MicroPython+ESP32驱动DS18B20进行温度读取

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1193人浏览 · 2025-09-19 08:45:12

2301_77694193 · 2025-09-19 08:45:12 发布

概述

在物联网和嵌入式系统开发中，温度监测是一项基础而重要的功能。DS18B20作为一款高精度、应用于环境监控、智能家居、支持单总线通信的数字温度传感器，因其布线简单、可多点组网、测温范围广等优点，被广泛农业大棚等多种场景。本文将结合硬件设计与软件实现，详细介绍如何在ESP32平台上使用MicroPython驱动单个DS18B20温度传感器，并通过轮询机制稳定读取温度数据。

一、DS18B20传感器特性简介

DS18B20是一款数字温度传感器，其核心优势在于采用单总线（1-Wire）协议，仅需一根数据线即可完成供电（可选寄生供电）和通信。主要技术参数如下：

测温范围：-55°C ~ +125°C
精度：±0.5°C（在-10°C ~ +85°C范围内）
分辨率可调：9~12位（默认12位）
转换时间：最长约750ms（12位精度）
支持多设备挂载：每个设备具有唯一64位ROM地址

本文聚焦于单个DS18B20的应用场景，因此无需复杂设备寻址逻辑，简化了系统设计。

二、硬件连接与电路原理图设计

在ESP32与DS18B20的连接中，需确保单总线协议的电气特性满足要求。以下是推荐的硬件连接方式：

1. 原理图

此连接方式适用于大多数开发板，如ESP32等。若使用面包板搭建，请确保接线牢固，避免接触不良导致通信异常。

2. 引脚连接说明

DS18B20引脚	功能说明	连接至ESP32
VDD	电源正极	3.3V
GND	电源地	GND
DQ	数据输入/输出	GPIO22（或其他GPIO）

3. 关于上拉电阻

由于单总线协议依赖于总线空闲时的高电平状态，必须在DQ与VDD之间接入一个4.7kΩ的上拉电阻。该电阻确保在无设备驱动总线时，信号线保持高电平，避免通信失败。

三、MicroPython代码实现

以下代码实现了对单个DS18B20的温度采集，重点在于非阻塞式轮询读取机制的设计，避免因频繁读取或等待转换造成系统卡顿。

from ds18x20 import DS18X20
from onewire import OneWire
from machine import Pin
import time

class TimeMs:
    '''时间控制器'''
    def __init__(self, val: int ,start=0):
        '''
        :param val: 时间间隔 毫秒
        :param start: 开始时间的起始位置-start 毫秒
        '''
        self._interval = val  # 时间间隔
        self._start = time.ticks_ms() -start  # 开始时间
    def change(self, val: int):
        '''改变时间间隔'''
        self._interval = val
    def reset(self):
        '''重置计时'''
        self._start = time.ticks_ms()  # 开始时间
    def update(self):
        '''更新时间'''
        t1 = time.ticks_ms()
        if t1 - self._start >= self._interval:
            self._start = t1
            return True
        return False

class DS18B20:
    def __init__(self, pin=22):
        self.ds = DS18X20(OneWire(Pin(pin)))
        self._timeMs = TimeMs(800)
        self.roms = self.ds.scan()[0]
    def scan(self):
        '''扫描设备'''
        if self._timeMs.update():
            self.ds.convert_temp()
            return True
        return False
        
    def get(self):
        """获取温度（摄氏度）"""
        if self.scan():
            return self.ds.read_temp(self.roms)
        return None

1.使用示例

# 使用示例
ds18b20 = DS18B20()
while True:
    temp = ds18b20.get()
    if not temp is None:
        print(temp)
    time.sleep_ms(1)

输出数据:

五、代码实现与核心逻辑解析

整个代码结构，采用了非阻塞式定时轮询机制，避免了传统 time.sleep() 带来的程序阻塞问题，提升了系统的响应性和可扩展性。

from ds18x20 import DS18X20
from onewire import OneWire
from machine import Pin
import time

OneWire：实现单总线协议的基础类，用于在指定 GPIO 引脚上模拟 1-Wire 通信时序。
DS18X20：封装了对 DS18B20 芯片的操作指令，如启动温度转换和读取结果。
Pin：用于配置和控制 ESP32 的 GPIO 引脚。
time：提供时间相关函数，如 ticks_ms() 用于获取毫秒级时间戳。

2. 自定义时间控制器：`TimeMs` 类

为了实现精确且非阻塞的时间控制，代码中定义了一个 TimeMs 类，用于管理周期性任务的执行时机。

class TimeMs:
    '''时间控制器'''

功能说明：

__init__(val, start)：初始化一个时间控制器，val 为触发间隔（毫秒），start 可用于偏移初始时间，实现“延迟首次触发”。
update()：核心方法，判断距离上次触发是否已超过设定间隔。如果是，则更新起始时间并返回 True，否则返回 False。
使用 time.ticks_ms() 而非 time.sleep()，实现了非阻塞延时，非常适合在主循环中与其他任务并行运行。

✅ 优势：避免使用 time.sleep(0.8) 这类阻塞调用，允许系统在等待期间处理其他任务（如 Wi-Fi 通信、按键检测等）。

3. DS18B20 驱动类实现

class DS18B20:
    def __init__(self, pin=22):
        self.ds = DS18X20(OneWire(Pin(pin)))
        self._timeMs = TimeMs(800)
        self.roms = self.ds.scan()[0]

OneWire(Pin(pin))：在指定引脚（默认 GPIO22）上创建单总线通信接口。
DS18X20(...)：包装 OneWire 接口，提供高级操作。
self.ds.scan()：扫描总线上所有 DS18B20 设备，返回 ROM 地址列表。由于本文使用单个传感器，直接取第一个地址 self.roms = ...[0]。

⚠️ 注意：若总线上无设备或连接异常，scan() 可能返回空列表。

    def scan(self):
        '''启动温度转换（轮询触发）'''
        if self._timeMs.update():
            self.ds.convert_temp()
            return True
        return False

scan() 方法名虽为“扫描”，实则用于定时启动温度转换。
每隔 800ms 触发一次 convert_temp()，符合 DS18B20 在 12 位精度下约 750ms 的转换时间要求。
启动转换后立即返回 True，表示“已更新”，为下一步读取做准备。

    def get(self):
        """获取温度（摄氏度）"""
        if self.scan():
            return self.ds.read_temp(self.roms)
        return None

get() 是对外提供的温度读取接口。
每次调用时，先通过 scan() 判断是否该启动新一轮转换。
若是，则启动转换并立即读取上一次的转换结果（MicroPython 的 read_temp() 会自动等待完成）。
若未到周期，则跳过本次读取，返回 None，避免重复或无效读取。

🔄 工作流程：

第 0ms：调用 get() → 启动转换 A，返回 None（尚无数据）

第 800ms：调用 get() → 启动转换 B，读取转换 A 的结果

第 1600ms：启动转换 C，读取转换 B 的结果 ……
实现了“启动与读取”交错进行的高效机制。

五、设计亮点总结

特性	说明
非阻塞设计	使用 `TimeMs` 替代 `sleep`，系统可并行处理其他任务
精准定时	800ms 周期匹配 DS18B20 转换时间，确保数据有效性
简洁接口	`get()` 一键获取温度，内部自动管理转换流程
可扩展性强	易于修改为多传感器支持或集成到 Web 服务中

六、结语

本文通过一个简洁而高效的代码实现，展示了如何在 ESP32 的 MicroPython 环境下驱动 DS18B20 温度传感器。借助自定义的 TimeMs 时间控制器，实现了稳定、非阻塞、周期性的温度采集机制，为后续构建环境监控系统、物联网终端等应用打下坚实基础。代码结构清晰，易于理解与复用，非常适合初学者入门和项目集成。