第1章：温度传感器集成——DS18B20数字温度传感器原理

各位同学，咱们今天聊聊温度传感器。做嵌入式这么多年，我接触过的温度传感器少说也有几十种。但要说最皮实、最省心的，DS18B20绝对排前三。这玩意儿我最早是在一个冷链监控项目里用的，当时要求每个节点成本低、布线简单，还得能级联。DS18B20几乎是为这种场景量身定做的。

1.1 DS18B20长什么样？

DS18B20是Dallas半导体（现在归Maxim了）出的一款数字温度传感器。它有三个引脚：VDD（电源）、GND（地）、DQ（数据）。封装形式很多，最常见的是TO-92，长得跟个三极管似的。

它的核心参数，我列个表给你看：

参数 典型值 备注
测温范围 -55°C ~ +125°C 工业级，够用
精度 ±0.5°C（-10°C ~ +85°C） 日常场景足够了
分辨率 9~12位可配置 默认12位，0.0625°C
供电电压 3.0V ~ 5.5V 兼容3.3V和5V系统
通信接口 单总线（1-Wire） 只需一根数据线

嗯，这里要注意：虽然它标称能测到125°C，但我个人不建议长时间工作在100°C以上。封装会老化，精度也会漂。我在一个高温老化箱项目里吃过这个亏，后来老老实实加了散热措施。

2.2 单总线通信协议——一根线怎么玩？

DS18B20用的是单总线协议，说白了就是一根数据线既传数据又传时钟。你想想看，一根线要完成复位、应答、读写，是不是挺神奇的？

单总线的核心时序就三种：

  • 复位脉冲：主机拉低总线480μs以上，然后释放。DS18B20会拉低60~240μs作为应答。
  • 写时序：写0时拉低60μs，写1时拉低1~15μs然后释放。
  • 读时序：主机拉低1~15μs启动读，然后释放，在15μs内采样总线电平。

我刚开始学的时候，总觉得时序要求很苛刻。其实没那么玄乎。单总线的时序容限很大，只要别太离谱，都能正常工作。我曾经用GPIO模拟时序，延时函数直接用for循环凑合，居然也跑通了。当然，产品级代码还是得用定时器或者SysTick。

核心要点：单总线的关键就是严格遵循时序窗口。尤其是读时序，主机必须在启动后的15μs内完成采样。早了晚了都可能读到错误数据。

2.3 STM32驱动代码实现

好，咱们直接上代码。我用的是STM32F103，HAL库。其实用标准库也行，逻辑都一样。

先看初始化部分：

// 定义DS18B20数据引脚
#define DS18B20_PORT     GPIOB
#define DS18B20_PIN      GPIO_PIN_0

// 总线操作宏
#define DS18B20_OUT_LOW()   HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_RESET)
#define DS18B20_OUT_HIGH()  HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_SET)
#define DS18B20_IN_READ()   HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN)

// 微秒级延时（依赖SysTick或定时器）
void delay_us(uint32_t us) {
    // 实现略，建议用定时器或DWT
}

然后是复位函数：

uint8_t DS18B20_Reset(void) {
    uint8_t presence = 0;
    
    DS18B20_OUT_LOW();
    delay_us(480);      // 拉低480μs
    DS18B20_OUT_HIGH();
    delay_us(70);       // 等待15~60μs
    
    presence = DS18B20_IN_READ();  // 读取应答
    delay_us(410);      // 等待剩余时间
    
    return presence;    // 0表示存在，1表示无应答
}

读写一个字节：

void DS18B20_WriteByte(uint8_t data) {
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        DS18B20_OUT_LOW();
        delay_us(2);
        if (data & 0x01) {
            DS18B20_OUT_HIGH();
        }
        delay_us(60);
        DS18B20_OUT_HIGH();
        data >>= 1;
    }
}

uint8_t DS18B20_ReadByte(void) {
    uint8_t data = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        data >>= 1;
        DS18B20_OUT_LOW();
        delay_us(2);
        DS18B20_OUT_HIGH();
        delay_us(5);
        if (DS18B20_IN_READ()) {
            data |= 0x80;
        }
        delay_us(60);
    }
    return data;
}

小技巧：写时序时，我习惯先拉低再判断数据位。这样能保证时序的一致性。另外，读时序里那个5μs的延时，是我实测出来的。不同STM32主频下可能需要微调。

最后是读取温度的核心函数：

float DS18B20_GetTemperature(void) {
    uint8_t tempL, tempH;
    int16_t raw;
    float temperature;
    
    DS18B20_Reset();
    DS18B20_WriteByte(0xCC);  // 跳过ROM（单设备时用）
    DS18B20_WriteByte(0x44);  // 启动温度转换
    
    // 等待转换完成（12位分辨率需750ms）
    HAL_Delay(750);
    
    DS18B20_Reset();
    DS18B20_WriteByte(0xCC);
    DS18B20_WriteByte(0xBE);  // 读取暂存器
    
    tempL = DS18B20_ReadByte();
    tempH = DS18B20_ReadByte();
    
    raw = (tempH << 8) | tempL;
    
    // 12位分辨率：每个LSB代表0.0625°C
    temperature = raw * 0.0625f;
    
    return temperature;
}

注意：0xCC是跳过ROM指令，只适用于单总线只挂一个DS18B20的情况。如果挂了多个，需要用0x55匹配ROM指令。我曾经在一个项目里偷懒用了0xCC，结果挂了两个传感器，数据全乱套了。排查了一下午才发现问题。

2.4 药盒温控场景应用

好了，理论讲完了，咱们看看实际怎么用。药盒温控，说白了就是保证药品在合适的温度范围内。比如胰岛素需要2~8°C冷藏，某些抗生素不能超过25°C。

我的设计思路是这样的：

  1. 传感器布局：药盒内部至少放两个DS18B20，一个在顶部，一个在底部。为什么？因为冷空气下沉，热空气上升，单点测温可能不准。我见过一个案例，只测了顶部温度，结果底部药品已经结冰了。
  2. 采样策略：每30秒采样一次。太快了没必要，DS18B20转换一次就要750ms。太慢了又怕错过温度突变。
  3. 报警逻辑：如果连续3次采样都超出阈值，就触发报警。这样能避免偶发干扰误报。
  4. 数据记录：把温度数据存到EEPROM或Flash里，方便追溯。药品冷链管理要求记录至少保存2年。

这里有个坑我要提醒你：DS18B20的自发热。虽然它功耗很低，但连续读取时芯片自身会升温。我实测过，连续每秒读一次，温度会虚高0.3~0.5°C。解决办法很简单——降低采样频率，或者在两次采样之间让传感器进入休眠。

嗯，说到休眠，DS18B20其实没有专门的休眠指令。但你可以通过不发起通信来让它处于低功耗状态。待机电流只有1μA左右，几乎可以忽略。

实战建议：药盒温控系统里，我建议用寄生供电模式。就是VDD和GND都接地，只靠数据线供电。这样能省一根线，而且DS18B20在寄生模式下功耗更低。不过要注意，寄生模式下转换时间会变长，而且数据线不能长时间拉低。

最后说一句，DS18B20虽然好用，但不是万能的。如果你需要更高精度（比如±0.1°C），或者需要更快的响应速度，那得考虑其他方案。但在大多数药盒温控场景里，DS18B20的性价比和可靠性，真的很难被替代。

好，这一章就到这儿。下一章咱们聊聊湿度传感器，那个更有意思。

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