《ESP32-S3使用指南—IDF版 V1.6》第二十九章 DS18B20实验

正点原子运营

第二十九章 DS18B20实验

1）实验平台：正点原子DNESP32S3开发板

2）章节摘自【正点原子】ESP32-S3使用指南—IDF版 V1.6

3）购买链接：https://detail.tmall.com/item.htm?&id=768499342659

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/esp32/ATK-DNESP32S3.html

5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890

6）正点原子DNESP32S3开发板技术交流群：132780729

本章，我们将介绍ESP32-S3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-S3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：

29.1 DS18B20简介

29.2 硬件设计

29.3 程序设计

29.4 下载验证

29.1 DS18B20介绍

29.1.1 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29.1.1.1 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29.1.1.1 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。

29.1.2 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29.1.2.1 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29.1.2.2 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29.1.2.3 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。

29.2 硬件设计

29.2.1 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。LED闪烁用于提示程序正在运行。

29.2.2 硬件资源

1.LED灯

LED-IO1

2.USART0

U0TXD-IO43

U0RXD-IO44

3.XL9555

IIC_SDA-IO41

IIC_SCL-IO42

4.SPILCD

CS-IO21

SCK-IO12

SDA-IO11

DC-IO40（在P5端口，使用跳线帽将IO_SET和LCD_DC相连）

PWR- IO1_3（XL9555）

RST- IO1_2（XL9555）

5.DS18B20

1WIRE_DQ-IO0（在P5端口，使用跳线帽将IWIRE_DQ和IO0相连）

29.2.3 原理图

DS18B20原理图，如下图所示。     

图29.2.3.1 DS18B20原理图

从上图可以看出，1WIRE_DQ并没有直接跟ESP32-S3的IO0相连，而是需要通过跳线帽进行连接。1WIRE_DQ和IO0连接图如下图所示。     

图29.2.3.2 WIRE_DQ和IO0连接图     

图29.2.3.3 DS18B20与开发板连接的位置

29.3 程序设计

29.3.1 程序流程图

程序流程图能帮助我们更好的理解一个工程的功能和实现的过程，对学习和设计工程有很好的主导作用。下面看看本实验的程序流程图：

图29.3.1.1 DS18B20实验程序流程图

29.3.2 DS18B20函数解析

这一章节除了涉及到GPIO的API函数，便没有再涉及到其他API函数。因此，有关GPIO的API函数介绍，请读者回顾此前的第十章的内容。接下来，笔者将直接介绍DS18B20的驱动代码。

29.3.3 DS18B20驱动解析

在IDF版19_ds18b20例程中，作者在19_ds18b20\components\BSP路径下新增了一个DS18B20文件夹，分别用于存放ds18b20.c、ds18b20.h这两个文件。其中，ds18b20.h文件负责声明DS18B20相关的函数和变量，而ds18b20.c文件则实现了DS18B20的驱动代码。下面，我们将详细解析这两个文件的实现内容。

1，ds18b20.h文件

由于数据线会存在输入输出模式的切换以及高低电平的设置，所以为DS18B20_DQ_PIN做了相关宏函数供单总线时序函数调用。

1. #define DS18B20_DQ_GPIO_PIN       GPIO_NUM_0
   
2. /* DS18B20引脚高低电平枚举 */
   
3. typedef enum
   
4. {
   
5.    DS18B20_PIN_RESET = 0u,
   
6.     DS18B20_PIN_SET
   
7. }DS18B20_GPIO_PinState;
   
8. /* IO操作 */
   
9. #define DS18B20_DQ_IN    gpio_get_level(DS18B20_DQ_GPIO_PIN)  /* 数据端口输入 */
   
10. /* DS18B20端口定义 */
    
11. #define DS18B20_DQ_OUT(x) do{ x ?                                              \
    
12.                       gpio_set_level(DS18B20_DQ_GPIO_PIN,DS18B20_PIN_SET) :   \
    
13.                       gpio_set_level(DS18B20_DQ_GPIO_PIN, DS18B20_PIN_RESET); \
    
14.                       }while(0)

复制代码

gpio_get_level()与gpio_set_level()的介绍在GPIO章节已经介绍过了，在此不做赘述，请参照10.3.2小节的内容。

DS18B20_DQ_OUT(x)宏函数的作用是设置GPIO_NUM_0的电平状态，x为0表示低电平，x为1表示高电平。

DS18B20_DQ_IN宏函数的作用是获取GPIO_NUM_0的电平状态，返回值为0表示低电平，返回值为1表示高电平。

2，ds18b20.c文件

1. /**
   
2. * @brief       初始化DS18B20
   
3. * @param       无
   
4. * @retval      0, 正常
   
5. *              1, 不存在/不正常
   
6. */
   
7. uint8_t ds18b20_init(void)
   
8. {
   
9.     gpio_config_tgpio_init_struct;
   
10.    gpio_init_struct.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE;         /* 失能引脚中断 */
    
11.    gpio_init_struct.mode = GPIO_MODE_INPUT_OUTPUT_OD; /* 开漏模式的输入和输出 */
    
12.    gpio_init_struct.pull_up_en = GPIO_PULLUP_ENABLE;      /* 使能上拉 */
    
13. gpio_init_struct.pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE; /* 失能下拉 */
    
14. /* 设置的引脚的位掩码 */
    
15.    gpio_init_struct.pin_bit_mask = 1ull << DS18B20_DQ_GPIO_PIN;
    
16.     gpio_config(&gpio_init_struct);                        /* 配置DS18B20引脚 */
    
17.     ds18b20_reset();
    
18.     return ds18b20_check();
    
19. }

复制代码

在DS18B20初始化函数中，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。

1. /**
   
2. * @brief   复位DS18B20
   
3. * @param   无
   
4. * @retval  无
   
5. */
   
6. static void ds18b20_reset(void)
   
7. {
   
8.     DS18B20_DQ_OUT(0);           /* 拉低DQ,复位 */
   
9.    esp_rom_delay_us(750);      /* 拉低750us */
   
10.     DS18B20_DQ_OUT(1);           /* DQ=1, 释放复位 */
    
11.     esp_rom_delay_us(15);        /* 延迟15US */
    
12. }
    
13. /**
    
14. * @brief   等待DS18B20的回应
    
15. * @param   无
    
16. * @retval  0, DS18B20正常
    
17. *        1,DS18B20异常/不存在
    
18. */
    
19. uint8_t ds18b20_check(void)
    
20. {
    
21.     uint8_t retry = 0;
    
22.     uint8_t rval = 0;
    
23.     while (DS18B20_DQ_IN && retry < 200)        /* 等待DQ变低, 等待200us */
    
24.     {
    
25.         retry++;
    
26.         esp_rom_delay_us(1);
    
27.     }
    
28.     if (retry >= 240)
    
29.     {
    
30.         rval = 1;
    
31.     }
    
32.     else
    
33.     {
    
34.         retry = 0;
    
35.         while (!DS18B20_DQ_IN && retry < 240)       /* 等待DQ变高, 等待240us */
    
36.         {
    
37.             retry++;
    
38.            esp_rom_delay_us(1);
    
39.         }
    
40.         if (retry >= 240)
    
41.         {
    
42.             rval = 1;
    
43.         }
    
44.     }
    
45.     return rval;
    
46. }

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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：

1. /**
   
2. * @brief   写一个字节到DS18B20
   
3. * @param   data: 要写入的字节
   
4. * @retval  无
   
5. */
   
6. static void ds18b20_write_byte(uint8_t data)
   
7. {
   
8.     uint8_t j;
   
9.     for (j = 1; j <= 8; j++)
   
10.     {
    
11.         if (data & 0x01)
    
12.         {
    
13.            DS18B20_DQ_OUT(0);  
    
14.            esp_rom_delay_us(2);
    
15.            DS18B20_DQ_OUT(1);
    
16.            esp_rom_delay_us(60);
    
17.         }
    
18.         else
    
19.         {
    
20.            DS18B20_DQ_OUT(0);  
    
21.            esp_rom_delay_us(60);
    
22.            DS18B20_DQ_OUT(1);
    
23.            esp_rom_delay_us(2);
    
24.         }
    
25.         data >>= 1;            
    
26.     }
    
27. }

复制代码

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：

1. /**
   
2. * @brief   从DS18B20读取一个位
   
3. * @param   无
   
4. * @retval  读取到的位值: 0 / 1
   
5. */
   
6. static uint8_t ds18b20_read_bit(void)
   
7. {
   
8.     uint8_t data = 0;
   
9.     DS18B20_DQ_OUT(0);
   
10.    esp_rom_delay_us(2);
    
11.     DS18B20_DQ_OUT(1);
    
12.    esp_rom_delay_us(12);
    
13.     if (DS18B20_DQ_IN)
    
14.     {
    
15.         data = 1;
    
16.     }
    
17.    esp_rom_delay_us(50);
    
18.     return data;
    
19. }
    
20. /**
    
21. * @brief   从DS18B20读取一个字节
    
22. * @param   无
    
23. * @retval  读到的数据
    
24. */
    
25. static uint8_t ds18b20_read_byte(void)
    
26. {
    
27.     uint8_t i, b, data = 0;
    
28.     for (i = 0; i < 8; i++)
    
29.     {
    
30.         b = ds18b20_read_bit();  /* DS18B20先输出低位数据 ,高位数据后输出 */
    
31.         
    
32.         data |= b << i;           /* 填充data的每一位 */
    
33.     }
    
34.     return data;
    
35. }

复制代码

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。

下面介绍读取温度函数，其定义如下：

1. /**
   
2. * @brief   从ds18b20得到温度值(精度：0.1C)
   
3. * @param   无
   
4. * @retval  温度值 （-550~1250）
   
5. * @note    返回的温度值放大了10倍.
   
6. *          实际使用的时候,要除以10才是实际温度.
   
7. */
   
8. shortds18b20_get_temperature(void)
   
9. {
   
10.     uint8_t flag = 1;             /* 默认温度为正数 */
    
11.     uint8_t TL, TH;
    
12.     short temp;
    
13.     ds18b20_start();              /*  ds1820 startconvert */
    
14.     ds18b20_reset();
    
15.     ds18b20_check();
    
16.    ds18b20_write_byte(0xcc);       /*  skip rom */
    
17.    ds18b20_write_byte(0xbe);    /*  convert */
    
18.     TL = ds18b20_read_byte();    /*  LSB */
    
19.     TH = ds18b20_read_byte();    /*  MSB */
    
20.     if (TH > 7)
    
21.     { /* 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：
    
22.         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
    
23.         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
    
24.         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  */
    
25.         TH = ~TH;
    
26.         TL = ~TL;
    
27.         flag = 0;        /* 温度为负 */
    
28.     }
    
29.     temp = TH;       /* 获得高八位 */
    
30.     temp <<= 8;
    
31.     temp += TL;      /* 获得底八位 */
    
32.     /* 转换成实际温度 */
    
33.     if (flag == 0)
    
34.     {   /* 将温度转换成负温度，这里的+1参考前面的说明 */
    
35.         temp = (double)(temp + 1) * 0.625;
    
36.         temp = -temp;   
    
37.     }
    
38.     else
    
39.     {
    
40.         temp = (double)temp * 0.625;               
    
41.     }
    
42.     return temp;
    
43. }

复制代码

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。

29.3.4 CMakeLists.txt文件

打开本实验BSP下的CMakeLists.txt文件，其内容如下所示：

1. set(src_dirs
   
2.            DS18B20
   
3.            IIC
   
4.            LCD
   
5.            LED
   
6.            SPI
   
7.            XL9555)
   
8. set(include_dirs
   
9.            DS18B20
   
10.            IIC
    
11.            LCD
    
12.            LED
    
13.            SPI
    
14.            XL9555)
    
15. set(requires
    
16.            driver)
    
17. idf_component_register(SRC_DIRS ${src_dirs}
    
18. INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})
    
19. component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)

复制代码

上述的红色IIC、XLP555驱动需要由开发者自行添加，以确保IIC_EXIO驱动能够顺利集成到构建系统中。这一步骤是必不可少的，它确保了IIC_EXIO驱动的正确性和可用性，为后续的开发工作提供了坚实的基础。

29.3.5 实验应用代码

打开main/main.c文件，该文件定义了工程入口函数，名为app_main。该函数代码如下。

1. i2c_obj_t i2c0_master;
   
2. /**
   
3. * @brief       程序入口
   
4. * @param       无
   
5. * @retval      无
   
6. */
   
7. void app_main(void)
   
8. {
   
9.     uint8_t err;
   
10.     uint8_t t = 0;
    
11.     short temperature;
    
12.     esp_err_t ret;
    
13.    
    
14.     /* 初始化NVS */
    
15.     ret = nvs_flash_init();
    
16.     if (ret ==ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES ||ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
    
17.     {
    
18.        ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
    
19.         ret = nvs_flash_init();
    
20.     }
    
21.     /* 初始化LED */
    
22.     led_init();
    
23.    
    
24.     /* 初始化IIC0 */
    
25.     i2c0_master = iic_init(I2C_NUM_0);
    
26.    
    
27.     /* 初始化SPI */
    
28.     spi2_init();
    
29.    
    
30.     /* 初始化XL9555 */
    
31.     xl9555_init(i2c0_master);
    
32.    
    
33.     /* 初始化LCD */
    
34.     lcd_init();
    
35.     lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "ESP32", RED);
    
36.     lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "DS18B20 TEST", RED);
    
37.     lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
    
38.     /* 初始化DS18B20数字温度传感器 */
    
39.     err = ds18b20_init();
    
40.     if (err != 0)
    
41.     {
    
42.         while (1)
    
43.         {
    
44.            lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "DS18B20Error", RED);
    
45.            vTaskDelay(200);
    
46.            lcd_fill(30, 110, 239, 130 + 16, WHITE);
    
47.            vTaskDelay(200);
    
48.         }
    
49.     }
    
50.     lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "DS18B20 OK", RED);
    
51.     lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "Temp:   .C", BLUE);
    
52.    
    
53.     while (1)
    
54.     {
    
55.         /* 每100ms读取一次 */
    
56.         if (t % 10 == 0)
    
57.         {
    
58.            temperature = ds18b20_get_temperature();
    
59.             if (temperature < 0)
    
60.             {
    
61.                 /* 显示负号 */
    
62.                lcd_show_char(30 + 40, 130, '-', 16, 0, BLUE);
    
63.                
    
64.                 /* 转为正数 */
    
65.                temperature = -temperature;
    
66.             }
    
67.             else
    
68.             {
    
69.                 /* 去掉负号 */
    
70.                lcd_show_char(30 + 40, 130, ' ', 16, 0, BLUE);
    
71.             }
    
72.             
    
73.             /* 显示正数部分 */
    
74.            lcd_show_num(30 + 40 + 8, 130, temperature / 10, 2, 16, BLUE);
    
75.             
    
76.             /* 显示小数部分 */
    
77.            lcd_show_num(30 + 40 + 32, 130, temperature % 10, 1, 16, BLUE);
    
78.         }
    
79.         vTaskDelay(10);
    
80.         t++;
    
81.         if (t == 20)
    
82.         {
    
83.             t = 0;
    
84.             
    
85.             /* LED闪烁 */
    
86.            LED_TOGGLE();
    
87.         }
    
88. }
    
89. ｝

复制代码

在main函数中，完成一系列外设初始化之后，调用ds18b20_init函数完成DS18B20初始化，LCD显示实验信息。

在while循环中，间隔100毫秒调用ds18b20_get_temperature函数获取DS18B20传感器的温度数据，然后在LCD进行显示。LED灯每隔200毫秒状态翻转，实现闪烁效果。

29.4 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29.4.1 DS18B20实验测试图

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。