• 物联网ARM开发-4协议-单总线应用温湿度传感器

    前言：STM32 虽然内部自带了温度传感器，但是因为芯片温升较大等问题，与实际温度差别较大， 所以，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 TFTLCD 模块上。本章分为如下几个部分：

    一、DS18B20温度传感器简介

    1、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 3~5.5V 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。

    2、DS18B20技术性能特征

    （1）独特的单总线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实        
    现微处理器与DS18B20的双向通讯。大大提高了系统的抗干扰性。
    （2）测温范围 －55℃～+125℃，精度为±0．5℃。
    （3）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，
    实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。
    （4）工作电源: 3.0~5.5V/DC （可以数据线寄生电源）。
    （5）在使用中不需要任何外围元件。
    （6）测量结果以9~12位数字量方式串行传送。

    二、DS18B20硬件设计

    1、DS18B20一共有三个引脚，分别是：

    • GND：电源地线
    • DQ：数字信号输入／输出端。
    • VDD：外接供电电源输入端。

     

    从上图可以看出，我们使用的是 STM32 的 PG9 来连接 U12 的 DQ 引脚，图中 U12 为 DHT11
    （数字温湿度传感器）和 DS18B20 共用的一个接口。DHT11在后面的案例中会介绍，也是温湿度传感器。

    2、DS18B20寄生电源

    DSl8B20的另一个特点是不需要再外部供电下即可工作。当总线高电平时能量由单线上拉电阻经过DQ引脚获得。高电平同时充电一个内部电容，当总线低电平时由此电容供应能量。这种供电方法被称为“寄生电源”。另外一种选择是DSl8B20由接在VDD的外部电源供电（也是我们设计的连接方式）。

    三、DS18B20软件设计

    设计之前我们先阅读一下芯片手册，了解一下芯片的通信方式，控制方式，读写时序然后根据流程图规划我们的程序思路。

    1、单总线是一种半双工通信方式。

    2、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。

    （1）复位脉冲

    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。

    （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0时序：主机输出低电平，延时60us，然后释放总线，延时2us。
    写1时序：主机输出低电平，延时2us，然后释放总线，延时60us。

    （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。

    4、命令

     

    5、DS18B20内部构成

    主要由以下3部分组成： 64 位ROM，高速暂存器，存储器

    （1）64 位ROM存储独有的序列号

    ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

    （2）高速暂存器包含：

    温度传感器
    一个字节的温度上限和温度下限报警触发器(TH和TL)
    配置寄存器允许用户设定9位，10位，11位和12位的温度分辨率，分别对应着温度的分辨率为：0.5°C，0.25°C，0.125°C，0.0625°C，默认为12位分辨率，
    （3）存储器：

    由一个高速的RAM和一个可擦除的EEPROM组成，EEPROM存储高温和低温触发器(TH和TL)以及配置寄存器的值，(就是存储低温和高温报警值以及温度分辨率)

    6、温度读取过程

    （1）主机发送复位脉冲，DS18B20发送应答脉冲，主机选择ROM命令，我们使用SKIP ROM，主机发送控制功能脉冲。

    （2）主机发送控制命令：主机发送44转换命令。这个命令开始温度转换。该任务结束。将执行温度转换，然后DS18B20将保持空闲。如果总线主根据此命令发出读时点，如果它忙于进行温度转换，DS18B20将在总线上输出0，;当温度转换完成时，它将返回1。

    （3）主机发送控制命令：主机发送BE转换命令。读取将从字节0开始，并将继续通过scratchpad直到第9个字节(字节8,CRC)被读取。如果不是所有的位置都要被读取，主机可以在任何时候发出一个重置来终止读取。

    DS18B20温度读取与计算
    DS18B20采用16位补码的形式来存储温度数据，温度是摄氏度。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。

    高字节的五个S为符号位，温度为正值时S=0,温度为负值时S=1

    剩下的11位为温度数据位，对于12位分辨率，所有位全部有效，对于11位分辨率，位0(bit0)无定义，对于10位分辨率，位0和位1无定义,对于9位分辨率，位0，位1，和位2无定义

    （4） 总结：

    DS18B20工作步骤
    DS18B20的工作步骤可以分为三步：

    • 复位DS18B20
    • 执行ROM指令
    • 执行DS18B20功能指令

    其中第二步执行ROM指令，也就是访问每个DS18B20，搜索64位序列号，读取匹配的序列号值，然后匹配对应的DS18B20，如果我们仅仅使用单个DS18B20，可以直接跳过ROM指令。而跳过ROM指令的字节是0xCC。
     

    四、DS18B20温度采集实例

    1、cubmx

    不同开发板的单总线引脚不同，原子的开发版对应是PG9

     

    2、keil

    ds18b20.h

    1. #ifndef __DS18B20_H
    2. #define __DS18B20_H
    3.  
    4. #include "stm32f4xx_hal.h"
    5.  
    6.  
    7. //IO方向设置
    8. #define DS18B20_IO_IN()  {GPIOG->MODER&=~(3<<(6*2));GPIOG->MODER|=0<<(6*2);}	//PG6输入模式
    9. #define DS18B20_IO_OUT() {GPIOG->MODER&=~(3<<(6*2));GPIOG->MODER|=1<<(6*2);} 	//PG6输出模式
    10.  
    11. IO操作函数											   
    12. #define	DS18B20_OUT_LOW   HAL_GPIO_WritePin(GPIOG, GPIO_PIN_6,  GPIO_PIN_RESET)   //数据端口	PG6
    13. #define	DS18B20_OUT_HIGH  HAL_GPIO_WritePin(GPIOG, GPIO_PIN_6,  GPIO_PIN_SET)   //数据端口	PG6
    14. #define	DS18B20_DQ_IN     HAL_GPIO_ReadPin(GPIOG,  GPIO_PIN_6)  //数据端口	PG6 
    15.  
    16.  
    17.  
    18. uint8_t DS18B20_Init(void);					//初始化DS18B20
    19. short DS18B20_Get_Temp(void);				//获取温度
    20. void DS18B20_Start(void);						//开始温度转换
    21. void DS18B20_Write_Byte(uint8_t dat);//写入一个字节
    22. uint8_t DS18B20_Read_Byte(void);		//读出一个字节
    23. uint8_t DS18B20_Read_Bit(void);			//读出一个位
    24. uint8_t DS18B20_Check(void);				//检测是否存在DS18B20
    25. void DS18B20_Reset(void);							//复位DS18B20 
    26. #endif

    ds18b20.c

    （1）初始化DS18B20_Init函数

    包含复位函数DS18B20_IReset和接收DS18B20_Check应答函数

    参考芯片手册中复位和应答的介绍：

    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。

    （2）因延时需要用到us，我们要写delay_us延时函数

    因为HAL_Delay()毫秒级延时，无法达到us。在中断中调用延时函数有时候卡死在这里，从封装函数中可以发现函数中有中断获取系统时钟HAL_IncTick(void)，由于优先级系统给的低，所以在高优先级的中断中无法产生这个低级的中断，导致程序卡死在HAL_Delay()中
    由此建议直接不用HAL_Delay()，直接自己写延时函数

    （3）实现读取一个位，再实现读取一个字节（参考芯片手册的读时序）

    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。

     （4） 写时序，写CCh和44h命令

    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0时序：主机输出低电平，延时60us，然后释放总线，延时2us。
    写1时序：主机输出低电平，延时2us，然后释放总线，延时60us。

    1. #include "ds18b20.h"
    2. uint32_t usctick = 0;
    3. uint32_t time_delay = 0;
    4. extern TIM_HandleTypeDef htim6;
    5.  
    6. //延时nus
    7. //nus为要延时的us数.	
    8. //nus:0~190887435(最大值即2^32/fac_us@fac_us=168)
    9. static uint8_t fac_us = 168;    //这里主时钟为168M, 所以在1us内ticks会减168次
    10.  
    11. void delay_us(uint32_t nus)
    12. {		
    13. 	uint32_t ticks;
    14. 	uint32_t told,tnow,tcnt=0;
    15. 	uint32_t reload=SysTick->LOAD;				//LOAD的值	    	 
    16. 	ticks=nus*fac_us; 						         //1us需要的节拍数 
    17. 	told=SysTick->VAL;        				//刚进入时的计数器值
    18. 	while(1)
    19. 	{
    20. 		tnow=SysTick->VAL;	
    21. 		if(tnow!=told)
    22. 		{	    
    23. 			if(tnow//这里注意一下SYSTICK是一个递减的计数器就可以了.
    24. 			else tcnt+=reload-tnow+told;	    
    25. 			told=tnow;
    26. 			
    27. 			if(tcnt>=ticks)break;			//时间超过/等于要延迟的时间,则退出.
    28. 		}  
    29. 	};
    30. }
    31.  
    32. //复位DS18B20
    33. void DS18B20_Reset(void)	   
    34. {                 
    35. 	DS18B20_IO_OUT();   //设置为输出
    36. 	DS18B20_OUT_LOW ; 	  //拉低DQ
    37. 	delay_us(650);      //拉低650us
    38. 	DS18B20_OUT_HIGH ; 	//拉高DQ 
    39. 	delay_us(20);       //20US
    40. }
    41.  
    42. //等待DS18B20的回应
    43. //返回1:未检测到DS18B20的存在
    44. //返回0:存在
    45. uint8_t DS18B20_Check(void) 	   
    46. {   
    47. 	uint8_t retry=0;
    48. 	DS18B20_IO_IN();    //设置为输入
    49. 	
    50. 	 //等待DS18B20拉低总线回应，如果超过200us未拉低，则认为未回应
    51.   while ((DS18B20_DQ_IN == 1) && (retry<200))   
    52. 	{
    53. 		retry++;
    54. 		delay_us(1);
    55. 	};	 
    56. 	if(retry>=200)return 1;        //DS18B20超时未拉低总线
    57. 	else retry=0;                  //DS18B20拉低总线
    58. 	 
    59.   while ( (DS18B20_DQ_IN == 0 ) && ( retry < 240) )    //测试拉低总线的时间是否在240us内
    60. 	{
    61. 		retry++;
    62. 		delay_us(1);
    63. 	};
    64. 	if(retry>=240)return 1;	      //超过240us错误   
    65. 	
    66. 	return 0;                     //正确回应
    67. }
    68.  
    69. //从DS18B20读取一个位
    70. //返回值：1/0
    71. uint8_t DS18B20_Read_Bit(void) 
    72. {
    73. 	uint8_t data;
    74. 	DS18B20_IO_OUT();   //设置为输出
    75. 	DS18B20_OUT_LOW ; 	  //拉低DQ
    76. 	delay_us(3);
    77. 	DS18B20_OUT_HIGH ; 	//拉高DQ 
    78. 	DS18B20_IO_IN();    //设置为输入
    79. 	delay_us(12);
    80. 	
    81. 	if(DS18B20_DQ_IN)  data=1;
    82. 	else data=0;
    83. 	
    84. 	delay_us(50);  
    85. 	
    86. 	return data;
    87. }
    88.  
    89. //从DS18B20读取一个字节
    90. //返回值：读到的数据,先读数据的低位
    91. uint8_t DS18B20_Read_Byte(void)   
    92. {        
    93. 	uint8_t i,j,dat;
    94. 	dat=0;
    95. 	for (i=0;i<8;i++) 
    96. 	{
    97.         j=DS18B20_Read_Bit();
    98.         dat=(j<
    99.     }						    
    100. 	return dat;
    101. }
    102.  
    103. //写一个字节到DS18B20
    104. //dat：要写入的字节
    105. void DS18B20_Write_Byte(uint8_t dat)     
    106.  {             
    107.     uint8_t j;
    108.     uint8_t testb;
    109.     DS18B20_IO_OUT();     //设置为输出
    110.     for (j=1;j<=8;j++) 
    111. 	{
    112.         testb=dat&0x01;
    113.         dat=dat>>1;
    114.         if(testb)       // 写1
    115.         {
    116.             DS18B20_OUT_LOW ; 	  //拉低DQ
    117.             delay_us(2);                            
    118.             DS18B20_OUT_HIGH ; 	  //拉高DQ 
    119.             delay_us(60);             
    120.         }
    121.         else            //写0
    122.         {
    123.             DS18B20_OUT_LOW ; 	  //拉低DQ
    124.             delay_us(60);             
    125.             DS18B20_OUT_HIGH ; 	  //拉高DQ 
    126.             delay_us(2);                          
    127.         }
    128.     }
    129. }
    130.  
    131.  
    132. void DS18B20_Start(void)
    133. { 
    134. 		//开始温度转换
    135.     DS18B20_Reset();	   
    136.     DS18B20_Check();	 
    137.     DS18B20_Write_Byte(0xcc);   // skip rom
    138.     DS18B20_Write_Byte(0x44);   // convert
    139. 	
    140. 		//开始读取温度
    141. 		DS18B20_Reset();
    142.     DS18B20_Check();	 
    143.     DS18B20_Write_Byte(0xcc);   // skip rom
    144.     DS18B20_Write_Byte(0xbe);   // convert
    145. }
    146.  
    147. //初始化DS18B20的IO口 DQ 同时检测DS的存在
    148. //返回1:不存在
    149. //返回0:存在    	 
    150. uint8_t DS18B20_Init(void)
    151. {
    152. 	DS18B20_Reset();
    153. 	return DS18B20_Check();
    154. }
    155.  
    156. //从ds18b20得到温度值
    157. //精度：0.1C
    158. //返回值：温度值 （-550~1250） 
    159. short DS18B20_Get_Temp(void)
    160. {
    161.     uint8_t temp;
    162.     uint8_t TL,TH;
    163.     short tem;
    164. 	
    165.     DS18B20_Start ();           //开始转换读取
    166. 	    
    167.     TL=DS18B20_Read_Byte();     // LSB   
    168.     TH=DS18B20_Read_Byte();     // MSB  	
    169.     if(TH>7)										//温度为负  
    170.     {
    171.         TH=~TH;
    172.         TL=~TL; 
    173.         temp=0;      //温度为负  
    174.     }else temp=1;    //温度为正	  
    175. 	  
    176.     tem=TH; //获得高八位
    177.     tem<<=8;    
    178.     tem+=TL;//获得底八位
    179.     tem=(double)tem*0.625;//转换  获得不带符号位的11位温度值   
    180. 		
    181. 	if(temp)return tem; //返回温度值
    182. 	else return -tem;    
    183. }

    main.c

    1. int fputc(int ch, FILE *p)
    2. {
    3. 	while(!(USART1->SR & (1<<7)));
    4. 	
    5. 	USART1->DR = ch;
    6. 	
    7. 	return ch;
    8. 	
    9. }
    10. /* USER CODE END 0 */
    11.  
    12. /**
    13.   * @brief  The application entry point.
    14.   *
    15.   * @retval None
    16.   */
    17. int main(void)
    18. {
    19.   /* USER CODE BEGIN 1 */
    20.  
    21. 	int16_t temperature;
    22. 	
    23.   /* USER CODE END 1 */
    24.  
    25.   /* MCU Configuration----------------------------------------------------------*/
    26.  
    27.   /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
    28.   HAL_Init();
    29.  
    30.   /* USER CODE BEGIN Init */
    31.  
    32.   /* USER CODE END Init */
    33.  
    34.   /* Configure the system clock */
    35.   SystemClock_Config();
    36.  
    37.   /* USER CODE BEGIN SysInit */
    38.  
    39.   /* USER CODE END SysInit */
    40.  
    41.   /* Initialize all configured peripherals */
    42.   MX_GPIO_Init();
    43.   MX_USART1_UART_Init();
    44.   MX_TIM6_Init();
    45.   /* USER CODE BEGIN 2 */
    46.  
    47. 	printf("this is DS18B20 test\n");
    48. 	
    49.  
    50. 	
    51. 	
    52. 	
    53. 	if(!DS18B20_Init())
    54. 	{
    55. 		printf(" DS18B20  is here\n");
    56.  
    57. 	}else
    58. 	{
    59. 		printf(" DS18B20  is  not here\n");
    60. 	}
    61. 	
    62. 	
    63.   /* USER CODE END 2 */
    64.  
    65.   /* Infinite loop */
    66.   /* USER CODE BEGIN WHILE */
    67.   while (1)
    68.   {
    69.  
    70. 		  temperature = DS18B20_Get_Temp();	
    71. 		
    72. 			if(temperature<0)
    73. 			{
    74. 				printf("-");											//显示负号
    75. 				temperature=-temperature;					//转为正数
    76. 			}
    77. 			printf("temperature = %d.%d\n",temperature/10,temperature%10);		   
    78. 	
    79. 		
    80. 		HAL_Delay(1000);
    81. 		
    82. 		
    83.   /* USER CODE END WHILE */
    84.  
    85.   /* USER CODE BEGIN 3 */
    86.  
    87.   }
    88.   /* USER CODE END 3 */
    89.  
    90. }

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