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 STM32\r\n");
printf("DS18B20 TEST\r\n");
while(DS18B20_Init()) //DS18B20 初始化
{
printf("DS18B20 Error\r\n");
delay_ms(200);
LED3=!LED3;//LED3 闪烁表示 DS18B20 初始化失败
}
LED3=1;
printf("DS18B20 OK\r\n");
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。