原标题：基于STM32单片机对DS18B20温度传感器的驱动设计方案

　　基于STM32单片机对DS18B20温度传感器的驱动设计方案

　　在当今物联网与智能控制系统飞速发展的时代，温度数据采集作为环境感知的重要组成部分，其精度与稳定性直接影响到整个系统的性能。DS18B20作为一款经典的数字温度传感器，以其独特的单总线（One-Wire）通信方式、宽广的测量范围、高精度以及优秀的环境适应性，在工业控制、消费电子、医疗设备、智能家居等诸多领域得到了广泛应用。本设计方案将深入探讨如何基于功能强大的STM32系列微控制器，实现对DS18B20温度传感器的稳定、高效驱动，涵盖硬件选型、软件设计、通信协议解析、数据处理以及常见问题解决方案等多个方面。

　　1. 系统概述与设计目标

　　本系统旨在构建一个基于STM32微控制器驱动DS18B20温度传感器的高精度温度采集模块。其核心目标包括：

　　高精度温度采集： 利用DS18B20传感器本身的高精度（可配置9-12位分辨率）确保测量结果的准确性。

　　稳定可靠的通信： 实现STM32与DS18B20之间基于单总线协议的稳定数据传输，抵抗干扰。

　　灵活的硬件接口： 设计合理的硬件连接方案，便于集成与扩展。

　　高效的软件驱动： 编写模块化、可移植的软件代码，实现DS18B20的初始化、温度读取、配置等功能。

　　友好的数据输出： 将采集到的温度数据通过串口或其他接口输出，便于上位机显示或进一步处理。

　　低功耗设计（可选）： 考虑在特定应用场景下，如何通过软件和硬件协同实现低功耗运行。

　　2. 核心元器件选型与功能分析

　　成功的嵌入式系统设计离不开对核心元器件的精确选择与深刻理解。本章节将详细阐述STM32微控制器与DS18B20温度传感器的选型依据、功能特性以及其在整个系统中的关键作用，并介绍其他必要的辅助元器件。

　　2.1 微控制器单元（MCU）：STM32系列

　　2.1.1 选型推荐

　　对于DS18B20的驱动，由于其单总线协议对时序的严格要求，以及未来可能的功能扩展（如LCD显示、网络通信等），推荐选用STM32F103C8T6或STM32F401RCT6。

　　STM32F103C8T6： 这是一款基于ARM Cortex-M3内核的微控制器，属于STM32F1系列的主流产品。

　　CPU内核（Cortex-M3）： 提供强大的处理能力，可以高效执行DS18B20的单总线时序操作和数据解析算法。

　　GPIO（通用输入输出）： 用于与DS18B20的DQ线直接连接，并通过软件控制其输出高低电平，或配置为输入模式读取数据。F103C8T6的GPIO可以配置为推挽输出、开漏输出、浮空输入、上拉/下拉输入等多种模式，这对于单总线协议中DQ线的控制至关重要。

　　定时器（Timers）： DS18B20的单总线协议对时序有严格要求，例如复位脉冲的持续时间、数据位的采样点等。STM32的定时器可以提供精确的微秒级延时，确保通信的准确性。

　　NVIC（嵌套向量中断控制器）： 可以管理外部中断，虽然DS18B20通常不需要中断来驱动，但在多任务系统中，或需要对通信错误进行实时响应时，中断功能会非常有用。

　　Flash存储器和SRAM： 用于存储程序代码和运行时数据，包括DS18B20的驱动代码、温度数据、以及其他应用逻辑。

　　高性价比： F103系列是STM32家族中性价比较高的入门级芯片，非常适合学习和中小型项目开发。它的成本效益使其成为许多原型设计和量产应用的首选。

　　丰富的资源： 拥有72MHz的主频，64KB的Flash存储器和20KB的SRAM，以及多个通用GPIO、定时器、USART、SPI、I2C等外设。这些资源足以满足DS18B20的时序要求，并为未来扩展其他传感器、通信模块（如蓝牙、Wi-Fi）或显示设备预留了足够的硬件基础。

　　成熟的生态系统： ST公司为STM32F1系列提供了非常完善的开发工具链（如Keil MDK, STM32CubeIDE）和丰富的例程、库函数（如HAL库、LL库），社区支持广泛，方便开发者快速上手和调试。

　　管脚兼容性： TSSOP48封装，引脚数量适中，便于PCB设计和手工焊接。

　　选择理由：

　　功能：

　　STM32F401RCT6： 这是一款基于ARM Cortex-M4内核的微控制器，属于STM32F4系列的入门级产品。

　　FPU（浮点单元）： 大幅提升浮点运算速度，对于需要精确温度计算和显示的应用非常有利。

　　更高效的DMA（直接存储器访问）： 可以实现数据在内存和外设之间的高速传输，减轻CPU负担，提高系统整体效率。虽然DS18B20的通信量不大，但DMA在多任务系统中依然能发挥作用。

　　更宽的工作温度范围和更高可靠性： 部分F4系列芯片设计用于更严苛的工业环境，这可能是一个额外优势。

　　更高性能： F401系列拥有84MHz的主频，配备浮点单元（FPU），使其在进行复杂数学运算（如温度数据的浮点转换、滤波算法等）时效率更高。如果未来的应用需要更复杂的信号处理或图形显示，F401会提供更好的性能储备。

　　更大的存储空间： 256KB的Flash和64KB的SRAM，为更大型的应用程序和数据存储提供了充足的空间。

　　更多高级外设： 比如更多的定时器、DMA控制器、以及更快的ADC等。虽然DS18B20本身不直接使用ADC，但如果系统中还有其他模拟传感器，这些高级外设会很有用。

　　适用于更复杂的系统： 如果考虑到未来项目可能扩展到更复杂的系统，例如需要运行RTOS（实时操作系统）、进行大量数据处理或与更高速外设通信，F401提供了更强的处理能力和更丰富的外设接口。

　　选择理由：

　　功能： 除了F103的所有功能外，F401还具备：总结： 对于初学者和大多数基本温度采集应用，STM32F103C8T6是更具性价比和易用性的选择。如果项目对性能有更高要求，或者有未来扩展至更复杂系统的考虑，STM32F401RCT6将是更好的选择。

　　2.2 温度传感器：DS18B20

　　2.2.1 选型推荐

　　DS18B20是Maxim Integrated公司（现已被Analog Devices收购）生产的一款单总线数字温度传感器。

　　选择理由：

　　单总线接口： 这是DS18B20最显著的特点，只需一根数据线（DQ）即可与微控制器进行通信，大大简化了硬件连接。DQ线同时用于供电（寄生电源模式）和数据传输，减少了布线复杂性。

　　宽测量范围： -55°C 至 +125°C，覆盖了大多数日常及工业应用场景。

　　高精度： 在-10°C至+85°C范围内，精度可达±0.5°C。用户可配置9位、10位、11位或12位的测量分辨率，对应的转换时间分别为93.75ms、187.5ms、375ms、750ms，精度越高，转换时间越长。

　　数字输出： 直接输出数字温度值，避免了传统模拟温度传感器（如热敏电阻、PT100）需要进行AD转换的环节，简化了硬件设计，提高了抗干扰能力，且无需校准。

　　独特ID： 每个DS18B20都有一个独一无二的64位ROM序列码，允许多个DS18B20并联在同一根单总线上，并通过ROM匹配指令进行寻址，实现多点温度测量。

　　寄生电源模式： 在某些应用中，可以通过数据线（DQ）直接供电，无需额外电源线，进一步简化了布线。但通常建议使用外部电源供电，以保证通信的稳定性和转换的准确性，尤其是在长距离传输或多点测量时。

　　封装多样性： 提供TO-92、SOP8、防水探头（如不锈钢封装）等多种封装形式，满足不同应用环境的需求。TO-92封装适合板载或短距离测温，防水探头则适合液体或潮湿环境。

　　功能：

　　温度测量： 将测得的温度值转换为数字信号，存储在其内部的2字节温度寄存器中。

　　用户可编程分辨率： 用户可以通过写入配置寄存器来设置温度转换的分辨率。

　　报警功能： 具有可编程的高低温度报警触发点（TH和TL寄存器），当测得的温度超出设定范围时，DS18B20会设置一个报警标志，并通过报警搜索命令被识别出来。

　　暂存器（Scratchpad）： 包含温度寄存器、高/低报警触发寄存器（TH/TL）、配置寄存器等。

　　EEPROM： 用于存储配置数据（TH/TL和分辨率设置），即使断电也能保存。

　　64位ROM序列码： 唯一的硬件地址，用于区分总线上的多个DS18B20。2.3 辅助元器件

　　2.3.1 上拉电阻

　　选型推荐： 4.7kΩ ~ 10kΩ 精密电阻。 通常选择4.7kΩ。

　　作用： DS18B20的单总线协议是一个开漏（Open-Drain）总线结构。这意味着DS18B20或微控制器只能将DQ线拉低（输出逻辑0），而不能主动拉高（输出逻辑1）。当DQ线空闲时，或者需要传输逻辑1时，必须依靠外部的上拉电阻将总线拉高到VCC电平。

　　选择理由：

　　协议要求： DS18B20数据手册明确指出需要一个上拉电阻。

　　保证逻辑高电平： 没有上拉电阻，DQ线将无法达到VCC电平，导致通信错误。

　　平衡上升/下降时间： 电阻值过大会导致上升时间过长，影响通信速度和可靠性；电阻值过小会增加功耗，并可能对DS18B20的开漏输出电流能力造成过大负担。4.7kΩ是经过验证的典型值，能在确保可靠通信的同时保持较低功耗。对于长距离传输或多点连接，可能需要适当减小电阻值或增加有源上拉电路。

　　功能：

　　当总线空闲时，通过电阻将DQ线拉高至逻辑高电平。

　　当DS18B20或STM32释放总线（停止拉低）时，迅速将DQ线拉高。

　　为DS18B20提供寄生电源模式下的充电电流。2.3.2 滤波电容

　　选型推荐： 100nF（0.1μF）陶瓷电容，并联在DS18B20的VCC和GND之间。对于更长的引线或噪声较大的环境，可以在电源入口增加一个10μF或47μF的电解电容。

　　作用： 滤波电容用于滤除电源线上的高频噪声，提供稳定的电源，以及在DS18B20进行内部操作（如温度转换）时提供瞬时电流。

　　选择理由：

　　去耦： 微控制器和传感器在工作时会产生瞬态电流需求，导致电源线上的电压波动。100nF陶瓷电容具有低ESR（等效串联电阻）和良好的高频特性，能有效地进行高频去耦，保证VCC的稳定性。

　　抗干扰： 减少外部电磁干扰（EMI）对DS18B20电源的冲击，提高测量的准确性和通信的稳定性。

　　寄生电源模式下的储能： 在寄生电源模式下，DS18B20在温度转换期间会消耗较大的电流。这个电容可以作为能量储存器，在DQ线被拉低时，为DS18B20提供所需的瞬时能量。

　　功能：

　　旁路高频噪声。

　　提供稳定的电源，确保DS18B20内部电路的正常工作。

　　在电流高峰时为DS18B20提供瞬时能量，防止电源跌落。2.3.3 排针/排母

　　选型推荐： 2.54mm间距的直插或弯角排针/排母。

　　作用： 提供便捷的硬件连接接口，便于DS18B20模块与STM32开发板之间的插拔连接，也方便进行调试和测试。

　　选择理由：

　　标准化： 2.54mm（0.1英寸）是电子元器件的常用间距，兼容性好。

　　易于连接： 方便使用杜邦线进行连接，或者直接插在面包板、洞洞板上进行原型开发。

　　灵活性： 方便更换DS18B20传感器或将模块集成到更大的系统中。

　　功能：

　　提供机械连接和电气连接。

　　方便调试和维护。

　　3. 硬件连接方案

　　DS18B20与STM32的硬件连接相对简单，主要涉及供电、地线和数据线（DQ）。

　　3.1 基本连接

　　VCC (电源): 连接到STM32开发板的3.3V或5V电源（DS18B20支持3.0V至5.5V供电）。为确保稳定，通常建议连接到5V，因为DS18B20手册规定在温度转换时需要较大的瞬间电流，5V电源可以提供更稳定的供电能力。

　　GND (地线): 连接到STM32开发板的GND。

　　DQ (数据线): 连接到STM32的任意一个通用GPIO口。例如，可以连接到PA1。

　　上拉电阻： 一个4.7kΩ的上拉电阻（Rpu）必须连接在DQ线和VCC之间。这是单总线协议的强制要求。

　　滤波电容： 一个100nF（0.1μF）的陶瓷电容并联在DS18B20的VCC和GND引脚之间，尽可能靠近DS18B20，用于电源去耦。3.2 连接示意图

　　+-----------------+           |     STM32       |           |                 |  DS18B20  |                 |  (TO-92/SOP8)  |                 |  -----------  |                 | |           | |                 | |    VCC----|------VCC (3.3V/5V) |           | |                 | |    GND----|------GND |           | |                 | |    DQ-----|------PA1 (GPIO) |           | |                 |  -----------  |                 |           |                 |           +-----------------+                  |                  | Rpu (4.7kΩ)                  |                 --- VCC                 ---                  |                 --- 100nF                 --- 电容                  |                 GND

　　说明：

　　图中DS18B20的VCC引脚接STM32的电源，GND接STM32的地。

　　DS18B20的DQ引脚通过一个4.7kΩ上拉电阻接到VCC，然后直接连接到STM32的某个GPIO引脚（例如PA1）。

　　100nF的滤波电容并联在DS18B20的VCC和GND引脚之间。3.3 多点连接

　　DS18B20的单总线特性允许在同一根DQ线上连接多个传感器。此时，每个DS18B20仍然需要自己的上拉电阻和滤波电容（虽然通常情况下，一个总线上的多个DS18B20可以共用一个主上拉电阻，但为每个传感器提供局部滤波电容仍然是好的实践）。STM32通过发送ROM指令（如跳过ROM、匹配ROM、搜索ROM）来与特定的DS18B20通信。

　　4. 单总线（One-Wire）通信协议解析

　　DS18B20的驱动核心在于理解并精确实现其单总线通信协议。该协议定义了一系列严格的时序要求，包括初始化、ROM指令和功能指令。所有通信都以最低有效位（LSB）优先传输。

　　4.1 单总线时序基础

　　单总线协议是主从协议，STM32作为主设备，DS18B20作为从设备。所有通信都由主设备发起。

　　4.1.1 协议信号概述

　　复位（Reset）和存在（Presence）脉冲： 这是每次通信开始的第一个时序。

　　主设备将DQ线拉低至少480微秒（us），然后释放（上拉电阻将其拉高）。

　　DS18B20检测到总线被拉低后，会等待15-60us，然后将DQ线拉低60-240us作为存在脉冲，表示其已准备好通信。

　　主设备在DS18B20释放总线后（即DQ线再次被上拉电阻拉高）15-60us内读取DQ线的状态。如果检测到低电平，则表示存在DS18B20。

　　写入时隙（Write Time Slot）： 主设备向从设备发送数据。每个写入时隙至少需要60us，并在120us内完成。

　　写入逻辑1： 主设备将DQ线拉低1-15us，然后释放总线（拉高）。

　　写入逻辑0： 主设备将DQ线拉低60-120us，然后释放总线（拉高）。

　　在每次写入时隙结束后，总线必须保持空闲至少1us。

　　读取时隙（Read Time Slot）： 主设备从从设备读取数据。每个读取时隙至少需要60us，并在120us内完成。

　　主设备将DQ线拉低1-15us，然后立即释放总线（拉高）。

　　主设备在拉低总线后15us内采样DQ线的状态。如果从设备要发送0，则DQ线将保持低电平；如果发送1，则DQ线将保持高电平。

　　在每次读取时隙结束后，总线必须保持空闲至少1us。4.2 ROM指令

　　ROM指令用于选择或识别总线上的DS18B20设备。

　　0x33 - READ ROM： (读取ROM码) 主机发出此命令后，DS18B20将自己的64位ROM码传输给主机。此命令只适用于总线上只有一个DS18B20的情况。

　　0xCC - SKIP ROM： (跳过ROM码) 主机发出此命令后，DS18B20直接执行后续的功能命令，不再等待ROM码匹配。适用于总线上只有一个DS18B20，或者你确定要与所有DS18B20通信。

　　0x55 - MATCH ROM： (匹配ROM码) 主机发出此命令后，需要接着发送一个64位的ROM码。总线上只有与该ROM码匹配的DS18B20才会响应后续的功能命令。用于多点测温时精确选择目标DS18B20。

　　0xF0 - SEARCH ROM： (搜索ROM码) 用于在多点测温系统中查找所有DS18B20的64位ROM码。这是一个复杂的过程，通常通过专门的算法实现。4.3 功能指令

　　功能指令用于控制DS18B20进行温度转换、读写暂存器等操作。在发送功能指令前，必须先发送ROM指令（通常是SKIP ROM或MATCH ROM）。

　　0x44 - CONVERT T： (启动温度转换) DS18B20开始进行温度转换。转换过程需要一定时间（取决于分辨率设置，最长750ms）。在转换期间，DQ线会保持低电平，转换完成后会拉高。

　　0xBE - READ SCRATCHPAD： (读取暂存器) 主机发出此命令后，DS18B20将其内部9字节的暂存器内容传输给主机。暂存器内容包括：

　　字节0和字节1：温度数据（LSB和MSB）。

　　字节2和字节3：TH（高温报警阈值）和TL（低温报警阈值）。

　　字节4：配置寄存器（分辨率设置）。

　　字节5、字节6、字节7：保留。

　　字节8：CRC校验码（对前8个字节的CRC校验）。

　　0x4E - WRITE SCRATCHPAD： (写入暂存器) 主机发出此命令后，需要接着发送TH、TL和配置寄存器三个字节的数据。

　　0x48 - COPY SCRATCHPAD： (复制暂存器) 将暂存器中的TH、TL和配置寄存器数据复制到EEPROM中，断电后仍然保存。

　　0xB8 - RECALL E2： (召回EEPROM数据) 将EEPROM中存储的TH、TL和配置寄存器数据召回到暂存器中。通常在DS18B20上电后自动执行，但也可以手动触发。

　　0xEC - READ POWER SUPPLY： (读取电源供电模式) DS18B20会返回其当前的供电模式（外部供电或寄生供电）。4.4 温度数据解析

　　DS18B20输出的温度数据是2字节（16位）补码形式。其中，低字节包含温度的低8位，高字节包含温度的高8位。

　　数据格式：

　　S Sign (符号位，1为负，0为正)

　　MSB (最高有效位)

　　LSB (最低有效位)例如，当分辨率为12位时，数据格式如下：

　　Bit 15Bit 14Bit 13Bit 12Bit 11Bit 10Bit 9Bit 8Bit 7Bit 6Bit 5Bit 4Bit 3Bit 2Bit 1Bit 0

　　SSSSSSSST7T6T5T4T3T2T1T0

　　导出到 Google 表格

　　其中，Bit 0 到 Bit 7 是温度的低8位，Bit 8 到 Bit 10 是温度的高3位（12位分辨率），Bit 11 到 Bit 15 是符号位。

　　转换为摄氏度：读取到16位数据后，需要进行符号扩展和除以对应的权重。

　　对于正温度：直接将16位数据乘以对应分辨率的权重。

　　12位分辨率：1/16=0.0625 (circtextC/count)

　　11位分辨率：1/8=0.125 (circtextC/count)

　　10位分辨率：1/4=0.25 (circtextC/count)

　　9位分辨率：1/2=0.5 (circtextC/count)

　　对于负温度：先取反加1（补码转换），然后乘以权重，结果为负值。示例（12位分辨率）：假设读取到数据为0x0191 (二进制 0000 0001 1001 0001) 这是正数，直接换算：0x0191=401 (十进制) 温度 = 401times0.0625=25.0625 (circtextC)

　　假设读取到数据为0xFE6F (二进制 1111 1110 0110 1111) 这是一个负数（最高位为1）。 取反：0000 0001 1001 0000加1：0000 0001 1001 0001 (十进制 401) 温度 = −401times0.0625=−25.0625 (circtextC)

　　5. 软件驱动设计与实现

　　软件驱动是实现DS18B20功能的关键。本节将详细介绍基于STM32HAL库的软件驱动设计，包括GPIO配置、延时函数、单总线基本操作（复位、读写位/字节）以及DS18B20高级功能实现。

　　5.1 开发环境与库选择

　　开发环境： Keil MDK-ARM或STM32CubeIDE。推荐使用STM32CubeIDE，它集成了STM32CubeMX，方便进行图形化配置。

　　库选择： STM32HAL库。 HAL库是ST官方推荐的高级抽象层库，提供了简单易用的API，可以快速开发。虽然LL库（Low-Layer）能提供更精细的控制和更高的效率，但对于DS18B20这种对时序精度要求高，但数据量不大的应用，HAL库的性能也足够。5.2 GPIO配置

　　DS18B20的DQ线是双向的，既可以作为输出（主设备拉低DQ线），也可以作为输入（主设备读取DQ线）。因此，STM32的GPIO需要频繁地在输出和输入模式之间切换。

　　C

　　// 定义DS18B20连接的GPIO端口和引脚#define DS18B20_PORT    GPIOA#define DS18B20_PIN     GPIO_PIN_1// 设置DQ线为输出模式 (推挽输出)void DS18B20_SetPinOutput(void){    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};    GPIO_InitStruct.Pin = DS18B20_PIN;    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 推挽输出    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;          // 无上拉/下拉，依靠外部4.7kΩ上拉电阻    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 高速模式    HAL_GPIO_Init(DS18B20_PORT, &GPIO_InitStruct);}// 设置DQ线为输入模式 (浮空输入)void DS18B20_SetPinInput(void){    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};    GPIO_InitStruct.Pin = DS18B20_PIN;    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;     // 浮空输入    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;          // 无上拉/下拉，外部已有上拉    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 高速模式    HAL_GPIO_Init(DS18B20_PORT, &GPIO_InitStruct);}// 拉低DQ线#define DS18B20_DQ_LOW()    HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_RESET)// 拉高DQ线 (实际上是释放，依靠上拉电阻拉高)#define DS18B20_DQ_HIGH()   HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_SET)// 读取DQ线状态#define DS18B20_DQ_READ()   HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN)

　　GPIO模式选择的说明：

　　输出模式： 必须配置为推挽输出（GPIO_MODE_OUTPUT_PP）。虽然DS18B20是开漏设备，但STM32的GPIO在推挽模式下既可以输出高电平也可以输出低电平。当需要拉低总线时，输出低电平；当需要释放总线时，输出高电平，但实际上DQ线是通过外部上拉电阻拉高的，所以即使STM32的输出高电平能力与DS18B20的开漏特性不完全匹配，只要我们配合外部上拉电阻，并确保在需要DS18B20响应时STM32释放DQ线（即配置为输入或输出高电平），就能正常工作。

　　输入模式： 必须配置为浮空输入（GPIO_MODE_INPUT）。这是因为DQ线需要由DS18B20或外部上拉电阻来控制高低电平，STM32只需被动读取其状态。如果配置为上拉/下拉输入，可能会干扰总线上的电平。

　　速度： 配置为高速（GPIO_SPEED_FREQ_HIGH），以确保GPIO电平切换足够快，满足DS18B20的严格时序要求。5.3 精确延时函数

　　DS18B20通信对延时精度要求很高，HAL库的HAL_Delay()函数基于系统时钟节拍（毫秒级），不适合微秒级延时。需要编写一个基于CPU空转或DWT（Data Watchpoint and Trace Unit）的微秒级延时函数。

　　方法一：基于DWT_CYCCNT寄存器的微秒延时（推荐，精度高）

　　DWT_CYCCNT是ARM Cortex-M内核自带的一个32位周期计数器，每过一个CPU时钟周期就会加1，因此可以实现非常精确的微秒甚至纳秒级延时。

　　C

　　// 在core_cmInstr.h中定义了DWT相关寄存器// 需要在主函数或初始化函数中启用DWT// DWT_Delay_Init() 函数void DWT_Delay_Init(void){    CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk; // 使能DWT    DWT->LAR = 0xC5ACCE55;                          // 解锁DWT    DWT->CYCCNT = 0;                                // 清零计数器    DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;            // 使能计数器}// 微秒延时函数void DWT_Delay_us(uint32_t us){    uint32_t start_tick = DWT->CYCCNT;    uint32_t delay_ticks = us * (SystemCoreClock / 1000000); // 1us对应的时钟周期数    while ((DWT->CYCCNT - start_tick) < delay_ticks);}

　　注意： SystemCoreClock 变量通常由STM32CubeMX生成，表示CPU主频。使用DWT延时需要在CubeMX中配置调试接口为Trace模式。

　　方法二：基于__nop()的软件延时（精度较差，不推荐用于精确时序）

　　这种方法通过执行空指令来消耗CPU周期，但精度受编译器优化、CPU缓存、中断等因素影响。

　　C

　　// 伪代码，实际延时需要根据CPU主频和指令周期数进行调整// 不推荐用于DS18B20这类需要精确时序的场景void delay_us(uint32_t us){    for (volatile uint32_t i = 0; i < us * (SystemCoreClock / 1000000 / NOP_PER_US); i++)    {        __nop(); // 执行空操作    }}

　　5.4 单总线基本操作实现

　　基于前面定义的GPIO操作和延时函数，可以实现单总线协议中的复位、写位和读位。

　　5.4.1 单总线初始化（复位与存在脉冲）

　　C

　　// DS18B20复位函数，返回1表示复位成功，0表示DS18B20不存在uint8_t DS18B20_Reset(void){    uint8_t presence = 0;    DS18B20_SetPinOutput(); // 设置为输出模式    DS18B20_DQ_LOW();       // 拉低DQ线    DWT_Delay_us(480);      // 保持低电平至少480us (复位脉冲)    DS18B20_DQ_HIGH();      // 释放DQ线 (上拉电阻拉高)    DWT_Delay_us(70);       // 等待DS18B20响应 (15-60us等待，这里取70us确保DS18B20开始响应)    DS18B20_SetPinInput();  // 设置为输入模式，读取存在脉冲    if (DS18B20_DQ_READ() == GPIO_PIN_RESET) // 检测到低电平，表示DS18B20存在    {        presence = 1;    }    DWT_Delay_us(410);      // 等待存在脉冲结束 (DS18B20将DQ拉低60-240us，然后释放，这里等待410us确保其完全释放)    return presence;}

　　5.4.2 写入一个位（Write Bit）

　　C

　　// DS18B20写入一个位void DS18B20_WriteBit(uint8_t bit){    DS18B20_SetPinOutput(); // 设置为输出模式    if (bit == 1) // 写入逻辑1    {        DS18B20_DQ_LOW();   // 拉低DQ线        DWT_Delay_us(5);    // 保持低电平1-15us (这里取5us)        DS18B20_DQ_HIGH();  // 释放DQ线        DWT_Delay_us(65);   // 等待时隙结束 (至少60us，这里取65us)    }    else // 写入逻辑0    {        DS18B20_DQ_LOW();   // 拉低DQ线        DWT_Delay_us(65);   // 保持低电平60-120us (这里取65us)        DS18B20_DQ_HIGH();  // 释放DQ线        DWT_Delay_us(5);    // 等待时隙结束 (确保总线空闲)    }}

　　5.4.3 读取一个位（Read Bit）

　　C

　　// DS18B20读取一个位，返回0或1uint8_t DS18B20_ReadBit(void){    uint8_t bit = 0;    DS18B20_SetPinOutput(); // 设置为输出模式    DS18B20_DQ_LOW();       // 拉低DQ线    DWT_Delay_us(5);        // 保持低电平1-15us (这里取5us)    DS18B20_DQ_HIGH();      // 释放DQ线 (准备采样)    DS18B20_SetPinInput();  // 设置为输入模式，读取DQ线    DWT_Delay_us(10);       // 等待15us采样窗口的中间点 (5us拉低 + 10us等待 = 15us)    if (DS18B20_DQ_READ() == GPIO_PIN_SET) // 采样DQ线    {        bit = 1;    }    DWT_Delay_us(50);       // 等待读取时隙结束 (总共60us，已经用了15us，再等50us)    return bit;}

　　5.4.4 写入一个字节（Write Byte）

　　C

　　// DS18B20写入一个字节void DS18B20_WriteByte(uint8_t data){    for (int i = 0; i < 8; i++)    {        DS18B20_WriteBit(data & 0x01); // 从最低位开始写入        data >>= 1;    }}

　　5.4.5 读取一个字节（Read Byte）

　　C

　　// DS18B20读取一个字节uint8_t DS18B20_ReadByte(void){    uint8_t data = 0;    for (int i = 0; i < 8; i++)    {        data >>= 1; // 每次读取一位，数据左移，低位进来        if (DS18B20_ReadBit())        {            data |= 0x80; // 将读取到的位放到最高位（因为每次右移，最高位会被挤掉，所以需要反向操作）        }    }    return data;}

　　修正： DS18B20_ReadByte 的逻辑，由于DS18B20通信是LSB优先，读取时应该从最低位开始组装字节。

　　C

　　// DS18B20读取一个字节 (LSB优先)uint8_t DS18B20_ReadByte(void){    uint8_t data = 0;    for (int i = 0; i < 8; i++)    {        // 每次读取一位，然后将该位放到字节的正确位置        if (DS18B20_ReadBit())        {            data |= (0x01 << i); // 将读取到的位放到对应位置        }    }    return data;}

　　5.5 DS18B20高级功能实现

　　结合上述基本操作，可以实现DS18B20的温度读取等功能。

　　5.5.1 获取温度函数

　　C

　　// 读取DS18B20温度函数float DS18B20_GetTemp(void){    uint8_t temp_H, temp_L;    int16_t raw_temp;    float temp_C;    if (DS18B20_Reset() == 0) // 复位失败，DS18B20可能不存在或通信异常    {        return -200.0; // 返回一个特殊值表示错误    }    DS18B20_WriteByte(0xCC); // 跳过ROM命令 (适用于单DS18B20)    DS18B20_WriteByte(0x44); // 启动温度转换    // 等待温度转换完成    // 可以通过读取DQ线，等待其变为高电平（非寄生供电模式）    // 或者直接延时750ms（12位分辨率最长转换时间）    // 推荐使用DWT_Delay_us(750000); 等待    // 更稳妥的方式是轮询DQ线，直到它变为高电平    while(DS18B20_ReadBit() == 0) // 等待DQ线变为高电平 (转换完成)    {        // 可以加入超时机制防止死循环        // HAL_Delay(1); // 每次等待1ms        // count++;        // if(count > 1000) break; // 超时    }        // 或者直接使用固定延时（简单但可能不准确）    DWT_Delay_us(750000); // 12位分辨率最长转换时间    if (DS18B20_Reset() == 0) // 再次复位，准备读取数据    {        return -200.0;    }    DS18B20_WriteByte(0xCC); // 跳过ROM命令    DS18B20_WriteByte(0xBE); // 读取暂存器命令    temp_L = DS18B20_ReadByte(); // 读取温度低字节    temp_H = DS18B20_ReadByte(); // 读取温度高字节    // 组合成16位原始温度值    raw_temp = (temp_H << 8) | temp_L;    // 转换为摄氏度（假设12位分辨率）    temp_C = (float)raw_temp * 0.0625f; // 12位分辨率，每位0.0625℃    // 这里可以进一步读取CRC校验字节，进行数据校验，提高可靠性    // uint8_t crc = DS18B20_ReadByte();    return temp_C;}

　　5.5.2 设置DS18B20分辨率（可选）

　　DS18B20允许设置9-12位的分辨率。

　　C

　　// 设置DS18B20分辨率函数// resolution: 9, 10, 11, 12uint8_t DS18B20_SetResolution(uint8_t resolution){    uint8_t config_reg = 0; // 配置寄存器值    if (DS18B20_Reset() == 0)    {        return 0; // 失败    }    // 读取当前暂存器内容，保留TH和TL，只修改配置寄存器    DS18B20_WriteByte(0xCC); // SKIP ROM    DS18B20_WriteByte(0xBE); // READ SCRATCHPAD    // 丢弃前两个字节的温度数据 (这里我们不读取，因为我们只关心配置寄存器)    DS18B20_ReadByte(); // temp_L    DS18B20_ReadByte(); // temp_H    uint8_t TH = DS18B20_ReadByte(); // TH    uint8_t TL = DS18B20_ReadByte(); // TL    config_reg = DS18B20_ReadByte(); // 配置寄存器    // 根据分辨率设置配置寄存器    switch (resolution)    {        case 9:            config_reg &= 0x7F; // R1=0, R0=0 -> 9位            break;        case 10:            config_reg &= 0x9F; // R1=0, R0=1 -> 10位            config_reg |= 0x20;            break;        case 11:            config_reg &= 0xBF; // R1=1, R0=0 -> 11位            config_reg |= 0x40;            break;        case 12:            config_reg |= 0x60; // R1=1, R0=1 -> 12位            break;        default:            return 0; // 无效分辨率    }    if (DS18B20_Reset() == 0)    {        return 0; // 失败    }    DS18B20_WriteByte(0xCC); // SKIP ROM    DS18B20_WriteByte(0x4E); // WRITE SCRATCHPAD    DS18B20_WriteByte(TH);          // 写入TH    DS18B20_WriteByte(TL);          // 写入TL    DS18B20_WriteByte(config_reg);  // 写入配置寄存器    if (DS18B20_Reset() == 0) // 复位，准备复制到EEPROM    {        return 0; // 失败    }    DS18B20_WriteByte(0xCC); // SKIP ROM    DS18B20_WriteByte(0x48); // COPY SCRATCHPAD (保存到EEPROM)    HAL_Delay(10); // 等待复制完成，大约10ms    return 1; // 成功}

　　5.6 CRC校验（提高数据可靠性）

　　DS18B20的暂存器读取包含一个8位的CRC校验码。在读取数据后计算CRC并与读取到的CRC校验码进行比对，可以有效检测通信过程中是否发生错误，提高数据可靠性。

　　实现CRC校验需要一个CRC8算法。DS18B20使用的是Dallas Semiconductor的CRC8算法。

　　5.7 多点DS18B20驱动（ROM搜索）

　　如果需要连接多个DS18B20，则需要实现ROM搜索算法。ROM搜索是一个迭代过程，通过发送0xF0 SEARCH ROM指令，DS18B20会返回其ROM码中的冲突位，主机根据冲突位来遍历所有可能的ROM码，最终找到总线上所有DS18B20的唯一ID。这个算法相对复杂，需要维护一个搜索状态变量和ROM地址数组。

　　大致步骤：

　　发送复位和存在脉冲。

　　发送SEARCH ROM (0xF0) 命令。

　　循环8次（每个字节）或64次（每个位）： a.  读取两位（DS18B20返回的“0”和“1”的冲突信息）。 b.  根据冲突信息和上一次搜索路径，决定发送“0”或“1”以解决冲突。 c.  记录当前路径的ROM码。

　　重复直到所有ROM码被发现。由于篇幅限制，这里不提供完整的ROM搜索算法代码，但这是实现多点DS18B20测量的基础。

　　6. 软件流程图与主程序设计

　　一个典型的DS18B20温度采集主程序流程如下：

　　6.1 主程序流程图

　　代码段

graph TD    A[系统初始化：时钟、GPIO、DWT等] --> B{DS18B20复位成功?}    B -- 否 --> C[报错：传感器不存在或通信异常]    B -- 是 --> D[发送SKIP ROM命令 (0xCC)]    D --> E[发送CONVERT T命令 (0x44)]    E --> F[等待温度转换完成 (约750ms或轮询DQ线)]    F --> G{DS18B20再次复位成功?}    G -- 否 --> C    G -- 是 --> H[发送SKIP ROM命令 (0xCC)]    H --> I[发送READ SCRATCHPAD命令 (0xBE)]    I --> J[读取9字节暂存器数据 (包括温度高低字节和CRC)]    J --> K[进行CRC校验]    K -- 校验失败 --> C    K -- 校验成功 --> L[解析温度数据]    L --> M[将温度数据通过串口/LCD等方式显示/发送]    M --> N[延时一段时间 (例如1秒) ]    N --> D

　　6.2 主程序代码骨架

#include "main.h"

#include "stm32f1xx_hal.h" // 根据实际MCU系列选择

#include "ds18b20.h"       // 包含DS18B20驱动头文件

#include <stdio.h>         // 用于printf输出

// 定义串口句柄，用于调试输出

extern UART_HandleTypeDef huart1; // 假设使用UART1

void SystemClock_Config(void); // 系统时钟配置函数

static void MX_GPIO_Init(void); // GPIO初始化函数

static void MX_USART1_UART_Init(void); // 串口初始化函数

int main(void)

{

    HAL_Init();

    SystemClock_Config();

    MX_GPIO_Init();

    MX_USART1_UART_Init();

    DWT_Delay_Init(); // 初始化DWT用于微秒延时

    float temperature = 0.0f;

    char temp_str[30];

    // 可选：设置DS18B20分辨率为12位

    // DS18B20_SetResolution(12); // 如果需要设置，请在循环外执行一次

    while (1)

    {

        temperature = DS18B20_GetTemp_WithCRC(); // 获取温度 (带CRC校验)

        if (temperature > -100.0f) // 假设-200.0或-201.0是错误码

        {

            sprintf(temp_str, "Temperature: %.2f C ", temperature);

        }

        else if (temperature == -200.0f)

        {

            sprintf(temp_str, "DS18B20 Not Found or Reset Failed! ");

        }

        else if (temperature == -201.0f)

        {

            sprintf(temp_str, "DS18B20 CRC Error! Data Corrupted! ");

        }

        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)temp_str, strlen(temp_str), 100);

        HAL_Delay(1000); // 1秒更新一次

    }

}

// 示例：SystemClock_Config, MX_GPIO_Init, MX_USART1_UART_Init 由STM32CubeMX生成

// 

　　7. 调试与注意事项

　　在DS18B20驱动设计与实现过程中，可能会遇到一些问题。理解并解决这些问题是确保系统稳定运行的关键。

　　7.1 常见问题与解决方案

　　DS18B20复位失败（无存在脉冲）：

　　检查硬件连接： 确保VCC、GND、DQ线连接正确，特别是4.7kΩ上拉电阻是否正确连接且阻值合适。

　　检查供电： 确保DS18B20供电电压在3.0V-5.5V之间，且供电稳定。尝试使用独立供电而不是寄生电源模式。

　　检查GPIO配置： 确保STM32的GPIO设置为正确的输出/输入模式，并且在释放总线时能正确变为输入或高电平输出。

　　检查延时函数： DS18B20时序对延时精度要求很高。确保微秒延时函数（DWT_Delay_us）工作正常且准确。示波器是调试时序的利器。

　　DS18B20损坏： 少数情况下传感器本身可能损坏。尝试更换一个DS18B20。读取温度数据异常（始终为85℃或0℃）：

　　检查READ SCRATCHPAD (0xBE) 命令是否正确发送。

　　检查DS18B20_ReadByte()函数，确保数据位能正确地被STM32读取。使用示波器观察DQ线的数据波形。

　　检查温度数据解析算法，特别是负数的补码转换和浮点数转换。检查CONVERT T (0x44) 命令是否正确发送。

　　确保在发送完CONVERT T命令后有足够的等待时间（12位分辨率需要750ms）让DS18B20完成转换。85℃： DS18B20在上电或复位后的默认温度值是85℃。如果一直读到这个值，说明温度转换没有成功启动或者数据读取有问题。

　　0℃： 可能是在读取数据时，接收到的都是0，或者数据解析错误。多点测温时无法识别所有传感器：

　　ROM搜索算法问题： ROM搜索算法比较复杂，任何一个细节错误都可能导致部分或全部传感器无法被发现。仔细对照DS18B20数据手册中的SEARCH ROM流程。

　　总线负载过大： 当连接的DS18B20数量过多或DQ线过长时，总线的容性负载会增加，导致信号上升沿变慢。此时可能需要减小上拉电阻的阻值（例如2.2kΩ），或者增加有源上拉电路（如使用一个MOSFET）。CRC校验失败：

　　通信不稳定： 检查电源稳定性，确保没有大的噪声干扰。

　　时序问题： 再次检查所有时序延时是否严格符合DS18B20数据手册要求。任何微小的时序偏差都可能导致数据传输错误。

　　CRC算法实现错误： 仔细核对CRC8算法是否严格按照Dallas Semiconductor的规范实现。7.2 调试工具

　　示波器： 这是调试单总线通信必不可少的工具。通过示波器可以直观地观察DQ线的波形，判断复位脉冲、存在脉冲、写入时隙和读取时隙的时序是否符合要求，以及数据位的电平是否正确。特别注意信号的上升沿和下降沿。

　　逻辑分析仪： 如果没有示波器，或者需要同时观察多路信号，逻辑分析仪也是一个很好的选择。它可以捕捉数字信号，并解析出协议内容，方便分析通信数据。

　　串口调试助手： 用于接收STM32发送的温度数据和调试信息，验证程序逻辑是否正确。

　　STM32在线调试器（ST-Link/J-Link）： 用于程序的烧录、单步调试、变量观察，是定位软件逻辑错误的必备工具。7.3 功耗优化（可选）

　　在某些对功耗有严格要求的应用中，可以考虑以下优化：

　　降低DS18B20的采样频率： DS18B20在进行温度转换时功耗最高。减少温度读取的频率可以显著降低系统平均功耗。

　　STM32进入低功耗模式： 在等待DS18B20转换完成的长时间延时期间，可以将STM32进入停止模式（Stop Mode）或待机模式（Standby Mode），然后通过定时器或外部中断唤醒。

　　控制DS18B20的供电： 在极端低功耗场景下，可以通过一个GPIO控制MOSFET来切换DS18B20的VCC供电，只在需要测量时上电。

　　8. 总结与展望

　　本设计方案详细阐述了基于STM32微控制器驱动DS18B20温度传感器的全过程，从核心元器件选型、硬件连接、单总线通信协议解析到软件驱动的详细实现，并提供了关键代码片段。通过精确的GPIO控制、严格的时序延时以及完善的CRC校验，可以构建一个稳定、高精度的温度采集系统。

　　DS18B20因其独特的单总线特性和优秀的性能，在众多应用中仍占有一席之地。未来，在此基础上可以进一步扩展，例如：

　　多点温度网络： 实现复杂的ROM搜索算法，构建多达上百个DS18B20的温度传感器网络。

　　数据存储与显示： 将温度数据存储到EEPROM或SD卡中，并通过LCD、OLED显示屏进行实时显示。

　　无线传输： 集成Wi-Fi（ESP8266/ESP32）、蓝牙或LoRa模块，将温度数据上传至云平台或远程监控。

　　温度控制： 根据采集到的温度数据，通过PID算法或其他控制策略，控制风扇、加热器等执行机构，实现智能温度控制。

　　更高级的软件架构： 引入实时操作系统（RTOS），将DS18B20驱动封装为独立的任务，提高系统的并发性和可维护性。掌握DS18B20的驱动不仅是温度采集的基础，更是深入理解单总线通信协议和嵌入式系统时序控制的绝佳实践。希望本设计方案能为您的开发工作提供全面而有价值的参考。