 2 和 3（TH 和 TL 温度报警触发）	4Eh	<写两个的字节到地址 2和 3>
Copy Scratchpad	把暂存器内容拷贝到非易失性存储器中（仅指地址2 和 3）	48h	<读拷贝状态>	2
Recall E2	把非易失性存储器中的值召回暂存器（温度报警触发）	B8h	<读温度忙状态>
Read Power Supply	标识 DS1820 的供电模式	B4h	<读供电状态>

这么多的命令，我们以后如果从事相关方面的工作的话，以后可能都会用到。当然对于我们蓝桥杯比赛的话，我们只需要用到其中两个，一个是Convert T开始温度转化命令（0x44），另一个是Read Scratchpad读取暂存器命令(0xBE)。

发送开始温度转化命令之后，DS18B20会将温度转化之后的数据存储到暂存器内。此外不得不提的一点是，DS18B20温度转化需要一定的时间，可能是

3.DS18B20的温度数据格式

刚才已经说，发送开始温度转化命令之后，DS18B20会将温度转化之后的数据存储到暂存器内。这个暂存器是两个八位的数据总共十六位，其中高八位我们给它取名为TH，低八位我们取名为TL比如暂存器数据是：0x07D0，那么也就是说TH=0x07，TL=0xD0。TH和TL都是八位的数据。这里先放一个数据的表格，再详细解释温度数据

图片里的MS其实就是上文提到的TH，LS就是TL。

TEMPERATURE (°C)	DIGITAL OUTPUT (BINARY)	DIGITAL OUTPUT (HEX)
+125	0000 0111 1101 0000	07D0h
+85*	0000 0101 0101 0000	0550h
+25.0625	0000 0001 1001 0001	0191h
+10.125	0000 0000 1010 0010	00A2h
+0.5	0000 0000 0000 1000	0008h
0	0000 0000 0000 0000	0000h
-0.5	1111 1111 1111 1000	FFF8h
-10.125	1111 1111 0101 1110	FF5Eh
-25.0625	1111 1110 0110 1111	FE6Fh
-55	1111 1100 1001 0000	FC90h

表格中+85°带了一个星号，再默认状态下（刚上电，没有有效数据时）DS18B20存储的温度数据时85°，这里了解即可。如果你写的代码有问题的话，有可能读到的数据就是固定的85。

TH的高四位只能是全0或者全1，是符号位，全0时表示正温度，全1时表示负温度，这样说不太恰当，这涉及到二进制表示负数的问题了，当然这里通过看TH的高四位来判断温度的正负值是没问题的，只是说负数再使用时需要转化为正数。

TH的第四位和TL的高四位表示温度的整数位，如第一行数据，TH的第四位和TL的高四位是0x7D，化为10进制的话就是125，也就是125°

TL的低四位是小数位，因为精确到了小数点后四位，所以可以理解为每一位是2的负4次方，也就是0.0625，如第五行数据的TL的低四位是0x8，化成10进制的话还是8，8*0.0625=0.5，也就是说这个数据的小数值是0.5。

对于负数转化为正数，我们常用的办法是：“取反后再+1”；

下面是一个具体的例子，假设我们要将二进制数 11111110（-2 的二进制表示）变为正数：

将绝对值转换为正数的二进制：00000010
对二进制数按位取反：11111101
将取反后的二进制数加1：11111110（此时得到的是正数 2）

再蓝桥杯比赛中，我们很少会用到负数，因为蓝桥杯比赛是在4月份，甚至连小数都很少用到，所以我在处理时会直接忽略符号位和小数位，只取中间四位，也就是TH的低四位和TL的高四位作为函数的返回值。

三、代码实现

现在完成以下功能：

1.数码管前两位显示当前读取到的温度值（可以用收捏一下DS18B20，让他的温度提高，这样显示的数据也就提高了，应该捏一下就能提高到20+度）

onewire.c

/*	# 	单总线代码片段说明
	1. 	本文件夹中提供的驱动代码供参赛选手完成程序设计参考。
	2. 	参赛选手可以自行编写相关代码或以该代码为基础，根据所选单片机类型、运行速度和试题
		中对单片机时钟频率的要求，进行代码调试和修改。
*/

#include "onewire.h"
#include <stc15.h>

sbit DQ=P1^4;

//
void Delay_OneWire(unsigned int t)  
{
	unsigned char i;
	while(t--){
		for(i=0;i<12;i++);
	}
}

//
void Write_DS18B20(unsigned char dat)
{
	unsigned char i;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		DQ = 0;
		DQ = dat&0x01;
		Delay_OneWire(5);
		DQ = 1;
		dat >>= 1;
	}
	Delay_OneWire(5);
}

//
unsigned char Read_DS18B20(void)
{
	unsigned char i;
	unsigned char dat;
  
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		DQ = 0;
		dat >>= 1;
		DQ = 1;
		if(DQ)
		{
			dat |= 0x80;
		}	    
		Delay_OneWire(5);
	}
	return dat;
}

//
bit init_ds18b20(void)
{
  	bit initflag = 0;
  	
  	DQ = 1;
  	Delay_OneWire(12);
  	DQ = 0;
  	Delay_OneWire(80);
  	DQ = 1;
  	Delay_OneWire(10); 
    initflag = DQ;     
  	Delay_OneWire(5);
  
  	return initflag;
}

//上边的代码都是在资源数据包里，比赛时会给
//下边这个函数是自己写的
unsigned int read_18b20()
{
	
	unsigned int T=0;//定义温度
	unsigned char low=0;//用于接受温度的低八位
	unsigned char high=0;//用于接受温度的高八位
	
	init_ds18b20();//初始化DS18B20
	Write_DS18B20(0xCC);//跳过ROM检测
	Write_DS18B20(0x44);//发送开始温度转换的命令
	Delay_OneWire(200);//温度转化需要时间，这里直接延时一下。。注意应避免连续读取DS18B20
	
	
	init_ds18b20();//重新初始化DS18B20
	Write_DS18B20(0xCC);//跳过ROM检查
	Write_DS18B20(0xBE);//发送读取温度数据的指令
	
	low=Read_DS18B20();//接收低八位
	high=Read_DS18B20();//接收高八位
	
	T=high;
	T&=0x0F;//第八位的高四位置0，也就是不考虑符号位
	T<<=8;
	T|=low;
	T>>=4;//舍去低八位的低四位，也就是不考虑小数位
	
	return T;
}

onewire.h

#ifndef _ONWIRE_H_
#define _ONWIRE_H_

unsigned int read_18b20();

#endif

main.c

#include <stc15.h>
#include <intrins.h>
#include "onewire.h"
code unsigned char Seg_Table[] =
{
0xc0, //0
0xf9, //1
0xa4, //2
0xb0, //3
0x99, //4
0x92, //5
0x82, //6
0xf8, //7
0x80, //8
0x90, //9
0xFF
};//共阳极断码表，不用记，考试时会提供，直接CV过来即可


//关于数码管的两个函数，因为需要从数组内读取待显示的数据，还要进行位选，
//所以这两个函数只起到开关锁存器的功能，没有更新数据（会在其他地方实现数据更新和获取）
#define NIXIE_CHECK()	P2|=0xC0;P2&=0xDF;P2&=0x1F;
#define NIXIE_ON()		P2|=0xE0;P2&=0xFF;P2&=0x1F;

void Timer0_Init(void);		//1毫秒@11.0592MHz
void Delay100ms(void);	//@11.0592MHz
unsigned char location=0;
unsigned char Nixie_num[]={10,10,10,10,10,10,10,10};
unsigned int Temp=0;
void main()
{
	read_18b20();//上电先初始化一次DS18B20，方便后续读取（因为温度转化需要时间，相当于是把第一次温度转化的时机提前了）
	Timer0_Init();//定时器0初始化
	EA=1;//开总中断
	
	while(1)
	{
		Temp=read_18b20();//读ds18b20。。切勿连续读取，比如连续两行代码都是read_18b20()
		Nixie_num[6]=Temp/10%10;//显示十位
		Nixie_num[7]=Temp/1%10;//显示个位
		Delay100ms();
	}
	
}
void Timer0_Isr(void) interrupt 1
{

	P0=0x01<<location;NIXIE_CHECK();//选择要显示的某一位
	P0=Seg_Table[Nixie_num[location]];NIXIE_ON();//从数组中读取数据并显示
	
	if(++location==8)//位数+1，从而实现扫描
		location=0;
}

void Timer0_Init(void)		//1毫秒@11.0592MHz
{
	AUXR |= 0x80;			//定时器时钟1T模式
	TMOD &= 0xF0;			//设置定时器模式
	TL0 = 0xCD;				//设置定时初始值
	TH0 = 0xD4;				//设置定时初始值
	TF0 = 0;				//清除TF0标志
	TR0 = 1;				//定时器0开始计时
	ET0 = 1;				//使能定时器0中断
}

void Delay100ms(void)	//@11.0592MHz
{
	unsigned char data i, j, k;

	_nop_();
	_nop_();
	i = 5;
	j = 52;
	k = 195;
	do
	{
		do
		{
			while (--k);
		} while (--j);
	} while (--i);
}

后续会带大家逐步深入的分享蓝桥杯比赛的代码