第2章温度传感器（DS18B20）

第2章温度传感器（DS18B20）：单总线协议详解

DS18B20 这玩意儿，我在温室项目里用了不下上百个。说实话，它是我见过最「省引脚」的数字温度传感器——就一根数据线，既能供电又能传数据。嗯，今天咱们就把它彻底聊透。

2.1 单总线协议到底是什么？

单总线（1-Wire），说白了就是 Dallas 公司搞的一套「一根线走天下」的通信协议。你想想看，传统的 I2C 要两根线，SPI 要三四根，而单总线只需要一根数据线加一根地线。

我刚开始接触时也觉得不可思议：一根线怎么同时传时钟和数据？后来才明白，它靠的是严格的时序——主机通过拉低总线的时间长短来发送「0」和「1」。从机则通过拉低总线来响应。

核心要点：单总线是半双工通信，主机控制所有时序。从机只能被动响应。

2.2 DS18B20 工作原理

DS18B20 内部其实有三个主要部分：

64位 ROM 编码：每个芯片独一无二，支持多设备挂在一根总线上
温度传感器：核心部件，把温度转换成数字量
暂存器（Scratchpad）：9字节的临时存储区，存放温度值、配置、CRC 等

我记得第一次用的时候，死活读不到温度。查了半天才发现是 ROM 匹配指令没发对。这里提醒一下：如果你总线上只挂一个 DS18B20，可以用「跳过 ROM」指令（0xCC），省去匹配步骤。

2.3 寄生供电模式

这个模式很有意思。正常供电需要 VDD 接 3.3V 或 5V，但寄生供电模式下，VDD 引脚直接接地，芯片从数据线上「偷电」。

怎么偷的？当总线为高电平时，芯片内部电容充电；当总线为低电平时，电容放电维持工作。但有个坑——温度转换时电流需求大（约 1.5mA），如果总线拉低太久，电容会掉电。

避坑指南：我曾经在温室项目里用了寄生供电，结果冬天温度转换总失败。后来发现是总线拉低时间太长，电容撑不住。解决方案：在数据线上加一个 4.7kΩ 上拉电阻到 VCC，同时确保转换期间总线保持高电平。

我个人习惯：除非引脚特别紧张，否则还是用正常供电模式。寄生供电省的那根线，往往换来一堆调试时间。

2.4 分辨率配置

DS18B20 支持 9 到 12 位分辨率，默认是 12 位。分辨率越高，转换时间越长：

分辨率	转换时间（典型值）	温度精度
9 位	93.75 ms	0.5°C
10 位	187.5 ms	0.25°C
11 位	375 ms	0.125°C
12 位	750 ms	0.0625°C

你想想看，温室环境温度变化很慢，0.5°C 的精度完全够用。我一般设成 9 位，转换一次不到 100ms，省电又快速。

配置分辨率的方法：向暂存器的第 4 字节写入配置值。比如 12 位写 0x7F，9 位写 0x1F。

// 设置 DS18B20 为 9 位分辨率
void setResolution_9bit() {
    reset_pulse();          // 复位脉冲
    send_byte(0xCC);        // 跳过 ROM
    send_byte(0x4E);        // 写暂存器指令
    send_byte(0x00);        // TH 用户字节1
    send_byte(0x00);        // TL 用户字节2
    send_byte(0x1F);        // 配置寄存器：9位
}

2.5 CRC 校验

单总线通信容易受干扰，尤其是温室里电机启停时。DS18B20 内置了 8 位 CRC 校验，确保数据完整性。

CRC 校验覆盖 8 字节数据（温度 + TH + TL + 配置 + 保留字节），最后一个字节就是 CRC 值。主机收到数据后，用多项式 x⁸ + x⁵ + x⁴ + 1 计算校验。

小技巧：我一般直接用 Dallas 官方提供的 CRC 查表法，速度比计算快得多。代码就几行，网上随便搜都有。

// CRC 校验示例（查表法）
uint8_t crc8(uint8_t *data, uint8_t len) {
    uint8_t crc = 0;
    uint8_t lookup[] = {
        0x00, 0x5E, 0xBC, 0xE2, 0x61, 0x3F, 0xDD, 0x83,
        // ... 省略中间 248 个值
    };
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        crc = lookup[crc ^ data[i]];
    }
    return crc;
}

如果计算出的 CRC 和收到的 CRC 不匹配，直接丢弃这帧数据。别犹豫，温室里数据错一位，温度可能差好几度。

2.6 典型电路设计

一个标准的 DS18B20 电路其实很简单：

数据线：接 MCU 的 GPIO，加上拉电阻 4.7kΩ 到 VCC
VDD：接 3.3V 或 5V（正常供电模式）
GND：共地

但实际项目中，我踩过不少坑：

注意：如果数据线超过 10 米，上拉电阻要减小到 2.2kΩ 甚至 1kΩ。我有个项目线长 30 米，用 4.7kΩ 死活通信不上，换成 1kΩ 就好了。

另外，建议在数据线上加一个 100nF 的电容到地，滤除高频干扰。温室里的变频器、水泵都是干扰源。

// 典型电路连接（正常供电模式）
// MCU GPIO  ----[4.7kΩ]---- VCC (3.3V)
//              |
//              +---- DS18B20 DQ
// DS18B20 VDD ---- VCC (3.3V)
// DS18B20 GND ---- GND

如果你非要用寄生供电，电路改成这样：

// 寄生供电模式
// MCU GPIO  ----[4.7kΩ]---- VCC (3.3V)
//              |
//              +---- DS18B20 DQ
// DS18B20 VDD ---- GND
// DS18B20 GND ---- GND

嗯，寄生供电模式下，转换期间必须保证总线为高电平。我一般用 MOS 管强拉高，或者干脆在转换前把 GPIO 设成输出高。

小结

DS18B20 是个好芯片，便宜、稳定、易用。但单总线的时序要求很严格，稍微偏差一点就通信失败。我的建议是：

先用逻辑分析仪抓波形，确认时序正确
量产时用正常供电模式，别省那根线
CRC 校验一定要做，温室环境干扰多

下一章咱们聊聊湿度传感器 SHT30 的 I2C 接口，那个又是另一番天地了。

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