原標題：基于STM32單片機對DS18B20溫度傳感器的驅動設計方案

　　基于STM32單片機對DS18B20溫度傳感器的驅動設計方案

　　在當今物聯網與智能控制系統飛速發展的時代，溫度數據采集作為環境感知的重要組成部分，其精度與穩定性直接影響到整個系統的性能。DS18B20作為一款經典的數字溫度傳感器，以其獨特的單總線（One-Wire）通信方式、寬廣的測量范圍、高精度以及優秀的環境適應性，在工業控制、消費電子、醫療設備、智能家居等諸多領域得到了廣泛應用。本設計方案將深入探討如何基于功能強大的STM32系列微控制器，實現對DS18B20溫度傳感器的穩定、高效驅動，涵蓋硬件選型、軟件設計、通信協議解析、數據處理以及常見問題解決方案等多個方面。

　　1. 系統概述與設計目標

　　本系統旨在構建一個基于STM32微控制器驅動DS18B20溫度傳感器的高精度溫度采集模塊。其核心目標包括：

　　高精度溫度采集： 利用DS18B20傳感器本身的高精度（可配置9-12位分辨率）確保測量結果的準確性。

　　穩定可靠的通信： 實現STM32與DS18B20之間基于單總線協議的穩定數據傳輸，抵抗干擾。

　　靈活的硬件接口： 設計合理的硬件連接方案，便于集成與擴展。

　　高效的軟件驅動： 編寫模塊化、可移植的軟件代碼，實現DS18B20的初始化、溫度讀取、配置等功能。

　　友好的數據輸出： 將采集到的溫度數據通過串口或其他接口輸出，便于上位機顯示或進一步處理。

　　低功耗設計（可選）： 考慮在特定應用場景下，如何通過軟件和硬件協同實現低功耗運行。

　　2. 核心元器件選型與功能分析

　　成功的嵌入式系統設計離不開對核心元器件的精確選擇與深刻理解。本章節將詳細闡述STM32微控制器與DS18B20溫度傳感器的選型依據、功能特性以及其在整個系統中的關鍵作用，并介紹其他必要的輔助元器件。

　　2.1 微控制器單元（MCU）：STM32系列

　　2.1.1 選型推薦

　　對于DS18B20的驅動，由于其單總線協議對時序的嚴格要求，以及未來可能的功能擴展（如LCD顯示、網絡通信等），推薦選用STM32F103C8T6或STM32F401RCT6。

　　STM32F103C8T6： 這是一款基于ARM Cortex-M3內核的微控制器，屬于STM32F1系列的主流產品。

　　CPU內核（Cortex-M3）： 提供強大的處理能力，可以高效執行DS18B20的單總線時序操作和數據解析算法。

　　GPIO（通用輸入輸出）： 用于與DS18B20的DQ線直接連接，并通過軟件控制其輸出高低電平，或配置為輸入模式讀取數據。F103C8T6的GPIO可以配置為推挽輸出、開漏輸出、浮空輸入、上拉/下拉輸入等多種模式，這對于單總線協議中DQ線的控制至關重要。

　　定時器（Timers）： DS18B20的單總線協議對時序有嚴格要求，例如復位脈沖的持續時間、數據位的采樣點等。STM32的定時器可以提供精確的微秒級延時，確保通信的準確性。

　　NVIC（嵌套向量中斷控制器）： 可以管理外部中斷，雖然DS18B20通常不需要中斷來驅動，但在多任務系統中，或需要對通信錯誤進行實時響應時，中斷功能會非常有用。

　　Flash存儲器和SRAM： 用于存儲程序代碼和運行時數據，包括DS18B20的驅動代碼、溫度數據、以及其他應用邏輯。

　　高性價比： F103系列是STM32家族中性價比較高的入門級芯片，非常適合學習和中小型項目開發。它的成本效益使其成為許多原型設計和量產應用的首選。

　　豐富的資源： 擁有72MHz的主頻，64KB的Flash存儲器和20KB的SRAM，以及多個通用GPIO、定時器、USART、SPI、I2C等外設。這些資源足以滿足DS18B20的時序要求，并為未來擴展其他傳感器、通信模塊（如藍牙、Wi-Fi）或顯示設備預留了足夠的硬件基礎。

　　成熟的生態系統： ST公司為STM32F1系列提供了非常完善的開發工具鏈（如Keil MDK, STM32CubeIDE）和豐富的例程、庫函數（如HAL庫、LL庫），社區支持廣泛，方便開發者快速上手和調試。

　　管腳兼容性： TSSOP48封裝，引腳數量適中，便于PCB設計和手工焊接。

　　選擇理由：

　　功能：

　　STM32F401RCT6： 這是一款基于ARM Cortex-M4內核的微控制器，屬于STM32F4系列的入門級產品。

　　FPU（浮點單元）： 大幅提升浮點運算速度，對于需要精確溫度計算和顯示的應用非常有利。

　　更高效的DMA（直接存儲器訪問）： 可以實現數據在內存和外設之間的高速傳輸，減輕CPU負擔，提高系統整體效率。雖然DS18B20的通信量不大，但DMA在多任務系統中依然能發揮作用。

　　更寬的工作溫度范圍和更高可靠性： 部分F4系列芯片設計用于更嚴苛的工業環境，這可能是一個額外優勢。

　　更高性能： F401系列擁有84MHz的主頻，配備浮點單元（FPU），使其在進行復雜數學運算（如溫度數據的浮點轉換、濾波算法等）時效率更高。如果未來的應用需要更復雜的信號處理或圖形顯示，F401會提供更好的性能儲備。

　　更大的存儲空間： 256KB的Flash和64KB的SRAM，為更大型的應用程序和數據存儲提供了充足的空間。

　　更多高級外設： 比如更多的定時器、DMA控制器、以及更快的ADC等。雖然DS18B20本身不直接使用ADC，但如果系統中還有其他模擬傳感器，這些高級外設會很有用。

　　適用于更復雜的系統： 如果考慮到未來項目可能擴展到更復雜的系統，例如需要運行RTOS（實時操作系統）、進行大量數據處理或與更高速外設通信，F401提供了更強的處理能力和更豐富的外設接口。

　　選擇理由：

　　功能： 除了F103的所有功能外，F401還具備：總結： 對于初學者和大多數基本溫度采集應用，STM32F103C8T6是更具性價比和易用性的選擇。如果項目對性能有更高要求，或者有未來擴展至更復雜系統的考慮，STM32F401RCT6將是更好的選擇。

　　2.2 溫度傳感器：DS18B20

　　2.2.1 選型推薦

　　DS18B20是Maxim Integrated公司（現已被Analog Devices收購）生產的一款單總線數字溫度傳感器。

　　選擇理由：

　　單總線接口： 這是DS18B20最顯著的特點，只需一根數據線（DQ）即可與微控制器進行通信，大大簡化了硬件連接。DQ線同時用于供電（寄生電源模式）和數據傳輸，減少了布線復雜性。

　　寬測量范圍： -55°C 至 +125°C，覆蓋了大多數日常及工業應用場景。

　　高精度： 在-10°C至+85°C范圍內，精度可達±0.5°C。用戶可配置9位、10位、11位或12位的測量分辨率，對應的轉換時間分別為93.75ms、187.5ms、375ms、750ms，精度越高，轉換時間越長。

　　數字輸出： 直接輸出數字溫度值，避免了傳統模擬溫度傳感器（如熱敏電阻、PT100）需要進行AD轉換的環節，簡化了硬件設計，提高了抗干擾能力，且無需校準。

　　獨特ID： 每個DS18B20都有一個獨一無二的64位ROM序列碼，允許多個DS18B20并聯在同一根單總線上，并通過ROM匹配指令進行尋址，實現多點溫度測量。

　　寄生電源模式： 在某些應用中，可以通過數據線（DQ）直接供電，無需額外電源線，進一步簡化了布線。但通常建議使用外部電源供電，以保證通信的穩定性和轉換的準確性，尤其是在長距離傳輸或多點測量時。

　　封裝多樣性： 提供TO-92、SOP8、防水探頭（如不銹鋼封裝）等多種封裝形式，滿足不同應用環境的需求。TO-92封裝適合板載或短距離測溫，防水探頭則適合液體或潮濕環境。

　　功能：

　　溫度測量： 將測得的溫度值轉換為數字信號，存儲在其內部的2字節溫度寄存器中。

　　用戶可編程分辨率： 用戶可以通過寫入配置寄存器來設置溫度轉換的分辨率。

　　報警功能： 具有可編程的高低溫度報警觸發點（TH和TL寄存器），當測得的溫度超出設定范圍時，DS18B20會設置一個報警標志，并通過報警搜索命令被識別出來。

　　暫存器（Scratchpad）： 包含溫度寄存器、高/低報警觸發寄存器（TH/TL）、配置寄存器等。

　　EEPROM： 用于存儲配置數據（TH/TL和分辨率設置），即使斷電也能保存。

　　64位ROM序列碼： 唯一的硬件地址，用于區分總線上的多個DS18B20。2.3 輔助元器件

　　2.3.1 上拉電阻

　　選型推薦： 4.7kΩ ~ 10kΩ 精密電阻。 通常選擇4.7kΩ。

　　作用： DS18B20的單總線協議是一個開漏（Open-Drain）總線結構。這意味著DS18B20或微控制器只能將DQ線拉低（輸出邏輯0），而不能主動拉高（輸出邏輯1）。當DQ線空閑時，或者需要傳輸邏輯1時，必須依靠外部的上拉電阻將總線拉高到VCC電平。

　　選擇理由：

　　協議要求： DS18B20數據手冊明確指出需要一個上拉電阻。

　　保證邏輯高電平： 沒有上拉電阻，DQ線將無法達到VCC電平，導致通信錯誤。

　　平衡上升/下降時間： 電阻值過大會導致上升時間過長，影響通信速度和可靠性；電阻值過小會增加功耗，并可能對DS18B20的開漏輸出電流能力造成過大負擔。4.7kΩ是經過驗證的典型值，能在確保可靠通信的同時保持較低功耗。對于長距離傳輸或多點連接，可能需要適當減小電阻值或增加有源上拉電路。

　　功能：

　　當總線空閑時，通過電阻將DQ線拉高至邏輯高電平。

　　當DS18B20或STM32釋放總線（停止拉低）時，迅速將DQ線拉高。

　　為DS18B20提供寄生電源模式下的充電電流。2.3.2 濾波電容

　　選型推薦： 100nF（0.1μF）陶瓷電容，并聯在DS18B20的VCC和GND之間。對于更長的引線或噪聲較大的環境，可以在電源入口增加一個10μF或47μF的電解電容。

　　作用： 濾波電容用于濾除電源線上的高頻噪聲，提供穩定的電源，以及在DS18B20進行內部操作（如溫度轉換）時提供瞬時電流。

　　選擇理由：

　　去耦： 微控制器和傳感器在工作時會產生瞬態電流需求，導致電源線上的電壓波動。100nF陶瓷電容具有低ESR（等效串聯電阻）和良好的高頻特性，能有效地進行高頻去耦，保證VCC的穩定性。

　　抗干擾： 減少外部電磁干擾（EMI）對DS18B20電源的沖擊，提高測量的準確性和通信的穩定性。

　　寄生電源模式下的儲能： 在寄生電源模式下，DS18B20在溫度轉換期間會消耗較大的電流。這個電容可以作為能量儲存器，在DQ線被拉低時，為DS18B20提供所需的瞬時能量。

　　功能：

　　旁路高頻噪聲。

　　提供穩定的電源，確保DS18B20內部電路的正常工作。

　　在電流高峰時為DS18B20提供瞬時能量，防止電源跌落。2.3.3 排針/排母

　　選型推薦： 2.54mm間距的直插或彎角排針/排母。

　　作用： 提供便捷的硬件連接接口，便于DS18B20模塊與STM32開發板之間的插拔連接，也方便進行調試和測試。

　　選擇理由：

　　標準化： 2.54mm（0.1英寸）是電子元器件的常用間距，兼容性好。

　　易于連接： 方便使用杜邦線進行連接，或者直接插在面包板、洞洞板上進行原型開發。

　　靈活性： 方便更換DS18B20傳感器或將模塊集成到更大的系統中。

　　功能：

　　提供機械連接和電氣連接。

　　方便調試和維護。

　　3. 硬件連接方案

　　DS18B20與STM32的硬件連接相對簡單，主要涉及供電、地線和數據線（DQ）。

　　3.1 基本連接

　　VCC (電源): 連接到STM32開發板的3.3V或5V電源（DS18B20支持3.0V至5.5V供電）。為確保穩定，通常建議連接到5V，因為DS18B20手冊規定在溫度轉換時需要較大的瞬間電流，5V電源可以提供更穩定的供電能力。

　　GND (地線): 連接到STM32開發板的GND。

　　DQ (數據線): 連接到STM32的任意一個通用GPIO口。例如，可以連接到PA1。

　　上拉電阻： 一個4.7kΩ的上拉電阻（Rpu）必須連接在DQ線和VCC之間。這是單總線協議的強制要求。

　　濾波電容： 一個100nF（0.1μF）的陶瓷電容并聯在DS18B20的VCC和GND引腳之間，盡可能靠近DS18B20，用于電源去耦。3.2 連接示意圖

　　+-----------------+           |     STM32       |           |                 |  DS18B20  |                 |  (TO-92/SOP8)  |                 |  -----------  |                 | |           | |                 | |    VCC----|------VCC (3.3V/5V) |           | |                 | |    GND----|------GND |           | |                 | |    DQ-----|------PA1 (GPIO) |           | |                 |  -----------  |                 |           |                 |           +-----------------+                  |                  | Rpu (4.7kΩ)                  |                 --- VCC                 ---                  |                 --- 100nF                 --- 電容                  |                 GND

　　說明：

　　圖中DS18B20的VCC引腳接STM32的電源，GND接STM32的地。

　　DS18B20的DQ引腳通過一個4.7kΩ上拉電阻接到VCC，然后直接連接到STM32的某個GPIO引腳（例如PA1）。

　　100nF的濾波電容并聯在DS18B20的VCC和GND引腳之間。3.3 多點連接

　　DS18B20的單總線特性允許在同一根DQ線上連接多個傳感器。此時，每個DS18B20仍然需要自己的上拉電阻和濾波電容（雖然通常情況下，一個總線上的多個DS18B20可以共用一個主上拉電阻，但為每個傳感器提供局部濾波電容仍然是好的實踐）。STM32通過發送ROM指令（如跳過ROM、匹配ROM、搜索ROM）來與特定的DS18B20通信。

　　4. 單總線（One-Wire）通信協議解析

　　DS18B20的驅動核心在于理解并精確實現其單總線通信協議。該協議定義了一系列嚴格的時序要求，包括初始化、ROM指令和功能指令。所有通信都以最低有效位（LSB）優先傳輸。

　　4.1 單總線時序基礎

　　單總線協議是主從協議，STM32作為主設備，DS18B20作為從設備。所有通信都由主設備發起。

　　4.1.1 協議信號概述

　　復位（Reset）和存在（Presence）脈沖： 這是每次通信開始的第一個時序。

　　主設備將DQ線拉低至少480微秒（us），然后釋放（上拉電阻將其拉高）。

　　DS18B20檢測到總線被拉低后，會等待15-60us，然后將DQ線拉低60-240us作為存在脈沖，表示其已準備好通信。

　　主設備在DS18B20釋放總線后（即DQ線再次被上拉電阻拉高）15-60us內讀取DQ線的狀態。如果檢測到低電平，則表示存在DS18B20。

　　寫入時隙（Write Time Slot）： 主設備向從設備發送數據。每個寫入時隙至少需要60us，并在120us內完成。

　　寫入邏輯1： 主設備將DQ線拉低1-15us，然后釋放總線（拉高）。

　　寫入邏輯0： 主設備將DQ線拉低60-120us，然后釋放總線（拉高）。

　　在每次寫入時隙結束后，總線必須保持空閑至少1us。

　　讀取時隙（Read Time Slot）： 主設備從從設備讀取數據。每個讀取時隙至少需要60us，并在120us內完成。

　　主設備將DQ線拉低1-15us，然后立即釋放總線（拉高）。

　　主設備在拉低總線后15us內采樣DQ線的狀態。如果從設備要發送0，則DQ線將保持低電平；如果發送1，則DQ線將保持高電平。

　　在每次讀取時隙結束后，總線必須保持空閑至少1us。4.2 ROM指令

　　ROM指令用于選擇或識別總線上的DS18B20設備。

　　0x33 - READ ROM： (讀取ROM碼) 主機發出此命令后，DS18B20將自己的64位ROM碼傳輸給主機。此命令只適用于總線上只有一個DS18B20的情況。

　　0xCC - SKIP ROM： (跳過ROM碼) 主機發出此命令后，DS18B20直接執行后續的功能命令，不再等待ROM碼匹配。適用于總線上只有一個DS18B20，或者你確定要與所有DS18B20通信。

　　0x55 - MATCH ROM： (匹配ROM碼) 主機發出此命令后，需要接著發送一個64位的ROM碼。總線上只有與該ROM碼匹配的DS18B20才會響應后續的功能命令。用于多點測溫時精確選擇目標DS18B20。

　　0xF0 - SEARCH ROM： (搜索ROM碼) 用于在多點測溫系統中查找所有DS18B20的64位ROM碼。這是一個復雜的過程，通常通過專門的算法實現。4.3 功能指令

　　功能指令用于控制DS18B20進行溫度轉換、讀寫暫存器等操作。在發送功能指令前，必須先發送ROM指令（通常是SKIP ROM或MATCH ROM）。

　　0x44 - CONVERT T： (啟動溫度轉換) DS18B20開始進行溫度轉換。轉換過程需要一定時間（取決于分辨率設置，最長750ms）。在轉換期間，DQ線會保持低電平，轉換完成后會拉高。

　　0xBE - READ SCRATCHPAD： (讀取暫存器) 主機發出此命令后，DS18B20將其內部9字節的暫存器內容傳輸給主機。暫存器內容包括：

　　字節0和字節1：溫度數據（LSB和MSB）。

　　字節2和字節3：TH（高溫報警閾值）和TL（低溫報警閾值）。

　　字節4：配置寄存器（分辨率設置）。

　　字節5、字節6、字節7：保留。

　　字節8：CRC校驗碼（對前8個字節的CRC校驗）。

　　0x4E - WRITE SCRATCHPAD： (寫入暫存器) 主機發出此命令后，需要接著發送TH、TL和配置寄存器三個字節的數據。

　　0x48 - COPY SCRATCHPAD： (復制暫存器) 將暫存器中的TH、TL和配置寄存器數據復制到EEPROM中，斷電后仍然保存。

　　0xB8 - RECALL E2： (召回EEPROM數據) 將EEPROM中存儲的TH、TL和配置寄存器數據召回到暫存器中。通常在DS18B20上電后自動執行，但也可以手動觸發。

　　0xEC - READ POWER SUPPLY： (讀取電源供電模式) DS18B20會返回其當前的供電模式（外部供電或寄生供電）。4.4 溫度數據解析

　　DS18B20輸出的溫度數據是2字節（16位）補碼形式。其中，低字節包含溫度的低8位，高字節包含溫度的高8位。

　　數據格式：

　　S Sign (符號位，1為負，0為正)

　　MSB (最高有效位)

　　LSB (最低有效位)例如，當分辨率為12位時，數據格式如下：

　　Bit 15Bit 14Bit 13Bit 12Bit 11Bit 10Bit 9Bit 8Bit 7Bit 6Bit 5Bit 4Bit 3Bit 2Bit 1Bit 0

　　SSSSSSSST7T6T5T4T3T2T1T0

　　導出到 Google 表格

　　其中，Bit 0 到 Bit 7 是溫度的低8位，Bit 8 到 Bit 10 是溫度的高3位（12位分辨率），Bit 11 到 Bit 15 是符號位。

　　轉換為攝氏度：讀取到16位數據后，需要進行符號擴展和除以對應的權重。

　　對于正溫度：直接將16位數據乘以對應分辨率的權重。

　　12位分辨率：1/16=0.0625 (circtextC/count)

　　11位分辨率：1/8=0.125 (circtextC/count)

　　10位分辨率：1/4=0.25 (circtextC/count)

　　9位分辨率：1/2=0.5 (circtextC/count)

　　對于負溫度：先取反加1（補碼轉換），然后乘以權重，結果為負值。示例（12位分辨率）：假設讀取到數據為0x0191 (二進制 0000 0001 1001 0001) 這是正數，直接換算：0x0191=401 (十進制) 溫度 = 401times0.0625=25.0625 (circtextC)

　　假設讀取到數據為0xFE6F (二進制 1111 1110 0110 1111) 這是一個負數（最高位為1）。 取反：0000 0001 1001 0000加1：0000 0001 1001 0001 (十進制 401) 溫度 = ?401times0.0625=?25.0625 (circtextC)

　　5. 軟件驅動設計與實現

　　軟件驅動是實現DS18B20功能的關鍵。本節將詳細介紹基于STM32HAL庫的軟件驅動設計，包括GPIO配置、延時函數、單總線基本操作（復位、讀寫位/字節）以及DS18B20高級功能實現。

　　5.1 開發環境與庫選擇

　　開發環境： Keil MDK-ARM或STM32CubeIDE。推薦使用STM32CubeIDE，它集成了STM32CubeMX，方便進行圖形化配置。

　　庫選擇： STM32HAL庫。 HAL庫是ST官方推薦的高級抽象層庫，提供了簡單易用的API，可以快速開發。雖然LL庫（Low-Layer）能提供更精細的控制和更高的效率，但對于DS18B20這種對時序精度要求高，但數據量不大的應用，HAL庫的性能也足夠。5.2 GPIO配置

　　DS18B20的DQ線是雙向的，既可以作為輸出（主設備拉低DQ線），也可以作為輸入（主設備讀取DQ線）。因此，STM32的GPIO需要頻繁地在輸出和輸入模式之間切換。

　　C

　　// 定義DS18B20連接的GPIO端口和引腳#define DS18B20_PORT    GPIOA#define DS18B20_PIN     GPIO_PIN_1// 設置DQ線為輸出模式 (推挽輸出)void DS18B20_SetPinOutput(void){    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};    GPIO_InitStruct.Pin = DS18B20_PIN;    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 推挽輸出    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;          // 無上拉/下拉，依靠外部4.7kΩ上拉電阻    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 高速模式    HAL_GPIO_Init(DS18B20_PORT, &GPIO_InitStruct);}// 設置DQ線為輸入模式 (浮空輸入)void DS18B20_SetPinInput(void){    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};    GPIO_InitStruct.Pin = DS18B20_PIN;    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;     // 浮空輸入    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;          // 無上拉/下拉，外部已有上拉    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 高速模式    HAL_GPIO_Init(DS18B20_PORT, &GPIO_InitStruct);}// 拉低DQ線#define DS18B20_DQ_LOW()    HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_RESET)// 拉高DQ線 (實際上是釋放，依靠上拉電阻拉高)#define DS18B20_DQ_HIGH()   HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_SET)// 讀取DQ線狀態#define DS18B20_DQ_READ()   HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN)

　　GPIO模式選擇的說明：

　　輸出模式： 必須配置為推挽輸出（GPIO_MODE_OUTPUT_PP）。雖然DS18B20是開漏設備，但STM32的GPIO在推挽模式下既可以輸出高電平也可以輸出低電平。當需要拉低總線時，輸出低電平；當需要釋放總線時，輸出高電平，但實際上DQ線是通過外部上拉電阻拉高的，所以即使STM32的輸出高電平能力與DS18B20的開漏特性不完全匹配，只要我們配合外部上拉電阻，并確保在需要DS18B20響應時STM32釋放DQ線（即配置為輸入或輸出高電平），就能正常工作。

　　輸入模式： 必須配置為浮空輸入（GPIO_MODE_INPUT）。這是因為DQ線需要由DS18B20或外部上拉電阻來控制高低電平，STM32只需被動讀取其狀態。如果配置為上拉/下拉輸入，可能會干擾總線上的電平。

　　速度： 配置為高速（GPIO_SPEED_FREQ_HIGH），以確保GPIO電平切換足夠快，滿足DS18B20的嚴格時序要求。5.3 精確延時函數

　　DS18B20通信對延時精度要求很高，HAL庫的HAL_Delay()函數基于系統時鐘節拍（毫秒級），不適合微秒級延時。需要編寫一個基于CPU空轉或DWT（Data Watchpoint and Trace Unit）的微秒級延時函數。

　　方法一：基于DWT_CYCCNT寄存器的微秒延時（推薦，精度高）

　　DWT_CYCCNT是ARM Cortex-M內核自帶的一個32位周期計數器，每過一個CPU時鐘周期就會加1，因此可以實現非常精確的微秒甚至納秒級延時。

　　C

　　// 在core_cmInstr.h中定義了DWT相關寄存器// 需要在主函數或初始化函數中啟用DWT// DWT_Delay_Init() 函數void DWT_Delay_Init(void){    CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk; // 使能DWT    DWT->LAR = 0xC5ACCE55;                          // 解鎖DWT    DWT->CYCCNT = 0;                                // 清零計數器    DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;            // 使能計數器}// 微秒延時函數void DWT_Delay_us(uint32_t us){    uint32_t start_tick = DWT->CYCCNT;    uint32_t delay_ticks = us * (SystemCoreClock / 1000000); // 1us對應的時鐘周期數    while ((DWT->CYCCNT - start_tick) < delay_ticks);}

　　注意： SystemCoreClock 變量通常由STM32CubeMX生成，表示CPU主頻。使用DWT延時需要在CubeMX中配置調試接口為Trace模式。

　　方法二：基于__nop()的軟件延時（精度較差，不推薦用于精確時序）

　　這種方法通過執行空指令來消耗CPU周期，但精度受編譯器優化、CPU緩存、中斷等因素影響。

　　C

　　// 偽代碼，實際延時需要根據CPU主頻和指令周期數進行調整// 不推薦用于DS18B20這類需要精確時序的場景void delay_us(uint32_t us){    for (volatile uint32_t i = 0; i < us * (SystemCoreClock / 1000000 / NOP_PER_US); i++)    {        __nop(); // 執行空操作    }}

　　5.4 單總線基本操作實現

　　基于前面定義的GPIO操作和延時函數，可以實現單總線協議中的復位、寫位和讀位。

　　5.4.1 單總線初始化（復位與存在脈沖）

　　C

　　// DS18B20復位函數，返回1表示復位成功，0表示DS18B20不存在uint8_t DS18B20_Reset(void){    uint8_t presence = 0;    DS18B20_SetPinOutput(); // 設置為輸出模式    DS18B20_DQ_LOW();       // 拉低DQ線    DWT_Delay_us(480);      // 保持低電平至少480us (復位脈沖)    DS18B20_DQ_HIGH();      // 釋放DQ線 (上拉電阻拉高)    DWT_Delay_us(70);       // 等待DS18B20響應 (15-60us等待，這里取70us確保DS18B20開始響應)    DS18B20_SetPinInput();  // 設置為輸入模式，讀取存在脈沖    if (DS18B20_DQ_READ() == GPIO_PIN_RESET) // 檢測到低電平，表示DS18B20存在    {        presence = 1;    }    DWT_Delay_us(410);      // 等待存在脈沖結束 (DS18B20將DQ拉低60-240us，然后釋放，這里等待410us確保其完全釋放)    return presence;}

　　5.4.2 寫入一個位（Write Bit）

　　C

　　// DS18B20寫入一個位void DS18B20_WriteBit(uint8_t bit){    DS18B20_SetPinOutput(); // 設置為輸出模式    if (bit == 1) // 寫入邏輯1    {        DS18B20_DQ_LOW();   // 拉低DQ線        DWT_Delay_us(5);    // 保持低電平1-15us (這里取5us)        DS18B20_DQ_HIGH();  // 釋放DQ線        DWT_Delay_us(65);   // 等待時隙結束 (至少60us，這里取65us)    }    else // 寫入邏輯0    {        DS18B20_DQ_LOW();   // 拉低DQ線        DWT_Delay_us(65);   // 保持低電平60-120us (這里取65us)        DS18B20_DQ_HIGH();  // 釋放DQ線        DWT_Delay_us(5);    // 等待時隙結束 (確保總線空閑)    }}

　　5.4.3 讀取一個位（Read Bit）

　　C

　　// DS18B20讀取一個位，返回0或1uint8_t DS18B20_ReadBit(void){    uint8_t bit = 0;    DS18B20_SetPinOutput(); // 設置為輸出模式    DS18B20_DQ_LOW();       // 拉低DQ線    DWT_Delay_us(5);        // 保持低電平1-15us (這里取5us)    DS18B20_DQ_HIGH();      // 釋放DQ線 (準備采樣)    DS18B20_SetPinInput();  // 設置為輸入模式，讀取DQ線    DWT_Delay_us(10);       // 等待15us采樣窗口的中間點 (5us拉低 + 10us等待 = 15us)    if (DS18B20_DQ_READ() == GPIO_PIN_SET) // 采樣DQ線    {        bit = 1;    }    DWT_Delay_us(50);       // 等待讀取時隙結束 (總共60us，已經用了15us，再等50us)    return bit;}

　　5.4.4 寫入一個字節（Write Byte）

　　C

　　// DS18B20寫入一個字節void DS18B20_WriteByte(uint8_t data){    for (int i = 0; i < 8; i++)    {        DS18B20_WriteBit(data & 0x01); // 從最低位開始寫入        data >>= 1;    }}

　　5.4.5 讀取一個字節（Read Byte）

　　C

　　// DS18B20讀取一個字節uint8_t DS18B20_ReadByte(void){    uint8_t data = 0;    for (int i = 0; i < 8; i++)    {        data >>= 1; // 每次讀取一位，數據左移，低位進來        if (DS18B20_ReadBit())        {            data |= 0x80; // 將讀取到的位放到最高位（因為每次右移，最高位會被擠掉，所以需要反向操作）        }    }    return data;}

　　修正： DS18B20_ReadByte 的邏輯，由于DS18B20通信是LSB優先，讀取時應該從最低位開始組裝字節。

　　C

　　// DS18B20讀取一個字節 (LSB優先)uint8_t DS18B20_ReadByte(void){    uint8_t data = 0;    for (int i = 0; i < 8; i++)    {        // 每次讀取一位，然后將該位放到字節的正確位置        if (DS18B20_ReadBit())        {            data |= (0x01 << i); // 將讀取到的位放到對應位置        }    }    return data;}

　　5.5 DS18B20高級功能實現

　　結合上述基本操作，可以實現DS18B20的溫度讀取等功能。

　　5.5.1 獲取溫度函數

　　C

　　// 讀取DS18B20溫度函數float DS18B20_GetTemp(void){    uint8_t temp_H, temp_L;    int16_t raw_temp;    float temp_C;    if (DS18B20_Reset() == 0) // 復位失敗，DS18B20可能不存在或通信異常    {        return -200.0; // 返回一個特殊值表示錯誤    }    DS18B20_WriteByte(0xCC); // 跳過ROM命令 (適用于單DS18B20)    DS18B20_WriteByte(0x44); // 啟動溫度轉換    // 等待溫度轉換完成    // 可以通過讀取DQ線，等待其變為高電平（非寄生供電模式）    // 或者直接延時750ms（12位分辨率最長轉換時間）    // 推薦使用DWT_Delay_us(750000); 等待    // 更穩妥的方式是輪詢DQ線，直到它變為高電平    while(DS18B20_ReadBit() == 0) // 等待DQ線變為高電平 (轉換完成)    {        // 可以加入超時機制防止死循環        // HAL_Delay(1); // 每次等待1ms        // count++;        // if(count > 1000) break; // 超時    }        // 或者直接使用固定延時（簡單但可能不準確）    DWT_Delay_us(750000); // 12位分辨率最長轉換時間    if (DS18B20_Reset() == 0) // 再次復位，準備讀取數據    {        return -200.0;    }    DS18B20_WriteByte(0xCC); // 跳過ROM命令    DS18B20_WriteByte(0xBE); // 讀取暫存器命令    temp_L = DS18B20_ReadByte(); // 讀取溫度低字節    temp_H = DS18B20_ReadByte(); // 讀取溫度高字節    // 組合成16位原始溫度值    raw_temp = (temp_H << 8) | temp_L;    // 轉換為攝氏度（假設12位分辨率）    temp_C = (float)raw_temp * 0.0625f; // 12位分辨率，每位0.0625℃    // 這里可以進一步讀取CRC校驗字節，進行數據校驗，提高可靠性    // uint8_t crc = DS18B20_ReadByte();    return temp_C;}

　　5.5.2 設置DS18B20分辨率（可選）

　　DS18B20允許設置9-12位的分辨率。

　　C

　　// 設置DS18B20分辨率函數// resolution: 9, 10, 11, 12uint8_t DS18B20_SetResolution(uint8_t resolution){    uint8_t config_reg = 0; // 配置寄存器值    if (DS18B20_Reset() == 0)    {        return 0; // 失敗    }    // 讀取當前暫存器內容，保留TH和TL，只修改配置寄存器    DS18B20_WriteByte(0xCC); // SKIP ROM    DS18B20_WriteByte(0xBE); // READ SCRATCHPAD    // 丟棄前兩個字節的溫度數據 (這里我們不讀取，因為我們只關心配置寄存器)    DS18B20_ReadByte(); // temp_L    DS18B20_ReadByte(); // temp_H    uint8_t TH = DS18B20_ReadByte(); // TH    uint8_t TL = DS18B20_ReadByte(); // TL    config_reg = DS18B20_ReadByte(); // 配置寄存器    // 根據分辨率設置配置寄存器    switch (resolution)    {        case 9:            config_reg &= 0x7F; // R1=0, R0=0 -> 9位            break;        case 10:            config_reg &= 0x9F; // R1=0, R0=1 -> 10位            config_reg |= 0x20;            break;        case 11:            config_reg &= 0xBF; // R1=1, R0=0 -> 11位            config_reg |= 0x40;            break;        case 12:            config_reg |= 0x60; // R1=1, R0=1 -> 12位            break;        default:            return 0; // 無效分辨率    }    if (DS18B20_Reset() == 0)    {        return 0; // 失敗    }    DS18B20_WriteByte(0xCC); // SKIP ROM    DS18B20_WriteByte(0x4E); // WRITE SCRATCHPAD    DS18B20_WriteByte(TH);          // 寫入TH    DS18B20_WriteByte(TL);          // 寫入TL    DS18B20_WriteByte(config_reg);  // 寫入配置寄存器    if (DS18B20_Reset() == 0) // 復位，準備復制到EEPROM    {        return 0; // 失敗    }    DS18B20_WriteByte(0xCC); // SKIP ROM    DS18B20_WriteByte(0x48); // COPY SCRATCHPAD (保存到EEPROM)    HAL_Delay(10); // 等待復制完成，大約10ms    return 1; // 成功}

　　5.6 CRC校驗（提高數據可靠性）

　　DS18B20的暫存器讀取包含一個8位的CRC校驗碼。在讀取數據后計算CRC并與讀取到的CRC校驗碼進行比對，可以有效檢測通信過程中是否發生錯誤，提高數據可靠性。

　　實現CRC校驗需要一個CRC8算法。DS18B20使用的是Dallas Semiconductor的CRC8算法。

　　5.7 多點DS18B20驅動（ROM搜索）

　　如果需要連接多個DS18B20，則需要實現ROM搜索算法。ROM搜索是一個迭代過程，通過發送0xF0 SEARCH ROM指令，DS18B20會返回其ROM碼中的沖突位，主機根據沖突位來遍歷所有可能的ROM碼，最終找到總線上所有DS18B20的唯一ID。這個算法相對復雜，需要維護一個搜索狀態變量和ROM地址數組。

　　大致步驟：

　　發送復位和存在脈沖。

　　發送SEARCH ROM (0xF0) 命令。

　　循環8次（每個字節）或64次（每個位）： a.  讀取兩位（DS18B20返回的“0”和“1”的沖突信息）。 b.  根據沖突信息和上一次搜索路徑，決定發送“0”或“1”以解決沖突。 c.  記錄當前路徑的ROM碼。

　　重復直到所有ROM碼被發現。由于篇幅限制，這里不提供完整的ROM搜索算法代碼，但這是實現多點DS18B20測量的基礎。

　　6. 軟件流程圖與主程序設計

　　一個典型的DS18B20溫度采集主程序流程如下：

　　6.1 主程序流程圖

　　代碼段

graph TD    A[系統初始化：時鐘、GPIO、DWT等] --> B{DS18B20復位成功?}    B -- 否 --> C[報錯：傳感器不存在或通信異常]    B -- 是 --> D[發送SKIP ROM命令 (0xCC)]    D --> E[發送CONVERT T命令 (0x44)]    E --> F[等待溫度轉換完成 (約750ms或輪詢DQ線)]    F --> G{DS18B20再次復位成功?}    G -- 否 --> C    G -- 是 --> H[發送SKIP ROM命令 (0xCC)]    H --> I[發送READ SCRATCHPAD命令 (0xBE)]    I --> J[讀取9字節暫存器數據 (包括溫度高低字節和CRC)]    J --> K[進行CRC校驗]    K -- 校驗失敗 --> C    K -- 校驗成功 --> L[解析溫度數據]    L --> M[將溫度數據通過串口/LCD等方式顯示/發送]    M --> N[延時一段時間 (例如1秒) ]    N --> D

　　6.2 主程序代碼骨架

#include "main.h"

#include "stm32f1xx_hal.h" // 根據實際MCU系列選擇

#include "ds18b20.h"       // 包含DS18B20驅動頭文件

#include <stdio.h>         // 用于printf輸出

// 定義串口句柄，用于調試輸出

extern UART_HandleTypeDef huart1; // 假設使用UART1

void SystemClock_Config(void); // 系統時鐘配置函數

static void MX_GPIO_Init(void); // GPIO初始化函數

static void MX_USART1_UART_Init(void); // 串口初始化函數

int main(void)

{

    HAL_Init();

    SystemClock_Config();

    MX_GPIO_Init();

    MX_USART1_UART_Init();

    DWT_Delay_Init(); // 初始化DWT用于微秒延時

    float temperature = 0.0f;

    char temp_str[30];

    // 可選：設置DS18B20分辨率為12位

    // DS18B20_SetResolution(12); // 如果需要設置，請在循環外執行一次

    while (1)

    {

        temperature = DS18B20_GetTemp_WithCRC(); // 獲取溫度 (帶CRC校驗)

        if (temperature > -100.0f) // 假設-200.0或-201.0是錯誤碼

        {

            sprintf(temp_str, "Temperature: %.2f C ", temperature);

        }

        else if (temperature == -200.0f)

        {

            sprintf(temp_str, "DS18B20 Not Found or Reset Failed! ");

        }

        else if (temperature == -201.0f)

        {

            sprintf(temp_str, "DS18B20 CRC Error! Data Corrupted! ");

        }

        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)temp_str, strlen(temp_str), 100);

        HAL_Delay(1000); // 1秒更新一次

    }

}

// 示例：SystemClock_Config, MX_GPIO_Init, MX_USART1_UART_Init 由STM32CubeMX生成

// 

　　7. 調試與注意事項

　　在DS18B20驅動設計與實現過程中，可能會遇到一些問題。理解并解決這些問題是確保系統穩定運行的關鍵。

　　7.1 常見問題與解決方案

　　DS18B20復位失敗（無存在脈沖）：

　　檢查硬件連接： 確保VCC、GND、DQ線連接正確，特別是4.7kΩ上拉電阻是否正確連接且阻值合適。

　　檢查供電： 確保DS18B20供電電壓在3.0V-5.5V之間，且供電穩定。嘗試使用獨立供電而不是寄生電源模式。

　　檢查GPIO配置： 確保STM32的GPIO設置為正確的輸出/輸入模式，并且在釋放總線時能正確變為輸入或高電平輸出。

　　檢查延時函數： DS18B20時序對延時精度要求很高。確保微秒延時函數（DWT_Delay_us）工作正常且準確。示波器是調試時序的利器。

　　DS18B20損壞： 少數情況下傳感器本身可能損壞。嘗試更換一個DS18B20。讀取溫度數據異常（始終為85℃或0℃）：

　　檢查READ SCRATCHPAD (0xBE) 命令是否正確發送。

　　檢查DS18B20_ReadByte()函數，確保數據位能正確地被STM32讀取。使用示波器觀察DQ線的數據波形。

　　檢查溫度數據解析算法，特別是負數的補碼轉換和浮點數轉換。檢查CONVERT T (0x44) 命令是否正確發送。

　　確保在發送完CONVERT T命令后有足夠的等待時間（12位分辨率需要750ms）讓DS18B20完成轉換。85℃： DS18B20在上電或復位后的默認溫度值是85℃。如果一直讀到這個值，說明溫度轉換沒有成功啟動或者數據讀取有問題。

　　0℃： 可能是在讀取數據時，接收到的都是0，或者數據解析錯誤。多點測溫時無法識別所有傳感器：

　　ROM搜索算法問題： ROM搜索算法比較復雜，任何一個細節錯誤都可能導致部分或全部傳感器無法被發現。仔細對照DS18B20數據手冊中的SEARCH ROM流程。

　　總線負載過大： 當連接的DS18B20數量過多或DQ線過長時，總線的容性負載會增加，導致信號上升沿變慢。此時可能需要減小上拉電阻的阻值（例如2.2kΩ），或者增加有源上拉電路（如使用一個MOSFET）。CRC校驗失敗：

　　通信不穩定： 檢查電源穩定性，確保沒有大的噪聲干擾。

　　時序問題： 再次檢查所有時序延時是否嚴格符合DS18B20數據手冊要求。任何微小的時序偏差都可能導致數據傳輸錯誤。

　　CRC算法實現錯誤： 仔細核對CRC8算法是否嚴格按照Dallas Semiconductor的規范實現。7.2 調試工具

　　示波器： 這是調試單總線通信必不可少的工具。通過示波器可以直觀地觀察DQ線的波形，判斷復位脈沖、存在脈沖、寫入時隙和讀取時隙的時序是否符合要求，以及數據位的電平是否正確。特別注意信號的上升沿和下降沿。

　　邏輯分析儀： 如果沒有示波器，或者需要同時觀察多路信號，邏輯分析儀也是一個很好的選擇。它可以捕捉數字信號，并解析出協議內容，方便分析通信數據。

　　串口調試助手： 用于接收STM32發送的溫度數據和調試信息，驗證程序邏輯是否正確。

　　STM32在線調試器（ST-Link/J-Link）： 用于程序的燒錄、單步調試、變量觀察，是定位軟件邏輯錯誤的必備工具。7.3 功耗優化（可選）

　　在某些對功耗有嚴格要求的應用中，可以考慮以下優化：

　　降低DS18B20的采樣頻率： DS18B20在進行溫度轉換時功耗最高。減少溫度讀取的頻率可以顯著降低系統平均功耗。

　　STM32進入低功耗模式： 在等待DS18B20轉換完成的長時間延時期間，可以將STM32進入停止模式（Stop Mode）或待機模式（Standby Mode），然后通過定時器或外部中斷喚醒。

　　控制DS18B20的供電： 在極端低功耗場景下，可以通過一個GPIO控制MOSFET來切換DS18B20的VCC供電，只在需要測量時上電。

　　8. 總結與展望

　　本設計方案詳細闡述了基于STM32微控制器驅動DS18B20溫度傳感器的全過程，從核心元器件選型、硬件連接、單總線通信協議解析到軟件驅動的詳細實現，并提供了關鍵代碼片段。通過精確的GPIO控制、嚴格的時序延時以及完善的CRC校驗，可以構建一個穩定、高精度的溫度采集系統。

　　DS18B20因其獨特的單總線特性和優秀的性能，在眾多應用中仍占有一席之地。未來，在此基礎上可以進一步擴展，例如：

　　多點溫度網絡： 實現復雜的ROM搜索算法，構建多達上百個DS18B20的溫度傳感器網絡。

　　數據存儲與顯示： 將溫度數據存儲到EEPROM或SD卡中，并通過LCD、OLED顯示屏進行實時顯示。

　　無線傳輸： 集成Wi-Fi（ESP8266/ESP32）、藍牙或LoRa模塊，將溫度數據上傳至云平臺或遠程監控。

　　溫度控制： 根據采集到的溫度數據，通過PID算法或其他控制策略，控制風扇、加熱器等執行機構，實現智能溫度控制。

　　更高級的軟件架構： 引入實時操作系統（RTOS），將DS18B20驅動封裝為獨立的任務，提高系統的并發性和可維護性。掌握DS18B20的驅動不僅是溫度采集的基礎，更是深入理解單總線通信協議和嵌入式系統時序控制的絕佳實踐。希望本設計方案能為您的開發工作提供全面而有價值的參考。