6.4.2 数字温度计设计
1.任务要求
利用STM32F1和数字温度传感器DS18 B20设计一个数字温度计，能通过LCD1602显示温度值，精度为0.1℃。请设计电路，完成程序设计，并通过Proteus完成仿真和调试。
2.硬件设计
（1）数字温度传感器DS18 B20。
DS18B20是美国DALLAS公司生产的数字温度传感器，它的体积小、功耗低、抗干扰能力强，可直接将温度转化成数字信号传输给MCU处理，每个芯片内部有64位的光刻ROM编码，因此可在一根总线上挂接多个DS18B20，从而实现多点温度测量，其封装形式有多种，如图6.5所示。
图6.5 DS18B20的封装形式
DS18 B20片内有9个字节的RAM高速缓冲区和1个E2PROM，来实现对温度的转换，其中9个字节的RAM高速缓冲区的功能如表6.9所示。
表6.9 RAM高速缓冲区的功能
第1、2字节是在MCU给DS18 B20的温度转换指令发布后，经转换所得的温度值，以两字节补码形式存放其中。一般情况下，用户多使用第1字节和第2字节。MCU通过单总线可读得该数据，读取时低位在前、高位在后。
第3、4字节分别是由软件写入用户报警的上、下限值TH和TL。
第5字节为配置寄存器，可更改DS18 B20的测温分辨率。
第6、7、8字节未用，全为1。
第9字节是前面所有8个字节的CRC码，用来保证正确通信。
片内还有1个E2PROM，其为TH、TL和配置寄存器的映像。
配置寄存器各位的定义如表6.10所示。其中，TM位出厂时已被写入0，用户不能修改；低5位都为1；R1、R0位用来设置分辨率。表6.11列出了R1、R0与分辨率和最大转换时间的关系。用户可通过修改R1、R0位的编码，获得合适的分辨率。
表6.10 配置寄存器各位的定义
表6.11 分辨率设置
（2）DS18B20的工作时序。
DS18B20的工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。
①初始化时序如图6.6所示。MCU将数据线电平拉低480～960μs后释放，等待15～60μs，单总线器件输出一个持续60～240μs的低电平，MCU收到此应答后便可进行操作。
②写时序如图6.7所示。当MCU将数据线电平从高拉到低时，产生写时序，有写0和写1两种时序。写时序开始后，DS18B20在15～60μs期间从数据线上采样。若采样到低电平，则向DS18B20写的是0；若采样到高电平，则向DS18B20写的是1。这两个独立时序至少需拉高总线电平1μs。
③读时序如图6.8所示。当MCU从DS18B20读取数据时，产生读时序。此时MCU将数据线电平从高拉到低，使读时序被初始化。如果在此后15μs内，MCU在数据线上采样到低电平，那么从DS18B20读的是0；如果在此后的15μs内，MCU在数据线上采样到高电平，那么从DS18B20读的是1。
图6.6 初始化时序
图6.7 写时序
图6.8 读时序
（3）DS18 B20的指令。
对DS18 B20的操作是通过指令完成的，按照时序进行操作。DS18 B20常用指令如表6.12所示，所有指令均采用1个字节表示。
表6.12 DS18B20常用指令(https://www.daowen.com)
DS18 B20内部有一个64位的ROM编码，其结构如图6.9所示。当对多个单总线上的某一个DS18 B20进行操作时，首先应将主机逐个与DS18 B20挂接，读出其序列号（0x33），再将所有的DS18 B20挂接到总线上，MCU发出匹配ROM指令（0x55），紧接着主机提供的64位序列号之后的操作就是针对该DS18 B20的。
图6.9 DS18B20内部的64位ROM编码结构
如果主机只对一个DS18 B20进行操作，就不需要读取和匹配ROM编码，只要跳过ROM（0xCC）指令，然后发送指令启动温度转换（0x44）即可，发送读取寄存器中的温度数据指令（0xBE）完成温度值的读取。
（4）温度转换。
DS18 B20温度的转换结果存放在高低温字节RAM中，存储格式如表6.13所示。其中，S表示符号位。例如，+125℃、+85℃、+10.125℃、0℃、-10.125℃、-55℃的温度值与对应的二进制和十六进制数关系如表6.14所示。
表6.13 温度存储格式
注意，表中的LSB表示最低有效位（Least Significant bit），MSB表示最高有效位（Most Significant bit）。
表6.14 温度值与对应的二进制和十六进制数关系
例如，当DS18B20采集的温度为+125℃时，输出为07D0H，则实际温度T=（07D0H）/16=（0×163+7×162+13×161+0×160）/16=125℃。
当DS18B20采集的温度为-55℃时，输出为FC90H，由于是补码，应先将11位数据取反加1，得0370H，注意，符号位不变，也不参加运算，则实际温度T=-（0370H）/16=-（0×163+3×162+7×161+0×160）/16=-55℃。
注意对符号位的判断。当温度为负时，符号位为1；温度为正时，符号位为0。
硬件电路中，PC0～PC10连接LCD1602，PD2接DS18B20数字温度传感器，PB8外接按键，硬件电路图如图6.10所示。
图6.10 硬件电路图
3.软件设计
在STM32CubeMX中，配置PC0～PC10为推挽输出，PD2为推挽输出，PB8为上拉输入，并配置成中断方式。系统时钟采用内部HSI，时钟频率为8 MHz。生成MDK工程文件，然后编写DS18B20的驱动程序文件“DS18B20.h”和“DS18B20.c”。
头文件“DS18B20.h”的程序如下。
源文件“DS18B20.c”的程序如下。
在“main.c”文件中添加温度采集、温度值显示程序和按键中断回调函数，程序如下。
4.仿真与调试
在Proteus中绘制仿真电路图，加载.hex可执行文件，开始仿真。当按键被按下时，采集温度值，并将测量到的DS18B20温度值显示在LCD1602上，仿真电路图和调试效果如图6.11所示。
图6.11 仿真电路图和调试效果
