STM32F4_DS18B20红外温度传感器

只看该作者 · 2023-6-29 19:09

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。
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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。

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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）

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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。

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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）

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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。

只看该作者 · 2023-6-29 19:11

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。

只看该作者 · 2023-6-29 19:11

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

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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。

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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。

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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

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DS18B20数据帧
温度变换：

初始化--->跳过ROM--->开始温度变换

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温度读取：

初始化--->跳过ROM--->读暂存器--->连续的读操作

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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。

只看该作者 · 2023-6-29 19:13

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

只看该作者 · 2023-6-29 19:13

注：DS18B20可以检测的温度范围是-55℃~+125℃；精度为±0.5℃。

只看该作者 · 2023-6-29 19:13

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

只看该作者 · 2023-6-29 19:16

   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

只看该作者 · 2023-6-29 19:17

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。

只看该作者 · 2023-6-29 19:17

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。