蓝桥杯单片机学习笔记（五）：DS18B20 深度解析与工程规范

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蓝桥杯单片机通关秘籍：DS18B20 深度解析与工程规范

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。

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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！

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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。

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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
 float rd_Temperature()
 {
     unsigned char low, 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ROM
     Write_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ROM
     Write_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} = 0.0625

• Bit 1 代表 2^{-3} = 0.125

• Bit 2 代表 2^{-2} = 0.25

• Bit 3 代表 2^{-1} = 0.5

将一个 16 位的整数右移 4 位（相当于除以 2^4 = 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^\circ C。

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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”。

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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

符号	搜索顺序	推荐用途	你的代码示例
< >	仅系统目录	官方库、IDE自带库	#include <STC15F2K60S2.H>
" "	当前目录 \to 系统目录	自写 .h 文件、项目模块	#include "onewire.h"

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;
 ​
 ​
 void Delay_OneWire(unsigned int t)  
 {
     unsigned char i;
     while(t--){
         for(i=0;i<12;i++);
     }
 }
 ​
 //
 void Write_DS18B20(unsigned char dat)
 {
     unsigned char i;
     for(i=0;i<8;i++)
     {
         DQ = 0;
         DQ = dat&0x01;
         Delay_OneWire(5);
         DQ = 1;
         dat >>= 1;
     }
     Delay_OneWire(5);
 }
 ​
 //
 unsigned char Read_DS18B20(void)
 {
     unsigned char i;
     unsigned char dat;
   
     for(i=0;i<8;i++)
     {
         DQ = 0;
         dat >>= 1;
         DQ = 1;
         if(DQ)
         {
             dat |= 0x80;
         }       
         Delay_OneWire(5);
     }
     return dat;
 }
 ​
 //
 bit init_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);
   
     return initflag;
 }
 ​
 //读取温度函数
 float rd_Temperature()
 {
     unsigned char low,high;//返回温度数据的高低八位
         
     init_ds18b20();//初始化
     Write_DS18B20(0xcc);//跳过ROM
     Write_DS18B20(0x44);//进行温度转换
     
     init_ds18b20();//初始化
     Write_DS18B20(0xcc);//跳过ROM
     Write_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)
 void Delay_OneWire(unsigned int t);
 void Write_DS18B20(unsigned char dat);
 unsigned char Read_DS18B20(void);
 bit init_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
 float rd_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：

 void main()
 {
     float Temperature; // 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！