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STM32F103单片机与DS18B20温度传感器交互实验套件

网友: 技术文档 2025-09-03 04:02:38

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简介：STM32F103是一款高性能的微控制器，适用于各种嵌入式系统设计。本实验课程主要教授如何使用STM32F103与DS18B20数字温度传感器进行通信。DS18B20是一款一线制数字温度传感器，能够直接输出数字信号，具有精度高、使用方便的特点。课程将涵盖从初始化GPIO、软件模拟一线制协议、传感器初始化、温度测量到数据处理的关键步骤。除此之外，还提供RTC、红外遥控和SysTick系统定时器的实验内容，帮助学生全面掌握嵌入式系统设计与传感器应用。
STM32F103

1. STM32F103单片机简介与应用

1.1 STM32F103单片机核心特点

STM32F103是STMicroelectronics公司生产的高性能ARM Cortex-M3微控制器。其特点包括高速运行频率(最高72 MHz)，丰富的存储选项(最大128 KB闪存和20 KB SRAM)，以及多种集成外设(如ADC、定时器、通信接口等)。这些特性使得STM32F103非常适合用于嵌入式应用，如工业控制、医疗设备、消费电子产品等。

1.2 STM32F103系统架构

该单片机的系统架构基于ARMv7-M架构，核心是Cortex-M3处理器。其包含一个32位RISC处理器、中断系统、存储保护单元、单周期乘法器和硬件除法器等。它还具备一个嵌套向量中断控制器(NVIC)，提供多达24个中断通道，并支持优先级和子优先级。

1.3 STM32F103单片机应用领域

在实际应用中，STM32F103广泛应用于多种领域。例如，它可以作为汽车电子中的信息娱乐系统的控制核心，也可以在医疗仪器中处理数据和控制设备，或者用于工业自动化中进行信号采集与实时控制等。它提供高灵活性和可扩展性，支持多种开发环境，包括Keil MDK-ARM、IAR EWARM和GCC-based IDE等。

2. DS18B20数字温度传感器使用与特性

2.1 DS18B20传感器概述

DS18B20是Maxim公司生产的一款数字温度传感器，具有数字信号输出、宽温度测量范围、高精度等特点。传感器以一线制（One-Wire）接口通信，降低了硬件连接的复杂性，使其非常适合用于各种温度监测系统。

2.2 传感器技术特性分析

DS18B20的技术特性包括：
- 测量范围 ：-55℃至+125℃，精度达到±0.5℃。
- 分辨率 ：可编程设置9位至12位分辨率。
- 供电方式 ：可外部供电，也可通过数据线寄生供电。
- 一线制通信 ：简化了硬件连接，可实现多点温度监测。
- 报警功能 ：具有可编程的高温和低温报警触发点。

2.3 引脚布局与功能

DS18B20的引脚功能如下：
- VDD ：电源（3.0V至5.5V）。
- DQ ：数据线（一线制通信）。
- GND ：地线。

2.4 通信协议解析

DS18B20通信协议基于一线制技术，工作时序包括：
- 复位脉冲 ：主设备向传感器发送复位脉冲，传感器响应后开始通信。
- 存在脉冲 ：传感器在复位后发送一个存在脉冲，表明其准备就绪。
- ROM命令 ：包括读ROM、匹配ROM、搜索ROM等，用于识别和选择特定的传感器。
- 功能命令 ：包括启动温度转换、读取温度寄存器等，用于执行具体的功能。

2.5 温度数据读取实践

在实际应用中，读取DS18B20传感器的温度数据通常包含以下步骤：
1. 初始化 ：初始化一线制总线和DS18B20传感器。
2. 发送复位脉冲 ：确保传感器处于工作状态。
3. 发送ROM命令 ：选择特定的DS18B20传感器。
4. 发送功能命令 ：例如“转换温度”命令。
5. 等待转换完成 ：根据分辨率等待一定时间。
6. 读取温度数据 ：发送“读取温度寄存器”命令，并读取数据。

2.6 实际应用案例分析

下面我们通过一个实际案例，分析DS18B20在工业温度监控中的应用。

案例：工业温度监控系统

在工业领域，温度监控至关重要，DS18B20因其高精度和简单易用的特性，常被用于此类系统。

系统构建流程
  1. 硬件连接 ：将DS18B20的VDD接到电源，GND接地，DQ连接到单片机的一个GPIO引脚。
  2. 软件编程 ：编写程序，实现对DS18B20的初始化、温度读取等功能。
  3. 数据处理 ：将读取到的数字信号转换为实际温度，并进行显示或记录。
  4. 报警机制 ：设置温度阈值，实现高温或低温报警。
代码实现

下面是使用STM32单片机读取DS18B20温度数据的示例代码： 

// 假设使用STM32 HAL库#include \"stm32f1xx_hal.h\"// DS18B20初始化函数void DS18B20_Init(void) { // 初始化一线制总线及GPIO}// 向DS18B20发送命令函数void DS18B20_SendCommand(uint8_t command) { // 通过GPIO发送命令到DS18B20}// 从DS18B20读取数据函数uint8_t DS18B20_ReadData(void) { // 从DS18B20读取数据}// 主函数int main(void) { HAL_Init(); // 初始化HAL库 DS18B20_Init(); // 初始化DS18B20 uint8_t tempData[2]; // 存储温度数据 int16_t temperature; // 启动温度转换 DS18B20_SendCommand(0x44); HAL_Delay(200); // 等待转换完成 // 读取温度数据 DS18B20_SendCommand(0xBE); tempData[0] = DS18B20_ReadData(); tempData[1] = DS18B20_ReadData(); // 将数据转换为温度 temperature = (int16_t)(tempData[1] << 8) | tempData[0]; // 根据DS18B20的数据手册进行进一步处理}

在上述代码中， DS18B20_Init 函数负责初始化一线制总线和DS18B20传感器的GPIO引脚。 DS18B20_SendCommand 函数用于向传感器发送命令，而 DS18B20_ReadData 函数则用于读取传感器返回的数据。主函数 main 中，首先初始化单片机和DS18B20，然后发送温度转换命令，等待转换完成并读取数据，最后将读取到的数据转换为温度值。

以上代码仅作为示例，具体实现时需要根据实际硬件连接和需求进行调整。

结果分析与优化

通过实验读取DS18B20传感器的数据，并将其转换为温度值后，我们可以通过进一步的分析和校准，优化温度读取的精度和系统的稳定性。同时，通过持续监控温度数据，我们可以对工业设备的运行状态进行实时判断和预警，保证生产过程的安全与效率。

在下一章节，我们将详细探讨如何通过STM32F103单片机的GPIO引脚配置实现一线制接口，并与DS18B20传感器进行数据交换。

3. GPIO引脚配置与一线制接口实现

引脚配置基础

STM32F103单片机提供了丰富的通用输入输出（GPIO）引脚，为开发人员提供了灵活的接口配置能力。在进行任何外设通信之前，正确配置GPIO引脚是至关重要的一步。

首先，我们需要理解GPIO引脚的模式选择，这包括输入模式（浮空、上拉、下拉）、输出模式（推挽和开漏）、复用功能模式和模拟模式。STM32F103的每个GPIO引脚都可以被编程为以上四种模式之一。

在本章节，我们将重点讨论一线制接口（One-Wire Protocol）实现过程中GPIO引脚的配置。一线制通信是一种串行通信协议，它允许数据的双向传输仅使用一根数据线（和地线），加上供电。这种通信方式在连接多个设备时非常节省引脚资源。

GPIO引脚配置代码示例 

/* 配置GPIO引脚为推挽输出模式 */void GPIO_Configuration(void){ GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /* 使能GPIO端口时钟 */ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); /* 配置GPIO引脚参数 */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6; // PB6配置为输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 输出速度50MHz /* 初始化GPIO端口 */ GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);}

在上述代码中，我们首先使能了GPIOB端口的时钟。然后，我们创建了一个 GPIO_InitTypeDef 结构体变量，用来配置引脚。 GPIO_Pin_6 指明我们要配置的是B端口的第六个引脚。通过 GPIO_Mode_Out_PP 选项，我们将引脚配置为推挽输出模式，并设置输出速度为50MHz。

理解引脚配置的参数

在进行引脚配置时， GPIO_Mode 参数至关重要，它定义了引脚的工作模式：

  • GPIO_Mode_Out_PP ：推挽输出，能够在引脚上输出高低电平。
  • GPIO_Mode_Out_OD ：开漏输出，通常需要外部上拉电阻才能产生高电平。
  • GPIO_Mode_AF_PP ：复用功能推挽输出，可以将引脚配置为特定外设的信号线。
  • GPIO_Mode_AF_OD ：复用功能开漏输出，同上，但是为开漏模式。
  • GPIO_Mode_IPD ：内部上拉输入。
  • GPIO_Mode_IPU ：内部下拉输入。

一线制通信协议要点

一线制通信协议关键在于数据的同步和精确时序控制。在STM32F103中，我们需要精确控制GPIO引脚的电平变化，以满足一线制协议的严格时序要求。

一线制通信协议实现流程

  1. 初始化一线制总线为低电平。
  2. 产生复位脉冲。
  3. 等待设备响应。
  4. 发送ROM命令或功能命令。
  5. 读取或发送数据。

一线制通信代码示例 

/* 一线制总线初始化函数 */void OneWire_Init(void){ /* 拉低总线 */ GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6); Delay(480); // 延时，至少480us GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6);}/* 一线制复位脉冲函数 */uint8_t OneWire_Reset(void){ uint8_t presence = 0; /* 拉低总线 */ GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6); Delay(480); // 至少480us /* 释放总线 */ GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6); Delay(70); // 等待70us /* 等待设备的存在脉冲 */ while(!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_6)); // 等待直到总线被拉低 Delay(410); // 等待410us后检测总线状态 /* 检测设备的存在脉冲 */ if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_6)) presence = 1; Delay(480); return presence;}

在此段代码中， OneWire_Init 函数用于初始化一线制总线，首先拉低总线480us以上，然后释放总线。 OneWire_Reset 函数用于检测一线制总线上是否存在设备，通过拉低总线等待设备回应，检测存在脉冲。

接下来，我们需要编写发送和接收字节的函数，确保每个时序都精确到位，满足一线制协议的要求。

4. 一线制协议时序控制与温度数据处理

4.1 一线制通信协议时序分析

一线制通信协议是一种非常简洁且高效的串行通信技术，被广泛应用于低速数据通信场合，尤其是在传感器数据采集系统中。一线制通信协议只需要一根数据线和一根地线，通信双方共享这一对信号线，因此非常适合在资源受限的嵌入式系统中使用。

4.1.1 一线制通信协议的时序要求

一线制通信协议的时序要求必须严格遵守，才能保证数据传输的正确性。在DS18B20传感器的应用中，一线制通信的时序主要包括以下几个方面：

  • 复位脉冲 ：主机通过发送至少480微秒的低电平脉冲来进行复位操作。
  • 存在脉冲 ：DS18B20在检测到复位脉冲后会发出一个存在脉冲，即60微秒至240微秒的高电平。
  • 写时序 ：写一个位时，主机需要将数据线先拉低至少1微秒，然后释放数据线让其恢复到高电平状态。对于写0，高电平的持续时间需要在60微秒到120微秒之间；对于写1，高电平持续时间可以在1微秒到15微秒之间。
  • 读时序 ：读取数据时，主机首先将数据线拉低，然后释放数据线，DS18B20会在主机释放后拉低数据线以输出0。读取1时，数据线会在主机释放后保持高电平。

下面是一段复位脉冲的示意性代码，展示了如何在STM32F103上实现复位脉冲的生成： 

// 假设使用GPIOB的第10脚作为一线制数据线#define ONewire_PIN GPIO_Pin_10#define ONewire_PORT GPIOBvoid Delay_us(uint16_t us);void OneWire_Reset(void);void OneWire_Reset(void) { // 初始化数据线为高电平 GPIO_SetBits(ONewire_PORT, ONewire_PIN); Delay_us(480); // 延时至少480us // 拉低数据线持续至少480us GPIO_ResetBits(ONewire_PORT, ONewire_PIN); Delay_us(480); // 释放数据线，等待设备的应答脉冲 GPIO_SetBits(ONewire_PORT, ONewire_PIN); Delay_us(70); // 等待设备产生应答脉冲的高电平 // 如果检测到应答脉冲，数据线应仍保持高电平状态 if(GPIO_ReadInputDataBit(ONewire_PORT, ONewire_PIN) == Bit_RESET) { // 没有检测到应答脉冲，DS18B20可能未响应 }}

4.1.2 一线制时序控制实践

精确的时序控制是实现一线制通信的关键。为了确保数据的正确发送和接收，开发者通常使用精确的延时函数来控制时间间隔。然而，在嵌入式系统中，使用硬编码的延时并不总是可靠的，尤其是在不同的系统工作频率下。因此，开发者可能需要使用定时器来生成精确的时序。

4.1.3 使用定时器进行时序控制

STM32F103单片机含有丰富的定时器资源，可以用来实现精确的时序控制。以下是一个示例，展示了如何使用定时器来实现一线制协议的写时序： 

void TIM_Configuration(void) { TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = (SystemCoreClock / 1000000) - 1; // 1MHz计数频率 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 60; // 设置脉冲宽度 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure); TIM_OC2PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable); TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE); TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);}

在上述代码中，我们配置了TIM2的时钟频率为1MHz，并设置了脉冲宽度为60个周期，这样可以在1微秒的时间内完成高电平的输出。通过改变TIM_OCInitStructure中的TIM_Pulse参数，可以精确控制高电平持续时间，从而满足一线制协议的写时序要求。

4.2 温度数据的读取与处理

DS18B20传感器通过一线制通信接口输出温度数据，这些数据以9位或10位的数字码形式存在，其中包含了温度信息的二进制补码表示。为了将这些原始数据转换为实际的温度值，开发者需要进行一系列的数据处理。

4.2.1 读取原始温度数据

首先，我们需要从DS18B20读取原始的温度数据，这需要在一线制协议的基础上进行读操作。数据的读取过程需要严格遵守一线制协议的读时序要求，以下是读取一个位的示例代码： 

uint8_t OneWire_ReadBit(void) { uint8_t bit; // 拉低数据线以产生读时序 GPIO_ResetBits(ONewire_PORT, ONewire_PIN); Delay_us(1); // 释放数据线，等待DS18B20拉低数据线 GPIO_SetBits(ONewire_PORT, ONewire_PIN); Delay_us(14); // 读取数据线状态 bit = GPIO_ReadInputDataBit(ONewire_PORT, ONewire_PIN) ? 1 : 0; Delay_us(45); return bit;}

4.2.2 温度数据的转换与计算

在成功读取了原始温度数据后，我们需要将其转换成可读的温度值。DS18B20输出的数字码可以通过以下公式转换为摄氏度： 

TEMP_READ = {LOW[7:0], HIGH[7:4]} / 16 °C

其中，LOW和HIGH分别是读取到的原始数据的低8位和高4位。以下是一个转换函数的示例代码： 

int16_t DS18B20_GetTemperature(void) { uint8_t high, low; int16_t temp_read; // 激活传感器并发出转换温度命令 // ... // 等待转换完成 Delay_ms(750); // 读取温度数据 low = OneWire_ReadByte(); high = OneWire_ReadByte(); temp_read = (high << 8) | low; // 拼接低8位和高4位 // 转换为实际温度 temp_read = ((int16_t)(temp_read <> 4; if(temp_read > 511) { temp_read = -((temp_read ^ 0xFFF) + 1); // 转换为负温度值 } return temp_read;}

4.2.3 温度处理中的常见问题及解决方法

在温度数据处理过程中，开发者可能会遇到一些问题，例如数据传输错误、传感器故障或测量范围超出等情况。为了确保温度数据的准确性，开发者需要实现数据校验和错误处理机制。

  • 数据校验 ：通常，DS18B20会使用CRC校验来确保数据传输的正确性。开发者需要在软件中实现相应的CRC计算，并验证从传感器读取的数据。
  • 错误处理 ：如果校验失败，则需要重新发起读取请求，直到获得有效的数据为止。如果多次尝试失败，应考虑传感器是否发生故障或通信线路是否存在问题。

4.3 一线制协议实现的完整流程

将时序控制和数据处理结合起来，就形成了一个完整的一线制协议实现流程。这个流程不仅需要按照硬件协议的要求来执行，还需要考虑到软件层面的数据处理和异常处理。

4.3.1 初始化阶段

在初始化阶段，首先需要配置一线制数据线对应的GPIO引脚为开漏输出，并初始化定时器等硬件资源。

4.3.2 通信阶段

在通信阶段，首先发送复位脉冲以初始化一线制通信，然后执行写时序来发送所需的命令（比如温度转换命令），之后是读时序来读取数据。

4.3.3 数据处理阶段

数据处理阶段涉及将原始的数字码转换为实际的温度值，并进行必要的异常处理和数据校验。

4.3.4 错误处理和优化

如果在任何阶段出现错误，都需要进行适当的错误处理。同时，为了提高系统的稳定性和响应速度，可能需要对软件进行优化，例如减少不必要的延时、合理安排任务执行顺序等。

4.4 一线制通信的优势与应用场景

一线制通信因其简单性和低成本而被广泛应用在各种嵌入式系统中，尤其适用于需要多个传感器的场合。

4.4.1 一线制通信的优势

一线制通信的优势主要体现在以下几个方面：

  • 低成本 ：仅需要一根数据线，降低了硬件成本。
  • 简单性 ：通信协议简单，易于实现。
  • 扩展性 ：可以在一根线上挂载多个设备。

4.4.2 典型应用场景分析

典型的一线制通信应用场景包括：

  • 家庭自动化 ：温度、湿度等传感器。
  • 工业控制系统 ：压力、流量等传感器。
  • 远程监控 ：井下或海底等恶劣环境的监测设备。

一线制通信在这些场景中可以有效地减少布线的复杂性，降低系统整体成本，同时也便于维护和扩展。

通过本章的介绍，我们不仅深入理解了一线制通信协议的技术细节和实现方法，还学习了温度数据的处理和错误校验技术。这些知识对于在实际项目中应用DS18B20传感器和其他一线制设备至关重要。在下一章，我们将结合本章的知识点，通过具体的实践案例来进一步加深理解。

5. 综合应用实践与系统拓展

实验例程：构建温度监测系统

在本节中，我们将整合之前章节介绍的STM32F103单片机、DS18B20数字温度传感器和RTC模块的理论知识，通过具体的实验例程来实现一个完整的温度监测系统。此外，我们还将加入红外遥控模块HS0038，使其具备远程数据采集与控制功能。

首先，需要准备以下硬件组件：

  • STM32F103单片机开发板
  • DS18B20数字温度传感器
  • RTC模块(DS1302)
  • 红外遥控模块(HS0038)
  • 相关连线和电源

硬件连接

  1. STM32F103与DS18B20连接 ：将DS18B20的数据线（DQ）连接到STM32F103的某个GPIO引脚上，同时需要一个10KΩ上拉电阻连接VDD到DQ。
  2. STM32F103与RTC模块连接 ：将DS1302模块的通信线连接到STM32F103的特定SPI接口或通过GPIO模拟的接口。
  3. STM32F103与红外遥控模块连接 ：HS0038的输出端连接到STM32F103的一个GPIO引脚，用于接收红外信号。

软件编程

接下来，我们需要编写程序来实现以下功能：

  • 初始化所有硬件模块
  • 实现DS18B20的温度读取
  • 显示温度值到LCD/串口
  • 使用RTC模块记录时间
  • 接收红外遥控信号并响应

以下是实现上述功能的伪代码示例： 

// 初始化函数void setup_system() { // 初始化GPIO // 初始化DS18B20 // 初始化RTC模块 // 初始化红外遥控模块 // 初始化显示模块}// 主循环函数void loop() { // 读取温度 float temperature = read_temperature(); // 显示温度 display_temperature(temperature); // 检查是否接收到红外信号 if (is红外信号接收到()) { handle_infrared_signal(); } // 使用RTC模块的时间信息 use_RTC_info();}// DS18B20温度读取函数float read_temperature() { // 实现DS18B20的通信协议和温度读取}// 显示温度到LCD/串口void display_temperature(float temperature) { // 调用LCD显示函数或串口打印函数}// 红外遥控信号处理函数void handle_infrared_signal() { // 解析红外信号并执行相应操作}// 使用RTC模块时间信息函数void use_RTC_info() { // 读取时间并记录}

调试与优化

  1. 调试 : 在硬件连接完成后，逐步测试每个模块是否正常工作。首先检查DS18B20能否正常读取温度值，然后检查RTC模块时间是否准确，最后测试红外遥控功能。
  2. 优化 : 根据实际运行情况，调整程序逻辑，优化读取温度的准确度和响应红外遥控的灵敏度。

通过以上步骤，我们可以实现一个具有温度监测、实时时间记录和红外遥控功能的系统。系统可以用于环境监测、工业控制等多个领域。 

graph LRA[STM32F103单片机] -->|控制| B[DS18B20传感器]A -->|通信| C[RTC模块(DS1302)]A -->|接收| D[红外遥控模块(HS0038)]B -->|温度值| E[LCD/串口显示]C -->|时间信息| ED -->|遥控信号| A

以上Mermaid流程图展示了整个系统的工作流程。每个模块协同工作，共同完成温度监测系统的功能。在实际应用中，每个模块的编程实现和调试细节将会更加复杂，需要根据具体的硬件情况和需求来调整。

在接下来的章节中，我们将深入探讨如何利用SysTick系统定时器实现定时数据采集和处理功能，进一步增强系统的自动化能力。

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简介：STM32F103是一款高性能的微控制器，适用于各种嵌入式系统设计。本实验课程主要教授如何使用STM32F103与DS18B20数字温度传感器进行通信。DS18B20是一款一线制数字温度传感器，能够直接输出数字信号，具有精度高、使用方便的特点。课程将涵盖从初始化GPIO、软件模拟一线制协议、传感器初始化、温度测量到数据处理的关键步骤。除此之外，还提供RTC、红外遥控和SysTick系统定时器的实验内容，帮助学生全面掌握嵌入式系统设计与传感器应用。

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