蓝桥杯单片机学习笔记（五）：DS18B20 深度解析与工程规范

蓝桥杯单片机通关秘籍：DS18B20 深度解析与工程规范

温馨提示：内容源自米醋电子工作室培训课，由本人总结

前言：在蓝桥杯单片机比赛中，DS18B20 温度传感器是绝对的“常客”。它看起来只是一个黑色的小豆子，但想要驯服它，不仅需要读懂它的“心”（时序），还要懂得如何优雅地在代码中安顿它（工程规范）。本篇笔记将带你从底层驱动到上层代码架构，彻底攻克这个模块。

第一章：避坑指南——大模板中的“隐形杀手”

在开始攻克 DS18B20 之前，先回顾一下数码管显示（Seg.c）中一个极易被忽视的错误。很多同学代码逻辑是对的，但数码管就是显示乱码，原因往往出在函数参数的顺序上。

1.1 参数顺序的重要性

在编写数码管显示函数时，我们通常会定义三个参数：

• wela(位选)：决定哪一位数码管亮。
• dula(段选)：决定显示什么数字。
• point(小数点)：决定是否显示小数点。

⚠️ 警告：在Seg.c的底层驱动函数里，入口参数wela、dula、point的定义顺序与调用顺序必须严格一致！

比喻时刻：

这就好比你去银行柜台办事，柜员要求你依次递交“身份证、银行卡、密码”。

• 如果你按照“银行卡、身份证、密码”的顺序递进去，柜员（编译器/单片机）就会处理错误，导致业务办理失败（数码管乱码）。
• 切记：怎么定义的，就怎么传参，顺序绝对不能乱！

第二章：DS18B20 —— 单总线上的“独行侠”

2.1 硬件初相识

DS18B20 是一个非常有个性的传感器，它只需要1根数据线就能完成双向通信，我们称之为“单总线”（One-Wire）通信。

• 接线法则：
  • GND：接地（地基）。
  • VCC：接电源（能量源）。
  • DQ (Data)：数据线（唯一的传声筒）。

2.2 它的“内心世界”（寄存器）

当你给它上电复位时，它会处于一种“刚睡醒”的状态，此时温度寄存器里的默认值是+85°C。如果你上电瞬间读取到了85°C，别慌，那是因为它还没来得及转换第一次温度。

温度数据的存储格式（16位二进制）：

想象一个由16个小格子组成的抽屉：

• Bit 0-3 (小数位)：负责存储精细的温度值（分辨率高达0.0625°C）。
• Bit 4-10 (整数位)：负责存储温度的整数部分。
• Bit 11-15 (符号位)：负责告诉你现在是零上还是零下。
  • 全为0：正温度（暖和）。
  • 全为1：负温度（冷）。
  • 注：DS18B20 只会出现这两种符号位情况，不会有0和1混杂。

2.3 关键功能指令（核心考点）

想要让 DS18B20 干活，单片机（主机）必须发送特定的“暗号”。我们将这些指令按操作流程进行了编号和拆解：

指令 1：跳过 ROM 指令 [0xCC]

解释：

这是“点名”环节的简化版。

正常情况下总线上有多个设备，主机需要叫名字（序列号）才能指定谁回答。但蓝桥杯板子上只有一个DS18B20，它是“独生子”。发送0xCC就是对它说：“别管名字了，我知道只有你，听我指挥！”

指令 2：温度转换指令 [0x44]

解释：

这是启动测量的“开关”。

发送此指令后，DS18B20 开始采集环境温度并进行计算。

• 注意细节：转换需要时间（毫秒级）。如果是“寄生电源”（偷电模式），主机必须在转换期间拉高总线供电。但在蓝桥杯板子上是外部供电，发送完这个指令后，我们可以通过读取总线状态来判断进度：读到0表示正在忙（转换中），读到1表示忙完了（转换完成）。转换好的数据会暂存在内部寄存器中。

指令 3：读取暂存寄存器指令 [0xBE]

解释：

这是“交作业”的命令。

该指令告诉 DS18B20：“把你刚刚测好、放在暂存器里的数据吐出来。”

• 读取流程：它会像流水线一样，从第0字节（温度低8位）一直吐到第8字节（CRC校验）。
• 实战技巧：在比赛中，我们通常只关心温度数据（前两个字节）。所以，读完前两个字节（LSB和MSB）后，主机可以直接发复位信号打断它，不需要把后面没用的数据都读完。

指令 4：写入暂存寄存器指令 [0x4E]

解释：

这是“设定规则”的命令。

用于向 DS18B20 写入配置信息，比如设置报警温度的上限（TH）和下限（TL），或者设置分辨率（9-12位）。

• 写入顺序：必须严格遵循 3 个字节的顺序：TH -> TL -> 配置寄存器。且数据传输遵循LSB First（低位先出）原则。写入前通常建议先复位。

第三章：实战代码 —— 编写驱动与转换公式

在比赛资源包中，官方会提供onewire.c（底层驱动），我们需要把它添加到工程中，并自己编写onewire.h以及上层读取函数。

3.1 读取温度的核心代码

// 记得包含必要的头文件#include"onewire.h"// 读取温度函数floatrd_Temperature(){unsignedcharlow,high;// 用于暂存读回来的高低八位数据// --- 第一阶段：命令它干活（转换温度） ---init_ds18b20();// 1. 握手：复位初始化Write_DS18B20(0xcc);// 2. 指令1：跳过ROMWrite_DS18B20(0x44);// 3. 指令2：开始温度转换！// --- 第二阶段：把数据读回来 ---// 注意：转换需要时间，为防止程序卡死，通常连续调用时// 读取到的可能是上一次的转换结果，这在比赛中通常是允许的。init_ds18b20();// 1. 再次握手：准备读取Write_DS18B20(0xcc);// 2. 指令1：再次跳过ROMWrite_DS18B20(0xbe);// 3. 指令3：读取暂存器数据low=Read_DS18B20();// 4. 接收低8位 (LSB)high=Read_DS18B20();// 5. 接收高8位 (MSB)// --- 第三阶段：数据合成与换算 ---// high << 8 : 把高8位移到它该在的位置（左移8位）// | low : 把低8位拼上去// / 16.0 : 核心算法！return((high<<8)|low)/16.0;}

3.2 为什么要除以 16.0？

这涉及到二进制小数的原理。DS18B20 的低 4 位是小数位。

• Bit 0 代表2−4=0.06252^{-4} = 0.06252−4=0.0625
• Bit 1 代表2−3=0.1252^{-3} = 0.1252−3=0.125
• Bit 2 代表2−2=0.252^{-2} = 0.252−2=0.25
• Bit 3 代表2−1=0.52^{-1} = 0.52−1=0.5

将一个 16 位的整数右移 4 位（相当于除以24=162^4 = 1624=16），就能把小数点对齐到正确的位置。例如，若读出的原始 16 位二进制数代表整数 2000，那么实际温度就是2000/16=125.0∘C2000 / 16 = 125.0^\circ C2000/16=125.0∘C。

第四章：工程规范 —— C语言中的“防重复包含”机制

准备工作完毕后，我们需要在main.c中引用onewire.h。这里涉及到两个至关重要的 C 语言工程概念：Include Guard（头文件卫士）和引用路径。

4.1 什么是“防重复包含机制”？

简单来说，它的作用是：保证头文件里的内容，在一个.c文件（编译单元）里只被“抄写”一次。

核心原理：#include的本质是“复制粘贴”

首先你要知道，编译器是“傻瓜式”的。当它看到#include "onewire.h"时，它不会思考，只会把onewire.h里的所有文字，原封不动地复制过来。

如果没有卫士（悲剧发生的场景）：

假设你有一个config.h，里面定义了sbit LED = P1^0;。

1. onewire.h引用了config.h。
2. main.c引用了onewire.h，又手滑直接引用了config.h。

编译器在处理main.c时，会先把config.h的内容复制一次，然后处理onewire.h时，又把config.h的内容复制了一次。

结果：编译器看到两行sbit LED = P1^0;，它直接崩溃报错：“Redefinition（重定义）！你到底要定义几个 LED？”

解决方案：游乐园的“隐形印章”

为了解决这个问题，我们利用 C 语言预处理指令制作一个“卫士”。请看下面的代码模板：

#ifndef__ONEWIRE_H_// 1. 门卫检查：我们要进门了吗？#define__ONEWIRE_H_// 2. 盖章确认：进来了，先盖个章！// ... 头文件内容（函数声明、变量定义） ...#endif// 3. 后门：结束

通俗比喻：游乐园检票逻辑

我们将编译器比作一个只认死理的保安，将头文件比作游乐园。

1. #ifndef __ONEWIRE_H_(If Not Defined)
   • 场景：你走到门口。
   • 保安问：“你手上盖章了吗？（系统里记录过__ONEWIRE_H_这个名字了吗？）”
   • 如果没盖章：保安放你进去。
   • 如果盖了章：保安直接把你拦在门外，指着旁边的快速通道说：“你已经进过去一次了，直接跳到出口（#endif后面）去吧，别再进去占位置了。”
2. #define __ONEWIRE_H_
   • 场景：进门后的第一件事。
   • 动作：保安在你手上盖个章（在编译器内存里定义这个标记）。
   • 作用：标记“这个文件已经被读取过了”，防止下次再被读取。
3. #endif
   • 场景：游乐园的出口。

总结：当你写任何一个.h文件时，请形成肌肉记忆，永远加上这三行代码。这就叫“防重复包含机制”。

第五章：尖括号< >与双引号" "的爱恨情仇

在引用头文件时，很多小白分不清#include <...>和#include "..."。其实，它们的区别在于编译器“找书”（搜索文件）的路线不同。

5.1 尖括号< >：去“公立图书馆”找

• 含义：引用标准库或编译器自带的库。
• 搜索路线：编译器会直接去它的安装目录下的include文件夹里找。
• 它不看哪里：它通常不会去你的当前工程文件夹里找。
• 适用场景：
  • C 标准库：<stdio.h>,<math.h>
  • 单片机寄存器定义：<STC15F2K60S2.H>,<reg52.h>
• 例子：#include <STC15F2K60S2.H>
  • 这告诉编译器：“别在我桌子上（工程目录）乱翻，直接去系统库（Keil 安装目录）把这个芯片定义拿来。”

5.2 双引号" "：先在“家里”找，找不到再去“图书馆”

• 含义：引用你自己编写的或项目私有的头文件。
• 搜索路线：
  1. 第一步：编译器先在当前源文件（.c）所在的目录查找。
  2. 第二步：如果家里没找到，它才会勉为其难地去系统标准库目录查找。
• 适用场景：
  • 你自己写的驱动："onewire.h","key.h"
  • 项目配置文件："config.h"
• 例子：#include "onewire.h"
  • 这告诉编译器：“这个文件就在我现在的工程文件夹里，先在这里找。如果实在找不到，你再去系统目录看看。”

5.3 避坑总结表

5.4：完整底层代码

完整的底层代码如下：

//onewire.c文件/* # 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"sbit DQ=P1^4;voidDelay_OneWire(unsignedintt){unsignedchari;while(t--){for(i=0;i<12;i++);}}//voidWrite_DS18B20(unsignedchardat){unsignedchari;for(i=0;i<8;i++){DQ=0;DQ=dat&0x01;Delay_OneWire(5);DQ=1;dat>>=1;}Delay_OneWire(5);}//unsignedcharRead_DS18B20(void){unsignedchari;unsignedchardat;for(i=0;i<8;i++){DQ=0;dat>>=1;DQ=1;if(DQ){dat|=0x80;}Delay_OneWire(5);}returndat;}//bitinit_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);returninitflag;}//读取温度函数floatrd_Temperature(){unsignedcharlow,high;//返回温度数据的高低八位init_ds18b20();//初始化Write_DS18B20(0xcc);//跳过ROMWrite_DS18B20(0x44);//进行温度转换init_ds18b20();//初始化Write_DS18B20(0xcc);//跳过ROMWrite_DS18B20(0xbe);//读取温度low=Read_DS18B20();//读取低位high=Read_DS18B20();//读取高位return((high<<8)|low)/16.0;}

//onewire.h文件#ifndef__ONEWIRE_H_#define__ONEWIRE_H_#include<STC15F2K60S2.H>// 1. 函数声明 (只写名字，不写身体)voidDelay_OneWire(unsignedintt);voidWrite_DS18B20(unsignedchardat);unsignedcharRead_DS18B20(void);bitinit_ds18b20(void);// 2. 补上你之前代码里有的温度读取函数，否则主函数无法调用floatrd_Temperature(void);#endif

第六章：最终调用

准备工作都做完了，我们该如何在主程序中调用这个芯片呢？

在main.c文件里：

1. 引入头文件：#include "onewire.h"
2. 定义变量：定义一个float类型的变量，比如Temperature。
3. 循环调用：

voidmain(){floatTemperature;// 定义变量存储温度// 初始化系统...while(1){// 实时获取温度Temperature=rd_Temperature();// 此处可以添加显示代码，将 Temperature 显示在数码管上// ...}}

这条语句会让温度值实时更新在Temperature这个变量里，接下来你想怎么显示它，就是数码管的事情啦！