2023年03月21日 | STM32CubeMX系列 | DS18B20温度传感器

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、实用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。 DS18B20的内部结构如下图示

ROM中的64位序列号是出厂前就被光刻好的，可以看做是DS18B20的地址序列号。64位光刻ROM的排列是：8位产品类型标号+48位DS18B20序列号+8位循环冗余校验码。光刻ROM 的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20

DS18B20的内部存储器（9个字节）包括一个高速暂存器RAM和一个EEPROM，EEPROM里存放高温和低温触发器和配置寄存器，存储器详细组成见下图：

配置寄存器是配置不同的位数来确定温度和数字的转化，其结构下图示：低五位都是1，TM是测试模式位（设置工作模式或测试模式，默认为0即工作模式），R1和R0用来设置精度，可设9~12位精度，对应的温度分辨率为0.5/0.25/0.125/0.0625℃

所有的单总线器件都要求采样严格的信号时序，以保证设局的完整性。DS18B20的时序有：初始化时序、写（0和1）时序、读（0和1）时序。DS18B20发送所有的命令和数据都是字节的低位在前，下面介绍这几个信号的时序：

• 初始化时序：单总线上的所有通讯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480us（480 ~ 960us之间），以产生复位脉冲；接着主机释放总线，外部的上拉电阻将单总线拉高，延时15 ~ 60us，并进入接收模式；接着DS18B20拉低总线60 ~ 240us，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，再延时480us；初始化时序图如下

• 写时序：写时序包括写0和写1时序。所有写时序至少需要60us，并且在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。写时序图如下

• 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，主机在读时序器件必须释放总线，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

DS18B20的典型温度读取过程：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

2. 硬件设计

D1指示灯用来提示系统运行状态，DS18B20温度传感器用来检测环境温度，串口1用来打印温度值

• D1指示灯

• DS18B20

• USART1

• TIM7（提供us延时）

3. 软件设计

3.1 STM32CubeMX设置

• RCC设置外接HSE，时钟设置为72M

• PC0设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速、默认输出电平为高电平

• USART1选择为异步通讯方式，波特率设置为115200Bits/s，传输数据长度为8Bit，无奇偶校验，1位停止位

• PG11设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速

• 激活TIM7，预分频因子设为72-1，向上计数，自动重载值为65535；因此计数器CNT_CLK = 1MHz，计数器周期为1us

• 输入工程名，选择工程路径（不要有中文），选择MDK-ARM V5；勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ；点击GENERATE CODE，生成工程代码

3.2 MDK-ARM编程

• 在tim.c文件下实现微秒延时（us）函数

void delay_us(uint16_t us){

    uint16_t differ = 0xffff-us-5;              

    __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim7,differ);   //设定TIM7计数器起始值

    HAL_TIM_Base_Start(&htim7);     //启动定时器 

    while(differ < 0xffff-5){   //判断

        differ = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim7);     //查询计数器的计数值

    }

    HAL_TIM_Base_Stop(&htim7);

}

创建按键驱动文件ds18b20.c 和相关头文件ds18b20.h

void DS18B20_IO_IN(void){

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_11;

    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_INPUT;

    HAL_GPIO_Init(GPIOG,&GPIO_InitStructure);

}

void DS18B20_IO_OUT(void){

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_11;

    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

    GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;

    HAL_GPIO_Init(GPIOG,&GPIO_InitStructure);

}

void DS18B20_Rst(void){

    DS18B20_IO_OUT();

    DS18B20_DQ_OUT_LOW;

    delay_us(750);

    DS18B20_DQ_OUT_HIGH;

    delay_us(15);

}

uint8_t DS18B20_Check(void){

    uint8_t retry = 0;

    DS18B20_IO_IN();

    while(DS18B20_DQ_IN && retry < 200){

        retry++;

        delay_us(1);

    }

    if(retry >= 200)

        return 1;

    else

        retry = 0;

    while(!DS18B20_DQ_IN && retry < 240){

        retry++;

        delay_us(1);

    }

    if(retry >= 240)

        return 1;

    return 0;

}

uint8_t DS18B20_Read_Bit(void){

    uint8_t data;

    DS18B20_IO_OUT();

    DS18B20_DQ_OUT_LOW;

    delay_us(2);

    DS18B20_DQ_OUT_HIGH;

    DS18B20_IO_IN();

    delay_us(12);

    if(DS18B20_DQ_IN)

        data = 1;

    else

        data = 0;

    delay_us(50);

    return data;

}

uint8_t DS18B20_Read_Byte(void){

    uint8_t i,j,data;

    data = 0;

    for(i=1;i<=8;i++){

        j = DS18B20_Read_Bit();

        data = (j<<7)|(data>>1);

    }

    return data;

}

void DS18B20_Write_Byte(uint8_t data){

    uint8_t j;

    uint8_t testb;

    DS18B20_IO_OUT();

    for(j=1;j<=8;j++){

        testb=data&0x01;

        data=data>>1;

        if(testb){

            DS18B20_DQ_OUT_LOW;

            delay_us(2);

            DS18B20_DQ_OUT_HIGH;

            delay_us(60);

        }else{

            DS18B20_DQ_OUT_LOW;

            delay_us(60);

            DS18B20_DQ_OUT_HIGH;

            delay_us(2);

        }

    }

}

void DS18B20_Start(void){

    DS18B20_Rst();

    DS18B20_Check();

    DS18B20_Write_Byte(0xcc);

    DS18B20_Write_Byte(0x44);

}

uint8_t DS18B20_Init(void){

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_11;

    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

    GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_PULLUP;

    GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;

    HAL_GPIO_Init(GPIOG,&GPIO_InitStructure);

    DS18B20_Rst();

    return DS18B20_Check();

}

short DS18B20_Get_Temperature(void){

    uint8_t temp;

    uint8_t TL,TH;

    short temperature;

    DS18B20_Start();

    DS18B20_Rst();

    DS18B20_Check();

    DS18B20_Write_Byte(0xcc);

    DS18B20_Write_Byte(0xbe);

    TL = DS18B20_Read_Byte();

    TH = DS18B20_Read_Byte();

    if(TH>7){

        TH = ~TH;

        TL = ~TL;

        temp = 0;

    }else

        temp = 1;

    temperature = TH;

    temperature <<= 8;

    temperature += TL;

    temperature = (float)temperature*0.625;

    if(temperature)

        return temperature;

    else

        return -temperature;

}

在main.c文件下编写ds18b20测试代码

int main(void){

  float temperature;

  HAL_Init();

  SystemClock_Config();

  MX_GPIO_Init();

  MX_TIM7_Init();

  MX_USART1_UART_Init();

  /* USER CODE BEGIN 2 */

  while(DS18B20_Init()){

    printf("DS18B20 checked failed!!!rn");

    HAL_Delay(500);

  }

  printf("DS18B20 checked success!!!rn");

  /* USER CODE END 2 */

  while (1){

    temperature = DS18B20_Get_Temperature();

        if(temperature < 0)

            printf("temperature = -%.2f degreern",temperature/10);

        else

            printf("temperature = %.2f degreern",temperature/10);

        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_0);

        HAL_Delay(200);

  }

}

4. 下载验证

编译无误下载到开发板后，可以看到D1指示灯不断闪烁，串口不断打印出当前温度值