「正点原子NANO STM32开发板资料连载」第二十七 数字温度传感器

1）实验平台：alientek NANO STM32F411 V1开发板
2）摘自《正点原子STM32F4 开发指南（HAL 库版》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子


第二十七章 DS18B20 数字温度传感器实验
本章我们将向大家介绍如何通过 STM32 来读取外部数字温度传感器的温度，来得到较为准确的环境温度。在本章中，我们将学习使用单总线技术，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数码管上。本章分为如下几个部分：
27.1 DS18B20 简介
27.2 硬件设计
27.3 软件设计
27.4 下载验证
27.1 DS18B20 简介
DS18B20 是由 DALLAS 半导体公司推出的一种的“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。一线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概念，测量温度范围为-55~+125℃ ，精度为±0．5℃。现场温度直接以“一线总线”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 9~l2 位的数字值读数方式。它工作在 3—5．5 V 的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设计灵活、方便，设定分辨率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 27.1.1 所示：

ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光记好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码，每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，这样就可实现一根总线上挂接多个。
所有的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
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。
在了解了单总线时序之后，我们来看看 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 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。
DS18B20 的介绍就到这里，更详细的介绍，请大家参考 DS18B20 的技术手册。
27.2 硬件设计
由于开发板上标准配置是没有 DS18B20 这个传感器的，只有接口，所以要做本章的实验，
大家必须找一个 DS18B20 插在预留的 18B20 接口上。
本章实验功能简介：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。同样我们也是用 DS0 来指示程序
正在运行。
所要用到的硬件资源如下：
1） 指示灯 DS0、DS3
2） 数码管
3） DS18B20 温度传感器
前两部分，在之前的实例已经介绍过了，而DS18B20温度传感器属于外部器件（板上没有
直接焊接），这里也不介绍。本章，我们仅介绍DS18B20接口和STM32的连接电路，如图26.2.1
所示：

从上图可以看出，我们使用的是 STM32 的 PB9 来连接 U2 的 1WIRE_DQ 引脚，图中 U2
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 U2 的 3 个引脚（U2 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 27.2.2 所示：

注意：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。
27.3 软件设计
打开我们的 DS18B20 数字温度传感器实验工程可以看到我们添加了 ds18b20.c 文件以及其
头文件 ds18b20.h 文件，所有 ds18b20 驱动代码和相关定义都分布在这两个文件中。
打开 ds18b20.c，该文件代码如下：
//复位 DS18B20
void DS18B20_Rst(void)
{
DS18B20_IO_OUT();
//设置为输出
DS18B20_DQ_OUT=0;
//拉低 DQ
delay_us(750);
//拉低 750us
DS18B20_DQ_OUT=1;
//DQ=1
delay_us(15);
//15US
}
//等待 DS18B20 的回应
//返回 1:未检测到 DS18B20 的存在
//返回 0:存在
u8 DS18B20_Check(void)
{
u8 retry=0;
DS18B20_IO_IN();
//设置为输入
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;
}
//从 DS18B20 读取一个位
//返回值：1/0
u8 DS18B20_Read_Bit(void)
{
u8 data;
DS18B20_IO_OUT();
//设置为输出
DS18B20_DQ_OUT=0;
delay_us(2);
DS18B20_DQ_OUT=1;
DS18B20_IO_IN();
//设置为输入
delay_us(12);
if(DS18B20_DQ_IN)data=1;
else data=0;
delay_us(50);
return data;
}
//从 DS18B20 读取一个字节
//返回值：读到的数据
u8 DS18B20_Read_Byte(void)
{
u8 i,j,dat;
dat=0;
for (i=1;i<=8;i++)
{
j=DS18B20_Read_Bit();
dat=(j<<7)|(dat>>1);
}
return dat;
}
//写一个字节到 DS18B20
//dat：要写入的字节
void DS18B20_Write_Byte(u8 dat)
{
u8 j;
u8 testb;
DS18B20_IO_OUT();
//设置为输出
for (j=1;j<=8;j++)
{
testb=dat&0x01;
dat=dat>>1;
if(testb)
// 写 1
{
DS18B20_DQ_OUT=0;
delay_us(2);
DS18B20_DQ_OUT=1;
delay_us(60);
}
else
//写 0
{
DS18B20_DQ_OUT=0;
delay_us(60);
DS18B20_DQ_OUT=1;
delay_us(2);
}
}
}
//开始温度转换
void DS18B20_Start(void)
{
DS18B20_Rst();
DS18B20_Check();
DS18B20_Write_Byte(0xcc);// skip rom
DS18B20_Write_Byte(0x44);// convert
}
//初始化 DS18B20 的 IO 口 DQ 同时检测 DS 的存在
//返回 1:不存在
//返回 0:存在
u8 DS18B20_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
//开启 GPIB 时钟
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_9;
//PB9
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP;//推挽输出
GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP;
//上拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH;
//高速
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
//初始化
DS18B20_Rst();
return DS18B20_Check();
}
//从 ds18b20 得到温度值
//精度：0.1C
//返回值：温度值 （-550~1250）
short DS18B20_Get_Temp(void)
{
u8 temp;
u8 TL,TH;
short tem;
DS18B20_Start ();
//开始转换
DS18B20_Rst();
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)
{
TH=~TH;
TL=~TL;
temp=0;//温度为负
}else temp=1;//温度为正
tem=TH; //获得高八位
tem<<=8;
tem+=TL;//获得底八位
tem=(double)tem*0.625;//转换
if(temp)return tem; //返回温度值
else return -tem;
}
该部分代码就是根据我们前面介绍的单总线操作时序来读取 DS18B20 的温度值的，
DS18B20
的温度通过 DS18B20_Get_Temp 函数读取，该函数的返回值为带符号的短整形数据，返回值的
范围为-550~1250，其实就是温度值扩大了 10 倍。
然后我们打开 ds18b20.h，该文件下面主要是一些 IO 口位带操作定义以及函数申明，没有
什么特别需要讲解的地方。最后打开 main.c，该文件代码如下：
// 共阴数字数组
// 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F, .,全灭
u8 smg_num[]={0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,
0xf6,0xee,0x3e,0x9c,0x7a,0x9e,0x8e,0x01,0x00};
short temperature;//温度值
u8 smg_wei=4;//数码管位选
u8 num=0;//数码管数值
u16 led_t=0;//led 时间
u16 temp_t=0;//采样时间
u8 flag=0;//温度正负标志位
int main(void)
{
HAL_Init();
//初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(96,4,2,4);
//设置时钟,96Mhz
delay_init(96);
//初始化延时函数
LED_Init();
//初始化 LED
LED_SMG_Init();
//数码管初始化
uart_init(115200);
//串口初始化为 115200
printf("NANO STM32rn");
printf("DS18B20 TESTrn");
while(DS18B20_Init()) //DS18B20 初始化
{
printf("DS18B20 Errorrn");
delay_ms(200);
LED3=!LED3;//LED3 闪烁表示 DS18B20 初始化失败
}
LED3=1;
printf("DS18B20 OKrn");
tiM3_Init(19,7199);
//数码管 2ms 定时显示
while(1)
{
}
}
//回调函数，定时器中断服务函数调用
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if(htim==(&TIM3_Handler))
{
temp_t++;
if(temp_t==500)//DS18B20 1S 采样
{
temp_t=0;
temperature=DS18B20_Get_Temp();//获取温度值
if(temperature<0)//若温度为负数
{
temperature=-temperature;
flag=1;
}else flag=0;
}
switch(smg_wei)
{
case 4: if(flag)num = 0x02; //显示"-"以表示负温度
else num=0x00;
break;
case 5: num = smg_num[temperature/10/10];break; //温度值
case 6: num = smg_num[temperature/10%10]|0x01; break;
case 7: num =smg_num[temperature%10];break;
}
LED_Write_Data(num,smg_wei);//写数据到数码管
LED_Refresh();//更新显示
smg_wei++;
if(smg_wei==8) smg_wei=4;
led_t++;
if(led_t==250)//LED0 500ms 闪烁
{
led_t=0;
LED0=!LED0;
}
}
}
由于 DS18B20 的时序是使用软件时序操作的，为了不打扰时序操作，我们将读取温度放到
在定时器中断执行，以每隔 1S 时间采集温度，数码管同样是以 2ms 时间动态扫描显示采集的温
度值,DS0 以每 500ms 闪烁一次，以表示程序正在运行。
至此，我们本章的软件设计就结束了。
27.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到 ALIENTEK NANO STM32F4 开发板上，可以
看到数码管显示当前的温度值（假定 DS18B20 已经接上去了），如图 27.4.1 所示：

该程序还可以读取并显示负温度值的，只是由于本人在广州，是没办法看到了（除非放到
冰箱），具备条件的读者可以测试一下。