简述温度传感器DS18B20原理内附STM32例程代码

STM32嵌入式开发 2021-11-17 14842

STM32嵌入式开发

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描述

    DS18B20是一款常用的高精度的单总线数字温度测量芯片。具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

DS18B20原理

传感器参数

  • 测温范围为-55℃到+125℃，在-10℃到+85℃范围内误差为±0.4°

  • 返回16位二进制温度数值

  • 主机和从机通信使用单总线，即使用单线进行数据的发送和接收

  • 在使用中不需要任何外围元件，独立芯片即可完成工作

  • 掉电保护功能 DS18B20 内部含有 EEPROM ，通过配置寄存器可以设定数字转换精度和报警温度，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值

  • 每个DS18B20都有独立唯一的64位-ID，此特性决定了它可以将任意多的DS18b20挂载到一根总线上，通过ROM搜索读取相应DS18B20的温度值

  • 宽电压供电，电压2.5V~5.5V

  • DS18B20返回的16位二进制数代表此刻探测的温度值，其高五位代表正负。如果高五位全部为1，则代表返回的温度值为负值。如果高五位全部为0，则代表返回的温度值为正值。后面的11位数据代表温度的绝对值，将其转换为十进制数值之后，再乘以0.0625即可获得此时的温度值

传感器引脚及原理图

    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

STM32

    单个DS18B20接线方式：VDD接到电源，DQ接单片机引脚，同时外加上拉电阻，GND接地。

    注意这个上拉电阻是必须的，就是DQ引脚必须要一个上拉电阻。

DS18B20上拉电阻

    首先来看一下什么是场效应管（MOSFET）。

 

    MOS管是电压控制型元器件，只要对栅极施加一定电压，DS就会导通，MOS基础相关文章:MOS管基本认识。

    漏极开路：MOS管的栅极G和输入连接，源极S接公共端，漏极D悬空（开路）什么也没有接，直接输出 ，这时只能输出低电平和高阻态，不能输出高电平。

    那么这个时候会出现三种情况：

  • 下图a为正常输出（内有上拉电阻）：场效应管导通时，输出低电位输出低电位，截止时输出高电位

  • 下图b为漏极开路输出，外接上拉电阻：场效应管导通时，驱动电流是从外部的VCC流经电阻通过MOSFET到GND，输出低电位，截止时输出高电位

  • 下图c为漏极开路输出，无外接上拉电阻：场效应管导通时输出低电位，截止呈高阻态(断开)

STM32

    总结一下：

    开漏输出只能输出低电平，不能输出高电平。漏极开路输出高电平时必须在输出端与正电源（VCC）间外接一个上拉电阻。否则只能输出高阻态。

    DS18B20 是单线通信，即接收和发送都是这个通信脚进行的。其接收数据时为高电阻输入，其发送数据时是开漏输出，本身不具有输出高电平的能力，即输出0时通过MOS下拉为低电平，而输出1时，则为高阻，需要外接上拉电阻将其拉为高电平。因此，需要外接上拉电阻，否则无法输出1。

    外接上拉电阻阻值：

    DS18B20的工作电流约为1mA，VCC一般为5V，则电阻R=5V/1mA=5KΩ，所以正常选择4.7K电阻，或者相近的电阻值。

DS18B20寄生电源

    DS18B20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。

 

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

    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。

    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

    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)

 

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=1,温度为负值时S=0。

    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。

 

    对应的温度计算：

    当五个符号位S=0时，温度为正值，直接将后面的11位二进制转换为十进制，再乘以0.0625(12位分辨率)，就可以得到温度值。

    当五个符号位S=1时，温度为负值，先将后面的11位二进制补码变为原码(符号位不变，数值位取反后加1)，再计算十进制值。再乘以0.0625(12位分辨率)，就可以得到温度值。

    举两个例子：

  • 数字输出07D0(00000111 11010000)，转换成10进制是2000，对应摄氏度：0.0625x2000=125°C

  • 数字输出为 FC90，首先取反，然后+1，转换成原码为：11111011 01101111，数值位转换成10进制是870，对应摄氏度：-0.0625x870=-55°C

    上述例子，用C语言来实现的代码，如下：

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unsigned int Temp1,Temp2,Temperature;  //Temp1低八位，Temp2高八位unsigned char Minus Flag=0;  //负温度标志位
if（Temp2＆0xFC）//判断符号位是否为1{  Minus Flag=l; //负温度标志位置1  Temperature=((Temp2<<8)|Temp1); //高八位第八位进行整合  Temperature=((Temperature)+1); //讲补码转换为原码，求反，补1  Temperature*=0.0625;//求出十进制}else   //温度为正值{  Minus Flag=0;  //负温度标志位置0  Temperature =((Temp2<<8) |Temp1)*0.0625;}

DS18B20工作步骤

    DS18B20的工作步骤可以分为三步：

  • 初始化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。

初始化DS18B20

    任何器件想要使用，首先就是需要初始化，对于DS18B20单总线设备，首先初始化单总线为高电平，然后总线开始也需要检测这条总线上是否存在DS18B20这个器件。如果这条总线上存在DS18B20，总线会根据时序要求返回一个低电平脉冲，如果不存在的话，也就不会返回脉冲，即总线保持为高电平。

    初始化具体时序步骤如下:

  • 单片机拉低总线至少480us，产生复位脉冲，然后释放总线（拉高电平）

  • 这时DS8B20检测到请求之后，会拉低信号，大约60~240us表示应答

  • DS8B20拉低电平的60~240us之间，单片机读取总线的电平，如果是低电平，那么表示初始化成功

  • DS18B20拉低电平60~240us之后，会释放总线

    DS18B20的初始化代码如下:

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/*****初始化DS18B20*****/unsigned int Init_DS18B20(void){unsigned int x=0;  DQ = 1;      //DQ复位  delay(4);    //稍做延时  DQ = 0;      //单片机将DQ拉低  delay(60);   //精确延时，大于480us  DQ = 1;      //拉高总线  delay(8);  x = DQ;      //稍做延时后，如果x=0则初始化成功，x=1则初始化失败  delay(4); return x;}

写时序

    总线控制器通过控制单总线高低电平持续时间从而把逻辑1或0写DS18B20中。每次只传输1位数据。

    单片机想要给DS18B20写入一个0时，需要将单片机引脚拉低，保持低电平时间要在60~120us之间，然后释放总线。

    单片机想要给DS18B20写入一个1时，需要将单片机引脚拉低，拉低时间需要大于1us，然后在15us内拉高总线。

    在写时序起始后15μs到60μs期间，DS18B20处于采样单总线电平状态。如果在此期间总线为高电平，则向DS18B20写入1;如果总线为低电平，则向DSl8B20写入0。

    注意：2次写周期之间至少间隔1us。

STM32

    DS18B20写时序的代码如下:

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/*****写一个字节*****/void WriteOneChar(unsigned char dat){unsigned char i=0;for (i=8; i>0; i--)  {    DQ = 0;    DQ = dat&0x01;  //与1按位与运算，dat最低位为1时DQ总线为1，dat最低位为0时DQ总线为0  delay(4);    DQ = 1;    dat>>=1;   }  delay(4);}

    采用多个DS18B20时，需要写ROM指令来控制总线上的某个DS18B20。如果是单个DS18B20，直接写跳过ROM指令0xCC即可。DS18B20写入ROM功能指令如下表：

 

    DS18B20的一些RAM功能指令如下表。其中常用的是温度转换指令，开启温度读取转换，读取好的温度会存储在高速暂存器的第0个和第一个字节中。另一个常用的是读取温度指令，读取高速暂存器存储的数据。

 

读时序

    读时隙由主机拉低总线电平至少1μs然后再释放总线，读取DS18B20发送过来的1或者0。

    DS18B20在检测到总线被拉低1微秒后，便开始送出数据，若是要送出0就把总线拉为低电平直到读周期结束。若要送出1则释放总线为高电平。

    注意：所有读时隙必须至少需要60us，且在两次独立的时隙之间至少需要1ps的恢复时间。

    同时注意：主机只有在发送读暂存器命令(0xBE)或读电源类型命令(0xB4)后，立即生成读时隙指令，DS18B20才能向主机传送数据。也就是先发读取指令，再发送读时隙。

    最后一点：写时序注意是先写命令的低字节，比如写入跳过ROM指令0xCC(11001100),写的顺序是“零、零、壹、壹、零、零、壹、壹”。

    读时序时是先读低字节，在读高字节，也就是先读取高速暂存器的第0个字节(温度的低8位)，在读取高速暂存器的第1个字节(温度的高8位) 我们正常使用DS18B20读取温度读取两个温度字节即可。

STM32例程

    DS18B20.c代码：

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#include "ds18b20.h"#include "delay.h"
//复位DS18B20void DS18B20_Rst(void){                   DS18B20_IO_OUT();   //SET PG11 OUTPUT    DS18B20_DQ_OUT=0;   //拉低DQ    delay_us(750);      //拉低750us    DS18B20_DQ_OUT=1;   //DQ=1   delay_us(15);       //15US}//等待DS18B20的回应//返回1:未检测到DS18B20的存在//返回0:存在u8 DS18B20_Check(void){     u8 retry=0;  DS18B20_IO_IN();  //SET PG11 INPUT   while (DS18B20_DQ_IN&&retry<200)  {    retry++;    delay_us(1);  };   if(retry>=200)return 1;else retry=0;while (!DS18B20_DQ_IN&&retry<240)  {    retry++;    delay_us(1);  };if(retry>=240)return 1;      return 0;}//从DS18B20读取一个位//返回值：1/0u8 DS18B20_Read_Bit(void){    u8 data;  DS18B20_IO_OUT();  //SET PG11 OUTPUT    DS18B20_DQ_OUT=0;   delay_us(2);    DS18B20_DQ_OUT=1;   DS18B20_IO_IN();  //SET PG11 INPUT  delay_us(12);if(DS18B20_DQ_IN)data=1;else data=0;       delay_us(50);           return data;}//从DS18B20读取一个字节//返回值：读到的数据u8 DS18B20_Read_Byte(void){            u8 i,j,dat;    dat=0;for (i=1;i<=8;i++)   {        j=DS18B20_Read_Bit();        dat=(j<<7)|(dat>>1);    }                return dat;}//写一个字节到DS18B20//dat：要写入的字节void DS18B20_Write_Byte(u8 dat){                 u8 j;    u8 testb;  DS18B20_IO_OUT();  //SET PG11 OUTPUT;for (j=1;j<=8;j++)   {        testb=dat&0x01;        dat=dat>>1;if (testb)         {            DS18B20_DQ_OUT=0;  // Write 1            delay_us(2);                                        DS18B20_DQ_OUT=1;            delay_us(60);                     }else        {            DS18B20_DQ_OUT=0;  // Write 0            delay_us(60);                         DS18B20_DQ_OUT=1;            delay_us(2);                                  }    }}//开始温度转换void DS18B20_Start(void){                                  DS18B20_Rst();         DS18B20_Check();       DS18B20_Write_Byte(0xcc);  // skip rom    DS18B20_Write_Byte(0x44);  // convert} 

//初始化DS18B20的IO口 DQ 同时检测DS的存在//返回1:不存在//返回0:存在       u8 DS18B20_Init(void){   GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOG, ENABLE);   //使能PORTG口时钟 
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;        //PORTG.11 推挽输出   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;          GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;   GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);

   GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_11);    //输出1

   DS18B20_Rst();

return DS18B20_Check();}  //从ds18b20得到温度值//精度：0.1C//返回值：温度值 （-550~1250） short DS18B20_Get_Temp(void){    u8 temp;    u8 TL,TH;short tem;    DS18B20_Start ();        // ds1820 start convert    DS18B20_Rst();    DS18B20_Check();       DS18B20_Write_Byte(0xcc);  // skip rom    DS18B20_Write_Byte(0xbe);  // convert          TL=DS18B20_Read_Byte();   // LSB       TH=DS18B20_Read_Byte();   // MSB  
if(TH>7)    {        TH=~TH;        TL=~TL;         temp=0;          //温度为负      }else temp=1;        //温度为正            tem=TH;           //获得高八位    tem<<=8;        tem+=TL;          //获得底八位    tem=(float)tem*0.625;    //转换     if(temp)return tem;     //返回温度值else return -tem;    }

    DS18B20.h代码：

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#ifndef __DS18B20_H #define __DS18B20_H #include "sys.h"

//IO方向设置#define DS18B20_IO_IN()  {GPIOG->CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOG->CRH|=8<<12;}#define DS18B20_IO_OUT() {GPIOG->CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOG->CRH|=3<<12;}//IO操作函数                         #define  DS18B20_DQ_OUT PGout(11) //数据端口  PA0 #define  DS18B20_DQ_IN  PGin(11)  //数据端口  PA0 
u8 DS18B20_Init(void);//初始化DS18B20short DS18B20_Get_Temp(void);//获取温度void DS18B20_Start(void);//开始温度转换void DS18B20_Write_Byte(u8 dat);//写入一个字节u8 DS18B20_Read_Byte(void);//读出一个字节u8 DS18B20_Read_Bit(void);//读出一个位u8 DS18B20_Check(void);//检测是否存在DS18B20void DS18B20_Rst(void);//复位DS18B20    #endif

编辑：jq

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