【正点原子STM32连载】第三十九章 DS18B20数字温度传感器实验 摘自【正点原子】MiniPro STM32H750 开发指南_V1.1

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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

1. 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。
2. 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)
3. 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)
    {
        rval = 1;
    }
    else
    {
        retry = 0;
        while (!DS18B20_DQ_IN && 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 >= 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