|
1)实验平台:正点原子ESP32S3开发板
2)购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=768499342659
3)全套实验源码+手册+视频下载地址:http://www.openedv.com/thread-347618-1-1.html
4)正点原子官方B站:https://space.bilibili.com/394620890
5)正点原子手把手教你学ESP32S3快速入门视频教程:https://www.bilibili.com/video/BV1sH4y1W7Tc
6)正点原子FPGA交流群:132780729
第二十九章 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:
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。
- #define DS18B20_DQ_GPIO_PIN GPIO_NUM_0
- /* DS18B20引脚高低电平枚举 */
- typedef enum
- {
- DS18B20_PIN_RESET = 0u,
- DS18B20_PIN_SET
- }DS18B20_GPIO_PinState;
- /* IO操作 */
- #define DS18B20_DQ_IN gpio_get_level(DS18B20_DQ_GPIO_PIN) /* 数据端口输入 */
- /* DS18B20端口定义 */
- #define DS18B20_DQ_OUT(x) do{ x ? \
- gpio_set_level(DS18B20_DQ_GPIO_PIN,DS18B20_PIN_SET) : \
- gpio_set_level(DS18B20_DQ_GPIO_PIN, DS18B20_PIN_RESET); \
- }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
- /**
- * @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; /* 开漏模式的输入和输出 */
- 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 */
- /* 设置的引脚的位掩码 */
- gpio_init_struct.pin_bit_mask = 1ull << DS18B20_DQ_GPIO_PIN;
- gpio_config(&gpio_init_struct); /* 配置DS18B20引脚 */
- ds18b20_reset();
- return ds18b20_check();
- }
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。
- /**
- * @brief 复位DS18B20
- * @param 无
- * @retval 无
- */
- static void ds18b20_reset(void)
- {
- DS18B20_DQ_OUT(0); /* 拉低DQ,复位 */
- esp_rom_delay_us(750); /* 拉低750us */
- DS18B20_DQ_OUT(1); /* DQ=1, 释放复位 */
- esp_rom_delay_us(15); /* 延迟15US */
- }
- /**
- * @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) /* 等待DQ变低, 等待200us */
- {
- retry++;
- esp_rom_delay_us(1);
- }
- if (retry >= 240)
- {
- rval = 1;
- }
- else
- {
- retry = 0;
- while (!DS18B20_DQ_IN && retry < 240) /* 等待DQ变高, 等待240us */
- {
- retry++;
- esp_rom_delay_us(1);
- }
- if (retry >= 240)
- {
- rval = 1;
- }
- }
- return rval;
- }
复制代码 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
- */
- static void ds18b20_write_byte(uint8_t data)
- {
- uint8_t j;
- for (j = 1; j <= 8; j++)
- {
- if (data & 0x01)
- {
- DS18B20_DQ_OUT(0);
- esp_rom_delay_us(2);
- DS18B20_DQ_OUT(1);
- esp_rom_delay_us(60);
- }
- else
- {
- DS18B20_DQ_OUT(0);
- esp_rom_delay_us(60);
- DS18B20_DQ_OUT(1);
- esp_rom_delay_us(2);
- }
- data >>= 1;
- }
- }
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:
- /**
- * @brief 从DS18B20读取一个位
- * @param 无
- * @retval 读取到的位值: 0 / 1
- */
- static 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
- */
- static uint8_t ds18b20_read_byte(void)
- {
- uint8_t i, b, data = 0;
- for (i = 0; i < 8; i++)
- {
- 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;
- }
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:
- /**
- * @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;
- }
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:
- set(src_dirs
- DS18B20
- IIC
- LCD
- LED
- SPI
- XL9555)
- set(include_dirs
- DS18B20
- IIC
- LCD
- LED
- SPI
- XL9555)
- set(requires
- driver)
- idf_component_register(SRC_DIRS ${src_dirs}
- INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})
- 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。
- i2c_obj_t i2c0_master;
- /**
- * @brief 程序入口
- * @param 无
- * @retval 无
- */
- void app_main(void)
- {
- uint8_t err;
- uint8_t t = 0;
- short temperature;
- esp_err_t ret;
-
- /* 初始化NVS */
- ret = nvs_flash_init();
- if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES ||ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
- {
- ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
- ret = nvs_flash_init();
- }
- /* 初始化LED */
- led_init();
-
- /* 初始化IIC0 */
- i2c0_master = iic_init(I2C_NUM_0);
-
- /* 初始化SPI */
- spi2_init();
-
- /* 初始化XL9555 */
- xl9555_init(i2c0_master);
-
- /* 初始化LCD */
- lcd_init();
- lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "ESP32", RED);
- lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "DS18B20 TEST", RED);
- lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
- /* 初始化DS18B20数字温度传感器 */
- err = ds18b20_init();
- if (err != 0)
- {
- while (1)
- {
- lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "DS18B20 Error", RED);
- vTaskDelay(200);
- lcd_fill(30, 110, 239, 130 + 16, WHITE);
- vTaskDelay(200);
- }
- }
- lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "DS18B20 OK", RED);
- lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "Temp: . C", BLUE);
-
- while (1)
- {
- /* 每100ms读取一次 */
- if (t % 10 == 0)
- {
- temperature = ds18b20_get_temperature();
- if (temperature < 0)
- {
- /* 显示负号 */
- lcd_show_char(30 + 40, 130, '-', 16, 0, BLUE);
-
- /* 转为正数 */
- temperature = -temperature;
- }
- else
- {
- /* 去掉负号 */
- lcd_show_char(30 + 40, 130, ' ', 16, 0, BLUE);
- }
-
- /* 显示正数部分 */
- lcd_show_num(30 + 40 + 8, 130, temperature / 10, 2, 16, BLUE);
-
- /* 显示小数部分 */
- lcd_show_num(30 + 40 + 32, 130, temperature % 10, 1, 16, BLUE);
- }
- vTaskDelay(10);
- t++;
- if (t == 20)
- {
- t = 0;
-
- /* LED闪烁 */
- LED_TOGGLE();
- }
- }
- }
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。 |
阿莫论坛20周年了!感谢大家的支持与爱护!!
你熬了10碗粥,别人一桶水倒进去,淘走90碗,剩下10碗给你,你看似没亏,其实你那10碗已经没有之前的裹腹了,人家的一桶水换90碗,继续卖。说白了,通货膨胀就是,你的钱是挣来的,他的钱是印来的,掺和在一起,你的钱就贬值了。
|