【正点原子STM32连载】 第四十二章 DS18B20数字温度传感器实验 摘自【正点原子】STM32F103 战舰开发指南V1.2

1)实验平台:正点原子stm32f103战舰开发板V4
2)平台购买地址:https://detail.tmall.com/item.htm?id=609294757420
3)全套实验源码+手册+视频下载地址: http://www.openedv.com/thread-340252-1-1.html#

第四十二章 DS18B20数字温度传感器实验

本章,我们将介绍STM32F103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:
42.1 DS18B20及工作时序简介
42.2 硬件设计
42.3 程序设计
42.4 下载验证

42.1 DS18B20及工作时序简介

42.1.1 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。它的工作电压范围为3~5.5V,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42.1.1.1所示:
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图42.1.1.1 DS18B20内部结构图
ROM中的64位序列号是出厂前被设置好的,它可以看作是该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。
42.1.2 DS18B20工作时序简介
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
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图42.1.2.1 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
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图42.1.2.2 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
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图42.1.2.3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。
42.2 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 – PB5
    2)DS18B20温度传感器 – PG11
    3)串口1(PA9/PA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面)
    4)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)
  3. 原理图
    DS18B20接口与STM32的连接关系,如下图所示:
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图42.2.1 DS18B20连接原理
从上图可以看出,我们使用的是STM32的PG11来连接U6的DQ引脚,图中U6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U6的3个引脚(U6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42.2.2所示:
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图42.2.2 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。
42.3 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PG11,因此需要先使能GPIOG的时钟,代码如下:
__HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE(); /* PG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。
42.3.1 程序流程图
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图42.3.2.1 DS18B20实验程序流程图
42.3.2 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。温度传感器驱动源码包括两个文件:ds18b20.c和ds18b20.h。
首先我们先看一下ds18b20头文件里面的内容,其定义如下:

/* DS18B20引脚 定义 */
#define DS18B20_DQ_GPIO_PORT                	GPIOG
#define DS18B20_DQ_GPIO_PIN                 	GPIO_PIN_11
#define DS18B20_DQ_GPIO_CLK_ENABLE()		do{ __HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();\
 	}while(0)   /* PG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,首先先介绍一下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_HIGH;          /* 高速 */
    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。
下面介绍一下在前面提及的几个信号类型:

/**
 * @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。
下面接着看一下写函数:

/**
 * @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,下面看一下读函数:

/**
 * @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;   
    }

    temp = TH;      /* 获得高八位 */
    temp <<= 8;
    temp += TL;     /* 获得低八位 */
        
    /* 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;

    HAL_Init();                              	/* 初始化HAL库 */
    sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); 	/* 设置时钟, 72Mhz */
    delay_init(72);                         	/* 延时初始化 */
    usart_init(115200);                    	/* 串口初始化为115200 */
    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。
42.4 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42.4.1所示:
【正点原子STM32连载】 第四十二章 DS18B20数字温度传感器实验 摘自【正点原子】STM32F103 战舰开发指南V1.2_第8张图片

图42.4.1 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。

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