目录
前言
1. 单总线时序结构
2. DS18B20结构
2.1 DS18B20操作流程
2.2 DS18B20数据帧
3. 温度存储格式
4. 硬件分析
5. 实验程序详解
5.1 main.c
5.2 DS18B20.c
5.3 DS18B20.h
STM32F4内部集成了温度传感器。在之前的学习中,我们已经学习了使用AD进行温度采集,但是因为芯片温升较大,与实际的温度差别较大。所以本次我们学习使用STM32来读取开发板外部的温度传感器的温度。开发板外部的温度传感器是DS18B20,该传感器和MCU实现通讯使用的是单总线协议。
初始化:
主机将总线拉低至少480us,然后释放总线,4.7K的上拉电阻将单总线拉高,等待15~60us后,存在的从机会拉低总线60~240us产生低电平以响应主机,之后从机将释放总线。
发送一位:
主机将总线拉低60~120us,然后释放总线,表示发送0;主机将总线拉低1~15us,然后释放总线,表示发送1。
从机将在总线拉低30us后(典型值)读取电平,整个时间片应大于60us。
发送一个字节:
连续调用8次发送一位的时序,依次发送一个字节的8位(低位在前)
接收一位:
主机将总线拉低1~15us,然后释放总线,并且在拉低后15us内读取总线电平(尽量贴近15us的末尾),读取为低电平则为接收0,读取为高电平则为接收1,整个时间片应大于60us。
接收一个字节:
连续调用8次接收一位的时序,依次接收一个字节的8位(低位在前)
正点原子官方提供的单总线时序:
1. 复位脉冲和应答脉冲
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 480 us,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 15~60 us, 并进入接收模式(Rx)。接着 DS18B20 拉低总线 60~240 us,以产生低电平应答脉冲。
若为低电平,再延时 480 us。
2. 写时序
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 2 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
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。
注:所有的这些信号,除了应答脉冲以外,都是由主机发出的同步信号。并且发送的所有命令和数据都是低位在前。在写程序时,需要注意设置谁输入,谁输出,根据信号是由谁发
DS18B20是由DALLAS半导体公司推出的一种 “一线总线” 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。它工作在 3~5.5V 的电压范围。
ROM中的64位序列号是出厂前被定义好的,它可以看做是该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的作用是:
使每一个DS18B20都各不相同,以实现一根总线上挂接多个DS18B20。
初始化:从机复位,主机判断从机是否响应
ROM操作:ROM指令+本指令需要的读写操作
功能操作:功能指令+本指令需要的读写操作
温度变换:
初始化--->跳过ROM--->开始温度变换
温度读取:
初始化--->跳过ROM--->读暂存器--->连续的读操作
DS18B20典型的温度读取过程:
复位→发 SKIP ROM 命令(0XCC)→发开始转换命令(0X44)→延时→复 位→发送 SKIP ROM 命令(0XCC)→发读存储器命令(0XBE)→连续读出两个字节数据(即 温度)→结束。
温度存储的寄存器是16位寄存器,LSB为寄存器的低8位,MSB为寄存器的高8位;
位15~位11:温度的状态位,因为温度是有正有负的。高5位为0时,表示温度是正的;高5位是1时,表示温度是负的;
位3~位0:用来存储温度的小数部分。因为温度不一定都是整数,可能会有小数。例如:位3表示0.5,位2表示0.25,位1表示0.125,位0表示0.0625
注:DS18B20可以检测的温度范围是-55℃~+125℃;精度为±0.5℃。
有关程序中温度的相关问题:
1. 为什么温度寄存器中的高8位的二进制数大于7,就认为温度是负的?
因为温度存储的寄存器是16位,高5位是温度状态位,高5位为0时,表示温度是正的;高5位为1时,表示温度是负的;
7的八位二进制是:0000 0111 ,对应的高5位正好是0,如果大于7,那么对应的二进制就是1111 1111 因为高5位是状态位,要么全为0,要么全为1
2. 温度从二进制数转换成十进制数,为什么乘以0.625?
DS18B20的转换精度是9~12位,为了提高精度通常采用的都是12位,12位的最低位权是1/16=0.0625,所以说温度寄存器中的值都是以0.0625为步进的
换言之就是:温度每波动一次都是要么+0.0625,要么-0.0625,而不会出现温度上升0.01,或者下降0.01的情况。
所以温度寄存器中的值就是温度值的二进制乘以0.0625,得到的就是实际的十进制数;
程序中之所以乘0.625是因为返回值返回的温度是-550~+1250,返回温度相对于实际的温度范围放大了十倍,所以转换的步进值也要放大10倍,即0.625
温度传感器属于外部器件,所以做该实验时,需要购买DS18B20温度传感器模块接在开发板对应的位置。
GND/NC:接地
DQ:单总线输入/输出引脚,DQ引脚连接在STM32的PG9引脚上
VCC:供电电源,3V~5.5V
注:1WIRE_DQ 和 DCMI_PWDN 是共用 PG9 的,所以他们不能同时使用。
实验现象:
开机的时候先检测DS18B20是否存在,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,把温度显示在LCD上。
#include "stm32f4xx.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "LED.h"
#include "lcd.h"
#include "Key.h"
#include "usmart.h"
#include "DS18B20.h"
//LCD状态设置函数
void led_set(u8 sta)//只要工程目录下有usmart调试函数,主函数就必须调用这两个函数
{
LED1=sta;
}
//函数参数调用测试函数
void test_fun(void(*ledset)(u8),u8 sta)
{
led_set(sta);
}
int main(void)
{
u8 t=0;
short temperature;
delay_init(168);
uart_init(115200);
LED_Init();
LCD_Init();
POINT_COLOR=RED;
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Explorer STM32F4");
LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"DS18B20 Test");
LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2023/06/22");
while(DS18B20_Init()) //初始化返回值是检验DS18B20能否被开发板检测到,返回1也就是未检测到DS18B20
{
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"DS18B20 ERROR");
delay_ms(200);
LCD_Fill(30,130,239,130+16,WHITE); //清屏,清屏的范围是:x 30~239;y 130~130+16,也就是左边130行往下清两行
delay_ms(200);
}
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"DS18B20 OK");
POINT_COLOR=BLUE;
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"Temp: . C");
while(1)
{
if(t%10==0) //每100ms读取一次
{
temperature=DS18B20_Get_Temperature(); //调用读取温度函数,将读到的十进制数赋值给temperature
if(temperature<0) //温度为负
{
LCD_ShowChar(30+5*8,150,'-',16,0); //显示负号
temperature=-temperature; //负数变正数
}
else
{
LCD_ShowChar(30+5*8,150,' ',16,0); //去掉负号
}
LCD_ShowNum(30+5*8+8,150,temperature/10,2,16); //显示整数位
//30+5*8+8:30起始坐标,5*8表示Temp:占用的字节,8表示的是符号位占用的字节
LCD_ShowNum(30+5*8+4*8,150,temperature%10,1,16); //显示小数部分
}
delay_ms(10);
t++;
if(t==20)
{
t=0;
LED0=!LED0;
}
}
}
#include "stm32f4xx.h"
#include "DS18B20.h"
#include "delay.h"
//复位DS18B20
void DS18B20_Reset(void)
{
//复位的时序是:主机输出低电平,保持低电平至少480us,以产生复位脉冲。
//接着主机释放总线,4.7K上拉电阻将单总线拉高,延迟15~60us。
DS18B20_IO_OUT(); //整个单总线协议,除了应答信号是从机DS18B20发的,其余的信号都是主机发的,因此在发送这些信号时,都需要将主机的GPIO模式设置为输出模式
DS18B20_DQ_OUT=0; //主机输出低电平
delay_us(750); //保持低电平至少480us,以产生复位脉冲。这里设置750us
DS18B20_DQ_OUT=1; //主机释放总线,4.7K上拉电阻将单总线拉高.
delay_us(15); //延迟15~60us。这里设置为15us
}
//应答脉冲,也就是等待DS18B20的回应
//返回1:开发板上未检测到DS18B20的存在
//返回0:DS18B20存在
u8 DS18B20_CheckExist(void)
{
//应答信号的时序是:在复位脉冲时序结束后,DS18B20 拉低总线 60~240 us,以产生低电平应答脉冲。
u8 Existence=0;
DS18B20_IO_IN(); //IO引脚设置为输入模式,以便MCU可以接收到DS18B20的返回应答
while(DS18B20_DQ_IN && Existence<200)//按位与&&操作:两个条件都成立即可进入该while循环
//应答信号的时序规定:DS18B20需要拉低总线 60~240 us,以产生低电平应答脉冲。
//DS18B20_DQ_IN是DS18B20发送给主机的信号,如果为真,则意味着DS18B20没有拉低总线,也就没有产生低电平应答脉冲
//Existence<200:等待从机响应的时间,主机给一个复位信号,从机返回应答需要有一个缓冲时间,这里我们设置200us;换言之,如果超过200us,DS18B20还没有返回应答,则认为开发板没有接DS18B20
{
Existence++;
delay_us(1);
}//离开while循环时,DS18B20_DQ_IN一定是等于0,处于低电平,或者Existence>200,所以接下来需要判断究竟是哪个条件成立了
if(Existence>=200)//缓冲时间超过200us的情况
return 1; //认为开发板上未检测到DS18B20的存在
else //DS18B20存在
Existence=0; //为总线延迟240us做准备
while(!DS18B20_DQ_IN && Existence<240)
//应答信号的时序规定:DS18B20需要拉低总线 60~240 us,以产生低电平应答脉冲。
//该程序表示引脚收到低电平,并且通过循环延迟了240us
{
Existence++;
delay_us(1);
}
if(Existence>=240) //单总线时序规定应答信号需要拉低总线60~240us,这里设置的是239;大于240,违反时序,一定是return 0
return 1;
return 0;
}
//从DS18B20读一个位
//返回值:1/0
u8 DS18B20_Read_Bit(void)
{
//读一位的时序是: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,延时50us;读时序至少需要60us
//主机在读时序期间必须释放总线,并且在时序起始后的15us之内采样总线的状态。
u8 data;
DS18B20_IO_OUT(); //主机读从机,IO引脚输出模式
DS18B20_DQ_OUT=0; //主机输出低电平
delay_us(2); //主机输出低电平延时2us
DS18B20_DQ_OUT=1; //主机在读时序期间必须释放总线
DS18B20_IO_IN(); //主机转入输入模式
delay_us(12); //主机转入输入模式延时12us
if(DS18B20_DQ_IN) //读取单总线当前的电平,读的值就是引脚输入的电平值
data=1;
else
data=0;
delay_us(50); //延时50us
return data;
}
//从DS18B20读一个字节
//返回值:读到的数据
u8 DS18B20_Read_Byte(void)
{
u8 i,j,data;
data=0;
for(i=1;i<=8;i++) //读一个字节就是在读一位的基础之上循环8次得到的,低位在前
{
j=DS18B20_Read_Bit(); //将读到的那一位给到j
data=(j<<7)|(data>>1);
//该代码这样理解:第一次data初始化为0,右移一位还是0;j<<7 会将读到的那一位给到最高位,1和0进行或运算,是1还是1,是0还是0
//第二次循环的时候,data不再是0了,而是第一次得到的8位(最高位是第一次接收的值,其余位都是0);data>>1,表示第一次的最高位放到次高位上,
//最高位通过本次循环的j<<7来存放最高位,这样或运算以后,第一次接收的放在次高位,第二次接收的放在最高位
//每循环一次,上一次的8位数据就会整体右移一位,腾出的最高位给本次接收的那一位存放;循环八次,即可得到数据,并且还是低位在前的。
}
return data;
}
//写一个字节到DS18B20
//data:要写入的字节
void DS18B20_Write_Byte(u8 data)
{
//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
//所有写时序至少60us
u8 j;
u8 testb; //该变量用于记录要写的字节是逻辑1还是逻辑0
DS18B20_IO_OUT(); //主机写字节到DS18B20,主机设置为输出模式
for(j=1;j<=8;j++)
{
testb=data&0x01; //单总线协议发送时是低位在前,所以先取出最低位进行发送
data=data>>1; //每取一次最低位,就将次低位右移到最低位,为下一次取最低位做准备
//单总线协议下:逻辑1和逻辑0的写时序是不一样的,所以需要进行判断分开写
if(testb) //逻辑1
{
DS18B20_DQ_OUT=0; //主机输出低电平
delay_us(2); //延时2us
DS18B20_DQ_OUT=1; //释放总线
delay_us(60); //延时60us
}
else //逻辑0
{
DS18B20_DQ_OUT=0; //主机输出低电平
delay_us(60); //延时60us
DS18B20_DQ_OUT=1; //释放总线
delay_us(2); //延时2us
}
}
}
//温度转换
void DS18B20_StartConvert(void)
{
//温度转化的时序是:初始化(复位),然后跳过ROM,最后发送开始温度转换的数据帧
DS18B20_Reset(); //初始化(复位)
DS18B20_CheckExist(); //DS18B20应答
DS18B20_Write_Byte(DS18B20_SKIP_ROM); //写时序跳过ROM
DS18B20_Write_Byte(DS18B20_CONVERT_T); //发送开始温度转换的数据帧
}
//初始化DS18B20的IO口、DQ,同时检测DS18B20的存在
//返回1:不存在
//返回0:存在
u8 DS18B20_Init(void)
{
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG,ENABLE); //使能GPIOG时钟
//GPIOG9
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_OUT; //默认GPIO的模式是输出
GPIO_InitStructure.GPIO_OType=GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_UP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOG,&GPIO_InitStructure);
DS18B20_Reset(); //复位时序
return DS18B20_CheckExist(); //返回值是检测DS18B20是否存在
}
//从DS18B20得到温度值
//精度:0.1C
//返回值:温度值(-550~+1250)
//这里需要注意,精度是0.1C,并且测的的温度返回值是温度值(-550~+1250)
//根据DS18B20芯片手册记录:该传感器的测量范围是:-55~+125℃ ,所以相当于返回值放大了10倍
short DS18B20_Get_Temperature(void)
{
//温度读取的时序是:最先进行温度转换,复位(初始化),然后跳过ROM,紧接着读暂存器,最后进行连续的读操作,分别读出低8位和高8位
u8 temp;
u8 TLSB,THSB;
short temperature; //short短整型是16位
DS18B20_StartConvert(); //进行温度转换
DS18B20_Reset(); //复位(初始化)
DS18B20_CheckExist(); //检查DS18B20是否存在
DS18B20_Write_Byte(DS18B20_SKIP_ROM); //跳过ROM
DS18B20_Write_Byte(DS18B20_READ_SCRATCHPAD); //读暂存器
TLSB=DS18B20_Read_Byte(); //连续的读操作,读出低8位
THSB=DS18B20_Read_Byte(); //连续的读操作,读出高8位
if(THSB>7)
{
THSB=~THSB;
TLSB=~TLSB;
temp=0; //表示温度为负
//这里解释一下,为什么THSB>7,温度就是负的?
//因为温度存储的寄存器是16位,高5位是温度状态位,高5位为0时,表示温度是正的;高5位为1时,表示温度是负的;
//7的八位二进制是:0000 0111 ,对应的高5位正好是0,如果大于7,那么对应的二进制就是1111 1111 因为高5位是状态位,要么全为0,要么全为1
}
else
{
temp=1; //表示温度为正
}
temperature=THSB;
temperature=temperature<<8; //将低8位放到次低8位上
temperature=temperature+TLSB; //获得低8位
temperature=(double)temperature*0.625; //温度从二进制转换成十进制。我们表达温度不会说0000 0265摄氏度,我们只会说30摄氏度
//这里解释一下,为什么乘以0.625就能实现温度从二进制转换到十进制数?
//DS18B20的转换精度是9~12位,为了提高精度通常采用的都是12位,12位的最低位权是1/16=0.0625,所以说温度寄存器中的值都是以0.0625为步进的
//换言之就是:温度每波动一次都是要么+0.0625,要么-0.0625,而不会出现温度上升0.01,或者下降0.01的情况。
//所以温度寄存器中的值就是温度值的二进制乘以0.0625,得到的就是实际的十进制数;
//程序中之所以乘0.625是因为返回值返回的温度是-550~+1250,返回温度相对于实际的温度范围放大了十倍,所以转换的步进值也要放大10倍,即0.625
if(temp)
{
return temperature;
}
else
return -temperature; //这里默认只输入正的温度值
}
#ifndef _DS18B20__H_
#define _DS18B20__H_
#include "sys.h"
//IO方向设置
//该宏定义方式是通过位段的方式来定义的,通过调用GPIO的模式寄存器来设置相关位,其中00:输入模式 01:输出模式
//位段操作分两步:第一步将所要操作位清空,使用与&操作符完成;第二步将清空的位设置为相应的值,按设置的值输出相应的模式
//GPIO状态寄存器是32位寄存器,每两个位控制一个GPIO引脚,所以总共控制15个引脚
//本次我们操作的对象是PG9引脚,也就对应于寄存器的18位、19位
#define DS18B20_IO_IN() {GPIOG->MODER&=~(3<<(9*2));GPIOG->MODER|=0<<9*2;} //PG9输入模式
//将18/19位清空,使用&操作符完成;2*9表示每两个位控制一个引脚,先找到PG9所在的两个位
//3的32位二进制是: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011
//左移18位得到的是: 0000 0000 0000 1100 0000 0000 0000 0000
//取反得到的是: 1111 1111 1111 0011 1111 1111 1111 1111
//和最初的32位二进制按位与: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011 此时就设置了18 19位00,表示将这两位清空
//0的32位二进制是: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
//0左移18位,|或操作符: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 此时就将18位、19位设置成了00,表示输入模式
#define DS18B20_IO_OUT() {GPIOG->MODER&=~(3<<(9*2));GPIOG->MODER|=1<<9*2;} //PG9输出模式
//同理设置PG9输出模式,将第18 19位设置为01即可。
//IO操作函数
#define DS18B20_DQ_OUT PGout(9) //PG9设置为输出模式
#define DS18B20_DQ_IN PGin(9) //PG9设置为输入模式
//DS18B20数据帧
#define DS18B20_SKIP_ROM 0xCC
#define DS18B20_CONVERT_T 0x44
#define DS18B20_READ_SCRATCHPAD 0xBE
void DS18B20_Reset(void);
u8 DS18B20_CheckExist(void);
u8 DS18B20_Read_Bit(void);
u8 DS18B20_Read_Byte(void);
void DS18B20_Write_Byte(u8 data);
void DS18B20_StartConvert(void);
u8 DS18B20_Init(void);
short DS18B20_Get_Temperature(void);
#endif
该实验代码每一步都进行了详细的解释,如发现其中有错误的地方或者解释有误,欢迎指导改正!!!