任务介绍

本次任务要求设计一款集成数字温度传感器的采集模块。根据任务要求，本项目选用了业界经典的 DS18B20 数字温度传感器，实现了标准的 1-Wire 单总线通信接口引出，并在此基础上完善了外围电路设计，完美满足宽压供电、包含必要上拉电阻的 1-Wire 总线驱动、板载去耦电容以及工作指示 LED 等各项硬性指标，是一款非常适合配合单片机进行温度数据采集实验的开发模块。

方案介绍

如上资源框图所示，本设计方案的核心是一颗经典的 DS18B20 数字温度传感器芯片。为了保证信号的完整性与使用的便利性，方案包含以下几个核心模块：

• 传感器主体区：DS18B20 芯片主体，通过 1-Wire 协议提供高精度数字温度输出，安装于板卡上方的直插焊盘区域，TO-92 封装便于焊接与替换。
• 电源滤波区：在靠近传感器 VCC 引脚处放置了 100nF 的高频去耦电容（C1），有效抑制电源噪声对采集精度的影响。
• 1-Wire 上拉配置区：在 DATA 数据线上配置 4.7kΩ 上拉电阻（R1），满足 1-Wire 协议对总线空闲高电平的要求。
• 指示灯区：板载一颗 LED1（NCD0805R1），通过限流电阻 R2（4.7kΩ）串联后接至电源，上电即亮，直观指示模块正常工作状态。
• 传感器连接接口（H2）：采用 3Pin 直插排针（PZ254V-11-03P），引出 VCC、DAT、GND 三路信号，用于直接连接 DS18B20 传感器实体。
• MCU 连接接口（H3）：采用 3Pin 直插式弯针排针（MTP125-1103R2），引出 VCC、DATA、GND 三路信号，方便通过导线与 MCU 开发板灵活对接。

模块介绍

本次选用的 DS18B20 是一款宽电压（3.0V～5.5V）、高精度的单总线数字温度传感器，测温范围为 -55℃ ～ +125℃，在 -10℃ ～ +85℃ 范围内精度可达 ±0.5℃，分辨率支持 9～12bit 可编程配置。在本项目中，模块由外部单片机通过排针提供 3.3V 或 5V 电源。

为了满足"1-Wire 单总线接口"的通信需求，模块仅需一根 DATA 信号线即可完成与 MCU 的全部通信。为保证总线在空闲状态下维持稳定高电平，板卡在 DATA 线上设计了 4.7kΩ 的硬件上拉电阻（R1）至 VCC，即插即用，无需外部额外配置。板载 LED1 与限流电阻 R2 串联后接至电源，上电后常亮，直观指示模块供电正常。

本次设计相较上一版本的核心变更在于 MCU 侧接口的调整：将原来的 4Pin 贴片排针（IPCP254M04PB08R）替换为 3Pin 直插弯针（MTP125-1103R2），管脚精简为 VCC、DATA、GND 三路有效信号，去除了原先的 NC 空引脚，使接口定义更加简洁直观，同时弯针形式也更便于在面包板或接线端子场景下的横向引出连接。

此外，板上预留了测试点 TP1，方便在调试阶段使用示波器或逻辑分析仪对 DATA 总线信号进行监测与验证。

本次用到的物料在 DigiKey 官网的链接如下：

DS18B20-EV：DS18B20-EV

原理图和 PCB 模块介绍

原理图

原理图分为三个功能子模块区域，设计清晰、层次分明：

• DS18B20 传感器区：DS18B20 的 VCC 引脚接至电源网络 VCC，GND 引脚接至公共地，DQ 数据引脚通过网络标签 DATA 引出至接口。DATA 线通过 R1（4.7kΩ）上拉至 VCC，满足 1-Wire 协议时序要求。靠近 VCC 引脚处并联 C1（100nF）去耦电容，抑制高频噪声干扰。H2（PZ254V-11-03P）为 3Pin 直插排针，管脚定义为：Pin1 接 GND，Pin2 接 DQ/DATA，Pin3 接 VCC，用于直接插接 DS18B20 传感器实体。
• Pins 接口区：H3（MTP125-1103R2）为 3Pin 直插弯针，管脚定义为：Pin1 接 VCC，Pin2 接 DATA，Pin3 接 GND，提供标准化的 MCU 对接接口，接口定义精简清晰，无多余空引脚。
• LED 指示区：VCC 经 R2（4.7kΩ）限流后串联 LED1（NCD0805R1）接至 GND，上电后 LED1 常亮，指示模块供电状态正常。

PCB

2D效果图

PCB 设计采用双层板工艺，板形为圆角矩形，整体布局紧凑，具有以下特点：

• 布局清晰合理：DS18B20 传感器通过 H2 直插排针安装于板卡上方中央焊盘区，PCB 顶部丝印清晰标注"DS18B20"模块名称，便于识别；C1 与 R1 紧密布置于传感器左侧，紧靠 VCC 与 DATA 走线，保证去耦与上拉路径最短。
• 双接口设计：板卡中部设有 H2（3Pin 直插）传感器连接接口，丝印清晰标注 VCC、DAT、GND 三路引脚名称；底部设有 H3（3Pin 直插弯针）MCU 连接接口，引脚同为 VCC、DATA、GND，两套接口分工明确，适应不同连接场景。
• 指示 LED 醒目：板卡右侧设有 PWR 指示区，LED1 与 R2 紧凑排布，丝印标注"PWR"与"LED1"，上电状态一目了然。
• 信号完整性保障：底层拥有大面积完整的 GND 铺铜，为 1-Wire DATA 信号提供稳定的参考地平面，有效降低外部干扰对单总线时序精度的影响。
• 调试测试点预留：板上预留 TP1 通孔测试点，便于调试时探针接触，实时监测 DATA 总线波形。

模块主要性能指标和管脚定义

主要性能指标

管脚定义（H2 排针——传感器接口）

管脚定义（H3 弯针——MCU 接口）

板上设置及标识（配置指南）

本模块定位为即插即用型温度采集板，无需额外跳线配置，默认状态即可满足标准 1-Wire 通信需求。各板载元件功能说明如下：

使用提示：将 H3 弯针通过导线连接至 MCU 时，MCU 对应 GPIO 引脚须配置为开漏输出模式，并依赖板载 R1 提供上拉，方可正常驱动 1-Wire 总线。DS18B20 支持寄生供电模式，但推荐使用本模块的标准三线（VCC + DATA + GND）供电方式，以获得更稳定的通信质量。

心得体会

在本次数字温度传感器采集模块的设计与迭代过程中，我受益匪浅。

通过深入研究 DS18B20 的数据手册，我进一步巩固了对 1-Wire 单总线协议时序的理解。4.7kΩ 上拉电阻直接集成在板卡上的设计，既保证了总线电平的稳定，又实现了真正的即插即用体验，免去了用户在外部面包板上额外搭建上拉电路的麻烦。这为我今后设计更具工程实用性的硬件外围模块积累了宝贵经验。