ds18b20讀取溫度的工作原理

DS18B20 通過 單總線(1-Wire)協議 與微控制器通信，其溫度讀取過程可分為 初始化、發送指令、溫度轉換、數據讀取 等步驟。以下是詳細的工作原理：

一. 硬件工作原理

- 溫度傳感核心

DS18B20 內部包含一個 高精度溫敏振蕩器，通過測量與溫度相關的脈沖頻率來量化溫度值。

- 溫度變化 → 晶體振蕩頻率變化 → 計數器記錄脈沖數 → 轉換為數字信號。

- 內部結構

- 64位ROM：存儲全球唯一地址(用于多設備識別)。

- 溫度傳感器：核心測量單元。

- 配置寄存器：設置分辨率(9~12位)。

- 暫存器(Scratchpad)：臨時存儲溫度數據和控制參數。

二. 溫度讀取流程

步驟1：總線初始化(復位脈沖)

- 微控制器發送 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)，確認設備在線。

步驟2：發送ROM指令

- 若總線上有多個DS18B20，需通過ROM指令選擇目標設備：

- `0x55`：匹配特定ROM地址(單設備操作可跳過)。

- `0xCC`：跳過ROM地址檢測(適用于單設備場景)。

步驟3：發送功能指令

- 啟動溫度轉換：發送指令 `0x44`，DS18B20開始測量溫度。

- 轉換時間取決于分辨率(9位約93ms，12位約750ms)。

- 在此期間，微控制器可輪詢總線狀態或延時等待。

步驟4：讀取溫度數據

1. 重新初始化總線，發送 `0xBE` 指令讀取暫存器數據。

2. 連續讀取9字節(包括溫度值、配置參數等，通常只需前2字節)。

3. 溫度數據以 16位二進制補碼 格式存儲，需轉換為實際溫度值。

三. 數據格式與溫度計算

- 示例：若讀取的16位數據為 `0x0191`(二進制 `0000 0001 1001 0001`)：

- 高字節 `0000 0001` → 正溫度(最高位為0)。

- 低字節 `1001 0001` → 小數部分。

- 計算：

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

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

- 實際溫度：16 + 0.0625 = 16.0625°C。

- 負溫度處理：

若高字節最高位為1(如 `0xFF8F`)，需取補碼后計算：

```c

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

```

四. 關鍵時序與信號

- 單總線協議時序：

- 寫“0”：保持低電平 >60μs。

- 寫“1”：拉低總線1μs后釋放。

- 讀數據：微控制器拉低總線1μs后采樣。

- 寄生供電模式注意事項：

- 溫度轉換期間需通過 強上拉電阻 保持總線高電平供電，否則可能導致轉換失敗。

五. 常見問題與解決

1. 讀取值為85°C

- 原因：未等待溫度轉換完成或初始化失敗。

- 解決：增加延時(如 `delay(750)`)或檢查總線連接。

2. 數據不穩定

- 原因：總線干擾或電源不穩。

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

3. 多設備沖突

- 原因：未正確匹配ROM地址。

- 解決：遍歷總線設備并單獨操作(使用 `search()` 函數獲取ROM地址)。

通過理解上述原理，可更高效地集成DS18B20到項目中，避免常見時序和硬件設計錯誤。