【自学嵌入式：51单片机】用单总线与温度传感器DS18B20通信

所有自学嵌入式：51单片机系列的操作相关器件的代码都汇总到了：https://gitee.com/qin-ruiqian/Qin51

目录

• DS18B20操作流程
• DS18B20数据帧
• 温度存储格式
• 与DS18B20通信的流程图
• 代码实现
  • DS18B20.h
  • DS18B20.c
  • main.c
• 测试效果

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

ROM指令	功能指令
SEARCH ROM[F0h]	CONVERT T[44h]
READ ROM[33h]	WRITE SCARTCHPAD[4Eh]
MATCH ROM[55h]	READ SCRATCHPAD[BEh]
SKIP ROM[CCh]	COPY SCRATCHPAD[48h]
ALARM SEARCH[ECh]	RECALL E2[B8h]
	READ POWER SUPPLY[B4h]

• MATCH ROM[55h]，匹配地址，和某个设备单独通信
• SKIP ROM[CCh]，由于只和51MCU通信，所以直接跳过ROM，但是如果有多个设备，跳过ROM，就会让所有从机都响应
• ALARM SEARCH[ECh]，多设备相连时，如果有设备出现温度报警，它会搜索是哪个设备发出的温度报警
• CONVERT T[44h]，温度变换，读取温度之前要进行温度变换，就是将温度数据写入暂存器
• WRITE SCARTCHPAD[4Eh]，写暂存器，它会把数据写入到暂存器的Byte2,Byte3,Byte4（TH寄存器，TL寄存器，设置寄存器)
• READ SCRATCHPAD[BEh]，读暂存器，当发送指令调用接收字节这个信号时序的时候，那DS18B20会依次地把暂存器的字节全部读出来，一直读到CRC冗余码，如下图
  
  但是我们本节只想读温度，所以读两个字节就不再继续执行了。
• COPY SCRATCHPAD[48h]，复制暂存器，将暂存器的Byte2-Byte4写入EEPROM，如下图：
  
• RECALL E2[B8h]，调用这个指令，从机DS18B20会把EEPROM存储的温度，存入暂存器Byte2-Byte4
• READ POWER SUPPLY[B4h]，读取供电模式，读取1位，会分辨到底是直接供电还是寄生供电。
  

DS18B20数据帧

温度存储格式

LS BYTE是低字节，MS BYTE是高字节
如果把高字节放到低字节前面，构成16位数据
前5位是符号位，如果是负数就都是1，如果是正数就都是0，后四位是小数位，BIT 3如果是1，代表0.5，BIT2 0.25……以此类推取一半，实际上它是用补码格式来表示的，（正数补码是其本身，负数补码是除了符号位按位取反再加1）

DS18B20 输出的温度是 16 位二进制数据，其数值格式定义为：

• 最高位（第 15 位）是符号位（0 为正，1 为负）；
• 剩下的 15 位中，整数部分占高 11 位，小数部分占低 4 位（分辨率为 1/16℃，最小的小数位表示的是\(2^{-4}\)）。

例如：

• 若原始数据为0x01A0（二进制0000 0001 1010 0000），十进制值为416，实际温度为416 / 16 = 26.0℃；
• 若原始数据为0xFFF0（二进制1111 1111 1111 0000），十进制值为-16（按补码存储，补码转回原码还是除了符号位按位取反加1，也就是先除了符号位按位取反得1111 1000 0000 1111，再除了符号位加1得1111 1000 0001 0000），实际温度为-16 / 16 = -1.0℃。

这也就是为什么后面代码中，读取温度的DS18B20_ReadT函数最后转换浮点数的时候要除16.0，因为要读取的是10进制的温度，也就是当前存储的补码实际上是实际温度向左移了4位的结果，所以我们要存储成浮点数，就得除16.0右移回来（见代码实现的DS18B20_ReadT函数的T = Temp / 16.0;语句），如果是小数，按浮点数除法，也能将小数位保存下来。

【补】IEEE浮点数表示

\[V = (-1)^S\times M\times2^E \]

float是单精度浮点数，float在C语言（51单片机中）也是4个字节，32个二进制比特位，它被划分为3个字段来解释，如下图：

最高位31位表示浮点位s，s位是0表示整数，s位是1表示负数，exp字段与阶码相关，frac字段与尾数相关

浮点数分为3类

• 规格化的值（Normalized Values）
• 非规格化的值（Denormalized Values）
• 特殊值（Special Values）

浮点数的阶码值决定了它属于哪一类，当阶码字段的二进制数不全为0且不全为1时，此时表示的是规格化的值；当阶码字段的二进制位全为0时，此时表示的数值是非规格化的值，当阶码字段的二进制位全为1时，表示特殊值，特殊值分为两类：（1）无穷大/无穷小；（2）不是数字
阶码字段的取值是从1到254，如下图：

阶码的值并不等于图中e（8个二进制位）所表示的值，而是e的值减去一个偏置量，偏置量的值与阶码字段的位数是相关的。

\[E=e - \text{bias} \]

如果是单精度浮点数，偏置为\(\text{bias}(\text{float})=2^{8-1}-1=127\)
对于单精度浮点数，阶码的最小值是-126，最大值是127
尾数\(M=1+f\)，如下图：

假设DS18B20传来的是1111 1111 1111 0000，通过除16.0不丢失精度，编译器首先确定1111 1111 1111 0000是补码，其原码是-16，然后将其按IEEE标准转换为-16.0，即：
要将 16 位 int 的二进制 1111 1111 1111 0000 转换为 32 位 float（IEEE 754 单精度浮点数），需按以下步骤推导：

步骤 1：确定 16 位 int 的实际值

16 位有符号 int 的二进制 1111 1111 1111 0000 是补码形式：

• 最高位为 1（符号位），表示负数；
• 补码转原码：先减 1 得 1111 1111 1110 1111，再取反（符号位不变）得 0000 0000 > 0001 0000（十进制 16）；
• 因此，该 int 的值为 -16（十进制）。

步骤 2：将 - 16 转换为 IEEE 754 单精度浮点数（32 位）

IEEE 754 单精度浮点数格式为：1位符号位（S） + 8位指数位（E） + 23位尾数位（M）。

1. 符号位（S）

负数的符号位为 1，故 S = 1。

2. 指数位（E）

• 将 - 16 表示为二进制科学计数法：-16 = -1.0 × 2^4（因为 16 = 2^4，即 1.0 × 2^4）；
• 指数部分为 4，IEEE 754 单精度的指数偏移量为 127，因此指数位值 = 4 + 127 = 131；
• 131 的二进制为 10000011，故 E = 10000011。

3. 尾数位（M）

科学计数法的有效数字为 1.0，IEEE 754 规定 “隐藏整数位 1”，仅存储小数部分。此处小数部分为 0，因此 23 位尾数位全为 0，即 M = 00000000000000000000000。

最终 32 位 float 的二进制序列

拼接符号位、指数位、尾数位，结果为：
11000001100000000000000000000000
最后除16.0得到结果

与DS18B20通信的流程图

代码实现

（注：关于LCD1602和单总线通信的相关代码可在我的文章开头提到的开源仓库找到）

DS18B20.h

#ifndef __DS18B20_H__
#define __DS18B20_H__void DS18B20_ConvertT(void); // 转换温度
float DS18B20_ReadT(void); // 读取温度#endif

DS18B20.c

#include <REGX52.H>
#include "OneWire.h"#define DS18B20_SKIP_ROM 0xCC
#define DS18B20_CONVERT_T 0x44
#define DS18B20_READ_SCRATCHPAD 0xBE//转换温度
void DS18B20_ConvertT(void)
{OneWire_Init(); //不做确认帧处理OneWire_SendByte(DS18B20_SKIP_ROM); //发送SKIP ROM，因为就一个设备，简单测试一下OneWire_SendByte(DS18B20_CONVERT_T);
}//读取温度，4位小数
//51单片机对浮点数运算特别慢
//但是此处只是读取温度，这点时间还是耗得起
float DS18B20_ReadT(void)
{unsigned char TLSB, TMSB;int Temp; //有符号16位int做中间变量float T; //最终的温度OneWire_Init();OneWire_SendByte(DS18B20_SKIP_ROM);OneWire_SendByte(DS18B20_READ_SCRATCHPAD);//发送完这个指令，就交给从机//开始接收从机发来的指令//传温度的数据，两个字节，16位TLSB = OneWire_ReceiveByte(); //Temperature LSBTMSB = OneWire_ReceiveByte(); //Temperature MSBTemp = (TMSB<<8)|TLSB; //强制转换为有符号的16位int，把TMSB左移8位到高位，然后TLSB和低8位0做或运算，放到低位//除16，向右移4位，见本文的温度存储格式章节T = Temp / 16.0;return T;
}

main.c

#include <REGX52.H>
#include "LCD1602.h"
#include "DS18B20.h"float T; //温度void Delay(unsigned int xms)		//@11.0592MHz
{unsigned char i, j;while(xms--){i = 2;j = 199;do{while (--j);} while (--i);}
}void main()
{//上电之前先开启一次温度转换，防止出现默认值温度DS18B20_ConvertT();Delay(1000); //上电后读取温度需要750ms左右，延迟1秒LCD1602_Init();LCD1602_ShowString(0,0, "Temperature:");while(1){DS18B20_ConvertT();T = DS18B20_ReadT();//把浮点数拆分if(T<0){LCD1602_ShowChar(1,0, '-');T= -T; //转换为正数，后面好处理}else{LCD1602_ShowChar(1,0, '+');}LCD1602_ShowNumWithLength(1,1,T,3); //显示整数部分LCD1602_ShowChar(1,4,'.');//把小数部分提取出来，对T乘10000再强制转换为无符号长整数（已经超过无符号整数表示范围）按位取余数就行LCD1602_ShowNumWithLength(1,5,(unsigned long)(T*10000) % 10000, 4);}
}

测试效果

零上温度

零下温度没条件测，放了个冰块在DS18B20旁边，确实温度下降了。