DS18B20 温度传感器演示

CHAPTER 01

传感器原理与功能

1.1 工作原理

DS18B20是Dallas/Maxim公司推出的单总线数字温度传感器。其内部集成了温度传感电路、模数转换器和数字接口逻辑。温度测量基于带隙温度传感器原理：芯片内部有一个温度敏感振荡器和一个温度不敏感振荡器，通过计数两个振荡器的周期差值来获取温度数据，并将结果以16位数字量（二进制补码形式）存储在暂存器（Scratchpad）中。

DS18B20采用Dallas 1-Wire单总线协议，仅需一根数据线（DQ）即可实现双向通信。主机（STM32）通过严格的时序控制，在数据线上产生复位脉冲、写入命令字节和读取数据字节。芯片支持9~12位可编程分辨率，12位模式下精度达0.0625°C，转换时间约750ms。每个DS18B20出厂时拥有唯一的64位ROM序列号，支持单总线上挂载多个传感器。内置CRC8校验机制（多项式X⁸+X⁵+X⁴+1），确保数据传输的可靠性。

1.2 核心功能

📡

单总线通信

仅需一根数据线（DQ）即可完成双向数据传输，大幅节省MCU引脚资源和布线成本，支持长距离通信。

🌡️

高精度测温

12位分辨率下精度0.0625°C，测温范围-55°C~+125°C，在-10°C~+85°C范围内最大误差仅±0.5°C。

🔒

CRC8数据校验

暂存器第9字节为前8字节的CRC校验码，通信时自动校验数据完整性，有效避免传输错误导致的误读。

🔗

多设备挂载

每颗芯片拥有唯一64位ROM ID，单条总线上可挂载多个DS18B20，通过ROM命令逐一寻址，适合分布式测温。

1.3 引脚定义

DS18B20 引脚定义与连接关系

引脚号	引脚名称	功能描述	STM32连接
1	GND	地线，电源负极	GND
2	DQ	单总线数据通信引脚（开漏模式，需上拉电阻）	PA0
3	VDD	电源正极（2.5V~5.5V）	3.3V

CHAPTER 04

程序分析

4.1 系统时钟配置 — SystemClock_Config()

配置STM32F103C8T6系统时钟为72MHz。使用外部高速晶振（HSE 8MHz），通过PLL倍频9倍得到72MHz系统时钟。AHB=72MHz，APB1=36MHz，APB2=72MHz，Flash等待周期2。

Core/Src/main.c — SystemClock_Config()

/* HSE外部晶振 8MHz → PLL×9 → SYSCLK 72MHz */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState       = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue  = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState  = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL    = RCC_PLL_MUL9;       // 8MHz × 9 = 72MHz

  HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct);

  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource  = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;      // HCLK  = 72MHz
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider= RCC_HCLK_DIV2;        // PCLK1 = 36MHz
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider= RCC_HCLK_DIV1;        // PCLK2 = 72MHz

  HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2);
}

4.2 DS18B20 GPIO初始化 — Ds18b20_GPIO_Init()

DS18B20数据引脚DQ连接STM32的PA0。配置为开漏输出模式（GPIO_MODE_OUTPUT_OD），启用内部上拉电阻，高速模式。开漏模式是1-Wire协议的要求——主机和从机都可以拉低总线，释放时由上拉电阻恢复高电平，实现"线与"逻辑。

HAL/DS18B20/ds18b20.c — Ds18b20_GPIO_Init()

#define DQ_Pin        GPIO_PIN_0      // PA0
#define DQ_GPIO_Port  GPIOA

void Ds18b20_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  DQ_GPIO_CLK_ENABLE();  // 使能GPIOA时钟

  GPIO_InitStruct.Pin    = DQ_Pin;                  // PA0
  GPIO_InitStruct.Mode   = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;    // 开漏输出(1-Wire必需)
  GPIO_InitStruct.Pull   = GPIO_PULLUP;            // 内部上拉
  GPIO_InitStruct.Speed  = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;  // 高速
  HAL_GPIO_Init(DQ_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
}

4.3 1-Wire复位时序 — DS_rest()

1-Wire通信的起始步骤。主机拉低DQ线750μs产生复位脉冲，然后释放总线。DS18B20检测到复位脉冲后，在15~60μs内拉低总线60~240μs产生存在脉冲（Presence Pulse）。主机通过检测此脉冲确认从机在线。

HAL/DS18B20/ds18b20.c — DS_rest()

void DS_rest(void)
{
  HAL_GPIO_WritePin(DQ_GPIO_Port, DQ_Pin, GPIO_PIN_SET);    // 释放总线
  delay_us(1);
  HAL_GPIO_WritePin(DQ_GPIO_Port, DQ_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 拉低750us(复位脉冲)
  delay_us(750);
  HAL_GPIO_WritePin(DQ_GPIO_Port, DQ_Pin, GPIO_PIN_SET);    // 释放总线,等待存在脉冲
  delay_us(100);

  while(HAL_GPIO_ReadPin(DQ_GPIO_Port, DQ_Pin))     // 等待DS18B20拉低(存在脉冲)
  {
    delay_us(1);
    ds_cnt++;
    if(ds_cnt==200) { ds_cnt=0; break; }             // 超时退出(200us)
  }
  delay_us(300);
}

4.4 1-Wire写时序 — write_byte()

向DS18B20写入一个字节，LSB优先（低位先发）。每位时序：拉低总线2μs启动写时隙，然后将数据位写入DQ，保持30μs。写"1"时释放总线（由上拉拉高），写"0"时保持低电平。

HAL/DS18B20/ds18b20.c — write_byte()

void write_byte(uint8_t dat)
{
  unsigned char i;
  for(i=0; i<8; i++)
  {
    HAL_GPIO_WritePin(DQ_GPIO_Port, DQ_Pin, GPIO_PIN_SET);    // 释放
    delay_us(1);
    HAL_GPIO_WritePin(DQ_GPIO_Port, DQ_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 拉低2us(启动写时隙)
    delay_us(2);
    HAL_GPIO_WritePin(DQ_GPIO_Port, DQ_Pin, (GPIO_PinState)(dat&0x01));  // 写入数据位
    delay_us(30);                                               // 保持30us
    dat = dat >> 1;                                           // 右移,LSB优先
  }
}

4.5 1-Wire读时序 — read_byte()

从DS18B20读取一个字节，LSB优先。每位时序：主机拉低总线2μs启动读时隙，然后释放总线2μs，接着读取DQ引脚电平。DS18B20在此时隙内将数据位驱动到总线上。读取后保持30μs完成时序。

HAL/DS18B20/ds18b20.c — read_byte()

unsigned char read_byte(void)
{
  unsigned char i, dat, tmp=0;
  for(i=0; i<8; i++)
  {
    HAL_GPIO_WritePin(DQ_GPIO_Port, DQ_Pin, GPIO_PIN_SET);    // 释放
    delay_us(1);
    HAL_GPIO_WritePin(DQ_GPIO_Port, DQ_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 拉低2us(启动读时隙)
    delay_us(2);
    HAL_GPIO_WritePin(DQ_GPIO_Port, DQ_Pin, GPIO_PIN_SET);    // 释放,等待数据
    delay_us(2);
    dat = HAL_GPIO_ReadPin(DQ_GPIO_Port, DQ_Pin);           // 读取DQ电平
    tmp |= (dat<<i);                                            // 组装,LSB优先
    delay_us(30);
  }
  return tmp;
}

4.6 温度转换与读取 — Ds18b20_Read_Temp()

完整的温度读取流程：①复位 → Skip ROM(0xCC) → Convert T(0x44)，触发温度转换；②复位 → Skip ROM(0xCC) → Read Scratchpad(0xBE)，读取暂存器前2字节温度数据。温度原始值为16位补码，乘以0.0625得到实际温度。

0xCC — Skip ROM：跳过ROM寻址（单设备时使用）
0x44 — Convert T：启动温度转换
0xBE — Read Scratchpad：读取9字节暂存器

HAL/DS18B20/ds18b20.c — Ds18b20_Read_Temp()

unsigned int Ds18b20_Read_Temp(void)
{
  unsigned char i, j;
  unsigned int tem = 0;

  /* 第一步: 触发温度转换 */
  DS_rest();              // 复位脉冲
  write_byte(0xCC);      // Skip ROM (跳过ROM寻址)
  write_byte(0x44);      // Convert T (启动温度转换)

  /* 第二步: 读取暂存器温度数据 */
  DS_rest();              // 再次复位
  write_byte(0xCC);      // Skip ROM
  write_byte(0xBE);      // Read Scratchpad (读暂存器)

  i = read_byte();       // 温度低字节 LSB (data[0])
  j = read_byte();       // 温度高字节 MSB (data[1])

  tem |= j & 0x0F;
  tem <<= 8;
  tem |= i;
  tem = (tem * 0.0625);   // 原始值 × 0.0625 = 实际温度
  return tem;
}

4.7 CRC8校验与温度计算 — DS18B20_Read_Temp_With_CRC()

读取完整9字节暂存器后，对前8字节进行CRC8校验（多项式0x8C，即X⁸+X⁵+X⁴+1）。校验通过后，从前2字节提取16位温度原始值，计算实际温度并放大10倍返回（便于OLED显示1位小数）。

HAL/DS18B20/ds18b20.c — DS18B20_Check_CRC() & DS18B20_Read_Temp_With_CRC()

/* CRC8校验函数 — 多项式: X^8+X^5+X^4+1 (0x8C) */
uint8_t DS18B20_Check_CRC(uint8_t *data, uint8_t len)
{
  uint8_t crc = 0;
  for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
    crc ^= data[i];                         // 逐字节异或
    for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {
      if (crc & 0x01)
        crc = (crc >> 1) ^ 0x8C;             // 多项式异或
      else
        crc >>= 1;
    }
  }
  return crc;
}

/* 读取温度数据并进行CRC校验 */
int16_t DS18B20_Read_Temp_With_CRC(void)
{
  uint8_t data[9];                            // 9字节暂存器
  Ds18b20_Read_Temp();                       // 触发温度转换
  DS18B20_Read_Scratchpad(data, 9);           // 读取9字节数据

  uint8_t crc_calc = DS18B20_Check_CRC(data, 8); // 计算前8字节CRC

  if (crc_calc == data[8]) {                   // CRC校验通过
    int16_t temp = ((data[1]<<8)|data[0]) * 10 / 16.0;
    return temp;                           // 返回温度×10
  } else {
    return 0x7FFF;                          // 校验失败,返回错误值
  }
}

温度计算公式解析

原始值 Raw = (data[1] << 8) | data[0] // 16位补码

实际温度(°C) = Raw × 0.0625 // 12位分辨率,LSB = 0.0625°C

返回值 = Raw × 10 / 16 = Raw × 0.625 = 温度 × 10 // 放大10倍

OLED显示 = 返回值 / 10.0 // 恢复1位小数,如 250 → 25.0℃

实际温度	原始值(Hex)	原始值(Dec)	返回值(×10)	OLED显示
-55°C	0xFC90	-880	-550	-55.0℃
-10°C	0xFF5E	-160	-100	-10.0℃
0°C	0x0000	0	0	0.0℃
25.0°C	0x0190	400	250	25.0℃
25.5°C	0x019A	410	256	25.6℃
85°C	0x0550	1360	850	85.0℃
125°C	0x07D0	2000	1250	125.0℃

4.8 主循环逻辑 — while(1)

主循环每500ms执行一次温度读取和OLED刷新。使用HAL_GetTick()获取系统滴答定时器计数值，实现非阻塞式定时。读取温度后调用OLED_Clear()清屏，OLED_CenterPrintf()居中显示温度，最后OLED_Update()刷新显存到屏幕。

Core/Src/main.c — main() while(1)

while (1)
{
  if(HAL_GetTick() - Time_Now >= 500)             // 500ms更新一次
  {
    temp = DS18B20_Read_Temp_With_CRC();    // 读取温度(CRC校验)

    OLED_Clear();                                  // 清屏
    OLED_CenterPrintf(24, "温度:%.1f℃", temp/10.0); // 居中显示温度
    OLED_Update();                                // 更新OLED显示

    Time_Now = HAL_GetTick();                   // 更新时间戳
  }
}

DS18B20 温度传感器