news 2026/2/10 14:54:40

从零到一：手把手教你用STM32和DS18B20打造智能温度监控系统

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张小明

前端开发工程师

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从零到一：手把手教你用STM32和DS18B20打造智能温度监控系统

从零到一：手把手教你用STM32和DS18B20打造智能温度监控系统

在物联网和智能家居快速发展的今天，温度监控系统已成为许多应用场景的基础需求。无论是温室大棚的精准控温，还是实验室的环境监测，一个稳定可靠的温度监控系统都能大幅提升工作效率和安全性。本文将带你从零开始，使用STM32单片机和DS18B20温度传感器，构建一个功能完善的智能温度监控系统。

1. 硬件选型与系统架构设计

1.1 核心组件选择

构建温度监控系统的第一步是选择合适的硬件组件。我们需要考虑以下几个关键因素：

  • 主控芯片：STM32F103C8T6

    • 32位ARM Cortex-M3内核，72MHz主频
    • 64KB Flash，20KB SRAM
    • 丰富的外设接口（USART、SPI、I2C等）
    • 低功耗设计，3.3V工作电压

  • 温度传感器：DS18B20

    • 数字输出，精度±0.5°C（-10°C至+85°C）
    • 测量范围：-55°C至+125°C
    • 单总线接口，简化布线
    • 可编程分辨率（9-12位）

  • 显示模块：4位共阳数码管

    • 高亮度，可视角度大
    • 驱动简单，成本低廉
    • 适合显示温度数值

1.2 系统架构设计

整个系统采用模块化设计，各功能模块通过主控芯片协调工作：

[电源模块] → [STM32主控] ←→ [DS18B20传感器] ↓ [数码管显示] ↓ [报警指示灯] ↓ [按键输入]

系统工作流程：

  1. DS18B20采集环境温度数据
  2. STM32处理温度数据并显示
  3. 用户通过按键设置温度阈值
  4. 系统比较当前温度与阈值，触发报警

2. 硬件电路设计与实现

2.1 STM32最小系统搭建

STM32最小系统是项目的基础，包含以下关键电路：

电源电路：

// 使用AMS1117-3.3稳压芯片 // 输入：5V USB电源 // 输出：3.3V稳定电压

复位电路：

// 10kΩ上拉电阻 + 100nF电容 // 提供上电复位和手动复位功能

时钟电路：

// 8MHz外部晶振 + 两个22pF负载电容 // 32.768kHz RTC晶振（可选）

调试接口：

// SWD四线调试接口 // VCC, GND, SWDIO, SWCLK

2.2 DS18B20接口设计

DS18B20采用单总线协议，硬件连接非常简单：

DS18B20引脚说明： 1. GND - 接地 2. DQ - 数据线（接STM32 GPIO） 3. VDD - 电源（3.3V）

推荐电路设计：

  • 数据线接4.7kΩ上拉电阻
  • 采用外部供电模式（非寄生供电）
  • 数据线连接STM32任意GPIO（如PB5）

注意：长距离传输时，建议使用双绞线并增加屏蔽措施，以提高抗干扰能力。

2.3 数码管驱动电路

4位共阳数码管需要驱动电路提供足够电流：

数码管驱动方案： 1. 使用74HC595移位寄存器 - 节省IO口资源 - 支持级联扩展 2. 使用三极管阵列（如ULN2003） - 驱动能力强 - 电路简单

推荐电路参数：

  • 段选限流电阻：220Ω
  • 位选三极管：S8050（NPN）
  • 刷新频率：≥100Hz（避免闪烁）

3. 软件设计与实现

3.1 开发环境配置

使用Keil MDK进行开发，需要以下准备工作：

  1. 安装Keil MDK-ARM
  2. 安装STM32F1xx Device Family Pack
  3. 配置工程选项：
    • Target: STM32F103C8
    • Use MicroLIB: Enabled
    • Optimize: Level 2 (-O2)

3.2 DS18B20驱动开发

DS18B20的通信基于严格的时序要求，以下是关键函数实现：

初始化函数：

uint8_t DS18B20_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; // 配置GPIO为开漏输出 GPIO_InitStruct.Pin = DS18B20_PIN; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; HAL_GPIO_Init(DS18B20_PORT, &GPIO_InitStruct); // 复位脉冲 HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_RESET); delay_us(480); HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_SET); // 等待应答信号 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; HAL_GPIO_Init(DS18B20_PORT, &GPIO_InitStruct); delay_us(60); uint8_t ret = HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN); delay_us(420); return (ret == 0); // 0表示初始化成功 }

温度读取流程：

  1. 发送复位脉冲
  2. 发送跳过ROM命令（0xCC）
  3. 发送温度转换命令（0x44）
  4. 等待转换完成（750ms for 12-bit）
  5. 发送复位脉冲
  6. 发送跳过ROM命令（0xCC）
  7. 发送读取暂存器命令（0xBE）
  8. 读取两个字节的温度数据

3.3 数码管显示驱动

采用动态扫描方式驱动数码管，关键代码如下：

// 数码管段码表（共阳） const uint8_t SEGMENT_CODE[] = { 0xC0, // 0 0xF9, // 1 0xA4, // 2 0xB0, // 3 0x99, // 4 0x92, // 5 0x82, // 6 0xF8, // 7 0x80, // 8 0x90 // 9 }; void Display_Temperature(float temp) { uint8_t digits[4]; int16_t temp_int = (int16_t)(temp * 10); // 保留1位小数 // 温度分解 digits[0] = (temp_int / 100) % 10; // 十位 digits[1] = (temp_int / 10) % 10; // 个位 digits[2] = temp_int % 10; // 小数位 digits[3] = 10; // 空（不显示） // 动态扫描显示 for(uint8_t i = 0; i < 4; i++) { HAL_GPIO_WritePin(DIGIT_PORT, DIGIT_PINS[i], GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(SEGMENT_PORT, 0xFF, GPIO_PIN_SET); // 消隐 if(i == 2) { // 显示小数点 Send_Data(SEGMENT_CODE[digits[i]] & 0x7F); } else { Send_Data(SEGMENT_CODE[digits[i]]); } HAL_Delay(2); HAL_GPIO_WritePin(DIGIT_PORT, DIGIT_PINS[i], GPIO_PIN_SET); } }

3.4 报警功能实现

温度报警功能通过比较当前温度与预设阈值实现：

void Check_Temperature_Alert(float current_temp) { static uint8_t alert_state = 0; static uint32_t last_toggle = 0; if(current_temp > temp_high_threshold || current_temp < temp_low_threshold) { // 报警状态 if(HAL_GetTick() - last_toggle > 500) { alert_state = !alert_state; HAL_GPIO_WritePin(LED_PORT, LED_PIN, alert_state ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); last_toggle = HAL_GetTick(); } } else { // 正常状态 HAL_GPIO_WritePin(LED_PORT, LED_PIN, GPIO_PIN_RESET); } }

4. 系统优化与调试技巧

4.1 常见问题解决方案

DS18B20无响应：

  1. 检查硬件连接是否正确
  2. 确保上拉电阻（4.7kΩ）已连接
  3. 验证时序是否符合规格书要求
  4. 尝试降低通信速度

温度读数不稳定：

  1. 增加软件滤波算法（如滑动平均）
  2. 检查电源稳定性
  3. 避免传感器靠近热源
  4. 确保传感器与导线连接可靠

数码管显示暗淡或有鬼影：

  1. 调整限流电阻值（通常220Ω-1kΩ）
  2. 优化扫描频率（建议100-200Hz）
  3. 增加消隐时间
  4. 检查三极管驱动能力

4.2 系统优化建议

电源管理优化：

  • 添加0.1μF去耦电容靠近芯片电源引脚
  • 对于电池供电应用，启用STM32低功耗模式
  • 在不读取温度时，将DS18B20置于待机模式

软件架构优化：

// 采用状态机设计模式 typedef enum { STATE_IDLE, STATE_START_CONVERSION, STATE_WAIT_CONVERSION, STATE_READ_TEMP, STATE_DISPLAY } SystemState; void System_Run(void) { static SystemState state = STATE_IDLE; static uint32_t timer = 0; switch(state) { case STATE_IDLE: if(HAL_GetTick() - timer > 1000) { state = STATE_START_CONVERSION; } break; case STATE_START_CONVERSION: DS18B20_StartConversion(); state = STATE_WAIT_CONVERSION; timer = HAL_GetTick(); break; // 其他状态处理... } }

扩展功能考虑：

  1. 添加无线传输模块（如ESP8266）实现远程监控
  2. 增加数据记录功能，存储历史温度数据
  3. 实现多路温度监测（多个DS18B20并联）
  4. 开发上位机软件，可视化温度曲线

5. 项目进阶与扩展应用

5.1 多传感器网络实现

DS18B20支持单总线上挂载多个设备，每个传感器有唯一的64位ROM编码。实现多路温度监测的关键步骤：

  1. 搜索总线上的所有设备ROM编码
  2. 依次对每个设备发起温度转换
  3. 读取各设备的温度数据

示例代码片段：

void DS18B20_SearchRom(uint8_t *rom_codes, uint8_t *dev_count) { uint8_t last_discrepancy = 0; uint8_t rom_no[8]; *dev_count = 0; while(DS18B20_Search(&last_discrepancy, rom_no)) { memcpy(&rom_codes[*dev_count * 8], rom_no, 8); (*dev_count)++; if(*dev_count >= MAX_DEVICES) break; } }

5.2 物联网集成方案

将温度监控系统接入物联网平台，实现远程监控：

硬件扩展：

  • 添加ESP8266 WiFi模块
  • 或使用STM32+SIM800C GSM方案

数据协议：

{ "device_id": "STM32_TEMP_001", "timestamp": "2023-07-20T14:30:00Z", "temperature": 25.6, "unit": "Celsius", "alert": false }

云端集成：

  1. 阿里云IoT平台
  2. 腾讯云物联网开发平台
  3. 自建MQTT服务器

5.3 工业级应用改进

针对工业环境的需求改进设计：

可靠性增强：

  • 增加信号隔离电路
  • 采用屏蔽电缆
  • 添加TVS二极管保护

功能扩展：

  • 4-20mA电流环输出
  • Modbus RTU通信协议
  • 继电器输出控制

外壳与安装：

  • IP65防护等级外壳
  • DIN导轨安装设计
  • 防爆认证（适用于危险环境）

6. 实战案例：温室监控系统

以一个实际的温室监控系统为例，展示本设计的应用：

系统配置：

  • 主控：STM32F103C8T6
  • 传感器：6个DS18B20（分布在温室不同位置）
  • 显示：4.3寸TFT LCD
  • 通信：LoRa无线模块
  • 执行机构：通风扇、加热器、水泵

控制逻辑：

void Greenhouse_Control(void) { float avg_temp = Calculate_Average_Temperature(); if(avg_temp > target_temp + hysteresis) { Enable_Cooling_System(); Disable_Heating_System(); } else if(avg_temp < target_temp - hysteresis) { Disable_Cooling_System(); Enable_Heating_System(); } Check_Soil_Moisture(); if(soil_moisture < threshold) { Start_Irrigation(); } }

数据可视化：

温室环境监测面板 ---------------- 当前温度：23.5°C 最高温度：28.1°C（位置A） 最低温度：20.3°C（位置C） 土壤湿度：65% 系统状态：正常 报警记录：无

这个项目从最初的简单温度显示，逐步扩展为功能完善的温室监控系统，充分展示了STM32和DS18B20组合的灵活性和扩展能力。

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