DS18B20是一款由Maxim Integrated（前身为Dallas Semiconductor）公司生产的可编程分辨率1-Wire数字温度计。它因其独特的单线通信接口、宽广的温度测量范围、高精度以及简单的应用方式而在各种温度测量和控制系统中得到广泛应用。本数据手册将对DS18B20的各项特性、工作原理、通信协议、寄存器功能以及典型应用进行详尽的阐述，以帮助读者深入理解并有效地使用该传感器。

第一章：DS18B20概述与主要特性

DS18B20数字温度传感器以其卓越的性能和灵活性，在众多温度测量应用中脱颖而出。它将温度传感器、A/D转换器以及必要的数字逻辑电路集成在一个微小的封装内，大大简化了系统设计。这款传感器不仅能够提供9位至12位的摄氏温度测量结果，还具备用户可编程的非易失性高低温报警功能。其核心优势在于采用了Maxim的独有1-Wire（单线）总线接口，这意味着仅需一根数据线（以及地线）即可与微处理器进行通信，极大地简化了布线并降低了系统成本。

1.1 产品简介与基本原理

DS18B20是一款可以直接输出数字温度信号的传感器，省去了传统模拟温度传感器所需的A/D转换电路，从而避免了模拟信号在传输过程中可能引入的误差和噪声。其内部集成了温度传感器、A/D转换器、一个64位ROM、一个高速暂存器（Scratchpad Memory）以及报警触发器和配置寄存器。温度测量通过内部的温度传感器完成，并将模拟温度信号转换为数字量。这个数字量接着被存储在暂存器中，供主控制器读取。

1.2 主要特性

DS18B20凭借其一系列引人注目的特性，成为了许多嵌入式系统和物联网应用的首选温度传感器：

• 独特的1-Wire接口：这是DS18B20最显著的特点。它仅需要一个端口引脚即可实现与微控制器的双向通信。这种设计极大地减少了所需的I/O端口数量，使得在空间受限或需要远程部署多个传感器的应用中尤为方便。

• 宽广的温度测量范围：DS18B20能够测量-55°C至+125°C（-67°F至+257°F）的温度范围。这使其适用于从冰箱到工业控制等多种严苛环境。

• 高精度：在-10°C至+85°C的典型工作温度范围内，DS18B20的精度高达±0.5°C。在更宽的温度范围内，其精度也能保持在±2°C以内，这对于大多数应用来说已经足够。

• 可编程分辨率：用户可以根据实际需求，将温度测量的分辨率配置为9位、10位、11位或12位。默认上电分辨率为12位，对应0.0625°C的温度增量。较低的分辨率可以缩短转换时间，而较高的分辨率则提供更精确的读数。

• 无需外部元件：DS18B20设计精巧，除了一个用于1-Wire总线的上拉电阻外，无需任何其他外部元件即可独立工作，这进一步简化了电路设计。

• 寄生电源模式：除了传统的外部电源供电模式外，DS18B20还支持寄生电源模式。在这种模式下，传感器可以直接从数据线获取工作所需的电源，从而只需要两根线（数据线和地线）即可运行。这在某些特定应用场景下具有显著优势，例如远程传感器部署。

• 多点能力：每个DS18B20都内嵌了一个独一无二的64位工厂烧录的序列码（ROM码）。这个序列码使得多个DS18B20传感器可以并联在同一条1-Wire总线上，而微控制器可以通过识别每个传感器的唯一序列码来单独寻址和读取数据，极大地简化了分布式温度传感系统的构建。

• 非易失性报警功能：DS18B20集成了可编程的高温（TH）和低温（TL）报警触发点。用户可以将这些报警点写入传感器的非易失性存储器中。一旦温度超出设定的范围，传感器会通过特殊的“报警搜索”命令向主控制器发出警报，实现温度异常的实时监测。

• 低功耗：DS18B20在待机模式下功耗极低，非常适合电池供电的应用。在进行温度转换时，功耗会有所增加，但转换完成后会迅速返回低功耗状态。

• 多种封装形式：DS18B20提供TO-92、SOP8等芯片封装形式，以及带有防水探头的封装形式，方便用户根据不同应用环境选择。

第二章：引脚说明与电源模式

理解DS18B20的引脚定义及其电源工作模式对于正确连接和使用该传感器至关重要。DS18B20通常采用三种引脚配置的封装：TO-92晶体管封装、SOP8表面贴装封装以及三线或两线制防水探头封装。

2.1 引脚说明

DS18B20芯片通常有三个引脚：

• DQ (Data Input/Output)：数据输入/输出引脚。这是1-Wire总线的核心，用于所有的数据通信，包括命令发送和数据读取。这个引脚需要一个外部上拉电阻（通常为4.7kΩ）连接到电源电压（VDD）。

• VDD (Power Supply Voltage)：电源电压引脚。在独立供电模式下，此引脚连接到3.0V至5.5V的直流电源。在寄生电源模式下，此引脚可以悬空或连接到地。

• GND (Ground)：地线引脚，连接到系统的公共地。

对于一些带有防水探头的DS18B20模块，通常会有三根线：红色（VDD）、黄色或白色（DQ）、黑色（GND）。如果采用寄生电源模式，则可能只有两根线：黄色或白色（DQ）和黑色（GND）。

2.2 电源模式

DS18B20支持两种主要电源工作模式：独立供电模式（External Power Supply Mode）和寄生电源模式（Parasite Power Mode）。

2.2.1 独立供电模式

在独立供电模式下，DS18B20的VDD引脚连接到一个稳定的3.0V至5.5V直流电源。DQ引脚通过一个4.7kΩ左右的上拉电阻连接到VDD。这种模式是DS18B20推荐的、最可靠的工作方式，尤其是在总线长度较长、传感器数量较多或温度转换时间较长的情况下。

优点：

• 稳定性高：传感器始终有稳定的电源供应，不易受到总线瞬态电压下降的影响。

• 可靠性强：在进行温度转换等高电流操作时，能够提供充足的电流，确保操作成功。

• 多点应用优选：多个传感器同时进行温度转换时，独立供电模式能够保证所有传感器正常工作。

缺点：

• 需要额外一根电源线，增加了布线的复杂性。

2.2.2 寄生电源模式

寄生电源模式是DS18B20的一大特色。在这种模式下，DS18B20的VDD引脚可以悬空或直接连接到GND。传感器通过DQ数据线上拉电阻提供的电流来获取工作所需的电能。当总线处于高电平时，传感器内部的电容会被充电；当总线被拉低进行数据传输时，传感器则依靠存储在电容中的能量维持工作。

优点：

• 布线简单：仅需两根线（DQ和GND）即可实现通信和供电，极大地简化了布线，尤其适用于远程或狭小空间的布线。

• 降低成本：减少了线材和连接器的使用。

缺点：

• 对总线特性要求高：需要更严格的总线时序和更强的上拉能力。在进行温度转换等需要较大瞬时电流的操作时，如果DQ线上的电流不足以满足传感器需求，可能会导致转换失败或数据错误。因此，在寄生电源模式下，进行温度转换前，主控制器需要将DQ线上拉至高电平并保持一段时间，以确保传感器有足够的电能完成转换。

• 不适合多点并发转换：如果多个传感器都采用寄生电源模式并同时进行温度转换，总线上的电流可能不足以满足所有传感器的需求，导致转换失败。在这种情况下，通常需要逐个传感器进行转换。

• 可能存在稳定性问题：在复杂的应用环境或总线长度较长时，寄生电源模式的稳定性不如独立供电模式。

强上拉（Strong Pullup）功能：为了弥补寄生电源模式的电流不足问题，DS18B20数据手册中提到了“强上拉”功能。在进行温度转换时，微控制器可以激活一个额外的MOSFET或晶体管，将DQ线上拉到VCC，从而提供更大的电流。这类似于为传感器提供一个临时的独立电源，确保其在转换期间获得足够的能量。但在实际应用中，如果可能，通常还是优先考虑独立供电模式以获得最佳稳定性。

第三章：1-Wire总线通信协议

DS18B20采用Maxim的独有1-Wire通信协议。这是一个主从结构的总线系统，由一个主控制器（通常是微控制器）控制一个或多个从设备（DS18B20）。所有通信都通过单根数据线（DQ）进行。

3.1 1-Wire总线的基本操作

1-Wire通信基于严格的时序，主要包括以下几个基本操作：

3.1.1 初始化序列

所有1-Wire总线通信都始于一个初始化序列。这个序列由主控制器发出复位脉冲（Reset Pulse），然后DS18B20回应存在脉冲（Presence Pulse）。

• 复位脉冲：主控制器将DQ线拉低至少480微秒（us），然后释放DQ线（通过上拉电阻拉高）。这个持续时间确保总线上的所有DS18B20都接收到复位信号。

• 存在脉冲：在主控制器释放DQ线后的15微秒到60微秒内，DS18B20会检测到复位信号并作为响应，将DQ线拉低60微秒到240微秒，这就是存在脉冲。主控制器检测到这个低电平脉冲，表示总线上的DS18B20已经就绪。

如果主控制器没有检测到存在脉冲，则表示总线上没有DS18B20设备，或者通信出现问题。

3.1.2 写入时序

写入操作是通过**时间槽（Time Slot）**来实现的，每个时间槽大约持续60微秒到120微秒。每个时间槽用于传输一个位数据（0或1）。

• 写入0（Write 0）：主控制器将DQ线拉低60微秒到120微秒，然后在时间槽结束前释放。DS18B20在拉低脉冲期间读取DQ线的状态。

• 写入1（Write 1）：主控制器将DQ线拉低1微秒到15微秒，然后立即释放DQ线，并在时间槽剩余时间内保持DQ线高电平。DS18B20在拉低脉冲之后的短时间内读取DQ线的状态。

每个写入操作之后需要至少1微秒的恢复时间（Recovery Time），确保总线为下一个操作做好准备。

3.1.3 读取时序

读取操作也通过时间槽实现，每个时间槽大约持续60微秒到120微秒。

• 读取位（Read Bit）：主控制器首先将DQ线拉低1微秒到15微秒，然后立即释放DQ线（通过上拉电阻拉高）。DS18B20将在主控制器释放DQ线后的15微秒内将数据位（0或1）驱动到DQ线上。主控制器需要在拉低后15微秒内读取DQ线的状态。如果读取到低电平，则为0；如果读取到高电平，则为1。

同样，每个读取操作之后也需要至少1微秒的恢复时间。

3.2 64位ROM码与设备寻址

DS18B20的每个芯片在出厂时都被烧录了一个全球唯一的64位序列码（也称为ROM码）。这个ROM码由以下几部分组成：

• 8位家族码（Family Code）：DS18B20的家族码是28h，用于识别设备类型。

• 48位序列号（Serial Number）：这是每个DS18B20的唯一标识符。

• 8位CRC校验码（CRC Checksum）：用于校验前56位数据是否正确传输。

这个64位ROM码是实现多点（Multidrop）功能的基础。当总线上连接了多个DS18B20时，主控制器可以通过ROM命令来选择与哪个DS18B20进行通信。

3.2.1 ROM命令

在发送任何功能命令之前，主控制器必须先发送一个ROM命令。常见的ROM命令包括：

• READ ROM [33h] (读取ROM码)：当总线上只有一个DS18B20时，主控制器可以使用此命令直接读取其64位ROM码。

• MATCH ROM [55h] (匹配ROM码)：当总线上有多个DS18B20时，主控制器发送此命令后，接着发送一个特定的64位ROM码。只有与该ROM码匹配的DS18B20才会响应后续的功能命令，其他设备将进入等待状态。

• SKIP ROM [CCh] (跳过ROM码)：当总线上只有一个DS18B20时，主控制器可以使用此命令跳过ROM码匹配过程，直接发送功能命令。这可以简化通信流程。如果总线上有多个设备，使用此命令可能会导致冲突，因为所有设备都会响应功能命令。

• SEARCH ROM [F0h] (搜索ROM码)：这是用于发现总线上所有DS18B20的ROM码的命令。主控制器通过迭代执行此命令，并根据DS18B20的响应来逐步构建总线上所有设备的ROM码列表。这个过程较为复杂，通常需要专门的算法（例如，Maxim提供的1-Wire搜索算法）来实现。

• ALARM SEARCH [ECh] (报警搜索)：此命令用于查找那些温度超出设定报警范围（TH或TL）的DS18B20设备。只有处于报警状态的DS18B20才会响应此命令。

第四章：存储器结构与功能命令

DS18B20内部拥有多个存储器和寄存器，用于存储温度数据、配置信息和报警阈值。理解这些存储器的结构和功能对于有效控制DS18B20至关重要。

4.1 存储器结构

DS18B20的内部存储器主要包括：

• 64位ROM (只读存储器)：如前所述，存储唯一的64位序列码。

• 9字节高速暂存器 (Scratchpad Memory)：这是一个可读写的RAM区域，用于临时存储数据。其结构如下：

• 字节0 (LSB) 和 字节1 (MSB)：温度寄存器（Temperature Register）。这是A/D转换后的数字温度值存储的地方。温度数据以16位带符号扩展的二进制补码格式存储。

• 字节2：TH寄存器（High Alarm Trigger Register）。存储用户设定的高温报警阈值。这是一个8位寄存器。

• 字节3：TL寄存器（Low Alarm Trigger Register）。存储用户设定的低温报警阈值。这是一个8位寄存器。

• 字节4：配置寄存器（Configuration Register）。用于设置温度转换的分辨率。这是一个8位寄存器。

• 字节5、6、7：保留字节，通常读取为全1。

• 字节8：CRC校验码（CRC Checksum）。用于校验暂存器前8个字节的数据完整性。

• EEPROM (电可擦除可编程只读存储器)：用于永久存储TH、TL和配置寄存器的值。这些值在上电时会自动加载到暂存器对应的位置。

4.2 温度数据格式与分辨率

温度数据以16位带符号扩展的二进制补码格式存储在暂存器的字节0和字节1中。

温度数据解释：

• 正温度：直接转换为二进制，然后存储。

• 负温度：取绝对值，转换为二进制，然后取补码。

分辨率设置（通过配置寄存器）：配置寄存器（字节4）的第5位（R1）和第6位（R0）用于设置分辨率：

• R1 R0 = 00：9位分辨率，步长为0.5°C。转换时间最快（约93.75ms）。

• R1 R0 = 01：10位分辨率，步长为0.25°C。转换时间约187.5ms。

• R1 R0 = 10：11位分辨率，步长为0.125°C。转换时间约375ms。

• R1 R0 = 11：12位分辨率，步长为0.0625°C。转换时间最慢（约750ms）。

默认上电分辨率为12位。用户可以通过写入配置寄存器来改变分辨率。

例子：12位分辨率温度计算如果读取到的16位温度数据为0x0191 (二进制 0000 0001 1001 0001)： 这是一个正数。将其除以16 (即右移4位)，得到 0x0019。0x0019 转换为十进制是 25。 所以，温度是 25.0°C。

如果读取到的16位温度数据为0xFE6F (二进制 1111 1110 0110 1111)： 这是一个负数。首先取其补码（按位取反加1）：0000 0001 1001 0000 + 1 = 0000 0001 1001 0001转换为十进制是 401。 然后将其除以16，得到 25.0625。 因此，原始温度是 -25.0625°C。

4.3 功能命令

在发送ROM命令并选择好目标DS18B20后，主控制器可以发送功能命令来控制DS18B20的操作。

• CONVERT T [44h] (温度转换)：这个命令启动DS18B20的温度测量和A/D转换过程。转换完成后，温度数据会被写入暂存器的温度寄存器中。在转换期间，DS18B20的DQ线会被拉低，表示正在忙碌；转换完成后，DQ线会被拉高。主控制器可以通过检测DQ线的状态来判断转换是否完成，或者等待相应的最大转换时间。

• WRITE SCRATCHPAD [4Eh] (写入暂存器)：此命令允许主控制器向暂存器写入3个字节的数据：TH寄存器（字节2）、TL寄存器（字节3）和配置寄存器（字节4）。写入顺序是从低位到高位。在发送此命令后，主控制器需要发送3个数据字节。

• READ SCRATCHPAD [BEh] (读取暂存器)：此命令允许主控制器读取暂存器的所有9个字节内容，包括温度数据、TH、TL、配置寄存器以及CRC校验码。数据传输从字节0开始，到字节8结束。主控制器可以随时发送复位脉冲来终止读取操作。

• COPY SCRATCHPAD [48h] (复制暂存器到EEPROM)：此命令将暂存器中的TH、TL和配置寄存器（字节2、3、4）的数据复制到EEPROM中，使其成为非易失性数据。这些数据在传感器断电后依然保留，并在下次上电时自动加载到暂存器。

• RECALL E2 [B8h] (从EEPROM召回)：此命令将EEPROM中保存的TH、TL和配置寄存器的值召回到暂存器中。这个操作在上电时会自动执行，但在需要时也可以手动执行。

第五章：应用实例与编程指南

DS18B20因其数字输出和多点能力，在各种应用中都非常受欢迎。以下是一些典型的应用场景以及简要的编程指南。

5.1 典型应用场景

• HVAC（供暖、通风、空调）系统：用于精确测量室内或管道温度，以实现温度控制和节能。

• 环境监测：在室内、室外或特定区域（如温室、冷库）进行温度监测，用于气象站、农业或存储管理。

• 工业过程控制：监测生产线、设备或液体温度，以确保生产过程的稳定性和产品质量。

• 消费电子产品：例如智能家居系统、数码温度计、热水器等，提供精准的温度显示和控制。

• 医疗设备：如体温计、孵化器等，对温度有严格要求的场合。

• 数据记录仪：构建分布式温度数据采集系统，记录长时间的温度变化。

5.2 编程指南（以Arduino为例）

DS18B20的编程通常涉及到1-Wire总线的时序控制和命令发送。许多微控制器平台都有成熟的1-Wire库支持，极大地简化了开发。这里以Arduino平台为例进行说明。

5.2.1 所需库

通常需要两个库来与DS18B20通信：

• OneWire库：用于处理底层的1-Wire总线通信协议（复位、存在脉冲、读写时序等）。

• DallasTemperature库：基于OneWire库，提供了更高级的函数来方便地读取DS18B20的温度，以及处理多点传感器的情况。

这些库可以通过Arduino IDE的库管理器进行安装。

5.2.2 硬件连接

• 将DS18B20的DQ引脚连接到Arduino的任何一个数字I/O引脚（例如Pin 2）。

• 在DQ引脚和VCC（5V或3.3V，取决于DS18B20的供电要求）之间连接一个4.7kΩ的上拉电阻。

• 将DS18B20的GND引脚连接到Arduino的GND。

• 如果使用独立供电模式，将DS18B20的VDD引脚连接到Arduino的VCC。如果使用寄生电源模式，VDD引脚悬空。

5.2.3 单个DS18B20温度读取示例代码（伪代码）

C++

#include <OneWire.h>#include <DallasTemperature.h>
// 定义DS18B20连接的Arduino数字引脚#define ONE_WIRE_BUS 2
// 实例化OneWire对象OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
// 实例化DallasTemperature对象，传入OneWire引用DallasTemperature sensors(&oneWire);void setup() {
  Serial.begin(9600); // 初始化串口通信
  Serial.println("DS18B20 温度传感器测试");

  sensors.begin(); // 初始化DS18B20传感器}void loop() {
  Serial.print("正在请求温度测量...");
  sensors.requestTemperatures(); // 请求传感器进行温度转换
  Serial.println("完成");  // 读取第一个DS18B20的温度 (因为只有一个，所以索引为0)
  float temperatureC = sensors.getTempCByIndex(0);  // 检查是否读取到有效温度
  if (temperatureC == DEVICE_DISCONNECTED_C) {
    Serial.println("错误: 无法读取DS18B20温度!");
  } else {
    Serial.print("温度: ");
    Serial.print(temperatureC);
    Serial.println(" °C");
  }

  delay(2000); // 每2秒读取一次}

5.2.4 多个DS18B20温度读取示例代码（伪代码）

当总线上连接多个DS18B20时，每个传感器都有一个唯一的64位ROM码。通常的做法是先搜索并获取所有连接的DS18B20的ROM码，然后通过ROM码来寻址特定的传感器。

C++

#include <OneWire.h>#include <DallasTemperature.h>#define ONE_WIRE_BUS 2OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);
// 存储所有DS18B20的地址DeviceAddress tempSensorAddresses[10]; 
// 假设最多10个传感器void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("多个DS18B20 温度传感器测试");

  sensors.begin(); // 初始化DS18B20传感器

  // 打印找到的设备数量
  Serial.print("找到 ");
  Serial.print(sensors.getDeviceCount());
  Serial.println(" 个DS18B20设备");  // 获取所有设备的地址
  for (int i = 0; i < sensors.getDeviceCount(); i++) {    
  if (sensors.getAddress(tempSensorAddresses[i], i)) {
      Serial.print("设备 ");
      Serial.print(i);
      Serial.print(" 地址: ");
      printAddress(tempSensorAddresses[i]); // 辅助函数打印地址
      Serial.println();
    }
  }
}void loop() {
  Serial.println("正在请求所有传感器温度测量...");
  sensors.requestTemperatures(); // 请求所有传感器进行温度转换
  Serial.println("完成");  // 遍历所有传感器并读取温度
  for (int i = 0; i < sensors.getDeviceCount(); i++) {
    Serial.print("设备 ");
    Serial.print(i);
    Serial.print(" (地址 ");
    printAddress(tempSensorAddresses[i]);
    Serial.print("): ");    float temperatureC = sensors.getTempC(tempSensorAddresses[i]);    
    if (temperatureC == DEVICE_DISCONNECTED_C) {
      Serial.println("错误: 无法读取温度!");
    } else {
      Serial.print(temperatureC);
      Serial.println(" °C");
    }
  }

  delay(5000); // 每5秒读取一次所有传感器}// 辅助函数：打印DS18B20的ROM地址void printAddress
  (DeviceAddress deviceAddress) {  for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {    
  // 如果是单个字节，前面补0
    if (deviceAddress[i] < 16) Serial.print("0");
    Serial.print(deviceAddress[i], HEX);
  }
}

注意事项：

• 上拉电阻：在1-Wire总线上，必须有一个上拉电阻。如果有多个DS18B20模块，其中一些模块可能自带上拉电阻。请确保总线上只有一个上拉电阻，否则可能会影响通信。

• 总线长度与电源模式：当总线长度较长或连接的传感器数量较多时，推荐使用独立供电模式以确保稳定性和可靠性。寄生电源模式在这些情况下可能会出现电源不足的问题。

• CRC校验：DS18B20在ROM码和暂存器中都包含了CRC校验码。在读取数据时，可以通过计算CRC并与读取到的CRC校验码进行比对，以确保数据传输的完整性。DallasTemperature库通常会自动处理这些校验。

第六章：DS18B20的优势、局限性与选型考量

DS18B20是一款优秀的数字温度传感器，但它并非适用于所有场景。了解其优缺点和选型考量，有助于做出更明智的决策。

6.1 DS18B20的优势

• 数字化输出：直接输出数字信号，避免了模拟信号在传输和A/D转换过程中可能引入的噪声和误差，简化了硬件设计。

• 1-Wire总线接口：显著减少了I/O端口的使用，仅需一根数据线即可实现通信，特别适用于多点温度测量系统和远程部署。

• 多点测量能力：每个DS18B20都具有唯一的64位序列码，允许多个传感器并联在同一条总线上，并通过软件寻址，实现分布式温度监测。

• 测量精度高：在核心工作范围内（-10°C至+85°C）可达到±0.5°C的精度，满足大多数工业和消费应用的需求。

• 宽温度范围：-55°C到+125°C的测量范围使其能够适应广泛的环境条件。

• 可编程分辨率：用户可以根据对精度和转换速度的需求，在9位到12位之间调整分辨率。

• 无需外部元件：除了上拉电阻，无需其他外围元件，简化了电路设计和物料清单。

• 寄生电源模式：在某些场景下，仅需两根线（DQ和GND）即可工作，进一步简化布线。

• 报警功能：内置的高低温报警功能可实现温度异常的自动检测和提醒，增强了系统的智能性。

• 高性价比：相较于其他高性能温度传感器，DS18B20通常具有较低的成本，适合大规模应用。

6.2 DS18B20的局限性

• 通信速度相对较慢：1-Wire总线的通信速度相对其他串行总线（如SPI、I2C）较慢，尤其是进行高分辨率温度转换时，最长可能需要750毫秒。对于需要极高速率刷新温度数据的应用可能不适用。

• 对时序要求严格：1-Wire通信对时序的精确性有较高要求，如果微控制器I/O口的驱动能力不足或时序控制不当，容易导致通信失败。

• 寄生电源模式的局限性：虽然寄生电源模式可以简化布线，但其供电能力有限，不适合长距离传输、大量传感器或需要同时进行温度转换的应用，容易出现供电不足导致的不稳定问题。

• 总线长度限制：尽管1-Wire总线可以支持一定长度，但随着总线长度的增加和传感器数量的增多，信号完整性会下降，可能需要更强的上拉电阻或总线驱动器。

• 只能测量温度：DS18B20是纯粹的温度传感器，不提供湿度或其他环境参数的测量。如果需要同时测量湿度，可能需要结合其他传感器（如DHT系列）。

• 软件开销：尽管有现成的库，但相较于模拟传感器直接读取ADC值，1-Wire协议在微控制器端的软件实现上仍有一定的复杂性，需要额外的库文件和处理逻辑。

6.3 选型考量

在选择是否使用DS18B20时，需要综合考虑以下因素：

• 测量精度和范围要求：DS18B20在-10°C到+85°C范围内精度高，且测量范围宽广，能够满足大多数非极端环境的需求。如果需要更高的精度（如0.1°C以内）或更广的测量范围，可能需要考虑其他工业级传感器。

• 布线复杂性：如果系统需要分布式多点温度测量，且布线空间有限或希望简化布线，1-Wire总线和寄生电源模式是DS18B20的突出优势。

• 功耗要求：DS18B20在待机模式下功耗极低，对于电池供电或低功耗应用具有吸引力。

• 响应速度：如果应用场景对温度刷新频率有很高要求（例如，每几十毫秒更新一次），DS18B20的转换时间可能是一个瓶颈。

• 成本预算：DS18B20通常是性价比很高的选择。

• 开发难度与现有资源：如果已有成熟的1-Wire库和开发经验，或者微控制器支持1-Wire接口，则使用DS18B20的开发难度较低。

• 防水与封装需求：DS18B20有多种封装，包括带防水探头的版本，这在潮湿或液态介质中测量温度时非常方便。

与DHT11/DHT22的比较：DS18B20专注于温度测量，提供更高的温度精度和更宽的温度范围，尤其是在负温度区域表现更佳。而DHT11/DHT22集成了温湿度测量功能，虽然DHT11的温度精度和范围不如DS18B20，但DHT22的温度精度可与DS18B20媲美，并且提供了湿度数据。如果仅需要温度，且对精度和多点分布式有要求，DS18B20是更优选择；如果需要温湿度一体化测量，DHT系列可能更合适。

与LM35的比较：LM35是模拟输出的温度传感器，其输出电压与摄氏温度呈线性关系。它使用简单，但需要微控制器的ADC功能，并且在长距离传输中容易受到噪声干扰。DS18B20是数字输出，抗干扰能力更强，且具备多点能力和更宽的测量范围。

第七章：DS18B20的内部结构与工作细节

为了更深入地理解DS18B20的工作方式，我们有必要探究其内部的结构组成以及各部分协同工作的细节。DS18B20不仅仅是一个简单的温度传感器，它是一个集成了多种功能的微型智能设备。

7.1 内部方框图解析

DS18B20的内部方框图通常展示了以下关键模块：

• 温度传感器 (Temperature Sensor)：这是DS18B20的核心，负责感应环境温度并将模拟温度信号转换为相应的电压或电流信号。它通常基于带隙基准源和温度敏感的半导体PN结的电压或电流特性随温度变化的原理工作。

• A/D转换器 (Analog-to-Digital Converter)：将温度传感器输出的模拟信号转换为数字信号。DS18B20的A/D转换器支持9位到12位的可编程分辨率，分辨率越高，转换时间越长。

• 64位ROM (64-Bit ROM)：存储了DS18B20唯一的64位序列码，包括家族码、序列号和CRC校验码。这个ROM码在设备制造时被固化，是不可更改的。它是实现多点寻址的关键。

• 高速暂存器 (Scratchpad Memory)：这是一个9字节的RAM，作为传感器与主控制器之间的数据缓冲区。它包含：

• 温度寄存器 (Temperature Register)：2字节，用于存储最新的A/D转换结果。

• TH/TL寄存器 (High/Low Alarm Trigger Registers)：各1字节，用于设置高温和低温报警阈值。这些值可以由用户写入，并复制到EEPROM中以实现非易失性存储。

• 配置寄存器 (Configuration Register)：1字节，用于设置A/D转换的分辨率（9位、10位、11位、12位）。同样，这个值可以写入EEPROM。

• 保留字节 (Reserved Bytes)：3字节，通常读取为全1，不用于用户数据。

• CRC校验码 (CRC Checksum)：1字节，用于校验暂存器前8个字节的数据完整性。这个CRC值是由DS18B20内部自动计算生成的。

• EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)：一个非易失性存储器，用于永久保存TH、TL和配置寄存器的值。这些值在DS18B20每次上电时都会自动从EEPROM加载到暂存器对应的位置，确保用户设定的参数在断电后不会丢失。

• 1-Wire接口逻辑 (1-Wire Interface Logic)：负责处理所有1-Wire总线上的通信时序和协议，包括复位、存在、读/写时槽的生成与识别，以及ROM命令和功能命令的解析。

• 电源管理电路 (Power Management Circuitry)：负责管理DS18B20的电源供应。在寄生电源模式下，该电路会利用DQ线上的高电平来为内部电容充电，并在DQ线被拉低时提供工作所需能量。它还包含一个内部振荡器用于时序控制。

7.2 寄生电源模式的细节

寄生电源模式是DS18B20的一项独特功能，其工作机制值得更详细地探讨。

在独立供电模式下，DS18B20的VDD引脚直接连接到电源，内部电源管理电路从VDD引脚获取稳定的电源。而在寄生电源模式下，VDD引脚悬空（或接地），传感器完全依赖DQ线上的电压来获取能量。

其工作原理是：

1. 充电阶段：当1-Wire总线处于空闲状态（DQ线通过上拉电阻保持高电平）时，DS18B20内部的电源管理电路会将DQ线上的电压通过一个内部二极管和电容进行整流和存储。这个电容被称为寄生电源电容。

2. 放电阶段：当主控制器需要向DS18B20写入数据或读取数据，将DQ线拉低时，DS18B20的VDD引脚无法从总线获取电源。此时，DS18B20会切换到由其内部寄生电源电容供电的状态，利用电容中储存的能量来维持内部电路的正常工作。

3. 温度转换与强上拉：温度转换是DS18B20内部最耗电流的操作。在寄生电源模式下，如果仅依靠常规的上拉电阻提供的电流，可能不足以支持长时间的A/D转换。因此，在发出CONVERT T命令后，主控制器通常需要激活一个强上拉（Strong Pullup）。强上拉意味着在温度转换期间，主控制器会使用一个低阻抗的通路（通常是一个MOSFET）将DQ线直接连接到VCC，而不是通过限流的上拉电阻，从而为DS18B20提供充足的电流，确保转换的顺利完成。转换完成后，主控制器会释放强上拉，DQ线再次回到由普通上拉电阻维持的空闲高电平状态。

寄生电源模式的成功运行，对上拉电阻的选择、总线电容、总线长度以及主控制器强上拉的实现都有较高的要求。如果设计不当，很容易出现温度转换失败或传感器通信不稳定的情况。因此，在对系统可靠性要求较高的场合，或者在设计初期不确定性较多的情况下，独立供电模式通常是更稳妥的选择。

7.3 CRC校验机制

DS18B20广泛使用了**循环冗余校验（CRC）**机制来确保数据传输的完整性和准确性。

• 64位ROM码的CRC：64位ROM码的最后一个字节是前7个字节（家族码、序列号）的CRC校验码。主控制器在读取ROM码后，可以重新计算前7个字节的CRC，并与读取到的第八个字节进行比对，如果匹配，则说明ROM码读取正确。

• 9字节暂存器的CRC：9字节暂存器的最后一个字节（字节8）是前8个字节（温度、TH、TL、配置、保留字节）的CRC校验码。在读取暂存器内容后，主控制器可以计算前8个字节的CRC，并与读取到的字节8进行比对，以验证暂存器数据的完整性。

这种CRC校验机制有效地检测了数据在1-Wire总线传输过程中可能发生的位错误，提高了系统的可靠性。在实际编程中，成熟的DS18B20库通常会内置CRC校验功能，自动检查数据有效性，并提供相应的错误指示，简化了开发者的工作。

第八章：DS18B20的校准与误差分析

尽管DS18B20出厂时已经经过校准，并在其额定工作范围内提供了±0.5°C的典型精度，但理解其误差来源和如何在特定应用中进行可能的进一步校准，对于实现最佳性能仍然具有价值。

8.1 误差来源

DS18B20的温度测量误差可能来源于以下几个方面：

• 传感器本身精度：DS18B20芯片在不同温度下的固有误差。数据手册通常给出了在特定温度范围内的最大误差。例如，在-10°C至+85°C范围内为±0.5°C，而在更宽的-55°C至+125°C范围内误差可能达到±2°C。

• 自热效应：DS18B20在工作时会消耗少量电能并产生热量，这会导致传感器自身的温度略高于环境温度。这种效应在通风不良或紧凑封装中尤为明显。虽然DS18B20功耗很低，但在高精度测量中仍需考虑。

• 电源电压波动：尽管DS18B20的数字输出特性使其对电源电压的波动不敏感，但如果电源电压低于其最低工作电压（3.0V），或者在寄生电源模式下供电不足，可能会导致测量不稳定或失败。

• PCB布局和散热：传感器与被测物体之间的热传导路径以及周围环境的散热条件会影响传感器测得的温度与真实环境温度的差异。例如，如果传感器直接安装在PCB上，PCB上其他发热元件的热量可能会传导到传感器，导致读数偏高。

• 引线长度和电磁干扰：虽然1-Wire协议具有一定的抗干扰能力，但过长的引线或强烈的电磁干扰（EMI）仍可能影响数据传输的完整性，导致读取错误。

• 老化效应：所有电子元件都会随着时间的推移而老化，这可能导致其性能参数发生微小变化，包括测量精度。

• 水汽凝结：如果DS18B20（特别是TO-92封装的裸芯片）在潮湿环境下工作，水汽凝结可能导致引脚之间短路或影响电气特性，进而影响测量。防水封装的DS18B20则能有效避免此问题。

8.2 校准方法

DS18B20通常不需要用户进行常规校准，因为其出厂时已进行数字校准。然而，在某些对精度有极高要求或特定应用场景下，如果发现测量结果存在系统性偏差，可以考虑进行系统级校准或软件补偿。

8.2.1 系统级校准

这种校准并非针对DS18B20芯片本身进行，而是针对整个测量系统（包括传感器、布线、主控制器和安装环境）进行。

1. 参考标准：在一个已知且稳定的温度环境中（例如，使用高精度标准温度计或恒温箱），放置DS18B20和参考温度计。

2. 数据采集：在多个不同的温度点（覆盖DS18B20的常用测量范围），同时记录DS18B20的读数和参考温度计的读数。

3. 建立校准曲线：根据采集到的数据，可以绘制出DS18B20读数与真实温度之间的关系曲线。如果误差呈现线性关系，可以计算出补偿系数（例如，斜率和截距）。

4. 软件补偿：在微控制器的固件中，应用这些补偿系数来调整DS18B20的原始读数，从而得到更接近真实温度的值。例如，如果发现DS18B20的读数普遍偏高0.2°C，可以在程序中对读取到的温度值减去0.2°C。

8.2.2 硬件安装优化

虽然不属于“校准”范畴，但通过优化DS18B20的硬件安装可以显著提高其测量精度：

• 良好接触：确保传感器探头与被测物体有良好的热接触，例如使用导热膏或直接浸入液体。

• 隔离热源：将DS18B20远离发热元件，或者采用隔热措施，防止热量通过PCB或其他路径传导到传感器。

• 通风设计：确保传感器周围有良好的空气流通，减少自热效应。

• 选择合适的封装：在潮湿环境中使用防水封装的DS18B20。

• 布线规范：遵循1-Wire总线的设计规范，例如使用适当的上拉电阻，避免过长的总线和强电磁干扰。

8.3 精度与分辨率的选择

DS18B20的可编程分辨率特性允许用户在精度和转换时间之间进行权衡。

• 12位分辨率（0.0625°C）：提供最高的精度，但转换时间最长（约750ms）。适用于对温度变化不敏感但要求高精度的应用。

• 9位分辨率（0.5°C）：精度最低，但转换时间最短（约93.75ms）。适用于对响应速度有要求，且对温度精度要求不高的场合，例如快速检测大致温度变化。

在实际应用中，应根据项目需求仔细选择合适的分辨率，以在性能和效率之间找到最佳平衡点。如果需要快速连续读取，可以考虑使用较低分辨率，或者在进行温度转换时，主控制器可以执行其他任务，待转换完成后再读取数据。

第九章：DS18B20的可靠性与长期稳定性

DS18B20作为一款广泛使用的数字温度传感器，其可靠性和长期稳定性是衡量其质量和适用性的重要指标。在工业、农业和科研等领域，传感器在恶劣环境下长时间稳定工作是至关重要的。

9.1 可靠性指标

DS18B20的可靠性主要体现在以下几个方面：

• 工作温度范围：DS18B20被设计用于在-55°C至+125°C的宽泛温度范围内可靠工作。这意味着它可以在许多极端低温或高温环境中保持正常功能。

• 供电电压范围：3.0V至5.5V的宽工作电压范围使得DS18B20能够兼容多种电源，包括电池供电系统和5V或3.3V微控制器系统。

• ESD保护：DS18B20通常具有一定的静电放电（ESD）保护能力，这有助于防止在操作或安装过程中因静电造成的损坏。

• 数字输出的鲁棒性：与模拟传感器相比，数字传感器输出的是离散的二进制信号，这使得它们对噪声和电磁干扰（EMI）的抵抗能力更强，从而提高了数据传输的可靠性。

• CRC校验机制：DS18B20在ROM码和暂存器中都内置了CRC校验码，能够有效检测数据传输过程中的错误，进一步增强了数据的可靠性。如果CRC校验失败，主控制器可以判断数据无效并尝试重新读取。

• 工业级应用能力：由于其坚固的设计和广泛的温度范围，DS18B20常被用于工业控制和自动化等严苛环境。

9.2 长期稳定性

传感器的长期稳定性指的是其在长时间工作或存储后，性能参数（如精度）保持在规定范围内的能力。

• 内部设计：DS18B20采用半导体工艺制造，其温度传感元件和数字逻辑电路都经过优化设计，以确保在长时间运行中保持稳定。

• 漂移（Drift）：数据手册通常会提供关于温度漂移的参数。例如，在1000小时的+125°C，VDD=5.5V的应力测试下，DS18B20的温度漂移可能在±0.2°C左右。这意味着在极端条件下，传感器的读数可能会有轻微的系统性偏差。在大多数民用或普通工业应用中，这种程度的漂移通常是可以接受的。

• 非易失性存储器（EEPROM）：TH、TL和配置寄存器的数据可以存储在EEPROM中，EEPROM具有数据保存十年甚至更长时间的能力，确保了用户设定的参数在断电后不会丢失，提高了系统的长期可靠性。

• 封装影响：封装形式对传感器的长期稳定性也有影响。例如，TO-92封装的裸芯片可能更容易受到环境因素（如潮湿、腐蚀性气体）的影响，而带有不锈钢管封装的防水DS18B20则具有更好的环境适应性和长期稳定性。

9.3 提升系统可靠性的措施

除了DS18B20自身的可靠性，系统设计者还可以采取以下措施来进一步提升整个温度测量系统的可靠性和长期稳定性：

• 选择合适的电源模式：对于关键应用或长距离、多点测量，优先考虑使用独立供电模式，以确保传感器获得稳定充足的电源。

• 优化1-Wire总线设计：

• 上拉电阻：选择合适阻值的上拉电阻，确保DQ线在空闲时能迅速拉高。对于多点应用，如果总线电容较大，可能需要适当降低上拉电阻值或使用有源上拉。

• 总线长度：控制1-Wire总线的长度，避免过长导致信号衰减和噪声干扰。如果必须使用长线，考虑使用带总线驱动器的特殊1-Wire器件（如DS2482系列）来增强信号。

• 布线规范：采用星形布线应谨慎，尽量采用直线拓扑结构，减少总线分支，以降低信号反射和干扰。

• 接地良好：确保所有DS18B20设备和主控制器都有可靠的接地连接，减少地线噪声。

• 软件容错机制：

• 多次读取与平均：对同一传感器进行多次温度读取并取平均值，可以有效滤除瞬时噪声，提高读数的稳定性。

• CRC校验：始终对读取到的暂存器数据进行CRC校验，如果校验失败，则认为数据无效，并尝试重新读取。

• 异常处理：在检测到传感器断线、通信失败或读数异常时，程序应有相应的错误处理机制，例如记录日志、触发报警或尝试重新初始化。

• 软件滤波：对于快速变化的温度环境，可以通过软件算法（如滑动平均滤波、卡尔曼滤波）对温度数据进行平滑处理，以消除偶然的尖峰误差。

• 环境防护：根据应用环境选择合适的DS18B20封装。在潮湿、多尘或有腐蚀性气体的环境中，务必使用密封良好的防水探头。

• 定期检查与维护：对于长期运行的系统，定期检查传感器连接、电源供应和布线状况，确保其处于良好工作状态。

通过综合考虑DS18B20的固有特性以及系统层面的优化措施，可以构建出高度可靠和长期稳定的温度测量解决方案。

总结与展望

DS18B20作为一款经典的数字温度传感器，凭借其独特的1-Wire通信接口、宽广的测量范围、高精度以及多点测量能力，在各类温度监测和控制应用中占据着重要的地位。它极大地简化了系统布线，降低了硬件成本，并提供了稳定可靠的数字温度数据。从智能家居、工业自动化到环境监测，DS18B20的应用无处不在，为工程师和爱好者提供了高效便捷的温度解决方案。

本数据手册详细阐述了DS18B20的工作原理、内部结构、引脚配置、电源模式、1-Wire通信协议以及各项功能命令。我们深入分析了其暂存器结构、温度数据格式、分辨率设置，并提供了编程指南，旨在帮助读者全面掌握DS18B20的使用方法。同时，我们也探讨了DS18B20的优势与局限性，以及在实际应用中提升系统可靠性与长期稳定性的各种考量和策略。

未来，随着物联网（IoT）和边缘计算的快速发展，对分布式、低功耗、高可靠性传感器的需求将持续增长。DS18B20凭借其已有的优势，将继续在这些领域发挥重要作用。同时，随着半导体技术的进步，我们可能会看到更低功耗、更高精度、更小尺寸的改进型数字温度传感器出现，甚至可能集成更多的智能功能，例如自诊断、更复杂的报警逻辑或与其他传感器进行数据融合的能力。

尽管有新兴技术和更高级的传感器出现，DS18B20以其成熟稳定、易于使用和成本效益的特点，仍然是许多温度测量应用中不可替代的理想选择。掌握DS18B20的使用，无疑是电子工程和嵌入式系统开发人员的宝贵技能。希望本数据手册能为您在DS18B20的应用开发中提供坚实的基础和深入的参考。