STM32与DS18B20温度传感器交互实现指南

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简介：本篇文章旨在提供STM32F103微控制器与DS18B20数字温度传感器交互的完整代码实现。DS18B20是一个能够直接提供精确温度读数的单线数字传感器，它广泛应用于多种温度监测系统。文章将详细介绍如何初始化和控制DS18B20，包括其初始化、通信协议、搜索设备、温度转换和读取以及库函数和中断服务程序的实现。此外，文章还将解释硬件连接、代码烧录和调试验证等实验步骤。掌握这些内容，开发者将能够利用STM32平台实现一个高效、可靠的温度测量系统。

1. STM32F103微控制器介绍

STM32F103微控制器是ST公司生产的一款广泛应用于嵌入式系统的高性能处理器，其基于ARM Cortex-M3核心。本章主要探讨其内部架构、性能参数和开发环境，以便为后续的项目实践打下坚实的基础。

STM32F103基本特性概述

STM32F103系列微控制器具有多种型号，拥有不同的内存大小、封装类型和外设配置。这些MCU支持高达72 MHz的操作频率，并集成了丰富的外设，如ADC、I2C、SPI、USART等，非常适合于各种嵌入式应用。

性能参数

核心架构 ：基于ARM 32位Cortex-M3内核
内存配置 ：最大支持128KB的闪存和20KB的SRAM
电源管理 ：支持宽范围的电压输入，从2.0V到3.6V
时钟系统 ：内部高速时钟可达72MHz，支持外部低速和高速时钟源

开发环境

为了开发STM32F103系列MCU，开发者可以使用Keil MDK-ARM、IAR EWARM或STM32CubeMX配置工具。这些集成开发环境提供了代码编辑、编译、调试的全功能支持，并且与ST的硬件开发板完美适配。

实例操作： 首次尝试开发STM32F103项目时，推荐使用STM32CubeMX配置工具生成初始代码，然后在Keil或IAR中进行代码编写和调试。

// 示例代码：在STM32CubeMX生成的代码基础上，初始化一个GPIO输出#include \"stm32f1xx_hal.h\"int main(void) { HAL_Init(); // 系统时钟配置代码略 __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE(); // 启用GPIOC时钟 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13; // 选择PC13引脚 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 推挽输出 GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 不使用上下拉 GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // 低速 HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct); // 初始化PC13引脚 HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET); // PC13输出高电平 while (1) { // 循环体，可添加其他代码 }}

通过本章内容，读者将对STM32F103微控制器有一个全面的了解，为进行数字温度传感器DS18B20的集成与编程打下基础。下一章将介绍DS18B20数字温度传感器的相关概念和工作原理。

2. DS18B20数字温度传感器概述

2.1 DS18B20的工作原理和特性

2.1.1 温度传感器的基本工作原理

DS18B20数字温度传感器是一种通过数字信号进行温度测量的设备。其基本工作原理是利用温度传感器单元检测温度，并将模拟信号转换为数字信号输出。这种转换通常通过一个内置的模数转换器(ADC)实现。温度传感器单元一般采用热敏电阻或二极管等元件，其电阻值或电压随温度变化而改变。DS18B20内置的模数转换器可以将这些变化转换为数字信息，进一步通过数字接口与外部控制器通信。

2.1.2 DS18B20的性能参数和特点

DS18B20传感器具有多种性能参数和特点，这些特点让其在多种应用场合中脱颖而出。主要特点包括：

测量范围宽，一般为-55°C到+125°C，满足大多数应用需求。
可编程分辨率高达12位，这表示传感器能够提供精确到0.0625°C的温度读数。
1-Wire数字接口，允许单条线进行数据传输和电源供电，减少了对外部连接的需求，降低了成本。
内置的温度报警功能，可以提供无需微控制器干预的温度告警信号。
它具有非常小的封装尺寸，便于在狭小空间内安装。

2.2 DS18B20的应用领域和市场需求

2.2.1 常见应用案例分析

DS18B20因其高精度和简单接口而在多个领域有着广泛的应用。常见的应用案例包括：

服务器机房：用作监控内部温度，避免过热。
食品加工和存储：确保食材在最佳温度下保存，避免食品变质。
环境监测：用于监测室外温度变化。
HVAC系统：通过监测温度数据，实现更加精确的温控。
汽车行业：在汽车中监测引擎和乘客舱温度，保证最佳的运行和舒适度。

2.2.2 市场需求及发展前景预测

DS18B20作为一款市场成熟的产品，其市场需求持续稳定增长。在物联网(IoT)和智能设备的大背景下，对于能够提供高精度和数字接口的温度传感器需求日益增加。随着科技的不断进步，DS18B20也有望通过集成更多功能和提升精度来满足未来的市场需求。

2.3 DS18B20与微控制器的接口技术

2.3.1 电气连接和引脚定义

DS18B20与微控制器的接口技术主要体现在电气连接和引脚定义上。DS18B20有一套标准的引脚配置：

GND：接地。
DQ：数据线，也是1-Wire通信的信号线。
VDD：电源输入，某些版本支持直接从数据线(DQ)引脚的寄生供电。

在进行硬件连接时，应确保引脚连接正确，并按照产品手册进行操作，以避免电气故障或数据通信错误。

2.3.2 电源和信号线的处理

DS18B20可以通过外部供电或者寄生供电的方式工作。在外部供电模式下，需要连接VDD和GND两个引脚。在寄生供电模式下，DQ引脚除了传输数据外，还提供电源给DS18B20。为了保障信号的稳定，往往需要在DQ线上串联一个小的上拉电阻，并在1-Wire通信中使用开漏输出（Open Drain）配置。

在电气处理方面，考虑到信号线的长距离传输可能引起的信号衰减，设计时应尽量缩短连线长度，并且可以使用4.7kΩ上拉电阻以保证信号质量。

flowchart LR MCU[\"微控制器\"] DQ[\"DS18B20\"] DQ ---|开漏输出| MCU DQ -.->|上拉电阻| VDD[\"电源\"] GND -.->|接地| MCU

在上述mermaid流程图中，DS18B20的DQ线通过开漏输出连接至微控制器，而上拉电阻连接到电源，GND线连接至微控制器提供接地。

DS18B20的电源和信号线处理中，正确的接线和上拉电阻的选择是确保设备正常运行的关键。不当的连接或者参数选择可能会导致读取数据时出现错误或者无法读取数据。在任何情况下，都应严格遵循DS18B20的官方数据手册来进行电气连接和配置。

3. STM32与DS18B20的初始化

3.1 硬件连接与初始化配置

在本章节中，我们将深入探讨如何将STM32微控制器与DS18B20数字温度传感器进行硬件连接，并配置STM32的时钟系统和GPIO（通用输入输出）引脚，为数据交换建立基础。

3.1.1 STM32与DS18B20的硬件连接方法

DS18B20传感器通过单总线（1-Wire）接口与STM32F103微控制器进行通信。为了连接这两个设备，我们需要将DS18B20的VDD引脚连接到STM32的3.3V电源，GND引脚连接到公共地，DQ（数据引脚）连接到STM32的一个GPIO引脚（例如，我们这里选择PA0）。在DS18B20与STM32之间，还需要加入一个上拉电阻，通常为4.7kΩ，以确保数据线在空闲时维持高电平状态。

flowchart LR STM32F103 -->|VDD| DS18B20[VDD] STM32F103 -->|GND| DS18B20[GND] STM32F103[P A0] -->|DQ| DS18B20[DQ] DS18B20[DQ] -.->|4.7kΩ| STM32F103[VDD]

3.1.2 STM32的时钟配置和GPIO设置

在STM32F103上设置GPIO之前，我们首先需要配置微控制器的时钟系统。通常，我们将使用STM32的内部高速时钟（HSI），并将其配置为8MHz，这是微控制器的一个常见起始点。接下来，我们需要配置GPIO引脚PA0作为外部中断（EXTI）输入，因为DS18B20的通信将依赖于精确的时序，外部中断允许微控制器响应传感器发出的信号。

以下是STM32的时钟配置和GPIO设置的代码示例：

#include \"stm32f10x.h\"void RCC_Configuration(void) { // 启用GPIOA时钟和AFIO时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); // 设置HSI作为系统时钟 RCC_HSICmd(ENABLE); while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSIRDY) == RESET) { } RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSI); while (RCC_GetSYSCLKSource() != 0x00) { }}void GPIO_Configuration(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // 配置PA0为浮空输入 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); // 配置PA0为外部中断线0 GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0);}int main(void) { RCC_Configuration(); GPIO_Configuration(); // 其他初始化代码...}

在上述代码中，我们先启用了GPIOA和AFIO（Alternate Function I/O）的时钟，并将系统时钟源设置为HSI（高速内部时钟）。接着，我们配置了GPIOA的第0个引脚为浮空输入模式，并将其作为外部中断线0。这样设置之后，STM32F103就可以通过PA0引脚接收DS18B20发出的信号。

3.2 软件环境的搭建与配置

在硬件连接和基础配置完成后，我们需要搭建软件开发环境，并为STM32F103配置必要的软件资源，以启动一个完整的开发项目。

3.2.1 安装必要的开发工具和库文件

要进行STM32开发，必须有一套开发工具链，通常包含以下几个部分：

IDE（集成开发环境） - 例如Keil MDK-ARM、IAR Embedded Workbench或STM32CubeIDE，用于编写、编译和调试代码。
编译器 - 例如GCC、ARM Compiler或Keil C/C++编译器，负责将C/C++代码编译成微控制器可以执行的机器码。
烧录工具 - 例如ST-Link、J-Link或OpenOCD，用于将编译好的程序烧录到STM32F103微控制器中。

除此之外，对于DS18B20的特定应用，我们还需要引入支持单总线通信的库文件或代码。这些可以是开源项目中的库，如OneWire或DallasTemp，它们已经封装了单总线通信协议的底层细节，方便开发者直接使用。

3.2.2 创建和配置工程模板

在选择了合适的开发环境和工具链后，下一步是创建一个工程模板并进行配置。在STM32CubeIDE中，通常通过图形化界面进行配置，但在其他IDE中可能需要手动配置。配置包括：

时钟设置 - 设置微控制器的时钟树，确保系统时钟和外设时钟配置正确。
GPIO设置 - 根据需要配置GPIO引脚的模式和参数。
中断配置 - 在中断控制器中设置对应的中断优先级和服务例程。
库文件的包含 - 将必要的库文件添加到工程中，如单总线通信协议的实现库。

一旦工程模板创建并配置完成，就可以开始编写初始化代码，准备与DS18B20进行通信了。初始化代码包括设置GPIO为输入模式、配置时钟、设置外部中断等，这些都在之前小节中详细介绍过。

在实际项目开发中，接下来会涉及到初始化序列的细节处理，如复位DS18B20传感器、发送“跳过ROM”指令来访问总线上所有设备、发送“转换温度”指令并等待转换完成等。随着项目复杂性的提高，上述步骤需要进一步细化和优化。

以上就是STM32与DS18B20初始化的过程，它是构建温度测量项目的基石。只有通过精心配置和初始化，我们才能确保后续的通信和数据处理过程顺利进行。

4. 单总线（1-Wire）通信协议应用

4.1 单总线通信协议基础

4.1.1 1-Wire协议的基本原理和特点

1-Wire通信协议，也被称为单总线技术，是一种数据通信协议，允许在同一导线上进行数据的双向传输。该协议由Dallas Semiconductor公司（现为Maxim Integrated的一部分）提出，广泛应用于温度传感器、内存和其他各种数字设备之间。1-Wire协议的主要特点如下：

简单性 ：只需要一条数据线和一条地线，即可实现多个设备之间的通信。这大大简化了硬件连接，减少了布线成本。
多功能性 ：通过单总线，不仅可以传输数据，还可以为从设备提供电源。
多点能力 ：多个1-Wire设备可以挂在同一总线上，实现多点的数据通信。

4.1.2 数据传输的时序和规则

1-Wire协议中的数据传输以时序为基础，确保每个设备能够准确地发送和接收数据。主要的时序规则包括：

复位脉冲（Reset Pulse） ：主机（如STM32微控制器）首先发送一个复位脉冲，通知从设备（如DS18B20）准备通信。
存在脉冲（Presence Pulse） ：从设备接收到复位脉冲后，响应一个存在脉冲，表明它已经准备好进行通信。
写时序（Write Time Slots） ：主机通过不同的时间间隔来发送逻辑”0”和逻辑”1”。
读时序（Read Time Slots） ：从设备在读取时序期间向主机返回数据。

4.2 1-Wire协议在STM32上的实现

4.2.1 STM32单总线驱动的编写

在STM32微控制器上实现1-Wire通信协议，首先需要编写单总线驱动。这涉及到对GPIO进行精确控制，以满足1-Wire协议的时序要求。以下是基于STM32的单总线驱动核心代码的一个简化示例：

/* GPIO初始化函数 */void OneWire_Init(void) { // 初始化GPIO为推挽输出模式...}/* 发送复位脉冲 */void OneWire_ResetPulse(void) { // 设置为输出模式，拉低一段时间，然后设置为输入模式...}/* 发送逻辑“1” */void OneWire_WriteOne(void) { // 拉低一段时间，然后设置为输入模式...}/* 发送逻辑“0” */void OneWire_WriteZero(void) { // 设置为输出模式，拉低一段时间...}/* 读取数据位 */uint8_t OneWire_ReadBit(void) { // 设置为输入模式，读取状态...}

4.2.2 1-Wire通信的软件模拟和优化

1-Wire通信可以借助软件模拟的方式来实现，无需额外的硬件支持。这里以STM32为例，展示如何通过软件模拟来控制1-Wire总线上的设备。

void OneWire_SendByte(uint8_t byte) { for (uint8_t i = 0; i >= 1; }}uint8_t OneWire_ReadByte(void) { uint8_t byte = 0; for (uint8_t i = 0; i >= 1; if (OneWire_ReadBit()) { byte |= 0x80; } } return byte;}

在上述示例代码中，通过位操作函数 OneWire_SendByte 和 OneWire_ReadByte 可以发送和接收字节。软件模拟1-Wire通信时，需要严格遵守时序要求，这在优化时是值得注意的。

软件模拟1-Wire通信虽然在资源受限的情况下是可行的，但是它可能会因为软件层面的时序要求而受到微控制器性能的限制。为了提高性能和可靠性，有时可考虑使用专门的1-Wire通信硬件模块。

通过上述基础和实现方式的介绍，本章节内容为理解1-Wire通信协议在STM32上的应用奠定了坚实的基础。接下来的章节将继续深入探讨如何搜索和识别DS18B20设备，以及如何通过1-Wire协议实现温度测量的全过程。

5. DS18B20设备搜索与地址识别

设备搜索流程详解

搜索流程的理论基础和实现要点

要与DS18B20设备通信，首先必须识别并搜索网络中的所有设备。DS18B20使用单总线通信协议，该协议允许多个设备共享同一条数据线。在启动搜索之前，必须确保所有设备都被初始化并置于等待状态。

搜索流程的理论基础建立在1-Wire协议的复位脉冲和应答脉冲机制上。初始化过程以一个复位脉冲开始，然后是设备的应答脉冲，以此来识别单总线上存在的DS18B20设备。

在实现上，搜索过程通常分为以下几个要点：
1. 发送复位脉冲（Reset Pulse）：单总线上所有DS18B20设备将响应此脉冲。
2. 检测应答脉冲（Presence Pulse）：如果总线上有设备，它们将返回应答脉冲。
3. 识别设备的ROM代码：通过一系列的位操作，主机可以识别出每个设备的唯一序列号。
4. 存储识别的设备信息：识别出的设备ROM代码被存储起来，用于之后的通信。

搜索过程中的常见问题及解决方案

在搜索过程中可能会遇到的问题包括设备响应不良、总线冲突等。

设备响应不良：
这通常是由于电源供应不稳定或设备物理连接问题造成的。确保为DS18B20提供了稳定的电源，并检查所有的物理连接。对于电源，确保使用了适当的上拉电阻。
总线冲突：
当两个或多个设备同时尝试通信时，会发生总线冲突。解决这个问题的策略之一是在每个设备的ROM代码读取循环中增加延时，并在每次总线操作后进行检测，以确认总线是否空闲。

设备地址识别方法

地址结构和识别原理

DS18B20的每个设备都有一个独特的64位ROM代码，这个代码包括8位家族代码、48位序列号以及8位CRC校验码。家族代码对于DS18B20是固定的（0x28），CRC校验码用于验证ROM代码的正确性。

识别过程的原理是通过一系列的读位操作来确定每个设备的ROM代码。每个设备在检测到复位脉冲后会等待主机发出“读ROM”指令，之后便会发送出其ROM代码的8位家族代码部分，接着是序列号的48位，最后是CRC校验码。

实际操作中的地址获取步骤

实际操作中，获取DS18B20设备的地址通常涉及以下步骤：

发送复位脉冲，确保所有设备准备接收指令。
等待并检测设备的应答脉冲。
通过“读ROM”指令来读取设备的ROM代码。
记录并验证接收到的ROM代码的每个部分。

在代码实现上，通常使用位操作函数来读取设备序列号的每一位，并构建其ROM代码。这些函数可能包括发送逻辑”1”、”0”，以及从总线上读取位的操作。

// 示例代码：读取单个ROM位uint8_t read_rom_bit(void) { uint8_t bit = 0; // 发送读位时序 // 等待并读取位值 return bit;}// 示例代码：读取整个64位ROM代码void read_rom_code(uint8_t *rom_code) { for (int i = 0; i < 8; i++) { rom_code[i] = 0; for (int j = 0; j < 8; j++) { rom_code[i] |= read_rom_bit() << j; } } // 进行CRC校验，确保读取的ROM代码有效}

在整个搜索和识别过程中，对于错误处理和异常情况的管理是至关重要的。开发者应该为可能出现的错误情况编写适当的错误处理代码，以确保搜索过程的稳定性和鲁棒性。

通过以上的搜索流程和设备识别方法，开发者可以将STM32微控制器与多个DS18B20设备进行有效的通信，为后续的温度测量和数据解析打下坚实的基础。

6. 温度测量流程与数据解析

在这一章节中，我们将深入探讨温度测量流程的每一个步骤，以及如何解析DS18B20传感器返回的数据，并将其转换为实际可读的温度值。这不仅是理解DS18B20功能的核心，也是项目成功的关键部分。

6.1 温度测量流程和步骤

6.1.1 温度测量的程序设计

要设计一个温度测量程序，首先需要了解DS18B20的工作原理和指令集。基本测量流程包括初始化传感器、启动温度转换以及读取转换结果。

#include \"ds18b20.h\"#include \"onewire.h\"void DS18B20_StartConversion() { // 发送复位脉冲 OW_Reset(); // 发送跳过ROM命令 OW_WriteByte(DS18B20_CMD_SKIP_ROM); // 发送温度转换命令 OW_WriteByte(DS18B20_CMD_CONVERT_T);}void DS18B20_ReadTemperature() { // 发送复位脉冲 OW_Reset(); // 发送跳过ROM命令 OW_WriteByte(DS18B20_CMD_SKIP_ROM); // 发送读取温度寄存器命令 OW_WriteByte(DS18B20_CMD_READ_scratchpad); // 读取温度寄存器数据 int16_t temp = OW_ReadWord(); // 读取两个字节数据 // ...后续处理}

6.1.2 测量过程中的数据处理和存储

测量得到的数据需要进行适当的处理，例如转换为可读的温度值，或者存储起来以供后续分析使用。

float DS18B20_Temperature(int16_t raw_temp) { return (float)raw_temp * 0.0625; // DS18B20默认精度为0.0625摄氏度/位}void StoreTemperature(float temperature) { // 这里可以根据实际情况存储到变量或写入文件中 printf(\"Current Temperature: %.2f C\\n\", temperature);}

6.2 数据解析和温度计算

6.2.1 读取温度数据的方法

DS18B20传感器通过“寄存器读取”命令输出9字节数据。其中，温度值存储在前两个字节。通常我们关注的是第10位（0.5°C）和第11位（0.25°C）。

6.2.2 将原始数据转换为温度值的计算公式

DS18B20的温度数据格式是以16位整数形式提供的，其中低5位是小数部分，因此在转换时需要特别注意处理小数部分的数据。

// 假设从寄存器读取的数据为：0x01 0x2Cint16_t raw_temp = (int16_t)(0x012C << 8); // 移动到正确的位置float temperature = DS18B20_Temperature(raw_temp); // 转换为摄氏度

6.3 实际应用中的代码实现

6.3.1 完整的代码框架和功能模块划分

在编写实际应用代码时，应该将不同的功能模块划分开，比如初始化、测量、显示等，以保持代码的清晰和可维护性。

6.3.2 代码编写过程中的注意事项和优化技巧

在编写代码过程中，需要注意数据类型的选择和变量命名的规范性。此外，合理的错误处理机制和代码注释也是提高代码质量的关键。

// 初始化DS18B20传感器DS18B20_Init();// 测量温度float temperature = DS18B20_ReadTemperature();// 输出温度值StoreTemperature(temperature);

在实现过程中，应注意以下几点：

确保单总线通信的稳定性和准确性。
在测量温度前应确保传感器处于空闲状态。
通常会包括错误检查机制来处理可能出现的通信失败情况。
在程序中适时地添加延时来等待DS18B20的数据转换。

以上步骤和代码示例为读者提供了一条从读取数据到计算温度的清晰路径，同时也涉及了一些在实际编程中可能遇到的常见问题及解决方案。这有助于读者不仅理解DS18B20的工作原理，还能实现一个稳定可靠的温度测量系统。