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第三十九章 DS18B20数字温度传感器实验
本章，我们将介绍STM32如何读取外部温度传感器的温度，来得到较为准确的环境温度。我们将学习单总线技术，通过它来实现STM32和外部温度传感器DS18B20的通信，并把从温度传感器得到的温度显示在LCD上。
本章分为如下几个小节：
39.1 DS18B20及其时序简介
39.2 硬件设计
39.3 程序设计
39.4 下载验证
39.1 DS18B20及其时序简介
39.1.1 DS18B20简介
DS18B20是由DALLAS半导体公司推出的一种“单总线”接口的温度传感器。与传统的热敏电阻等测温元件相比，它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。单总线结构具有简洁且经济的特点，可使用户轻松地组建传感器网络，从而为测量系统的构建引入全新的概念，测试温度范围为-55+125℃，精度为±0.5℃。现场温度直接以单总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。它工作在3~5.5V的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设置灵活、方便，设定分辨率以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。其内部结构如图39.1.1所示：
图39.1.1.1 DS18B20内部结构图
ROM中的64位序列号是出厂前被标记好的，它可以看作使该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排列是：前8位是产品家族码，接着48位是DS18B20的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1）。ROM作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样设计可以允许一根总线上挂载多个DS18B20模块同时工作且不会引起冲突。
39.1.2 DS18B20时序简介
所有单总线器件要求采用严格的信号时序，以保证数据的完整性。DS18B20共有6种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都是由主机发出同步信号。并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前。这里我们简单介绍这几个信号的时序。
1）复位脉冲和应答脉冲
图39.1.2.1 复位脉冲和应答脉冲时序图
单总线上的所有通信都是以初始化序列开始。主机输出低电平，保持低电平时间至少要在480us，以产生复位脉冲。接着主机释放总线，4.7K的上拉电阻将单总线拉高，延时时间要在1560us，并进入接收模式（Rx）。接着DS18B20拉低总线60240us，以产生低电平应答脉冲。
2）写时序
图39.1.2.2 写时序图
写时序包括写0时序和写1时序。所有写时序至少需要60us，且在两次独立的写时序之间至少需要1us的恢复时间，两种写时序均起始于主机拉低总线。写1时序：主机输出低电平，延时2us，然后释放总线，延时60us。写0时序：主机输出低电平，延时60us，然后释放总线延时2us。
3）读时序
图39.1.2.3 读时序图
单总线器件仅在主机发出读时序时，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。所有读时序至少需要60us，且在2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间。每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1us。主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的15us之内采样总线状态。典型的读时序过程为：主机输出低电平延时2us，然后主机转入输入模式延时12us，然后读取单总线当前的电平，然后延时50us。
在了解单总线时序之后，我们来看一下DS18B20的典型温度读取过程，DS18B20的典型温度读取过程为：复位→发SKIP ROM（0xCC）→发开始转换命令（0x44）→延时→复位→发送SKIP ROM命令（0xCC）→发送存储器命令（0xBE）→连续读取两个字节数据（即温度）→结束。
39.2 硬件设计
- 例程功能
本实验开机的时候先检测是否有DS18B20存在，如果没有，则提示错误。只有在检测到DS18B20之后才开始读取温度并显示在LCD上，如果发现了DS18B20，则程序每隔100ms左右读取一次数据，并把温度显示在LCD上。 LED0闪烁用于提示程序正在运行。 - 硬件资源
1）LED灯
LED0 – PB4
2）串口1(PA9/PA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面)
3）正点原子2.8/3.5/4.3/7/10寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动)
4）DS18B20温度传感器(接在PC13上) - 原理图
DS18B20接口与STM32的连接关系，如下图所示：
图39.2.1 DS18B20接口与STM32的连接电路图
从上图可以看出，我们使用的是STM32的PC13来连接U4的DQ引脚，图中U4为DHT11（数字温湿度传感器）和DS18B20共用的一个接口，DHT11我们将在下一章介绍。
DS18B20只用到U4的3个引脚（U4的1、2和3脚），将DS18B20传感器插入到这个上面就可以通过STM32来读取DS18B20的温度了。连接示意图如图39.2.2所示：
图39.2.2 DS18B20连接示意图
从上图可以看出，DS18B20的平面部分（有字的那面）应该朝内，而曲面部分朝外。然后插入如图所示的三个孔内。
39.3 程序设计
DS18B20实验中使用的是单总线协议，用到的是HAL中GPIO相关函数，前面也有介绍到，这里就不做展开了。下面介绍一下如何驱动DS18B20。
DS18B20配置步骤
1）使能DS18B20数据线对应的GPIO时钟。
本实验中DS18B20的数据线引脚是PC13，因此需要先使能GPIOC的时钟，代码如下：
__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE(); /* PC口时钟使能 */
2）设置对应GPIO工作模式（开漏输出）
本实验GPIO使用开漏输出模式，通过函数HAL_GPIO_Init设置实现。
3）参考单总线协议，编写信号函数（复位脉冲、应答脉冲、写0/1、读0/1）
复位脉冲：主机发出低电平，保持低电平时间至少480us。
应答脉冲：DS18B20拉低总线60~240us，以产生低电平应答信号。
写1信号：主机输出低电平，延时2us，然后释放总线，延时60us。
写0信号：主机输出低电平，延时60us，然后释放总线，延时2us。
读0/1信号：主机输出低电平延时2us，然后主机转入输入模式延时12us，然后读取单总线当前的电平，然后延时50us。
4）编写DS18B20的读和写函数
基于写1bit数据和读1bit数据的基础上，编写DS18B20写1字节和读1字节函数。
5）编写DS18B20获取温度函数
参考DS18B20典型温度读取过程，编写获取温度函数。
39.3.1 程序流程图
图39.3.1.1 DS18B20实验程序流程图
39.3.2 程序解析
1.DS18B20驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。DS18B20驱动源码包括两个文件：ds18b20.c和ds18b20.h。
首先我们先看一下ds18b20.h头文件里面的内容，其定义如下：
/* DS18B20引脚 定义 */
#define DS18B20_DQ_GPIO_PORT GPIOC
#define DS18B20_DQ_GPIO_PIN GPIO_PIN_13
#define DS18B20_DQ_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE(); }while(0) /* PC口时钟使能 */
/* IO操作函数 */
#define DS18B20_DQ_OUT(x) do{ x ? \
HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_DQ_GPIO_PORT,
DS18B20_DQ_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \
HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_DQ_GPIO_PORT,
DS18B20_DQ_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \
}while(0) /* 数据端口输出 */
#define DS18B20_DQ_IN HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_DQ_GPIO_PORT,
DS18B20_DQ_GPIO_PIN) /* 数据端口输入 */
在ds18b20.h的操作跟IIC实验代码很类似，主要对用到GPIO口进行宏定义，以及宏定义IO操作函数，方便时序函数调用。
下面我们直接介绍ds18b20.c的程序，首先介绍的是DS18B20传感器的初始化函数，其定义如下：
/**
* @brief 初始化DS18B20的IO口 DQ 同时检测DS18B20的存在
* @param 无
* @retval 0, 正常
* 1, 不存在/不正常
*/
uint8_t ds18b20_init(void)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
DS18B20_DQ_GPIO_CLK_ENABLE(); /* 开启DQ引脚时钟 */
gpio_init_struct.Pin = DS18B20_DQ_GPIO_PIN;
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; /* 开漏输出 */
gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP; /* 上拉 */
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; /* 高速 */
/* 初始化DS18B20_DQ引脚 */
HAL_GPIO_Init(DS18B20_DQ_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
/* DS18B20_DQ引脚模式设置,开漏输出,上拉, 这样就不用再设置IO方向了,
开漏输出的时候(=1), 也可以读取外部信号的高低电平 */
ds18b20_reset();
return ds18b20_check();
}
在ds18b20的初始化函数中，主要对用到的GPIO口进行初始化，同时在函数最后调用复位函数和自检函数，这两个函数在后面会解释到。
下面介绍的是复位DS18B20函数和等待DS18B20的回应函数，它们的定义如下：
/**
* @brief 复位DS18B20
* @param data: 要写入的数据
* @retval 无
*/
static void ds18b20_reset(void)
{
DS18B20_DQ_OUT(0); /* 拉低DQ,复位 */
delay_us(750); /* 拉低750us */
DS18B20_DQ_OUT(1); /* DQ=1, 释放复位 */
delay_us(15); /* 延迟15US */
}
/**
* @brief 等待DS18B20的回应
* @param 无
* @retval 0, DS18B20正常
* 1, DS18B20异常/不存在
*/
uint8_t ds18b20_check(void)
{
uint8_t retry = 0;
uint8_t rval = 0;
while (DS18B20_DQ_IN && retry < 200) /* 等待DQ变低, 等待200us */
{
retry++;
delay_us(1);
}
if (retry >= 200)
{
rval = 1;
}
else
{
retry = 0;
while (!DS18B20_DQ_IN && retry < 240) /* 等待DQ变高, 等待240us */
{
retry++;
delay_us(1);
}
if (retry >= 240) rval = 1;
}
return rval;
}
以上两个函数分别代表着前面所说的复位脉冲与应答信号，大家可以对比前面的时序图进行理解。由于复位脉冲比较简单，所以这里不做展开。现在看一下应答信号函数，函数主要是对于DS18B20传感器的回应信号进行检测，对此判断其是否存在。函数的实现也是依据时序图进行逻辑判断，例如当主机发送了复位信号之后，按照时序，DS18B20会拉低数据线60~240us，同时主机接收最小时间为480us，我们就依据这两个硬性条件进行判断，首先需要设置一个时限等待DS18B20响应，后面也设置一个时限等待DS18B20释放数据线拉高，满足这两个条件即DS18B20成功响应。
下面介绍的是写函数，其定义如下：
/**
* @brief 写一个字节到DS18B20
* @param data: 要写入的字节
* @retval 无
*/
static void ds18b20_write_byte(uint8_t data)
{
uint8_t j;
for (j = 1; j <= 8; j++)
{
if (data & 0x01)
{
DS18B20_DQ_OUT(0); /* Write 1 */
delay_us(2);
DS18B20_DQ_OUT(1);
delay_us(60);
}
else
{
DS18B20_DQ_OUT(0); /* Write 0 */
delay_us(60);
DS18B20_DQ_OUT(1);
delay_us(2);
}
data >>= 1; /* 右移,获取高一位数据 */
}
}
通过形参决定是写1还是写0，按照前面对写时序的分析，我们可以很清晰知道写函数的逻辑处理。
有写函数肯定就有读函数，下面介绍的是读函数，其定义如下：
/**
* @brief 从DS18B20读取一个位
* @param 无
* @retval 读取到的位值: 0 / 1
*/
static uint8_t ds18b20_read_bit(void)
{
uint8_t data = 0;
DS18B20_DQ_OUT(0);
delay_us(2);
DS18B20_DQ_OUT(1);
delay_us(12);
if (DS18B20_DQ_IN)
{
data = 1;
}
delay_us(50);
return data;
}
/**
* @brief 从DS18B20读取一个字节
* @param 无
* @retval 读到的数据
*/
static uint8_t ds18b20_read_byte(void)
{
uint8_t i, b, data = 0;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
b = ds18b20_read_bit(); /* DS18B20先输出低位数据 ,高位数据后输出 */
data |= b << i; /* 填充data的每一位 */
}
return data;
}
在这里ds18b20_read_bit函数从DS18B20处读取1位数据，在前面已经对读时序也进行了详细的分析，所以这里也不展开解释了。
下面介绍读取温度函数，其定义如下：
/**
* @brief 开始温度转换
* @param 无
* @retval 无
*/
static void ds18b20_start(void)
{
ds18b20_reset();
ds18b20_check();
ds18b20_write_byte(0xcc); /* skip rom */
ds18b20_write_byte(0x44); /* convert */
}
/**
* @brief 从ds18b20得到温度值(精度：0.1C)
* @param 无
* @retval 温度值 （-550~1250）
* @note 返回的温度值放大了10倍.
* 实际使用的时候,要除以10才是实际温度.
*/
short ds18b20_get_temperature(void)
{
uint8_t flag = 1; /* 默认温度为正数 */
uint8_t TL, TH;
short temp;
ds18b20_start(); /* ds1820 start convert */
ds18b20_reset();
ds18b20_check();
ds18b20_write_byte(0xcc); /* skip rom */
ds18b20_write_byte(0xbe); /* convert */
TL = ds18b20_read_byte(); /* LSB */
TH = ds18b20_read_byte(); /* MSB */
if (TH > 7)
{ /* 温度为负，查看DS18B20的温度表示法与计算机存储正负数据的原理一致：
正数补码为寄存器存储的数据自身，负数补码为寄存器存储值按位取反后+1
所以我们直接取它实际的负数部分，但负数的补码为取反后加一，但考虑到低位可能+1后有进位和代码冗余，
我们这里先暂时没有作+1的处理，这里需要留意 */
TH = ~TH;
TL = ~TL;
flag = 0; /* 温度为负 */
}
temp = TH; /* 获得高八位 */
temp <<= 8;
temp += TL; /* 获得底八位 */
/* 转换成实际温度 */
if (flag == 0)
{ /* 将温度转换成负温度，这里的+1参考前面的说明 */
temp = (double)(temp+1) * 0.625;
temp = -temp;
}
else
{
temp = (double)temp * 0.625;
}
return temp;
}
在这里简单介绍一下上面用到的RAM指令：
跳过ROM(0xCC)，该指令只适合总线只有一个节点，它通过允许总线上的主机不提供64位ROM序列号而直接访问RAM，节省了操作时间。
温度转换(0x44)，启动DS18B20进行温度转换，结果存入内部RAM。
读暂存器(0xBE)，读暂存器9个字节内容，该指令从RAM的第一个字节（字节0）开始读取，直到九个字节（字节8，CRC值）被读出为止。如果不需要读出所有字节的内容，那么主机可以在任何时候发出复位信号以中止读操作。
2. main.c代码
在main.c里面编写如下代码：
int main(void)
{
uint8_t t = 0;
short temperature;
sys_cache_enable(); /* 打开L1-Cache */
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(240, 2, 2, 4); /* 设置时钟, 480Mhz */
delay_init(480); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
mpu_memory_protection(); /* 保护相关存储区域 */
led_init(); /* 初始化LED */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "DS18B20 TEST", RED);
lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
while (ds18b20_init()) /* DS18B20初始化 */
{
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "DS18B20 Error", RED);
delay_ms(200);
lcd_fill(30, 110, 239, 130 + 16, WHITE);
delay_ms(200);
}
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "DS18B20 OK", RED);
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "Temp: . C", BLUE);
while (1)
{
if (t % 10 == 0) /* 每100ms读取一次 */
{
temperature = ds18b20_get_temperature();
if (temperature < 0)
{
lcd_show_char(30 + 40, 130, '-', 16, 0, BLUE); /* 显示负号 */
temperature = -temperature; /* 转为正数 */
}
else
{
lcd_show_char(30 + 40, 130, ' ', 16, 0, BLUE); /* 去掉负号 */
}
/* 显示正数部分 */
lcd_show_num(30 + 40 + 8, 130, temperature / 10, 2, 16, BLUE);
/* 显示小数部分 */
lcd_show_num(30 + 40 + 32, 130, temperature % 10, 1, 16, BLUE);
}
delay_ms(10);
t++;
if (t == 20)
{
t = 0;
LED0_TOGGLE(); /* LED0闪烁 */
}
}
}
主函数代码比较简单，一系列硬件初始化后，在循环中调用ds18b20_get_temperature函数获取温度值，然后显示在LCD上。
39.4 下载验证
假定DS18B20传感器已经接上去正确的位置，将程序下载到开发板后，可以看到LED0不停的闪烁，提示程序已经在运行了。LCD显示当前的温度值的内容如图39.4.1所示：
图39.4.1 程序运行效果图
该程序还可以读取并显示负温度值，具备零下温度条件可以测试一下。