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STM32微控制器与DS18B20温度传感器交互编程实战

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简介：本文详细介绍了如何使用STM32微控制器与DS18B20数字温度传感器通过1-Wire协议进行交互，并编写程序进行温度读取。STM32作为基于ARM Cortex-M内核的微控制器，以其丰富的外设接口广泛用于嵌入式系统。DS18B20则以其高精度和1-Wire通信接口特性，成为了易于使用的数字温度传感器。文章从基础的微控制器介绍，到DS18B20的技术细节，再到编程实现和温度读取流程，全面讲解了整个系统的设计和实现过程。此外，还提到了程序的移植性以及在多传感器系统中需要注意的问题。 基于STM32的DS18B20温度传感器程序

1. STM32微控制器概述与特点

微控制器是嵌入式系统设计的核心组件，而STM32系列微控制器在业界广受欢迎，尤其在需要高性能处理能力、灵活的外设集成和可伸缩性的应用中。STM32家族基于ARM Cortex-M处理器，具有多种系列，它们各自具备不同的特点和功能，满足从简单到复杂的控制任务需求。

1.1 STM32微控制器的架构

STM32微控制器采用哈佛结构，具有高性能的处理器内核、丰富的内存资源和外设接口。其处理器内核从低至Cortex-M0，高至Cortex-M7，支持不同应用场合的性能要求。STM32通过灵活的外设配置，实现与各种传感器、驱动器的无缝连接。

1.2 STM32的关键特性

STM32微控制器提供以下关键特性，这使得它们在工业、医疗、消费电子产品中成为首选： - ** 性能 ** ：最高可达216MHz的处理速度和大量的浮点运算能力。 - ** 能效 ** ：采用先进的节能技术，支持多种低功耗模式。 - ** 安全性 ** ：内置安全特性，如硬件加密加速器和固件更新机制。

1.3 STM32的发展前景

随着物联网和工业4.0的发展，STM32微控制器的应用前景十分广阔。其不断增强的性能和更为丰富的外设支持，为未来智能设备的设计提供了坚实的基础。同时，不断更新的开发环境和库函数简化了开发流程，加快了产品从概念到市场的速度。

2. DS18B20数字温度传感器特性

2.1 DS18B20的工作原理和精度

DS18B20是一个数字温度传感器，其特点是具有数字输出，这为温度检测提供了很大的便利。DS18B20的温度测量范围为-55°C至+125°C，精度在-10°C至+85°C范围内为±0.5°C。这样的精度满足了大部分温度测量的需求。

2.1.1 DS18B20的基本结构和工作模式

DS18B20的主要结构包括温度传感器、64位ROM、温度寄存器和非挥发性温度告警触发器。DS18B20的工作模式主要有温度转换模式和温度读取模式。

温度转换模式：在该模式下，DS18B20会将其内部的温度传感器读取的模拟信号转换为数字信号。这个过程需要一定的时间，转换时间与分辨率有关。

温度读取模式：在该模式下，DS18B20会将内部温度寄存器中的温度值读取出来。这个值是一个数字信号，可以直接被微控制器读取和处理。 

// 初始化DS18B20
void DS18B20_Init() {
    // 初始化代码
}

// 启动DS18B20温度转换
void DS18B20_StartConversion() {
    // 启动温度转换的代码
}

// 读取DS18B20的温度值
int DS18B20_ReadTemperature() {
    // 读取温度值的代码
}
2.1.2 温度测量的精度和误差分析

DS18B20的温度测量精度主要受到以下因素的影响：

  1. 传感器本身的精度：DS18B20的精度在-10°C至+85°C范围内为±0.5°C。
  2. 电源电压的稳定性：电源电压的波动会直接影响传感器的测量精度。
  3. 环境温度的变化：环境温度的变化会影响传感器的测量结果。

2.2 DS18B20的电气特性与封装

2.2.1 输入输出特性及电源要求

DS18B20的输入输出特性主要包括其工作电压范围和通信协议。DS18B20的工作电压范围为3.0V至5.5V，支持1-Wire通信协议。

电源要求：DS18B20在不同的工作模式下，其电流消耗也不相同。在温度转换模式下，电流消耗最大为1.5mA；在待机模式下，电流消耗最小为1μA。

2.2.2 封装形式对应用的影响

DS18B20的封装形式主要有TO-92、SOIC和µSOP。不同的封装形式对应用的影响主要有以下几点：

  1. 安装方式：不同的封装形式适用于不同的安装方式，如TO-92适合于直插式安装，而SOIC和µSOP则适合于表面贴装。
  2. 尺寸大小：不同的封装形式尺寸大小不同，这会影响到整体设计的尺寸和布局。
  3. 热性能：不同的封装形式热性能不同，这会影响到传感器的测量精度。
graph TD
    A[DS18B20] -->|工作电压| B[3.0V至5.5V]
    A -->|通信协议| C[1-Wire]
    A -->|工作模式| D[温度转换模式/待机模式]
    D -->|电流消耗| E[1.5mA/1μA]

本章节对DS18B20数字温度传感器的特性进行了深入的分析，从其工作原理、精度、电气特性和封装等方面进行了详尽的介绍。这些知识将为后续的硬件连接、编程实现和温度数据处理等环节提供坚实的基础。在下一章节中，我们将深入了解1-Wire通信协议的基础知识和实际应用。

3. 1-Wire通信协议基础

3.1 1-Wire通信协议概述

3.1.1 1-Wire通信协议的特点和应用场景

1-Wire通信协议是一种串行通信协议，由美国DALLAS半导体公司（现为Maxim Integrated的一部分）推出，广泛用于微控制器与数字传感器之间的通信。该协议特点为只需一条数据线和一条地线，既可完成数据的双向传输，简化了硬件设计，降低了成本。1-Wire设备可以通过单一的数据线进行供电和数据通信，这种通信方式称为“寄生电源”模式，极大地简化了外围电路。

1-Wire通信适用于低速、低数据量需求的应用场景，如温度、湿度等环境监测传感器数据的读取。它常用于需要多个从设备与单个主机通信的场合。例如，多个DS18B20温度传感器可以挂在同一根1-Wire总线上，实现多点温度测量。

3.1.2 1-Wire通信的时序分析

1-Wire通信协议的时序严格定义了数据的发送与接收过程，主要包含复位时序（Reset）、存在脉冲时序（Presence Pulse）、写时序和读时序。数据的传输以时间长度来区分0和1，复位时序用于初始化1-Wire总线和识别设备，存在脉冲时序用于从设备响应主机的复位。

时序的关键参数如下：

  • 初始化时隙（Reset Pulse）：主机拉低数据线至少480微秒，然后释放，从设备在此期间需产生存在脉冲。
  • 存在脉冲（Presence Pulse）：从设备在主机释放数据线后，至少保持数据线低电平60微秒到240微秒，表示其已准备好通信。
  • 写时隙（Write Time Slot）：主机通过拉低数据线至少60微秒再释放来发送一个位，如果需要写0，主机在释放后保持数据线低电平至少1微秒，如果写1，则释放后立即上拉数据线。
  • 读时隙（Read Time Slot）：主机拉低数据线至少1微秒后释放，从设备在主机释放后的15微秒内将数据线拉低为低电平表示读0，否则保持高电平表示读1。

以下是一个1-Wire读取时序的示例代码块及逻辑分析： 

// 1-Wire通信的示例代码块
// 该函数用于产生一个复位时序
void ow_reset(void) {
    // 省略了具体的硬件操作函数，例如GPIO操作
    // 拉低数据线
    OW_LINE_LOW();
    delay_us(480); // 延时480微秒
    OW_LINE_HIGH(); // 释放数据线
    delay_us(70); // 等待60-240微秒存在脉冲
    // 检测从设备的存在脉冲
    if (ow_get_input() == LOW) {
        delay_us(410); // 等待复位响应的剩余部分
    } else {
        // 从设备未响应，处理错误
    }
}

该函数 

 ow_reset

通过硬件操作来实现1-Wire总线上的复位操作。首先通过GPIO函数将1-Wire数据线拉低持续480微秒以上，然后释放数据线并延时等待70微秒，检测从设备是否产生存在脉冲。如果检测到低电平，继续延时等待直到整个复位过程完成。

3.2 1-Wire通信协议的软件实现

3.2.1 软件模拟1-Wire通信协议

软件模拟1-Wire通信协议意味着在没有专门硬件支持的情况下，通过软件操作普通GPIO端口来模拟1-Wire总线的数据传输。这种方法依赖于精确的时序控制，对处理器的执行速度和代码效率有较高的要求。

实现软件模拟1-Wire通信的主要步骤包括：

  1. 初始化1-Wire总线，即复位过程。
  2. 发送写时序，包括写0和写1。
  3. 产生读时序，读取从设备返回的数据。
  4. 重置或结束通信。

实现1-Wire通信协议的软件算法复杂性较高，需要考虑各种时序的准确性和稳定性。以下代码展示了软件模拟1-Wire数据写入0的操作和逻辑分析： 

// 软件模拟1-Wire写入0的操作
void ow_write_bit(uint8_t bit) {
    OW_LINE_LOW(); // 主机将数据线拉低
    delay_us(1); // 延时至少1微秒
    OW_LINE_HIGH(); // 释放数据线
    delay_us(60); // 数据线保持高电平至少60微秒
}

// 逻辑分析：
// 该函数通过在特定的时刻拉低和释放数据线，来模拟写入一个位的操作。
// 在写入0时，数据线必须在主机释放后保持低电平至少1微秒，然后在1-Wire总线上保持高电平至少60微秒。
// 这种操作模拟了1-Wire写时序中写0的行为。

3.2.2 常见的1-Wire通信问题及解决方案

在使用1-Wire通信时，常见的问题包括时序错误、通信中断和从设备故障。时序错误主要是由于软件模拟时序控制不精确或硬件操作不当造成的。解决方法是优化代码逻辑，确保时序的精确性，或者使用专门的硬件定时器来辅助控制。

通信中断可能由于电气噪声、电源电压不稳定或超过通信距离限制等原因引起。解决方案可以是增加信号增强电路，改善信号的完整性，或者设计更健壮的通信协议。对于从设备故障，可以通过软件层面的诊断功能，定时检测设备的存在脉冲来实现故障检测和恢复。

1-Wire通信在软件层面的一个常见问题是地址冲突。由于多个设备共享同一总线，有时设备会同时尝试发送数据。解决这种问题的方法之一是使用ROM命令中的"跳过ROM"或"匹配ROM"命令，确保同一时间只有一个设备响应。

上述问题和解决方案在设计和实现1-Wire通信系统时需要认真考虑，以确保系统的稳定性和可靠性。

4. STM32与DS18B20硬件连接方法

4.1 硬件连接的基础知识

4.1.1 STM32的GPIO端口及其特性

STM32微控制器是STMicroelectronics（意法半导体）生产的一系列32位ARM Cortex-M微控制器。它以高性能、低功耗、低成本为特点，广泛应用于工业控制、医疗设备、消费电子等领域。GPIO（General Purpose Input/Output）端口是STM32中用于通用输入输出的端口，是与外部设备通信的重要接口。

STM32的GPIO端口具有以下特性： - ** 可配置性 ** ：每个GPIO端口可以被配置为输入、输出、复用输入、模拟输入等多种模式。 - ** 多速驱动能力 ** ：端口可以配置为高速或低速模式，以适应不同电路的驱动要求。 - ** 上拉/下拉电阻 ** ：可以配置内部上拉或下拉电阻，增强输入端口的噪声抵抗能力。 - ** 中断能力 ** ：大部分GPIO端口具备中断能力，可以用于外部事件的快速响应。 - ** 复用功能 ** ：某些GPIO端口还可以被复用为外设功能，如UART、SPI、I2C等。

4.1.2 硬件连接的基本原则和步骤

在连接STM32与DS18B20传感器时，应遵循以下基本原则： - ** 电源与接地 ** ：确保传感器和微控制器的电源和接地正确连接，避免电路短路或电源噪声干扰。 - ** 通信协议匹配 ** ：DS18B20通过1-Wire通信协议与微控制器通信，因此必须确保STM32的GPIO端口能够支持1-Wire通信。 - ** 防护措施 ** ：在传感器与微控制器间可能需要加入适当的防护电路，如上拉电阻或瞬态抑制器等。

硬件连接的具体步骤如下： 1. ** 选择合适的GPIO端口 ** ：首先需要选择STM32中支持1-Wire通信的GPIO端口。 2. ** 配置GPIO端口模式 ** ：将所选GPIO端口配置为开漏输出，并通过外部上拉电阻实现高电平驱动。 3. ** 连接DS18B20 ** ：将DS18B20的数据线连接到配置好的GPIO端口，将VDD接到3.3V或5V电源（根据传感器规格而定），GND接到地线。 4. ** 测试连接 ** ：在上电前，使用万用表检测DS18B20的供电和通信线路是否正常。

4.2 硬件连接的具体实施

4.2.1 硬件连接的电路图和原理分析

以下是STM32与DS18B20硬件连接的一个典型电路图示例： 

graph LR
A[STM32 GPIO端口] -->|1-Wire| B[上拉电阻]
B --> C[DS18B20 DQ数据线]
C -->|VDD| D[电源]
C -->|GND| E[地线]

电路工作原理分析： - ** DS18B20的VDD端 ** ：从微控制器的3.3V或5V电源获取供电。 - ** DS18B20的GND端 ** ：连接至微控制器的地线，确保共同的参考电位。 - ** DS18B20的DQ数据线 ** ：该数据线必须连接到STM32的GPIO端口，并通过一个约4.7kΩ的上拉电阻连接到电源。

4.2.2 硬件连接的调试和优化方法

调试过程中可能会遇到的问题及解决方法： - ** 通信不稳定 ** ：若通信不稳定可能是由于连接线过长或电源不稳定。可以在DS18B20的电源和数据线上加滤波电容来提高稳定性。 - ** 读取失败 ** ：如果无法读取温度数据，首先检查是否有正确使用1-Wire协议的延时和时序控制。其次，确保硬件连接正确无误，最后检查是否有错误的数据处理逻辑。

优化建议： - ** 供电优化 ** ：根据传感器规格选择合适的电源电压，确保供电稳定。 - ** 信号完整性优化 ** ：减少长线传输，避免信号反射和串扰。 - ** 固件升级 ** ：保持固件版本最新，使用最新的软件库和算法优化1-Wire通信协议的实现。

硬件连接是实现STM32与DS18B20通信的基础，正确和稳定的连接对于整个系统的可靠性和准确性至关重要。通过上述的分析与建议，可以确保硬件连接的质量，为进一步的编程实现打下坚实的基础。

5. DS18B20温度读取编程实现

5.1 编程实现的基本步骤

5.1.1 初始化DS18B20传感器

DS18B20传感器的初始化是进行温度读取的首要步骤。在单总线通信协议下，传感器的初始化过程涉及将数据线拉低一定时间来发出复位脉冲，并等待传感器的响应脉冲。

以下是一个基本的初始化DS18B20的代码示例： 

void DS18B20_Init() {
    // 拉低数据线并维持480us，发送复位脉冲
    DS18B20_DQ_PORT &= ~(1 << DS18B20_DQ_PIN); // 拉低DQ线
    _delay_us(480);                            // 延时480us
    DS18B20_DQ_PORT |= (1 << DS18B20_DQ_PIN);  // 拉高DQ线
    _delay_us(70);                             // 等待70us后
    // 等待DS18B20的响应脉冲
    while(!(DS18B20_DQ_PORT & (1 << DS18B20_DQ_PIN)));
    _delay_us(410);                            // 等待410us后，结束响应检测
}

在此代码中， 

 DS18B20_DQ_PORT

和 

 DS18B20_DQ_PIN

代表了连接到单片机的DS18B20数据线的端口和引脚号。 

 _delay_us

函数用于延时，其具体实现依赖于使用的单片机的硬件特性。

5.1.2 读取DS18B20温度值的程序编写

成功初始化后，接着要执行一系列的1-Wire命令来让DS18B20传感器进行温度转换，并读取转换结果。通常，温度读取的步骤包括“写跳过ROM命令”、“写转换温度命令”、“写读取暂存器命令”和“读取数据”。

以下是一个简单的读取温度值的代码： 

uint8_t DS18B20_ReadTemperature() {
    uint8_t temp_lsb, temp_msb;
    uint16_t temp;

    DS18B20_Init(); // 初始化传感器

    // 写入“跳过ROM命令”和“转换温度命令”
    DS18B20_WriteByte(0xCC); // 跳过ROM
    DS18B20_WriteByte(0x44); // 启动温度转换

    // 等待转换完成
    _delay_ms(750); // 根据DS18B20的数据手册，至少需要等待750ms

    DS18B20_Init(); // 再次初始化传感器

    // 写入“跳过ROM命令”和“读取暂存器命令”
    DS18B20_WriteByte(0xCC); // 跳过ROM
    DS18B20_WriteByte(0xBE); // 读取暂存器

    // 读取温度值的低字节和高字节
    temp_lsb = DS18B20_ReadByte();
    temp_msb = DS18B20_ReadByte();

    temp = (temp_msb << 8) | temp_lsb;

    // 将温度值转换为摄氏度
    int16_t temp_raw = (int16_t)temp;
    float temperature = temp_raw * 0.0625;

    return temperature;
}

在上述代码中， 

 DS18B20_WriteByte

和 

 DS18B20_ReadByte

是自定义函数，用于写入和读取单个字节数据，模拟1-Wire协议。

5.2 编程实现的高级应用

5.2.1 多个DS18B20传感器的同步读取

在很多应用中，可能需要同时读取多个DS18B20传感器的数据。每个传感器都有一个唯一的64位序列号，我们可以用这个序列号来选择特定的传感器进行操作。

以下是如何实现多个DS18B20传感器同步读取的伪代码： 

void DS18B20_ReadMultiple(uint8_t *temperature_array) {
    for (int i = 0; i < NUM_SENSORS; i++) {
        // 选择特定的传感器进行操作
        DS18B20_ResetSensor(i);
        // 其余步骤与单个传感器相同...
        temperature_array[i] = DS18B20_ReadTemperature();
    }
}

在此代码中， 

 DS18B20_ResetSensor

是一个假设的函数，用于重置指定序号的传感器， 

 NUM_SENSORS

代表传感器数量。

5.2.2 温度数据的实时显示和存储

读取到温度数据后，我们通常希望将其实时显示，并可选地存储起来供以后分析。这可以通过各种方法实现，如使用LCD显示屏显示，或通过串口发送到PC。

一个简单的示例，通过串口发送温度数据： 

void DisplayAndStoreTemperature(float temperature) {
    // 显示温度值到串口监视器
    printf("Current Temperature: %.2f C\r\n", temperature);

    // 将温度数据存储到外部存储器或发送到PC
    // 此处省略代码...
}

在实际项目中，您需要根据具体的硬件平台和需求编写相应的显示和存储代码。

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简介：本文详细介绍了如何使用STM32微控制器与DS18B20数字温度传感器通过1-Wire协议进行交互，并编写程序进行温度读取。STM32作为基于ARM Cortex-M内核的微控制器，以其丰富的外设接口广泛用于嵌入式系统。DS18B20则以其高精度和1-Wire通信接口特性，成为了易于使用的数字温度传感器。文章从基础的微控制器介绍，到DS18B20的技术细节，再到编程实现和温度读取流程，全面讲解了整个系统的设计和实现过程。此外，还提到了程序的移植性以及在多传感器系统中需要注意的问题。

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本文转载自: https://blog.csdn.net/weixin_35761094/article/details/143081330
版权归原作者 Randy Rhoads 所有， 如有侵权，请联系我们删除。
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