DS18B20温度传感器与74HC573锁存器：原理、接线与高级应用详析

在现代电子设计中，温度测量是一个基础且至关重要的环节。无论是工业控制、智能家居、环境监测，还是科学实验，精确可靠的温度数据都是系统稳定运行和功能实现的关键。DS18B20是一款广泛应用的数字温度传感器，以其单总线（One-Wire）接口、高精度和宽测量范围而著称。然而，在某些复杂的应用场景，例如需要大量DS18B20传感器进行温度采集，或微控制器（MCU）的GPIO资源有限时，直接驱动多个DS18B20可能会面临挑战。此时，结合通用锁存器如74HC573就成为一种高效的解决方案。74HC573作为八路D型锁存器，能够有效扩展MCU的控制能力，允许通过少量引脚控制更多外部设备，从而优化系统资源配置。

本文将深入探讨DS18B20温度传感器和74HC573锁存器的工作原理、特性参数，详细阐述两者结合的接线方法，并在此基础上，扩展讨论其在实际应用中的各种策略、常见问题及解决方案，以及未来的发展方向。我们不仅会提供清晰的接线图示，更会从硬件和软件两个层面，全面剖析如何构建一个稳定、高效的温度采集系统。

第一章：DS18B20数字温度传感器：核心技术与应用基石

DS18B20是Maxim Integrated（原Dallas Semiconductor）推出的一款革命性数字温度传感器。它的出现极大地简化了温度测量系统设计，取代了传统模拟温度传感器所需的复杂信号调理电路。

1.1 DS18B20的基本原理与特性

DS18B20的核心优势在于其内部集成的模数转换器（ADC）、温度传感器元件、非易失性存储器（EEPROM）以及独特的单总线通信协议。

1.1.1 温度测量原理

DS18B20通过内部的半导体PN结进行温度测量。半导体PN结的饱和电流I_S与温度T之间存在特定的关系。随着温度的变化，PN结正向电压会发生微小变化，DS18B20正是利用这种变化，通过内部的温度补偿电路和高精度ADC将其转换为数字信号。这种转换过程是经过精确校准的，确保了传感器在整个测量范围内的线性度和准确性。传感器内部还包含一个振荡器，用于计时和同步通信。

1.1.2 单总线通信协议

这是DS18B20最显著的特点。单总线协议仅需要一根数据线（DQ）和一个地线（GND）即可实现传感器与主机（如MCU）之间的双向通信。在寄生电源模式下，甚至可以省去外部电源线（VDD），仅通过数据线供电。这种极简的接线方式大大降低了硬件复杂性和成本。

单总线协议的通信过程基于精确的时序控制。主机通过拉低数据线来发起通信（复位脉冲），传感器在检测到复位脉冲后会发送一个存在脉冲，表示其已准备好通信。随后，主机通过发送不同的ROM命令和功能命令来读取传感器数据或写入配置信息。每位数据传输都包含一个起始时隙、一个数据时隙和一个恢复时隙，确保了数据传输的可靠性。

1.1.3 主要特性参数

• 测量范围广： DS18B20的温度测量范围通常为$-55^circ C到+125^circ C$，能够满足绝大多数环境温度监测的需求。

• 高精度： 在$-10^circ C到+85^circ C范围内，精度可达到pm 0.5^circ C$。更高的分辨率可通过配置寄存器实现。

• 分辨率可配置： 用户可以通过写入配置寄存器来选择9位、10位、11位或12位的温度分辨率。其中12位分辨率可提供$0.0625^circ C$的步进精度。

• 独特的64位ROM编码： 每个DS18B20都具有一个唯一的64位激光刻录的ROM编码，这使得在同一条单总线上可以连接多个DS18B20传感器而不会发生地址冲突，方便实现分布式温度测量。

• 报警功能： 传感器内部包含用户可定义的上下限报警寄存器（T_H和T_L）。当测量温度超出设定的范围时，传感器会设置一个报警标志，主机可以通过搜索报警设备命令来快速识别并处理异常温度点。

• 非易失性存储器： 配置寄存器和报警阈值可以存储在EEPROM中，即使断电也不会丢失。

• 寄生电源模式： DS18B20能够仅通过数据线上的寄生电容获取能量，从而在某些应用中省去独立的电源线，进一步简化接线。然而，在大规模或高频率测量时，推荐使用外部电源模式以确保稳定性。

• 低功耗： 在空闲状态下，DS18B20的功耗非常低，适合电池供电的应用。

1.2 DS18B20的封装形式与引脚定义

DS18B20常见的封装形式有TO-92、SOP8和防水探头封装。

1.2.1 TO-92封装

这是最常见的直插式封装，外形类似小晶体管。

• 引脚1 (GND)： 接地。

• 引脚2 (DQ)： 数据输入/输出引脚，单总线通信口。

• 引脚3 (VDD)： 电源正极（3.0V - 5.5V）。在寄生电源模式下，此引脚悬空。

1.2.2 SOP8封装

表面贴装封装，适用于小型化设计。引脚功能与TO-92类似，但具体引脚编号可能有所不同，需查阅数据手册。

1.2.3 防水探头封装

为了适应潮湿、水下或户外环境，DS18B20常被封装在不锈钢管中，并通过防水电缆引出三根线（或两根用于寄生电源模式）。这使得它在液体温度测量、土壤温度监测等场景中非常受欢迎。

第二章：74HC573八路D型锁存器：功能与扩展应用

74HC573是CMOS高速逻辑系列中的一款八路D型透明锁存器。它在数字电路中扮演着数据锁存、地址译码和I/O扩展的重要角色。

2.1 74HC573的基本原理与特性

锁存器是一种存储器件，能够在其控制信号有效时，将输入端的数据保存下来，并在控制信号无效时保持不变。D型锁存器是最常见的一种。

2.1.1 工作原理

74HC573内部包含八个独立的D型触发器。每个触发器都有一个数据输入（D）和一个数据输出（Q）。此外，它还有两个公共控制引脚：

• LE (Latch Enable / 锁存使能)： 当LE为高电平时，锁存器是“透明的”，即输出端Q会实时跟随输入端D的变化。当LE由高电平变为低电平（下降沿）时，锁存器会将此时D端的数据锁存起来，并保持输出不变，无论D端后续如何变化。

• OE (Output Enable / 输出使能)： 当OE为低电平时，锁存器的输出端Q处于有效状态。当OE为高电平时，锁存器的输出端Q会进入高阻态（High-Z），此时输出引脚相当于断开，不会影响总线上的其他设备。

2.1.2 主要特性参数

• 宽电源电压范围： 74HC573通常工作在2V至6V的电压范围，与大多数微控制器的逻辑电平兼容。

• 高速性能： 作为HC系列器件，它具有相对较高的开关速度和较短的传播延迟，适用于快速数据处理。

• 低功耗： CMOS技术使得其静态功耗极低。

• 总线驱动能力： 输出端具有较强的驱动能力，可以直接驱动LED或其他逻辑门。

• 三态输出： OE引脚提供了三态输出功能，这在总线型系统中非常有用，允许多个器件共享同一组数据线而不发生冲突。

2.2 74HC573在I/O扩展中的应用

74HC573最常见的应用场景是扩展微控制器的I/O口。当MCU的GPIO引脚不足以控制所有外设时，可以通过74HC573来复用引脚，从而实现更多的控制功能。

2.2.1 地址译码器

在单片机系统中，74HC573常被用作地址锁存器，特别是在一些早期或资源受限的微控制器中，数据总线和地址总线会分时复用。此时，MCU会先将地址信息放到数据总线上，然后通过ALE（地址锁存使能）信号触发74HC573锁存地址，从而将地址和数据分离。

2.2.2 端口扩展器

通过将MCU的几个GPIO引脚连接到74HC573的D输入端和控制端（LE, OE），MCU可以控制8个独立的输出。例如，MCU可以通过3个GPIO控制多达8个74HC573，从而实现64个输出端口的扩展，极大地提高了端口利用率。

第三章：DS18B20与74HC573的结合：接线图与原理详解

将DS18B20与74HC573结合使用的核心思想是：利用74HC573作为GPIO扩展器或地址/数据锁存器，从而允许一个MCU的GPIO口能够“切换”控制多个DS18B20传感器，或者在单个DS18B20的通信过程中提供必要的地址或数据线扩展。然而，最常见且实用的结合方式是利用74HC573来选择性地使能不同组的DS18B20总线。

3.1 为什么需要结合使用？

• GPIO资源优化： 当需要连接大量DS18B20传感器时（例如，几十个甚至上百个），如果每个DS18B20都占用一个MCU的GPIO口，那么MCU的GPIO口很快就会耗尽。通过74HC573，一个MCU的GPIO口可以控制8条DS18B20的单总线，甚至更多，大大节省了资源。

• 隔离与降噪： 在某些电磁环境恶劣的场合，通过74HC573的锁存功能，可以暂时隔离DS18B20的数据线，防止外部噪声干扰MCU，或防止MCU在进行其他操作时，DS18B20的数据线被误操作。

• 模块化设计： 便于将DS18B20传感器进行分组管理。例如，可以有多个DS18B20组，通过74HC573选择性地激活某一组进行温度采集。

• 长距离传输下的信号完整性： 在某些情况下，如果DS18B20的总线较长，信号衰减或干扰可能导致通信不稳定。通过在特定位置放置74HC573作为中继或缓冲，可以增强信号驱动能力。

3.2 DS18B20与74HC573的典型接线图

这里我们以一种常见的应用场景为例：使用74HC573来选择性地控制多条DS18B20单总线。假设MCU有三个GPIO口用于控制74HC573的数据输入（D0-D7），以及两个控制口（LE和OE）。74HC573的八个输出口（Q0-Q7）分别连接到8条独立的DS18B20单总线。

3.2.1 硬件连接示意图

+-----------------------------------+
|            Microcontroller        |
| (e.g., Arduino, STM32, ESP32)     |
+------------+----------------------+
|  GPIO_D0   |--------------------->| D0
|  GPIO_D1   |--------------------->| D1
|  GPIO_D2   |--------------------->| D2
|  GPIO_D3   |--------------------->| D3
|  GPIO_D4   |--------------------->| D4
|  GPIO_D5   |--------------------->| D5
|  GPIO_D6   |--------------------->| D6
|  GPIO_D7   |--------------------->| D7
|            |                      |
|  GPIO_LE   |--------------------->| LE (Latch Enable)
|  GPIO_OE   |--------------------->| OE (Output Enable)
+------------+----------------------+
             |
             |
             v
+-----------------------------------+
|         74HC573 Latch             |
|                                   |
|   D0 ---- Q0 --------- 4.7kΩ ------ DQ_BUS_0 (to DS18B20 Group 0)
|   D1 ---- Q1 --------- 4.7kΩ ------ DQ_BUS_1 (to DS18B20 Group 1)
|   D2 ---- Q2 --------- 4.7kΩ ------ DQ_BUS_2 (to DS18B20 Group 2)
|   D3 ---- Q3 --------- 4.7kΩ ------ DQ_BUS_3 (to DS18B20 Group 3)
|   D4 ---- Q4 --------- 4.7kΩ ------ DQ_BUS_4 (to DS18B20 Group 4)
|   D5 ---- Q5 --------- 4.7kΩ ------ DQ_BUS_5 (to DS18B20 Group 5)
|   D6 ---- Q6 --------- 4.7kΩ ------ DQ_BUS_6 (to DS18B20 Group 6)
|   D7 ---- Q7 --------- 4.7kΩ ------ DQ_BUS_7 (to DS18B20 Group 7)
|                                   |
|   VCC_74HC573 ------------------->| VCC (3V-5V)
|   GND_74HC573 ------------------->| GND
+-----------------------------------+
             |
             | Each DQ_BUS_x can have one or more DS18B20s
             v
    +-----------------------------------+
    |     DS18B20 Group x (e.g., 0)     |
    +-----------------------------------+
    |    DQ_BUS_0 ---- DQ (DS18B20-1)   |
    |                |                  |
    |                DQ (DS18B20-2)     |
    |                |                  |
    |                ...                |
    |                                   |
    |    VDD_DS18B20s ----------------->| VDD (DS18B20s)
    |    GND_DS18B20s ----------------->| GND (DS18B20s)
    +-----------------------------------+

重要说明：

1. MCU与74HC573的连接：

• MCU的8个通用数字输出引脚（GPIO_D0到GPIO_D7）连接到74HC573的D0到D7输入引脚。这些引脚用于向74HC573写入要锁存的数据（即选择哪条DS18B20总线）。

• MCU的一个GPIO引脚（GPIO_LE）连接到74HC573的LE引脚。该引脚用于控制数据的锁存。

• MCU的另一个GPIO引脚（GPIO_OE）连接到74HC573的OE引脚。该引脚用于控制74HC573输出的使能/禁能（高阻态）。

• 电源连接： 74HC573的VCC和GND连接到MCU相同的电源和地。

2. 74HC573与DS18B20的连接：

• 74HC573的Q0到Q7输出引脚分别连接到8条独立的DS18B20单总线。

• 上拉电阻： 每条DS18B20单总线都必须连接一个4.7kΩ（或1kΩ-10kΩ之间）的上拉电阻到VCC。这是单总线协议的必需品，用于在空闲状态下将数据线拉高，并提供DS18B20在数据传输高电平期间的电流。

• DS18B20电源： DS18B20可以采用独立电源供电（VCC引脚接3V-5.5V）或寄生电源模式（VCC引脚悬空）。对于多传感器系统，强烈推荐使用独立电源供电，以保证通信的稳定性和测量的准确性，尤其是在进行温度转换时，DS18B20需要较大的瞬时电流。

3.3 工作流程与控制逻辑

这种连接方式的工作原理是：MCU通过74HC573的D输入端写入一个“选择字节”，这个字节的每一位对应一个74HC573的输出引脚。只有被选中（输出为高电平）的74HC573输出引脚所连接的DS18B20单总线才能正常工作，而其他总线则被置于低电平或高阻态（取决于具体控制策略）。

典型的控制步骤如下：

1. 初始化74HC573：

• 将74HC573的OE引脚拉低（使能输出）。

• 将74HC573的LE引脚拉低。

2. 选择要通信的DS18B20总线：

• Step 1: 写入选择数据。 MCU将要激活的DS18B20总线对应的位设置为高电平，其他位设置为低电平。例如，如果要激活DQ_BUS_0，则将74HC573的D0输入设置为高电平，D1-D7设置为低电平。

• Step 2: 锁存数据。 将74HC573的LE引脚拉高，然后迅速拉低。这将使D输入端的数据被锁存到Q输出端。此时，Q0将变为高电平，Q1-Q7保持低电平。

• Step 3: 确保只有一条总线被激活。 此时，只有Q0连接的DS18B20总线处于活跃状态，可以进行通信。其他Q输出保持低电平，从而使对应的DS18B20总线处于非活动状态（或者通过OE的配合，将其置于高阻态）。

3. 与选定的DS18B20总线通信：

• 一旦某条DS18B20总线被激活，MCU就可以像直接连接DS18B20一样，通过单总线协议与其进行通信，发送ROM命令（如搜索ROM、匹配ROM）和功能命令（如温度转换、读暂存器）。

• 由于74HC573的Q输出现在作为该总线的DQ线，MCU需要通过控制74HC573的D输入来模拟单总线时序。例如，要发送一个高电平，就将对应的D输入置高；要发送一个低电平，就将对应的D输入置低。在每次数据位发送或接收后，都需要再次通过LE引脚来锁存新的状态，并通过OE引脚控制74HC573输出的有效性。

4. 读取温度数据：

• 在DS18B20完成温度转换后，MCU可以再次通过74HC573的对应输出引脚，读取传感器暂存器中的温度数据。

5. 切换到其他总线：

• 重复步骤2，写入新的选择数据，即可切换到另一条DS18B20总线进行通信。

关于74HC573的OE引脚的使用策略：

• 简单模式： OE始终拉低（输出始终使能）。此时，未被选中的DS18B20总线的数据线将被74HC573的输出拉低，这会使这些DS18B20处于复位状态或未激活状态，不会影响当前被选中的总线通信。

• 高阻态模式（更灵活）： 在切换DS18B20总线之前，可以先将74HC573的OE引脚拉高，使所有Q输出进入高阻态。这有效地“断开”了所有DS18B20总线与74HC573的连接，避免了任何潜在的干扰。然后再设置新的D输入，拉低LE锁存，最后拉低OE使能新的输出。这种方法在多任务或复杂系统中更可靠。

第四章：软件实现：单总线协议与多路复用

成功地将DS18B20和74HC573连接起来只是第一步，更关键的是如何通过软件来精确控制它们，实现稳定高效的温度采集。这涉及到对单总线协议的精确时序控制，以及对74HC573的正确驱动逻辑。

4.1 单总线协议的软件实现要点

DS18B20的单总线通信是基于严格的时序。任何微小的时序偏差都可能导致通信失败。

4.1.1 关键时序与函数

• 复位与存在检测（Reset and Presence Detect）：

• 主机拉低DQ线至少480微秒。

• 主机释放DQ线（拉高），等待15-60微秒。

• DS18B20发送存在脉冲：拉低DQ线60-240微秒。

• 主机等待DQ线再次变为高电平。

• 写0时隙（Write 0 Time Slot）：

• 主机拉低DQ线至少60微秒（在15-120微秒之间）。

• 主机释放DQ线（拉高），等待至少1微秒。

• 整个时隙至少60微秒。

• 写1时隙（Write 1 Time Slot）：

• 主机拉低DQ线1-15微秒。

• 主机释放DQ线（拉高），等待60-120微秒。

• 整个时隙至少60微秒。

• 读时隙（Read Time Slot）：

• 主机拉低DQ线1-15微秒。

• 主机释放DQ线（拉高）。

• 在拉高后的15微秒内，主机读取DQ线状态。

• 整个时隙至少60微秒。

4.1.2 软件实现策略

在单片机编程中，通常会封装一系列函数来处理这些时序：

• DQ_setOutput(int state): 设置DS18B20数据线为高电平或低电平。

• DQ_getInput(): 读取DS18B20数据线状态。

• delay_us(int us): 微秒级延时函数，精确控制时序。

• ds18b20_reset(): 实现复位与存在检测。

• ds18b20_write_bit(int bit): 写入单个位。

• ds18b20_read_bit(): 读取单个位。

• ds18b20_write_byte(uint8_t byte): 写入一个字节。

• ds18b20_read_byte(): 读取一个字节。

• ds18b20_init(): 初始化传感器。

• ds18b20_start_conversion(): 发送温度转换命令。

• ds18b20_read_temp(): 读取温度数据。

对于多传感器的系统，还需要实现ROM搜索算法来查找所有连接在同一总线上的DS18B20的唯一ROM地址。

4.2 74HC573的软件驱动逻辑

驱动74HC573相对简单，主要是通过控制其D输入和LE、OE引脚的电平来选择和锁存输出。

4.2.1 端口定义

首先，在代码中定义MCU连接74HC573的引脚：

C

#define HC573_D0_PIN    PB0 // 举例：连接到MCU的PB0口#define HC573_D1_PIN    PB1// ...#define HC573_D7_PIN    PB7#define HC573_LE_PIN    PA0#define HC573_OE_PIN    PA1

4.2.2 74HC573控制函数

C

// 设置74HC573的D输入void set_hc573_data(uint8_t data) {    // 将data字节的每一位写入对应的D引脚
    // 例如：
    // if (data & 0x01) { GPIO_WriteBit(HC573_D0_PIN, SET); } else { GPIO_WriteBit(HC573_D0_PIN, RESET); }
    // ...
    // 可以通过直接写入端口寄存器来提高效率}// 锁存数据void hc573_latch_enable() {
    GPIO_WriteBit(HC573_LE_PIN, SET);   // 拉高LE
    delay_us(1);                        // 短暂延时以确保锁存
    GPIO_WriteBit(HC573_LE_PIN, RESET); // 拉低LE，锁存数据}// 使能/禁能74HC573输出void hc573_output_enable(int enable) {    if (enable) {
        GPIO_WriteBit(HC573_OE_PIN, RESET); // OE低电平使能输出
    } else {
        GPIO_WriteBit(HC573_OE_PIN, SET);   // OE高电平禁能输出（高阻态）
    }
}

4.2.3 结合DS18B20的软件流程

在实现DS18B20单总线通信函数时，需要将原有的直接操作MCU GPIO的宏或函数替换为通过74HC573间接操作DQ线。

假设我们有8条DS18B20总线，每条总线可能连接一个或多个DS18B20。我们需要一个函数来选择当前要操作的DS18B20总线。

C

// 定义一个全局变量，指示当前选择的DS18B20总线编号（0-7）volatile int current_ds18b20_bus_index = 0;// 选择特定的DS18B20总线void select_ds18b20_bus(int bus_index) {    if (bus_index < 0 || bus_index > 7) return; // 检查索引范围

    current_ds18b20_bus_index = bus_index;    uint8_t data_to_latch = (1 << bus_index); // 将对应位设置为高电平

    // 1. 设置D输入
    set_hc573_data(data_to_latch);    // 2. 锁存数据
    hc573_latch_enable();    // 3. 确保输出使能
    hc573_output_enable(1); // 确保74HC573输出有效}// 以下是修改后的DS18B20底层通信函数，它们将通过74HC573操作DQ线// 设置DS18B20数据线的输出状态void ds18b20_dq_set_output(int state) {    uint8_t current_latch_data = (1 << current_ds18b20_bus_index);    if (state == 0) { // 拉低
        set_hc573_data(0); // 将所有D输入设置为0，锁存后所有Q输出为0
    } else { // 拉高（通过上拉电阻实现）
        set_hc573_data(current_latch_data); // 确保只有当前选中的DQ线被拉高（通过上拉电阻）
    }
    hc573_latch_enable();
}// 读取DS18B20数据线的输入状态int ds18b20_dq_get_input() {    // 难点：74HC573的Q输出是单向的，无法直接读取DS18B20的输出。
    // 这就需要MCU的对应引脚同时连接到74HC573的Q输出和DS18B20的DQ线，
    // 并且MCU该引脚能够配置为输入/输出模式。
    // 另一种更常见且方便的方法是：74HC573的Q输出仅用于控制DQ线的拉低，
    // 而DQ线的读取则需要MCU的一个独立的GPIO引脚直接连接到每一条DQ_BUS上（但这样就失去了IO扩展的意义）。
    //
    // 更好的解决方案：
    // 在本例中，74HC573的输出（Qx）直接连接到DS18B20的DQ线。
    // DS18B20的DQ线需要是双向的。74HC573的输出是单向的。
    // 因此，这种配置通常意味着：74HC573的Qx用于控制DS18B20的写操作（将DQ线拉低），
    // 而读取DS18B20的数据则需要MCU的一个独立IO连接到DQ_BUS线上。
    //
    // 如果想要完全通过74HC573进行IO扩展，那么74HC573不能直接驱动DQ线，
    // 而是需要一个独立的IO口作为DS18B20的主IO，然后通过74HC573选择器来连接这个IO到不同的DQ总线。
    //
    // 另一种常见且更可靠的方法是使用带有三态门的缓冲器，如74HC244/245来隔离和选择DQ线。
    // 然而，为了实现完全的单线通信，最直接的方法是：
    // MCU有一个GPIO用于DS18B20的DQ操作，这个GPIO直接连接到DS18B20总线。
    // 而74HC573则用于选择哪个DS18B20传感器模块的电源或接地，从而间接激活特定模块。
    //
    // 鉴于原始的接线图，74HC573的Q输出直接连接DQ线。这意味着：
    // 当我们想要拉低DQ线时，我们通过74HC573的D输入设置为0并锁存，
    // 当我们想要释放DQ线（使其通过上拉电阻拉高）时，我们通过74HC573的D输入设置为1并锁存。
    // 但74HC573不能用来“读取”DS18B20的输出。
    //
    // **核心矛盾点：** 74HC573的Q是输出，不是输入。DS18B20的DQ是双向的。
    // 这种直接连接方式，74HC573的Q输出只能作为MCU的输出驱动，无法感知DS18B20的输入。
    //
    // **修正后的方案（更实用）：**
    // 74HC573用于切换“使能”信号，而不是直接切换DQ线。
    // 每个DS18B20模块都有自己的DQ线和上拉电阻，然后MCU有一个主DQ线。
    // 74HC573的Qx输出连接到每个DS18B20模块的“供电”或“启用”引脚（例如，控制一个MOSFET来开启DS18B20的VCC）。
    // MCU的单路GPIO直接连接到所有DS18B20的DQ线上（所有DQ线并联，需要更高级的寻址逻辑，如ROM匹配）。
    // **这种方案与用户原意“DS18B20与74HC573接线图”可能存在偏差，但更符合实际应用中的IO扩展需求。**
    //
    // **回到最初的“每条总线连接一个DS18B20或一组DS18B20”的设想：**
    // 如果74HC573的Q输出直接作为DQ总线。这意味着MCU需要通过74HC573来“模拟”DQ线的输入和输出。
    // 模拟输出是可行的（通过set_hc573_data和hc573_latch_enable）。
    // 但模拟输入是不行的。因为74HC573的Q输出是单向的。
    //
    // **唯一的可能性：**
    // 74HC573的Qx输出仅用于控制DQ线的**高电平驱动**和**低电平驱动**。
    // 而DQ线的**读取**，则需要MCU的**另一个可输入引脚**连接到**每一条Qx线上**，并且在读取时，74HC573的Qx必须进入高阻态（通过OE）。
    // 这意味着：MCU需要8个额外的输入引脚来读取8条DQ总线。这样仍然没有节省多少IO。
    //
    // **因此，为了符合IO扩展的初衷，我们需要重新思考接线图和工作原理。**
    //
    // **更合理的74HC573与DS18B20结合方案（真正的IO扩展）：**
    // 这种方案通常被称为“总线选择器”或“多路复用器”模式。
    // 1. MCU有一个GPIO引脚，作为唯一的DS18B20主DQ线。
    // 2. 74HC573的Q0-Q7输出，每个Qx连接到一个双向模拟开关（如CD4066, CD4051, DG408等），这些模拟开关的“通/断”由74HC573控制。
    // 3. 每一个DS18B20模块的DQ线连接到对应模拟开关的一端，模拟开关的另一端则并联到MCU的主DQ线上。
    // 4. DS18B20的VCC和GND正常连接。
    //
    // 这样，当MCU想要和某个DS18B20通信时：
    // a. 通过74HC573选择并打开对应DS18B20的模拟开关。
    // b. MCU的DQ引脚就可以直接与被选中的DS18B20进行单总线通信。
    // c. 其他模拟开关保持关闭，隔离了其他DS18B20的DQ线。
    //
    // **这个方案才是真正通过74HC573实现DS18B20的IO扩展，而非简单地驱动8条线。**
    // **然而，用户的原意是“DS18B20与74HC573接线图”，且未提及模拟开关。**
    //
    // **我们将继续按照最初的理解来详细描述，即74HC573的Q输出直接连接到DQ线上。**
    // **这意味着DQ线的“读取”必须通过某种反馈机制，或者MCU的GPIO具备输入和输出双向能力，并且直接连接到74HC573的Q输出端。**
    //
    // **对于DS18B20读取时隙，需要DQ线由MCU释放并由DS18B20拉低。**
    // **如果74HC573的Q输出是推挽输出，则无法被DS18B20拉低。**
    // **如果74HC573的Q输出是开漏输出（不常见），则可以。**
    //
    // **标准74HC573是推挽输出。因此，直接连接DQ线存在问题。**
    // **为了使DQ线能够被DS18B20拉低，Q输出必须在读取时进入高阻态。**
    // **所以OE引脚的使用至关重要。**

    // **修正后的 `ds18b20_dq_get_input()` 函数的设想：**
    // 这要求MCU的同一个引脚既作为74HC573的D输入，又作为DQ线的输入。
    // 这只有当MCU的GPIO具备：
    // 1. 连接到74HC573的D输入。
    // 2. 通过某种方式（例如，另一个GPIO）来读取74HC573的Q输出端（但74HC573是锁存器，不是总线收发器）。
    // 3. 或者，每个DQ_BUS都需要一个MCU的GPIO连接来读取。
    //
    // **这说明了直接用74HC573的Q作为DQ线是不合理的。**
    // **最实用的方案是：用74HC573来选择DS18B20的电源或总线连接。**
    //
    // **考虑到DS18B20是单总线，且该总线是双向的。**
    // **74HC573是单向的，输出无法被外部设备拉低。**
    // **因此，上述接线图中的DQ_BUS_x不能直接是74HC573的Qx输出。**

    ---
    **考虑到文字数量和用户要求的“DS18B20与74HC573接线图”，我们必须提供一个可行的方案。**
    **最常见的解决方案不是直接将Q输出作为DQ，而是将74HC573作为地址译码器，选择连接到主DQ线的DS18B20组。**

    **重新设计接线图和软件逻辑以符合实际可操作性：**
    ---

#### **3.2.2 修正后的DS18B20与74HC573的实用接线图（通过模拟开关实现IO扩展）**

为了实现MCU通过74HC573真正地扩展DS18B20的IO，我们需要引入模拟开关（Analog Switch/Multiplexer）。这才是实际应用中通过锁存器扩展这种双向总线的方法。

+-----------------------------------+

|            Microcontroller        |

| (e.g., Arduino, STM32, ESP32)     |

+------------+----------------------+

|  GPIO_MAIN_DQ  |----------------->| (Connects to all Analog Switch common I/O)

|                |                   |

|  GPIO_A0       |----------------->| D0

|  GPIO_A1       |----------------->| D1

|  GPIO_A2       |----------------->| D2

|                |                   |

|  GPIO_LE       |----------------->| LE (Latch Enable)

|  GPIO_OE       |----------------->| OE (Output Enable)

+------------+----------------------+

|

|  Control lines for 74HC573 (acting as address decoder)

v

+-----------------------------------+

|         74HC573 Latch             | (Controls which Analog Switch is active)

|                                   |

|   D0 ------ Q0 ------------------>| Control Input of Analog Switch 0

|   D1 ------ Q1 ------------------>| Control Input of Analog Switch 1

|   D2 ------ Q2 ------------------>| Control Input of Analog Switch 2

|   D3 ------ Q3 ------------------>| Control Input of Analog Switch 3

|   D4 ------ Q4 ------------------>| Control Input of Analog Switch 4

|   D5 ------ Q5 ------------------>| Control Input of Analog Switch 5

|   D6 ------ Q6 ------------------>| Control Input of Analog Switch 6

|   D7 ------ Q7 ------------------>| Control Input of Analog Switch 7

|                                   |

|   VCC_74HC573 ------------------->| VCC

|   GND_74HC573 ------------------->| GND

+-----------------------------------+

|

|  Each Qx controls an Analog Switch (e.g., CD4066, CD4051)

v

+----------------------------------------------------------------------------------+

|                          Analog Switches (e.g., 8x CD4066 or a CD4051)           |

+----------------------------------------------------------------------------------+

|  Analog Switch 0 (controlled by Q0) | Analog Switch 1 (controlled by Q1) | ...  |

|                                     |                                    |      |

|  Common I/O (to GPIO_MAIN_DQ) -----|---- I/O (to DS18B20 Group 0 DQ)     |      |

|                                     |                                    |      |

|  Common I/O (to GPIO_MAIN_DQ) -----|---- I/O (to DS18B20 Group 1 DQ)     |      |

|                                     |                                    |      |

|  ... (up to 7 more switches)        |                                    |      |

+----------------------------------------------------------------------------------+

|

| Each "DS18B20 Group x DQ" has its own pull-up resistor (4.7kΩ)

v

+-----------------------------------+

|     DS18B20 Group x (e.g., 0)     |

+-----------------------------------+

|  DQ_BUS_0 ---- DQ (DS18B20-1)     |

|               |                   |

|               DQ (DS18B20-2)      |

|               |                   |

|               ...                 |

|                                   |

|   VDD_DS18B20s ----------------->| VDD (All DS18B20s share common VDD/GND)

|   GND_DS18B20s ----------------->| GND

+-----------------------------------+

**修正后的接线图说明：**

1.  **MCU与74HC573连接：**
    * MCU的少量GPIO引脚（例如3个A0-A2，如果用74HC138译码器，或8个D0-D7直接控制8个通道）连接到74HC573的D输入端。这里我们假设用8个GPIO，直接控制每个通道的使能。
    * MCU的GPIO_LE和GPIO_OE连接到74HC573的LE和OE引脚。
    * **74HC573的VCC和GND正常连接。**
    * **MCU的一个独立GPIO_MAIN_DQ作为DS18B20的唯一主DQ线。** 这个GPIO需要配置为可输入可输出模式。

2.  **74HC573与模拟开关连接：**
    * 74HC573的Q0到Q7输出引脚分别连接到8个独立的模拟开关的控制输入端。每个Qx的高电平会使对应的模拟开关导通。
    * 这里可以使用多个独立的CD4066（每个CD4066有4个开关）或一个CD4051（8通道模拟多路复用器/解复用器）。

3.  **模拟开关与DS18B20连接：**
    * 每个模拟开关的一个I/O端连接到MCU的GPIO_MAIN_DQ引脚（所有开关的该端并联）。
    * 每个模拟开关的另一个I/O端连接到对应DS18B20组的DQ线。
    * **每条DS18B20组的DQ线上必须有独立的4.7kΩ上拉电阻到VCC。**
    * 所有DS18B20的VCC和GND可以并联到系统电源。

#### **4.2.4 修正后的软件实现逻辑（针对模拟开关方案）**

在这种“模拟开关”的方案下，软件逻辑变得清晰且高效：

```c
// 定义MCU的引脚
#define MCU_MAIN_DQ_PIN   PC0 // MCU用于所有DS18B20通信的主DQ线

// 74HC573控制引脚 (如果使用8位数据输入)
#define HC573_D0_PIN      PB0 // Q0
// ...
#define HC573_D7_PIN      PB7 // Q7

#define HC573_LE_PIN      PA0
#define HC573_OE_PIN      PA1

// MCU的通用GPIO控制函数 (根据MCU型号具体实现)
// 例如对于STM32:
// void set_gpio_output(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, uint8_t state);
// uint8_t get_gpio_input(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
// void set_gpio_mode(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIOMode_TypeDef mode);


// 设置74HC573的D输入，并锁存
void select_ds18b20_bus(int bus_index) {
    if (bus_index < 0 || bus_index > 7) return;

    uint8_t select_mask = (1 << bus_index); // 只有对应位为1，其他为0

    // 将select_mask写入74HC573的D输入
    // 假设我们逐位写入D0-D7
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        if ((select_mask >> i) & 0x01) {
            // 设置对应的D引脚为高电平
            // 例如：GPIO_WriteBit(HC573_D[i]_PIN, SET);
        } else {
            // 设置对应的D引脚为低电平
            // 例如：GPIO_WriteBit(HC573_D[i]_PIN, RESET);
        }
    }

    // 锁存数据
    set_gpio_output(HC573_LE_PIN, SET);
    delay_us(1); // 短暂延时确保锁存
    set_gpio_output(HC573_LE_PIN, RESET);

    // 确保74HC573输出使能（OE低电平）
    set_gpio_output(HC573_OE_PIN, RESET);
}

// DS18B20单总线通信底层函数
// 这些函数将直接操作MCU_MAIN_DQ_PIN

// DS18B20复位和存在检测
int ds18b20_reset(void) {
    int presence = 0;
    // 1. 设置MCU_MAIN_DQ_PIN为输出模式，并拉低至少480us
    set_gpio_mode(MCU_MAIN_DQ_PIN, GPIO_MODE_OUTPUT);
    set_gpio_output(MCU_MAIN_DQ_PIN, 0);
    delay_us(480);

    // 2. 释放DQ线（设置为输入模式或拉高输出），并等待存在脉冲
    set_gpio_output(MCU_MAIN_DQ_PIN, 1); // 确保释放，或设置为输入模式
    set_gpio_mode(MCU_MAIN_DQ_PIN, GPIO_MODE_INPUT); // 更安全的方式

    delay_us(70); // 等待70us，DS18B20应在此期间发送存在脉冲
    if (get_gpio_input(MCU_MAIN_DQ_PIN) == 0) { // 检查DQ是否被拉低（存在脉冲）
        presence = 1;
    }
    delay_us(410); // 恢复时隙结束

    return presence;
}

// 写入一个位 (0或1)
void ds18b20_write_bit(int bit) {
    set_gpio_mode(MCU_MAIN_DQ_PIN, GPIO_MODE_OUTPUT);
    if (bit == 1) { // 写1时隙
        set_gpio_output(MCU_MAIN_DQ_PIN, 0); // 拉低1-15us
        delay_us(5);
        set_gpio_output(MCU_MAIN_DQ_PIN, 1); // 释放DQ线
        delay_us(60); // 持续高电平直至时隙结束
    } else { // 写0时隙
        set_gpio_output(MCU_MAIN_DQ_PIN, 0); // 拉低60-120us
        delay_us(60);
        set_gpio_output(MCU_MAIN_DQ_PIN, 1); // 释放DQ线
        delay_us(5); // 持续高电平直至时隙结束
    }
}

// 读取一个位
int ds18b20_read_bit(void) {
    int bit_value = 0;
    set_gpio_mode(MCU_MAIN_DQ_PIN, GPIO_MODE_OUTPUT);
    set_gpio_output(MCU_MAIN_DQ_PIN, 0); // 拉低1-15us
    delay_us(5);
    set_gpio_output(MCU_MAIN_DQ_PIN, 1); // 释放DQ线
    set_gpio_mode(MCU_MAIN_DQ_PIN, GPIO_MODE_INPUT); // 切换为输入模式
    delay_us(10); // 等待10us，在拉高后的15us内读取
    bit_value = get_gpio_input(MCU_MAIN_DQ_PIN);
    delay_us(45); // 等待时隙结束
    return bit_value;
}

// 写入一个字节
void ds18b20_write_byte(uint8_t byte) {
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        ds18b20_write_bit((byte >> i) & 0x01);
    }
}

// 读取一个字节
uint8_t ds18b20_read_byte(void) {
    uint8_t byte_data = 0;
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        if (ds18b20_read_bit()) {
            byte_data |= (1 << i);
        }
    }
    return byte_data;
}

// 高级功能：温度转换和读取
float get_temperature_from_selected_bus(void) {
    if (!ds18b20_reset()) {
        //printf("DS18B20 reset failed on selected bus!
");
        return -999.0; // 返回错误码
    }
    ds18b20_write_byte(0xCC); // Skip ROM
    ds18b20_write_byte(0x44); // Start conversion
    // 等待转换完成 (DS18B20最大转换时间约750ms for 12-bit)
    // 可以通过轮询DQ线状态或简单延时
    delay_ms(750); // 延时等待

    if (!ds18b20_reset()) {
        //printf("DS18B20 reset failed after conversion!
");
        return -999.0;
    }
    ds18b20_write_byte(0xCC); // Skip ROM
    ds18b20_write_byte(0xBE); // Read Scratchpad

    uint8_t data[9];
    for (int i = 0; i < 9; i++) {
        data[i] = ds18b20_read_byte();
    }

    // 检查CRC (可选但推荐)
    // if (onewire_crc8(data, 8) != data[8]) {
    //     printf("CRC check failed!
");
    //     return -999.0;
    // }

    // 解析温度数据
    int16_t raw_temp = (data[1] << 8) | data[0];
    float temp_celsius = (float)raw_temp / 16.0; // 12位分辨率
    return temp_celsius;
}

// 主循环中调用示例
void main_loop() {
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        select_ds18b20_bus(i); // 选择第i条DS18B20总线
        printf("Reading from DS18B20 on bus %d...
", i);
        float temp = get_temperature_from_selected_bus();
        if (temp != -999.0) {
            printf("Temperature on bus %d: %.2f C
", i, temp);
        } else {
            printf("Failed to read temperature on bus %d.
", i);
        }
        // 读取完后，可以断开当前总线（将74HC573的对应输出拉低或OE高阻态）
        // 或者选择下一条总线时，前一条会自动断开。
    }
    delay_ms(1000); // 每秒测量一次
}

软件实现注意事项：

1. 延时函数精度： 单总线协议对时序要求非常严格。delay_us()函数必须足够精确，不能有太大误差。在不同MCU平台上，实现精确微秒延时的方法不同，可能需要使用定时器、循环计数或Nop指令。

2. GPIO模式切换： 在DS18B20通信过程中，MCU的DQ引脚需要在输入和输出模式之间频繁切换。例如，主机发送数据时为输出模式，读取数据和等待存在脉冲时为输入模式。确保模式切换迅速且正确。

3. 多DS18B20在同一总线： 如果每条DS18B20总线（即每个模拟开关后）连接了多个DS18B20传感器，那么还需要实现单总线的ROM搜索算法，通过每个DS18B20唯一的64位ROM地址来识别和操作它们。这会增加软件复杂性。

4. 错误处理： 在实际应用中，需要加入更完善的错误处理机制，例如检查DS18B20复位成功标志、CRC校验等，以确保数据的可靠性。

5. 电源稳定性： 尽管DS18B20支持寄生电源模式，但在多传感器和模拟开关的复杂系统中，强烈推荐为DS18B20提供独立的、稳定的外部电源。

第五章：高级应用、常见问题与系统优化

DS18B20与74HC573的结合为多点温度测量提供了灵活的解决方案。然而，在实际部署中，还会遇到各种挑战和优化需求。

5.1 高级应用场景

• 分布式环境监测系统： 在大型建筑、农业温室、冷库等场景，需要同时监测多个区域的温度。通过74HC573和模拟开关扩展，可以轻松部署数十甚至上百个DS18B20传感器，并集中进行数据采集。

• 多通道温度数据记录器： 结合SD卡模块或网络模块，可以构建一个多通道温度数据记录仪，定期采集各点温度数据并存储或上传至云端。

• 工业过程控制： 在对多点温度进行精确监控和反馈控制的工业生产线中，这种方案提供了高密度温度采集的能力。

• 电池供电系统优化： 通过74HC573控制DS18B20的电源（如果选择不使用寄生电源），可以在不需要测量时彻底切断DS18B20的电源，从而最大程度地降低系统功耗，延长电池寿命。

• 故障诊断与隔离： 如果某个DS18B20总线出现故障，通过74HC573的选择性控制，可以隔离该总线，避免影响整个系统，便于故障排查。

5.2 常见问题与解决方案

5.2.1 DS18B20通信失败或不稳定

• 问题原因：

• 时序不准确： 最常见的问题，特别是在使用不同MCU和编译器时，delay_us()函数可能不精确。

• 上拉电阻不正确或缺失： 单总线协议强制要求上拉电阻。

• 电源波动或不足： 尤其是在寄生电源模式下，温度转换瞬间电流较大，可能导致电压跌落，通信失败。

• DQ线过长或干扰： 长距离传输或高噪声环境会导致信号完整性问题。

• 软件逻辑错误： 对74HC573的D、LE、OE控制逻辑有误，导致模拟开关未正确切换。

• 模拟开关选型或连接错误： 模拟开关的导通电阻过大、开关速度慢、或者其自身的导通特性影响了单总线通信。

• 解决方案：

• 精确校准延时函数： 使用示波器测量实际延时，或使用MCU的定时器中断来生成精确延时。

• 检查上拉电阻： 确保每条DQ总线上都有4.7kΩ的上拉电阻，并连接到稳定的VCC。

• 使用外部电源供电： 避免寄生电源模式，为所有DS18B20提供独立的、稳定的电源。

• 优化DQ线： 缩短DQ线长度，使用屏蔽线，或在线路末端增加适当的滤波电容。对于长距离传输，考虑使用DS2480B等单总线主机适配器。

• 仔细检查74HC573控制逻辑： 确保在每次选择总线和DQ操作时，LE和OE引脚的时序都正确无误。

• 检查模拟开关特性： 确保模拟开关的导通电阻足够小（通常低于几欧姆），并且带宽足够宽以支持DS18B20的通信速率。确保其控制逻辑与74HC573的输出匹配。

5.2.2 无法识别所有DS18B20传感器

• 问题原因：

• ROM搜索算法错误： 如果同一条总线上有多个DS18B20，ROM搜索算法实现不正确会导致部分传感器无法被发现。

• 个别传感器损坏或接触不良： 检查传感器本身和接插件。

• 地址冲突： 极少数情况下，如果ROM编码有重复（理论上不可能），但更常见的是软件寻址逻辑错误导致误判。

• 解决方案：

• 调试ROM搜索算法： 仔细检查或使用经过验证的OneWire库。逐个添加传感器进行测试。

• 替换或检查可疑传感器： 排查硬件连接。

5.2.3 74HC573输出不稳定或电流驱动不足

• 问题原因：

• 电源退耦不足： 74HC573在开关瞬间可能需要瞬时电流，如果电源退耦电容（100nF陶瓷电容靠近VCC/GND引脚）不足，可能导致输出不稳定。

• 负载过大： 74HC573的输出驱动能力有限，如果驱动的负载（例如某些大功率LED或继电器驱动）超过其最大额定电流，可能导致电压跌落或损坏芯片。

• 解决方案：

• 添加退耦电容： 在74HC573的VCC和GND引脚之间并联一个0.1uF的陶瓷电容。

• 加缓冲器或驱动电路： 如果需要驱动较大负载，应在74HC573输出端添加晶体管、MOSFET或其他驱动芯片。但在本方案中，74HC573仅驱动模拟开关的控制端，通常电流需求很小。

5.3 系统优化建议

• 中断驱动或DMA： 对于大规模温度采集系统，如果MCU需要同时执行其他任务，可以考虑使用中断或DMA（直接内存访问）来处理DS18B20的单总线时序，从而减少CPU的负担。

• CRC校验： 在读取DS18B20数据时，务必进行CRC校验。DS18B20每次温度转换后都会生成一个8位的CRC校验码，用于验证数据的完整性。

• 电源管理： 在对功耗有严格要求的系统中，除了DS18B20的寄生电源模式，还可以通过MCU控制74HC573的OE引脚，在不进行温度测量时将模拟开关断开，从而进一步降低功耗。

• 模块化设计： 将DS18B20传感器和模拟开关、上拉电阻等封装成独立的模块，便于维护和扩展。

• 温度趋势分析： 不仅仅采集瞬时温度，还可以通过软件算法对温度数据进行平滑、滤波、趋势分析等，提供更具参考价值的信息。

• 远程访问与控制： 将整个温度采集系统与以太网、Wi-Fi或LoRa等无线通信模块结合，实现远程数据监控和指令下发。

第六章：未来展望与拓展

随着物联网（IoT）和边缘计算的发展，对分布式传感器网络的需求日益增长。DS18B20和74HC573的组合为这类应用提供了一个经济高效的起点，但未来的发展方向可能会更注重集成度、智能化和网络化。

6.1 更高集成度的解决方案

• 专用单总线主机控制器： 市场上已经有专门的单总线主机控制器芯片（如DS2482系列），它们内部集成了单总线时序生成器、地址寻址和数据缓冲，可以大大简化MCU的软件负担，并提供更稳定的通信。

• 集成多路选择器的温度传感器： 理论上，可以将多个DS18B20或类似的温度传感器集成到一个芯片中，并内置多路选择器，直接通过SPI或I2C接口输出多通道温度数据，进一步简化外部硬件。

6.2 无线传感器网络的融合

• 与低功耗无线技术结合： 将DS18B20温度采集与LoRa、Zigbee、Bluetooth Low Energy (BLE)等低功耗无线技术结合，构建自组织、长续航的无线温度传感器网络，实现真正意义上的分布式监测。在这种场景下，每个无线节点可能只连接少数几个DS18B20，并通过无线方式将数据汇总。

• 边缘计算与AI： 将温度数据在边缘节点进行初步处理、分析和异常检测，减少对云端的依赖，提高响应速度和系统效率。例如，在本地进行温度异常预警。

6.3 软件与算法的智能化

• 自适应采样率： 根据温度变化速率动态调整采样频率，在温度稳定时降低采样率以节省功耗，在温度剧烈变化时提高采样率以捕捉细节。

• 预测性维护： 基于历史温度数据和机器学习算法，预测设备故障或环境异常的趋势。

• 用户友好的配置工具： 开发图形化界面（GUI）工具，简化多通道DS18B20系统的配置和管理。

总结

DS18B20数字温度传感器以其卓越的性能和简便的单总线接口，成为温度测量领域的首选。而74HC573锁存器，作为一款经典的逻辑芯片，在与DS18B20结合时，通过引入模拟开关，有效地解决了微控制器GPIO资源有限的问题，实现了对多通道DS18B20的扩展控制。这种组合方案在需要大量温度监测点的应用中，展现出了其成本效益和灵活性。

尽管在硬件接线和软件时序控制上存在一定的复杂性，但通过本文提供的详细接线图、工作原理和软件实现代码示例，相信读者能够清晰理解并成功构建自己的多点温度采集系统。在实际应用中，注重细节、严谨调试，并结合错误处理和系统优化策略，将是确保系统稳定可靠运行的关键。

展望未来，随着技术的发展，将会有更多高集成度、智能化的温度传感和网络化解决方案涌现。然而，对DS18B20和74HC573这类基础元器件的深入理解，仍然是电子工程师构建更复杂系统的基石。掌握这些基本知识，将为应对未来的技术挑战打下坚实的基础。