stm32温度传感器工作原理

Posted 2023-05-02

参考技术A 不同金属的膨胀系数不同，把两种金属片焊在一起，温度升高一种金属伸缩的双金属片就会弯曲

STM32入门开发: 编写DS18B20温度传感器驱动(读取环境温度支持级联)

一、环境介绍

编程软件: keil5

操作系统: win10

MCU型号: STM32F103C8T6

STM32编程方式: 寄存器开发 (方便程序移植到其他单片机)

温度传感器： DS1820

DS18B20是一个数字温度传感器，采用的是单总线时序与主机通信，只需要一根线就可以完成温度数据读取；

DS18B20内置了64位产品序列号，方便识别身份，在一根线上可以挂接多个DS18B20传感器，通过64位身份验证，可以分别读取来至不同传感器采集的温度信息。

 

二、DS18B20介绍

2.1 DS18B20 的主要特征

1. 全数字温度转换及输出。

2. 先进的单总线数据通信。

3. 最高 12 位分辨率，精度可达土 0.5 摄氏度。

4. 12 位分辨率时的最大工作周期为 750 毫秒。

5. 可选择寄生工作方式。

6. 检测温度范围为–55° C ~+125° C (–67° F ~+257° F)

7. 内置 EEPROM，限温报警功能。

8. 64位光刻 ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。

9. 多样封装形式，适应不同硬件系统。

2.2 DS18B20 引脚功能

GND 电压地

DQ 单数据总线

VDD 电源电压

NC 空引脚

2.3 DS18B20 工作原理及应用

        DS18B20 的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。

18B20 共有三种形态的存储器资源，它们分别是：ROM 只读存储器，用于存放 DS18B20ID 编码，其前 8 位是单线系列编码（DS18B20 的编码是19H），后面 48 位是芯片唯一的序列号，最后 8 位是以上 56 的位的 CRC 码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改，DS18B20 一共有 64 位 ROM。

RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失， DS18B20 共 9 个字节 RAM，每个字节为 8 位。第 1、 2 个字节是温度转换后的数据值信息，第 3、 4 个字节是用户 EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第 5 个字节则是用户第 3 个 EEPROM的镜像。第 6、 7、 8 个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第 9 个字节为前 8 个字节的 CRC 码。 EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20 共 3 位 EEPROM，并在 RAM 都存在镜像，以方便用户操作。

DS18B20默认工作在12位分辨率模式，转换后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中(最前面的两个字节)，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。或者使用位运算方式提取温度:  小数位是占用的是低4位，高位是整数位(不考虑负数情况)。

2.4 DS18B20 芯片 ROM 指令表

1.    Read ROM（读 ROM） [33H] （方括号中的为 16 进制的命令字）
这个命令允许总线控制器读到 DS18B20 的 64 位 ROM。只有当总线上只存在一个 DS18B20 的时候才可以使用此指令，如果挂接不只一个，当通信时将会发生数据冲突

2.    atch ROM（指定匹配芯片） [55H]
这个指令后面紧跟着由控制器发出了 64 位序列号，当总线上有多只 DS18B20 时，只有与控制发出的序列号相同的芯片才可以做出反应，其它芯片将等待下一次复位。这条指令适应单芯片和多芯片挂接。

3.    Skip ROM（跳跃 ROM 指令） [CCH]
这条指令使芯片不对 ROM 编码做出反应，在单总线的情况之下，为了节省时间则可以选用此指令。如果在多芯片挂接时使用此指令将会出现数据冲突，导致错误出现。

4.    Search ROM（搜索芯片） [F0H]
在芯片初始化后，搜索指令允许总线上挂接多芯片时用排除法识别所有器件的 64 位 ROM。

5.    Alarm Search（报警芯片搜索） [ECH]
在多芯片挂接的情况下，报警芯片搜索指令只对附合温度高于 TH 或小于 TL 报警条件的芯片做出反应。只要芯片不掉电，报警状态将被保持，直到再一次测得温度什达不到报警条件为止。

6.    Write Scratchpad （向 RAM 中写数据） [4EH]
这是向 RAM 中写入数据的指令，随后写入的两个字节的数据将会被存到地址 2（报警 RAM 之 TH）和地址 3（报警 RAM 之 TL）。写入过程中可以用复位信号中止写入。

7.    Read Scratchpad （从 RAM 中读数据） [BEH]
此指令将从 RAM 中读数据，读地址从地址 0 开始，一直可以读到地址 9，完成整个 RAM 数据的读出。芯片允许在读过程中用复位信号中止读取，即可以不读后面不需要的字节以减少读取时间。

8.    Copy Scratchpad （将 RAM 数据复制到 EEPROM 中） [48H]
此指令将 RAM 中的数据存入 EEPROM 中，以使数据掉电不丢失。此后由于芯片忙于 EEPROM 储存处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。
在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持 10MS，来维持芯片工作。 

9.    Convert T（温度转换） [44H]
收到此指令后芯片将进行一次温度转换，将转换的温度值放入 RAM 的第 1、 2 地址。此后由于芯片忙于温度转换处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持 500MS，来维持芯片工作。

10.    Recall EEPROM（将 EEPROM 中的报警值复制到 RAM） [B8H]
此指令将 EEPROM 中的报警值复制到 RAM 中的第 3、 4 个字节里。由于芯片忙于复制处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。另外，此指令将在芯片上电复位时将被自动执行。这样 RAM 中的两个报警字节位将始终为 EEPROM 中数据的镜像。

11.    Read Power Supply（工作方式切换） [B4H]
此指令发出后发出读时间隙，芯片会返回它的电源状态字，“0”为寄生电源状态，“1”为外部电源状态。

2.5 DS18B20时序图

2.5.1 DS18B20 复位及应答关系示意图

每一次通信之前必须进行复位，复位的时间、等待时间、回应时间应严格按时序编程。

DS18B20 读写时间隙：DS18B20的数据读写是通过时间隙处理位和命令字来确认信息交换的。

 

2.5.2  向DS18B20写数据0和数据1

 在写数据时间隙的前 15uS 总线需要是被控制器拉置低电平，而后则将是芯片对总线数据的采样时间，采样时间在 15~60uS，采样时间内如果控制器将总线拉高则表示写“1”，如果控制器将总线拉低则表示写“0”。

每一位的发送都应该有一个至少 15uS的低电平起始位，随后的数据“0”或“1”应该在 45uS 内完成。

整个位的发送时间应该保持在 60~120uS，否则不能保证通信的正常。

注意:  DS18B20读写数据都是从低位开始传输。

2.5.3 从DS18B20读数据0和数据1

读时间隙时控制时的采样时间应该更加的精确才行，读时间隙时也是必须先由主机产生至少1uS的低电平，表示读时间的起始。随后在总线被释放后的 15uS 中 DS18B20 会发送内部数据位，这时控制如果发现总线为高电平表示读出“1”，如果总线为低电平则表示读出数据“0”。每一位的读取之前都由控制器加一个起始信号。 

注意：必须在读间隙开始的 15uS 内读取数据位才可以保证通信的正确。

在通信时是以 8 位“0”或“1”为一个字节，字节的读或写是从低位开始的。

2.5.4  读取一次温度的顺序(总线上只有单个DS18B20情况)

1. 发送复位信号

2. 检测回应信号

3. 发送0xCC

4. 发送0x44

5. 发送复位信号

6. 检测回应信号

7. 写0xcc

8. 写0xbe

9. 循环8次读取温度低字节

10. 循环8次读取温度高字节

11. 合成16位温度数据，处理

三、驱动代码

3.1 DS18B20.c

#include "ds18b20.h"

/*
函数功能: DS18B20初始化
硬件连接: PB15
*/
void DS18B20_Init(void)
{
		RCC->APB2ENR|=1<<3; //PB
		GPIOB->CRH&=0x0FFFFFFF;
		GPIOB->CRH|=0x30000000;
		GPIOB->ODR|=1<<15; //上拉
}


/*
函数功能: 检测DS18B20设备是否存在
返回值  : 1表示设备不存在 0表示设备正常
*/
u8 DS18B20_CheckDevice(void)  //包含了复位脉冲、检测存在脉冲
{
		DS18B20_OUTPUT_MODE();//初始化为输出模式
		DS18B20_OUT=0;        //产生复位脉冲
		DelayUs(750);         //产生750us的低电平
		DS18B20_OUT=1;        //释放总线
		DelayUs(15);          //等待DS18B20回应
		if(DS18B20_CleckAck())//检测存在脉冲
		{
				return 1;
		}
		return 0;
}

/*
函数功能: 检测DS18B20设备的存在脉冲
返回值  : 1表示错误 0表示正常
*/
u8 DS18B20_CleckAck(void)
{
		u8 cnt=0;
		DS18B20_INPUT_MODE();//初始化为输入模式
		while(DS18B20_IN&&cnt<200) //等待DS18B20响应存在脉冲
		{
				DelayUs(1);
				cnt++;
		}
		if(cnt>=200)return 1; //错误
		
		cnt=0;
		while((!DS18B20_IN)&&cnt<240) //等待DS18B20释放总线
		{
				DelayUs(1);
				cnt++;
		}
		if(cnt>=240)return 1; //错误
		return 0;
}


/*
函数功能: 写一个字节
首先学会如何写一个位。
*/
void DS18B20_WriteByte(u8 cmd)
{
		u8 i;
		DS18B20_OUTPUT_MODE(); //初始化为输出模式
		for(i=0;i<8;i++)
	  {
				DS18B20_OUT=0;  //产生写时间间隙(写开始)
				DelayUs(2);
				DS18B20_OUT=cmd&0x01; //发送实际的数据位
				DelayUs(60);    //等待写完成
				DS18B20_OUT=1;  //释放总线，准备下一次发送
				cmd>>=1;        //继续发送下一位数据
		}
}

/*
函数功能: 读一个字节
首先学会如何读一个位。
*/
u8 DS18B20_ReadByte(void)
{
	 u8 i,data=0;	
	 for(i=0;i<8;i++)
	 {
			DS18B20_OUTPUT_MODE(); //初始化为输出模式
			DS18B20_OUT=0;  //产生读时间间隙(读开始)
			DelayUs(2);
			DS18B20_OUT=1;  //释放总线
			DS18B20_INPUT_MODE(); //初始化为输入模式
			DelayUs(8);    //等待DS18B20的数据输出
			data>>=1;      //高位补0，默认以0为准
		  if(DS18B20_IN) data|=0x80;
			DelayUs(60);
			DS18B20_OUT=1;  //释放总线,等待读取下一位数据
	 }
	 return data;
}


/*
函数功能: 读取一次DS18B20的温度数据
返 回 值: 读取的温度数据
考虑的情况:  总线上只是接了一个DS18B20的情况
*/
u16 DS18B20_ReadTemp(void)
{
	  u16 temp=0;
		u8 temp_H,temp_L;
	  DS18B20_CheckDevice();   //发送复位脉冲、检测存在脉冲
		DS18B20_WriteByte(0xCC); //跳过ROM序列检测
		DS18B20_WriteByte(0x44); //启动一次温度转换
		
		//等待温度转换完成
		while(DS18B20_ReadByte()!=0xFF){}
		
		DS18B20_CheckDevice();   //发送复位脉冲、检测存在脉冲
		DS18B20_WriteByte(0xCC); //跳过ROM序列检测
		DS18B20_WriteByte(0xBE); //读取温度
		
		temp_L=DS18B20_ReadByte(); //读取的温度低位数据
		temp_H=DS18B20_ReadByte(); //读取的温度高位数据
		temp=temp_L|(temp_H<<8);   //合成温度
		return temp;
}

3.2 DS18B20.h

#ifndef DS18B20_H
#define DS18B20_H
#include "stm32f10x.h"
#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "ds18b20.h"
#include "usart.h"

/*封装接口*/

//初始化DS18B20为输入模式
#define DS18B20_INPUT_MODE() {GPIOB->CRH&=0x0FFFFFFF;GPIOB->CRH|=0x80000000;}

//初始化DS18B20为输出模式
#define DS18B20_OUTPUT_MODE(){GPIOB->CRH&=0x0FFFFFFF;GPIOB->CRH|=0x30000000;}

//DS18B20 IO口输出
#define DS18B20_OUT PBout(15)

//DS18B20 IO口输入
#define DS18B20_IN PBin(15) 

//函数声明
u8 DS18B20_CleckAck(void);
u8 DS18B20_CheckDevice(void);
void DS18B20_Init(void);
u16 DS18B20_ReadTemp(void);
u8 DS18B20_ReadByte(void);
void DS18B20_WriteByte(u8 cmd);
#endif

3.3 延时函数

/*
函数功能: 延时us单位
*/
void DelayUs(int us)
{
#ifdef	_SYSTICK_IRQ_
	int i,j;
	for(i=0;i<us;i++)
		for(j=0;j<72;j++);
#else
	u32 tmp;
	SysTick->VAL=0;         //CNT计数器值	
	SysTick->LOAD=9*us;     //9表示1us
	SysTick->CTRL|=1<<0;    //开启定时器	
	do
	{
			tmp=SysTick->CTRL; //读取状态
	}while((!(tmp&1<<16))&&(tmp&1<<0));
	SysTick->VAL=0;         //CNT计数器值	
	SysTick->CTRL&=~(1<<0); //关闭定时器	
#endif	
}

3.4 main.c 调用DS18B20读取温度打印到串口

#include "stm32f10x.h"
#include "ds18b20.h"

u8 DS18B20_ROM[8]; //存放DS18B20的64为ROM编码

int main(void)
{
	u16 temp;
	USARTx_Init(USART1,72,115200);//串口1的初始化
	DS18B20_Init();   //DS18B20初始化
	
	/*1. 读取DS18B20的64位ROM编码*/
	//发送复位脉冲、检测存在脉冲
	while(DS18B20_CheckDevice()) 
	{
			printf("DS18B20设备不存在!\\n");
			DelayMs(500);
	}
	//发送读取64为ROM编码的命令
	DS18B20_WriteByte(0x33);
	
	//循环读取64位ROM编码
	for(i=0;i<8;i++)
	{
			DS18B20_ROM[i]=	DS18B20_ReadByte();
			printf("DS18B20_ROM[%d]=0x%X\\n",i,DS18B20_ROM[i]);
	}
	
	while(1)
	{
			/*2. 同时操作总线上所有的DS18B20开始转换温度*/
			DS18B20_CheckDevice();   //发送复位脉冲、检测存在脉冲
			DS18B20_WriteByte(0xCC); //跳过ROM序列检测
			DS18B20_WriteByte(0x44); //启动一次温度转换(让总线上所有的DS18B20都转换温度)
			DelayMs(500);  //等待线上所有的DS18B20温度转换完成
			
			/*3. 单个针对性读取每个DS18B20的温度*/
			DS18B20_CheckDevice();   //发送复位脉冲、检测存在脉冲
			DS18B20_WriteByte(0x55); //发送匹配ROM的命令
			for(i=0;i<8;i++)         //发送64位编码
		    {
					DS18B20_WriteByte(DS18B20_ROM[i]); 
			}
			DS18B20_WriteByte(0xBE);      //读取温度
			temp=DS18B20_ReadByte();      //读取的温度低位数据
		    temp|=DS18B20_ReadByte()<<8;  //读取的温度高位数据
			printf("temp1=%d.%d\\n",temp>>4,temp&0xF);
			printf("temp2=%f\\n",temp*0.0625);
			
			DelayMs(500);
	}	
}

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