DS18B20-溫度值計算

 基本的命令及讀取程序完備後，接下來要進入取值並計算成溫度值的程序。由下面DS18B20的讀取溫度值程序中，可以知道，在Arduino命令DS18B20啟動溫度轉換命令(0x44)後，待待其轉換時間750μs（DS18B20會將溫度值放入暫存區中），再進行重啟、省略ROM確認，再通知DS18B20開始讀取暫存器資料(0xbe)，此時DS18B20會依序（從暫存器依序從byte 0開始到byte 8）逐位元（從bit 0到bit 7）傳遞資料給Arduino。

而我們會讀取兩次資料，第一次會讀到的Byte為LS Byte（簡寫為LSB）為溫度值的低位元值，再讀一次，會讀到MS Byte（簡稱MSB）為溫度值的高位元值。而溫度值就是MSB+LSB的組合的轉換。

DS18B20的暫存器結構 

 下圖為DS18B20的官方資料，其中左方為暫存器(SCRATCHPAD)結構，及右方EEPROM資料，在此不多介紹EEPROM，簡單的說它就是上下限警告值及位元設定的資料。我們將焦點置於暫存器。

 

下圖是將官方的暫存器重繪後，並以啟始的狀態呈現。由下圖可看到DS18B20暫存器共有9個byte，但可區分為五個部份

1、溫度值（byte0~1）：存放量測到的溫度值，byte 0為溫度值的LSB，而byte 1為溫度值的MSB，以通電後之初值而言，LSB為[01010000]而MSB為[00000101]

2、警示溫度上下限（byte2~3）

3、精確度位元（byte 4）： 如下表，使用R1與R0來設定其位元精度（有效值）

4、無效區（byte5~7）：未使用

5、CRC檢驗碼（byte 8）：通CRC的運算的檢驗碼，可提供Arduino確認資料的正確性。

DS18B20溫測範圍及精度差異

 在了解DS18B20的暫存器後，下圖是DS18B20的量測溫度值、暫存器之二進位元輸出值及十六進位表示值。

由官方資料及表中可知，DS18B20量測的溫度區間為-55~+125℃（-10~85℃時精度為±0.5℃），在12位元的解析度時，其可分辨的溫度最小的量測單位為0.0625℃。

 

由MSB與LSB組成的溫度值

DS18B20的溫度值是用16位元（MSB+LSB）組合，如官方所提供的資料如下：

底下將其區段內容及計算的概念整理之。

溫度值區段

如上圖所示，溫度值位元資料其實是MSB+LSB的組合成十六位元(bit)資料，可區分為符號區、整數值區及精確度區。

符號區(MSB之bit3~bit7)：使用5個位元，當溫度值為正時皆為0，而當溫度值為負時則為1，故於程式設計時，只要MSB大於7就意謂著溫度值為負。

整數值區：使用7個位元，MSB之bit 0~2加LSB之bit 4~7組合而成。

精確度區：以12位元為例，正負號（1）+整數值（7）+小數點（4）共計為12位元，而一般作溫度數值計算時，會直接以12位元做計算，再取正確小數點既可。

溫度值計算

 有了上述的基礎知識後，接下來，就是計算的程序，整理如下圖：先判斷正負值，若為負值是做二補數處理並設定負號值，再將兩數結合運算乘於單位量測值0.0625，既得溫度值，若負號值為真，則補上負號，傳回溫度值。

下圖以溫度值-25.0625℃為例（資料於十六位元表示為FE6FH），在12位元的狀態下，其計算的變化：正負號判定、取反值、加1的位元變化（※"~"代表取反值，既0與1互換的動作）。

當初也被LSB負值的計算方式：[取反加一]的為何"加1"所困，後來了解後才知道，因為"0"被算到正值的陣營去了，只好用加1位補足。（詳細的部份，各位可用"二補數"作關鍵字搜索，再細探之）

程式說明

程式中有使用到位元運算反相(~)：0與1互換，向左移位(<<)的指令，不難，只是不習慣，可參考上圖的位元變化程序及程式說明，應可掌握

程式碼

float Caculate_Temperature(uint8_t temp_LSB , uint8_t temp_MSB)
{
 boolean  fp_minus = false;        //温度正負標誌：預設為false，因為通常為零度以上
 //當temp_MSB>7代表此溫度為負數值時，測到的數值需要先反相再加 1
 if(temp_MSB > 0x7f)  
 {
  fp_minus = true;      //溫度正負指標，負數時fg_Minus=0
  temp_MSB = ~temp_MSB;     //將temp_MSB中的每一位元反相（0、1互換）
  temp_LSB = ~temp_LSB + 1;
  //將temp_LSB中的每一位元反相（0、1互換），要記得加一，才能正確的反應其值
 }
 //以十六位元空箱來結合MSB及LSB
 uint16_t raw_temp =
     (((uint16_t)temp_MSB) << 8) |   //將MSB先用空的十六位元左移8個位元
     (((uint16_t)temp_LSB));
 //將十六位元的整數值再乘於0.0625的單位值，既得溫度值
 float fp_temp = raw_temp * 0.0625;
 if(fp_minus) {fp_temp = -fp_temp;} //當fp_minus是1，代表是負數，將溫度加上負號
 return fp_temp;
}

結語

此篇資料要花點時間了解，因為包含了DS18B20的硬體、暫存器及位元數值運算、位移等，當初研究時，也不怎麼順利，不過，一去二回，熟了就懂了，但其實只是不習慣而已，只要花點時間，相信就能掌握，而且一旦了解後，你會發覺，好像電子元件的運作就是這麼一回事，很簡單，但這個簡單(Simple)卻不容易(Easy)！

總算完成所有的準備功夫了，下一步，就最讀取溫度值了！