STM32F4_DS18B20红外温度传感器

news2024/11/15 10:14:28

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

前言

        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。

1. 单总线时序结构

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        

2. DS18B20结构

        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。

2.1 DS18B20操作流程

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

2.2 DS18B20数据帧

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。

3. 温度存储格式

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

4. 硬件分析

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。

5. 实验程序详解

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。

5.1 main.c

#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;
		}
	}
}

5.2 DS18B20.c

#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
}

5.3 DS18B20.h

#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！！！

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