第三十一章 DS18B20实验
本章，我们将介绍ESP32-P4如何读取外部温度传感器的温度，来得到较为准确的环境温度。我们将学习单总线技术，通过它来实现ESP32-P4和外部温度传感器DS18B20的通信，并把从温度传感器得到的温度显示在LCD上。
本章分为如下几个小节：
31.1 DS18B20介绍
31.2 硬件设计
31.3 程序设计
31.4 下载验证
31.1 DS18B20介绍
31.1.1 DS18B20简介
DS18B20是由DALLAS半导体公司推出的一种“单总线”接口的温度传感器，实物图如下图所示。
图31.1.1.1 DS18B20实物图
与传统的热敏电阻等测温元件相比，它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。单总线结构具有简洁且经济的特点，可使用户轻松地组建传感器网络，从而为测量系统的构建引入全新的概念，测试温度范围为-55~+125℃，精度为±0.5℃。现场温度直接以单总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。它工作在3~5.5V的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设置灵活、方便，设定分辨率以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。其内部结构如下图所示。
图31.1.1.2 DS18B20内部结构图
ROM中的64位序列号是出厂前被标记好的，它可以看作使该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排列是：前8位是产品家族码，接着48位是DS18B20的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。ROM作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样设计可以允许一根总线上挂载多个DS18B20模块同时工作且不会引起冲突。
31.1.2 DS18B20时序介绍
所有单总线器件要求采用严格的信号时序，以保证数据的完整性。DS18B20共有6种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都是由主机发出同步信号。并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前。这里我们简单介绍这几个信号的时序。
1，复位脉冲和应答脉冲
图31.1.2.1 复位脉冲和应答脉冲时序图
单总线上的所有通信都是以初始化序列开始。主机输出低电平，保持低电平时间至少要在480us，以产生复位脉冲。接着主机释放总线，4.7K的上拉电阻将单总线拉高，延时时间要在15~60us，并进入接收模式（Rx）。接着DS18B20拉低总线60~240us，以产生低电平应答脉冲。
2，写时序
图31.1.2.2 写时序图
写时序包括写0时序和写1时序。所有写时序至少需要60us，且在两次独立的写时序之间至少需要1us的恢复时间，两种写时序均起始于主机拉低总线。写1时序：主机输出低电平，延时2us，然后释放总线，延时60us。写0时序：主机输出低电平，延时60us，然后释放总线延时2us。
3，读时序
图31.1.2.3 读时序图
单总线器件仅在主机发出读时序时，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。所有读时序至少需要60us，且在2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间。每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1us。主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的15us之内采样总线状态。典型的读时序过程为：主机输出低电平延时2us，然后主机转入输入模式延时12us，然后读取单总线当前的电平，然后延时50us。
在了解单总线时序之后，我们来看一下DS18B20的典型温度读取过程，DS18B20的典型温度读取过程为：复位→发SKIP ROM（0xCC）→发开始转换命令（0x44）→延时→复位→发送SKIP ROM命令（0xCC）→发送存储器命令（0xBE）→连续读取两个字节数据（即温度）→结束。
DS18B20的简介，我们就介绍到这里，关于该传感器的详细说明，请大家参考其数据手册。
31.2 硬件设计
31.2.1 例程功能
DS18B20每隔100ms左右读取一次数据，并把温度显示在LCD上。LED0闪烁用于提示程序正在运行。
31.2.2 硬件资源
1）LED灯
LED 0 - IO51
2）RGBLCD / MIPILCD（引脚太多，不罗列出来）
3）DS18B20
1WIRE_DQ - IO23
31.2.3 原理图
DS18B20器件相关原理图，如下图所示。
图31.2.3.1 DS18B20原理图
从上图可以看出，使用的是IO23来连接U4的DQ引脚，图中U10为DHT11（数字温湿度传感器）和DS18B20共用的一个接口，DHT11将在下一章介绍。
DS18B20只用到U4的3个引脚（U4的1、2和3脚），将DS18B20传感器插入到这个上面就可以通过ESP32-P4来读取DS18B20的温度了。连接示意图如下所示。
图31.2.3.2 DS18B20与开发板连接图
从上图可以看出，DS18B20的平面部分（有字的那面）应该朝内，而曲面部分朝外。
31.3 程序设计
本例程主要用到的是GPIO函数，GPIO函数已在11.3.1章节中详细阐述，为避免重复，此处不再赘述。建议读者查阅第十一章的函数解析章节，以获取更多关于GPIO函数的信息。
31.3.1 程序流程图
图31.3.1.1 DS18B20实验程序流程图
31.3.2 程序解析
在22_ds18b20例程中，作者在22_ds18b20\components\BSP路径下新建在￥在￥在￥了1个文件夹DS18B20，并且需要更改CMakeLists.txt内容，以便在其他文件上调用。
1. DS18B20驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。DS18B20驱动源码包括两个文件：ds18b20.c和ds18b20.h。
下面先解析ds18b20.h的程序。对DS18B20的数据引脚做了相关定义。
#define DS18B20_DQ_GPIO_PIN GPIO_NUM_23
由于数据线会存在获取高低电平以及设置高低电平，所以为DS18B20_DQ_GPIO_PIN 做了相关宏函数供单总线时序函数调用。
#define DS18B20_DQ_IN gpio_get_level(DS18B20_DQ_GPIO_PIN) /* IO操作 */
#define DS18B20_DQ_OUT(x) do { x ? \
gpio_set_level(DS18B20_DQ_GPIO_PIN, 1): \
gpio_set_level(DS18B20_DQ_GPIO_PIN, 0); \
} while(0) /* DS18B20端口定义 */
接下来，解析一下ds18b20.c的程序，首先来看一下DS18B20的初始化函数ds18b20_init，代码如下：
/**
* @brief 初始化DS18B20
* @param 无
* @retval 0, 正常; 1, 不存在/不正常
*/
uint8_t ds18b20_init(void)
{
gpio_config_t gpio_init_struct;
gpio_init_struct.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE; /* 失能引脚中断 */
gpio_init_struct.mode = GPIO_MODE_INPUT_OUTPUT_OD; /* 开漏的输入和输出 */
gpio_init_struct.pull_up_en = GPIO_PULLUP_ENABLE; /* 使能上拉 */
gpio_init_struct.pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE; /* 失能下拉 */
gpio_init_struct.pin_bit_mask = 1ull << DS18B20_DQ_GPIO_PIN; /* 设置位掩码 */
gpio_config(&gpio_init_struct); /* 配置DS18B20引脚 */
ds18b20_reset(); /* 复位DS18B20 */
return ds18b20_check(); /* 等待DS18B20回应 */
}
在DS18B20初始化函数中，首先对数据引脚初始化，然后通过调用复位函数和自检函数，可以知道DS18B20是否正常。
下面介绍一下在前面提及的几个信号类型。
/**
* @brief 复位DS18B20
* @param 无
* @retval 无
*/
void ds18b20_reset(void)
{
DS18B20_DQ_OUT(0); /* 拉低DQ,复位 */
esp_rom_delay_us(750); /* 拉低至少750μs */
DS18B20_DQ_OUT(1); /* DQ=1，释放复位 */
esp_rom_delay_us(15); /* 主机拉高10~35us */
}
/**
* @brief 等待DS18B20的回应
* @param 无
* @retval 0, DS18B20正常; 1, DS18B20异常/不存在
*/
uint8_t ds18b20_check(void)
{
uint8_t retry = 0;
uint8_t rval = 0;
while (DS18B20_DQ_IN && retry < 200) /* DS18B20会拉低200us */
{
retry++;
esp_rom_delay_us(1);
}
if (retry >= 200)
{
rval = 1;
}
else
{
retry = 0;
while (!DS18B20_DQ_IN && retry < 240) /* DS18B20拉低后会再次拉高240us */
{
retry++;
esp_rom_delay_us(1);
}
if (retry >= 240)
{
rval = 1;
}
}
return rval;
}
以上两个函数分别代表着前面所说的复位脉冲与应答信号，大家可以对比前面的时序图进行理解。由于复位脉冲比较简单，所以这里不做展开。现在看一下应答信号函数，函数主要是对于DS18B20传感器的回应信号进行检测，对此判断其是否存在。函数的实现也是依据时序图进行逻辑判断，例如当主机发送了复位信号之后，按照时序，DS18B20会拉低数据线60~240us，同时主机接收最小时间为480us，我们就依据这两个硬性条件进行判断，首先需要设置一个时限等待DS18B20响应，后面也设置一个时限等待DS18B20释放数据线拉高，满足这两个条件即DS18B20成功响应。
下面介绍的是写函数，其定义如下：
/**
* @brief 写一个字节到DS18B20
* @param data: 要写入的字节
* @retval 无
*/
void ds18b20_write_byte(uint8_t data)
{
uint8_t j;
for (j = 1; j <= 8; j++)
{
if (data & 0x01)
{
DS18B20_DQ_OUT(0); /* 写0 */
esp_rom_delay_us(2);
DS18B20_DQ_OUT(1); /* 写1 */
esp_rom_delay_us(60);
}
else
{
DS18B20_DQ_OUT(0); /* 写0 */
esp_rom_delay_us(60);
DS18B20_DQ_OUT(1); /* 写1 */
esp_rom_delay_us(2);
}
data >>= 1; /* 右移，获取高一位数据 */
}
}
通过形参决定是写1还是写0，按照前面对写时序的分析，我们可以很清晰知道写函数的逻辑处理。
有写函数肯定就有读函数，下面看一下读函数：
/**
* @brief 从DS18B20读取一个位
* @param 无
* @retval 读取到的位值: 0 / 1
*/
uint8_t ds18b20_read_bit(void)
{
uint8_t data = 0;
DS18B20_DQ_OUT(0);
esp_rom_delay_us(2);
DS18B20_DQ_OUT(1);
esp_rom_delay_us(12);
if (DS18B20_DQ_IN)
{
data = 1;
}
esp_rom_delay_us(50);
return data;
}
/**
* @brief 从DS18B20读取一个字节
* @param 无
* @retval 读到的数据
*/
uint8_t ds18b20_read_byte(void)
{
uint8_t i, b, data = 0;
for (i = 0; i < 8; i++) /* 循环读取8位数据 */
{
b = ds18b20_read_bit(); /* DS18B20先输出低位数据，高位数据后输出 */
data |= b << i; /* 填充data的每一位 */
}
return data;
}
在这里，ds18b20_read_bit函数从DS18B20处读取1位数据，在前面已经对读时序也进行了详细的分析，所以这里也不展开解释了。而ds18b20_read_byte便是调用ds18b20_read_bit函数实现1个字节数据的获取。
下面介绍读取温度函数，其定义如下：
/**
* @brief 开始温度转换
* @param 无
* @retval 无
*/
void ds18b20_start(void)
{
ds18b20_reset();
ds18b20_check();
ds18b20_write_byte(0xcc); /* 跳过rom */
ds18b20_write_byte(0x44); /* 转换 */
}
/**
* @brief 从ds18b20得到温度值(精度：0.1C)
* @param 无
* @retval 温度值 （-550~1250）
* @note 返回的温度值放大了10倍.
* 实际使用的时候,要除以10才是实际温度.
*/
short ds18b20_get_temperature(void)
{
uint8_t flag = 1; /* 默认温度为正数 */
uint8_t TL, TH;
short temp;
ds18b20_start(); /* ds1820 start convert */
ds18b20_reset();
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)
{ /* 温度为负，查看DS18B20的温度表示法与计算机存储正负数据的原理一致：
正数补码为寄存器存储的数据自身，负数补码为寄存器存储值按位取反后+1
所以我们直接取它实际的负数部分，但负数的补码为取反后加一，但考虑到
低位可能+1后有进位和代码冗余，我们这里先暂时没有作+1的处理，这里需要留意 */
TH = ~TH;
TL = ~TL;
flag = 0; /* 温度为负 */
}
temp = TH; /* 获得高八位 */
temp <<= 8;
temp += TL; /* 获得底八位 */
/* 转换成实际温度 */
if (flag == 0)
{ /* 将温度转换成负温度，这里的+1参考前面的说明 */
temp = (double)(temp + 1) * 0.625;
temp = -temp;
}
else
{
temp = (double)temp * 0.625;
}
return temp;
}
在这里简单介绍一下上面用到的RAM指令：
跳过ROM(0xCC)，该指令只适合总线只有一个节点，它通过允许总线上的主机不提供64位ROM序列号而直接访问RAM，节省了操作时间。
温度转换(0x44)，启动DS18B20进行温度转换，结果存入内部RAM。
读暂存器(0xBE)，读暂存器9个字节内容，该指令从RAM的第一个字节（字节0）开始读取，直到九个字节（字节8，CRC值）被读出为止。如果不需要读出所有字节的内容，那么主机可以在任何时候发出复位信号以中止读操作。
2. CMakeLists.txt文件
本例程的功能实现主要依靠DS18B20驱动。要在main函数中，成功调用DS18B20文件中的内容，就得需要修改BSP文件夹下的CMakeLists.txt文件，修改如下：
set(src_dirs
LED
LCD
DS18B20)
set(include_dirs
LED
LCD
DS18B20)
set(requires
driver
esp_lcd
esp_common)
idf_component_register( SRC_DIRS ${src_dirs} INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})
component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)
3. main.c驱动代码
在main.c里面编写如下代码。
void app_main(void)
{
esp_err_t ret;
uint8_t t = 0;
short temperature = 0;
ret = nvs_flash_init(); /* 初始化NVS */
if(ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
{
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());
}
led_init(); /* LED初始化 */
lcd_init(); /* LCD屏初始化 */
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "ESP32-P4", RED);
lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "DS18B20 TEST", RED);
lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
while (ds18b20_init()) /* 初始化DS18B20数字温度传感器 */
{
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "DS18B20 Error", RED);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(200));
lcd_fill(30, 110, 239, 126, WHITE);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(200));
}
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "DS18B20 OK", RED);
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "Temp: 00.0C", BLUE);
while (1)
{
if (t % 10 == 0) /* 每100ms读取一次温度 */
{
temperature = ds18b20_get_temperature();
if (temperature < 0)
{
lcd_show_char(70, 130, '-', 16, 0, BLUE); /* 显示负号 */
temperature = -temperature; /* 转为正数 */
}
else
{
lcd_show_char(70, 130, ' ', 16, 0, BLUE); /* 无符号 */
}
lcd_show_num(78, 130, temperature / 10, 2, 16, BLUE); /* 显示整数 */
lcd_show_num(102, 130, temperature % 10, 1, 16, BLUE); /* 显示小数 */
}
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
t++;
if (t == 20)
{
t = 0;
LED0_TOGGLE();
}
}
}
在app_main函数中，设置一个while循环去初始化DS18B20，若DS18B20成功被初始化，程序便可往下执行。在while循环中每隔100毫秒调用一次ds18b20_get_temperature函数获取一下温度数据，并在LCD上显示。LED灯每隔200毫秒状态翻转，实现闪烁效果。
31.4 下载验证
假定DS18B20传感器已经接上去正确的位置，将程序下载到开发板后，可以看到LED0不停的闪烁，提示程序已经在运行了。LCD显示当前的温度值的内容如下图所示：
图31.4.1 DS18B20实验程序运行效果图
该程序还可以读取并显示负温度值，具备零下温度条件可以测试一下。