DS18B20单总线数字温度传感器：多点测温组网与嵌入式驱动设计

多点测温场景中，DS18B20只需一根数据线加地线即可挂载数十片传感器：每片携带64位唯一序列号（家族码28h），12位分辨率下分辨0.0625°C、精度±0.5°C（-10~+85°C）、转换时间750ms。与NTC、Pt100等模拟方案相比，它省去逐点ADC通道与标定，布线成本大幅下降，特别适合机房、冷链、粮仓、养殖与设备多点温度监测，是物联网温控终端与RTU远程终端的常用测温器件。本文基于DS18B20数据手册，详解1-Wire总线时序、寄生供电、多点搜索与STM32驱动实现。

1. 为什么多点测温选单总线方案

传统模拟测温每增加一个测点就要增加一路信号线与一路ADC通道：NTC分压信号易受线阻与干扰影响，Pt100需要恒流源或桥路调理，测点越多布线与物料成本越高。DS18B20把温度直接转换为数字量，总线控制器与从机之间只靠一条DQ线通信（加地线），所有器件经64位ROM序列号区分，从根上改变多点测温的组网方式。

适用边界同样明确：要求毫秒级响应或超大量测点的场合仍选模拟方案；对成本敏感、响应要求不高（秒级轮询）的多点场景，DS18B20的布线优势非常突出。

2. 分辨率配置与转换时间

DS18B20测温范围-55~+125°C，默认12位分辨率，也可通过暂存器配置寄存器把分辨率降为9~11位以缩短转换时间。转换完成后结果存放在暂存器字节0、1的两字节温度寄存器中，低字节在前。

12位数据为16位符号扩展补码：正温度高位全0，负温度高位全1（-25°C对应0xFFCE）。12位换算公式为T = raw × 0.0625；当温度是整数摄氏度时，raw右移4位（raw>>4）即为带符号整数值。

3. 1-Wire总线时序与命令集

1-Wire总线空闲为高电平，靠约5kΩ上拉电阻维持，所有从机输出均为漏极开路。任何一次通信都以初始化序列开始：主机拉低总线至少480µs（复位脉冲）后释放，DS18B20检测到上升沿后等待15~60µs，再拉低60~240µs发出存在脉冲；若总线低电平持续超过480µs，总线上所有器件都会被复位。位传输采用时隙方式：写1时隙为拉低1~15µs后释放，写0时隙为拉低60µs，读时隙为拉低约6µs后释放并在15µs内采样。

主机 ──复位脉冲(≥480us)──┐  ┌── 存在脉冲(60~240us)
                      └──释放───15~60us──┘
   DS18B20  ──────────────────┘
写时隙: 写1 = 拉低1~15us后释放(保持60us)   写0 = 拉低60us
读时隙: 主机拉低约6us后释放, 15us内采样电平
命令序列: 初始化 → ROM命令 → 功能命令 → 数据

暂存器共9字节：字节0、1为温度，2、3为TH/TL，4为配置，5、6保留，7、8为计数寄存器（可用于提高分辨率），第9字节为前8字节的CRC，多项式为X8+X5+X4+1。读暂存器时主机应校验CRC，不匹配即丢弃本次数据，可有效拦截总线干扰。

4. 寄生供电与强上拉

DS18B20可在数据线高电平期间把能量储存在内部电容中，低电平期间靠电容供电工作，这就是寄生供电模式：远距离测温无需本地电源，甚至可以在没有常规电源时读ROM。但转换或拷贝EEPROM时器件工作电流可达1.5mA，仅靠5kΩ上拉电阻供电不足，主机必须在发出44h或48h命令后10µs内把DQ切换到强上拉（用MOSFET把总线直接接到电源轨），并在整个转换期间保持，12位转换需保持750ms、拷贝EEPROM需10ms。

         3.3V/5V
            │
          [MOSFET]←─PB0(强上拉使能)
            │
   MCU DQ─PB5─┴──────┬──────┬────── DQ
         [4.7kΩ上拉] │      │
               ┌─────┴──┐ ┌─┴──────┐
               │DS18B20 │ │DS18B20 │ ...
               │DQ VDD G│ │DQ VDD G│
               └───┬────┘ └───┬────┘
   GND ────────────┴──────────┴──────────
   寄生供电: VDD接GND; 外部供电: VDD接电源, 无需强上拉

工程要点：温度高于100°C时不推荐寄生供电（高温漏电流增大，通信可能失败），应改用VDD外部供电；多点同时转换时，外部供电方式可先发Skip ROM再发44h让所有器件并行转换，节省总轮询时间。主机可用B4h命令查询供电模式以决定是否启用强上拉。

5. 多点组网与搜索算法

系统首次上电时主机不知道总线上挂了多少片、ROM码是什么，需要用Search ROM（F0h）逐位扫描：对ROM的每一位，主机先发两个读时隙，从机依次送出该位的正相与反相电平，据此判断该位状态——"01"表示该位为0、"10"表示该位为1、"00"表示多位冲突（需按已记录的路径选择分支）、“11”表示总线上无器件。逐位回溯分支即可枚举全部ROM码。

• 单点轮询：复位 → 匹配ROM（55h+64位ROM）→ 44h转换 → 等待 → 读暂存器BEh。
• 多点广播转换：复位 → Skip ROM（CCh）→ 44h，所有外部供电器件并行转换，之后逐片Match ROM读取，总耗时≈1次转换+逐片读取时间。
• 报警筛选：仅读报警标志，超出TH/TL的器件才响应ECh命令，适合大数量测点快速定位超限点。

6. STM32驱动实现

1-Wire时序用GPIO位操作即可实现，关键是把DQ引脚配置为开漏输出（配合外部4.7kΩ上拉），读写时隙误差控制在±几微秒内。以下是基于HAL库的完整驱动骨架。

/* 引脚: PB5=DQ, 开漏; PB0=强上拉MOSFET控制 */
#define OW_PORT GPIOB
#define OW_PIN  GPIO_PIN_5
#define STRONG_PORT GPIOB
#define STRONG_PIN  GPIO_PIN_0

static void ow_pin_out(void) { /* GPIOB PIN5 -> GPIO_MODE_OUTPUT_OD 开漏 */ }
static void ow_pin_in(void)  { /* GPIOB PIN5 -> GPIO_MODE_INPUT 上拉    */ }

/* 复位: 返回1表示检测到存在脉冲 */
uint8_t onewire_reset(void) {
    uint8_t present = 0;
    ow_pin_out();
    HAL_GPIO_WritePin(OW_PORT, OW_PIN, GPIO_PIN_RESET);   /* 拉低 */
    delay_us(480);                                         /* >=480us */
    ow_pin_in();                                           /* 释放 */
    delay_us(70);                                          /* 等15~60us后采样 */
    present = (HAL_GPIO_ReadPin(OW_PORT, OW_PIN) == GPIO_PIN_RESET);
    delay_us(410);                                         /* 收尾 */
    return present;
}

static void onewire_write_bit(uint8_t bit) {
    ow_pin_out();
    HAL_GPIO_WritePin(OW_PORT, OW_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    if (bit) { delay_us(8);  HAL_GPIO_WritePin(OW_PORT, OW_PIN, GPIO_PIN_SET); delay_us(55); }
    else     { delay_us(60); HAL_GPIO_WritePin(OW_PORT, OW_PIN, GPIO_PIN_SET); delay_us(5);  }
}

static uint8_t onewire_read_bit(void) {
    uint8_t v;
    ow_pin_out();
    HAL_GPIO_WritePin(OW_PORT, OW_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    delay_us(6);
    ow_pin_in();                                          /* 释放 */
    delay_us(9);
    v = HAL_GPIO_ReadPin(OW_PORT, OW_PIN);                /* 15us内采样 */
    delay_us(50);
    return v;
}

void onewire_write_byte(uint8_t b) {
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) onewire_write_bit(b & (1 << i));
}
uint8_t onewire_read_byte(void) {
    uint8_t b = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) if (onewire_read_bit()) b |= (1 << i);
    return b;
}

/* 单点读温度（12位）: 返回原始值, 温度 = raw * 0.0625 */
int16_t ds18b20_read_raw(void) {
    uint8_t sp[9];
    if (!onewire_reset()) return 0x8000;                 /* 总线无器件 */
    onewire_write_byte(0xCC);                            /* Skip ROM */
    onewire_write_byte(0x44);                            /* Convert T */
    HAL_GPIO_WritePin(STRONG_PORT, STRONG_PIN, GPIO_PIN_SET);   /* 强上拉 */
    while (!onewire_read_bit());                         /* 转换完成=1 */
    HAL_GPIO_WritePin(STRONG_PORT, STRONG_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    onewire_reset();
    onewire_write_byte(0xCC);
    onewire_write_byte(0xBE);                            /* Read Scratchpad */
    for (uint8_t i = 0; i < 9; i++) sp[i] = onewire_read_byte();
    if (crc8_ds18b20(sp, 8) != sp[8]) return 0x7FFF;     /* CRC失败 */
    return (int16_t)((sp[1] << 8) | sp[0]);
}
/* 12位换算: float temp = raw * 0.0625f; 整数度: (int8_t)(raw >> 4) */

多片组网时把读温度函数改为：复位 → 55h + 64位ROM码 → BEh 读取，即可按ROM码逐片读取；MCU主频越高越要注意delay_us在关中断下的准确性，建议用定时器微秒延时替代软件空循环。

7. 工程要点与可靠性

• 上拉电阻4.7kΩ适用于短线（<3m）；长线建议1kΩ并加ESD保护，总线总电容决定挂载数量上限。
• DQ线远离动力线，必要时加TVS与RC滤波，1-Wire位时序对毛刺敏感。
• 软件必须校验CRC；轮询失败时连续重试N次仍失败才判定传感器故障，避免单次干扰误报。
• 高湿、高振动环境优先选择外部供电模式并灌胶密封，防止寄生供电接触不良。

总结：DS18B20以一根数据线承载多点测温，12位0.0625°C分辨率与±0.5°C精度满足绝大多数环境监测需求，64位ROM寻址配合Search ROM算法即可自动发现并轮询总线上全部器件。驱动实现的关键在于精确的位时序、强上拉管理（寄生供电时10µs内切换）与CRC校验，三者到位即可稳定组网，适合物联网温控终端与RTU远程终端的低布线成本多点测温设计。

本文基于《DS18B20中文资料》与DS18B20数据手册等资料整理优化。