《ESP32-S3使用指南—MicroPython版 V1.0》第二十六章 DS18B20实验
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第二十六章 DS18B20实验
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：
26.1 DS18B20及其时序简介
26.2 ds18x20模块
26.3 硬件设计
26.4 程序设计
26.5 下载验证
26.1 DS18B20及其时序简介
26.1.1 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。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26.1.1.1 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。
26.1.2 DS18B20时序简介
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26.1.2.1 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26.1.2.2 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26.1.2.3 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。
MicroPython源代码已经提供了ds18x20.py脚本代码，读者可以在micropython\lib\micropython-lib\micropython\drivers\sensor\ds18x20找到此文件。从该文件的内容可以看出，它通过调用onewire（micropython\lib\micropython-lib\micropython\drivers\bus\onewire）模块来实现单总线协议。
26.2 ds18x20模块
MicroPython源代码提供了ds18x20驱动程序，用户可调用此模块来驱动DS18B20模块，下面是该模块的对象构造方法和使用方法，如下。
1，ds18x20类的构造方法
ds18x20的构造对象方法如下：
class dht.DS18X20(onewire)
使用示例：ds_18b20 = ds18x20.DS18X20(onewire.OneWire(Pin(0))) 该构造方法的参数描述，如下表所示。
表26.2.1 dht.DS18X20构造方法参数描述
返回值：ds18x20对象。
2，ds18x20模块的方法
①：扫描ds18x20设备。
其函数原型如下：
ds_18b20.scan() 返回值：true：扫描有ds18b20设备；fail：无设备。
②：转换温度。
其函数原型如下：
ds_18b20.convert_temp() 返回值：无。
③：读取温度。
其函数原型如下：
ds_18b20.read_temp() 返回值：当前的温度。
26.3 硬件设计
1. 例程功能
本章实验功能简介：DS18B20每隔1000ms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。
2. 硬件资源
1）XL9555
IIC_INT-IO0（需在P5连接IO0）
IIC_SDA-IO41
IIC_SCL-IO42
2）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）
3）DHT11
1WIRE_DQ-IO0
3. 原理图
DS18B20原理图，如下图所示。
图26.3.1 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26.3.2 1WIRE_DQ和IO0连接图
图26.3.3 DS18B20与开发板连接的位置
26.4 程序设计
26.4.1 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26.4.1.1 程序流程图
26.4.2 程序解析
本书籍的代码都在main.py脚本下编写的，读者可在光盘资料下找到对应的源码。DS18B20实验main.py源码如下：
from machine import Pin,SPI,I2C
import onewire, ds18x20
import atk_xl9555 as io_ex
import atk_lcd as lcd
import time
"""
* @brief 程序入口
* @param 无
* @retval 无
"""
if __name__ == '__main__':
# 初始化LED并输出高电平
led = Pin(1,Pin.OUT,value = 1)
# IIC初始化
i2c0 = I2C(0, scl = Pin(42), sda = Pin(41), freq = 400000)
# XL9555初始化
xl9555 = io_ex.init(i2c0)
# 复位LCD
xl9555.write_bit(io_ex.SLCD_RST,0)
time.sleep_ms(100)
xl9555.write_bit(io_ex.SLCD_RST,1)
time.sleep_ms(100)
# 初始化SPI
spi = SPI(2,baudrate = 80000000, sck = Pin(12), mosi=Pin(11), miso=Pin(13))
# 初始化LCD,lcd = 0为正点原子2.4寸屏幕;lcd = 1为正点原子1.3寸SPILCD屏幕;
display = lcd.init(spi,dc = Pin(40,Pin.OUT,Pin.PULL_UP,value = 1),
cs = Pin(21,Pin.OUT,Pin.PULL_UP,value = 1),dir = 1,lcd = 0)
# 开启背光
xl9555.write_bit(io_ex.SLCD_PWR,1)
time.sleep_ms(100)
# 提示实验信息
display.string(30, 50, 240, 32, 32, "ESP32-S3",lcd.RED)
display.string(30, 80, 240, 24, 24, "DS18B20 TEST",lcd.RED)
display.string(30, 110, 240, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK",lcd.RED)
display.string(30, 130, 200, 16, 16, "TEMPERATE: 00.00C", lcd.BLUE)
# 初始化DS18B20
ds_18b20 = ds18x20.DS18X20(onewire.OneWire(Pin(0)))
"""
* @brief 读取ds18x20温度值
* @param 无
* @retval 无
"""
def read_sensor():
# 发现设备
roms = ds_18b20.scan()
# 获取数值
ds_18b20.convert_temp()
for rom in roms:
temp = ds_18b20.read_temp(rom)
if isinstance(temp, float):
temp = round(temp, 2)
return temp
while True:
# 打印温度值
umber = float(read_sensor())
display.num(30 + 11 * 8,130,int(umber),2,16,lcd.RED)
display.num(30 + 14 * 8,130,int(umber * 100 % 100),2,16,lcd.RED)
led_state = led.value()
led.value(not led_state)
time.sleep(1) 这示例代码导入了一些必要的Python模块，初始化了硬件，包括GPIO引脚、I2C总线、SPI接口、XL9555、DS18B20传感器和LCD显示屏。然后发送一个复位信号到LCD显示屏，使用onewire模块初始化DS18B20温度传感器，并在LCD显示屏上显示实验信息。进入一个无限循环后，代码读取DS18B20传感器的温度数据，并在LCD显示屏上显示这些数据。同时，它会改变LED的状态，使其闪烁。
26.5 下载验证
假设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LED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25.5.1 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。
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