一、单总线协议概要
单总线（1-Wire）由 Dallas 提出，数据线既做供电又做通信。STM32 上通常用开漏输出 + 上拉电阻模拟。DS18B20 与 DHT11 虽然都叫单总线，但时序完全不能互通，必须各自独立实现时序，更不能同时挂在同一根总线上。
两者的差异点：
- DS18B20：严格的 60~240μs 时隙，需要 ROM 命令和暂存器操作。
- DHT11：40bit 数据一次性输出，无设备寻址，起始时序要求更宽松。
由于标准库和 HAL 库在微秒延时上存在差异，本文基于 HAL 库 + 微秒级延时函数（如 DWT->CYCCNT）编写示例。
二、DS18B20 读取原理与实现
1. 初始化时序
主机拉低总线 480~960μs，然后释放。DS18B20 在 15~60μs 后拉低总线 60~240μs，表示存在脉冲。
// 复位并检测存在，返回1表示存在
uint8_t DS18B20_Reset(void) {
uint8_t presence = 0;
DS18B20_MODE_OUT(); // GPIO 配置为开漏输出
DS18B20_WRITE_LOW();
delay_us(600); // 拉低 600μs
DS18B20_WRITE_HIGH();
delay_us(30);
DS18B20_MODE_IN(); // 切换输入
presence = DS18B20_READ(); // 读取存在脉冲
delay_us(500);
return (presence == 0) ? 1 : 0;
}
2. 读写时隙
写 1/0：主机拉低总线，写 0 保持 60~120μs；写 1 等待 15μs 后释放。读时隙：主机拉低 1~15μs 后释放，并在 15μs 内采样。
void DS18B20_WriteBit(uint8_t bit) {
DS18B20_MODE_OUT();
DS18B20_WRITE_LOW();
if (bit) {
delay_us(5);
DS18B20_WRITE_HIGH();
delay_us(60);
} else {
delay_us(60);
DS18B20_WRITE_HIGH();
delay_us(5);
}
}
uint8_t DS18B20_ReadBit(void) {
uint8_t bit = 0;
DS18B20_MODE_OUT();
DS18B20_WRITE_LOW();
delay_us(3);
DS18B20_WRITE_HIGH();
DS18B20_MODE_IN();
delay_us(7);
bit = DS18B20_READ();
delay_us(50);
return bit;
}
3. 温度读取完整流程
typedef struct {
int8_t temp_int;
uint16_t temp_frac; // 精确到0.0625℃
} DS18B20_Temp;
DS18B20_Temp DS18B20_GetTemp(void) {
uint8_t data[2];
if (!DS18B20_Reset()) return (DS18B20_Temp){0, 0};
DS18B20_WriteByte(0xCC); // 跳过 ROM
DS18B20_WriteByte(0x44); // 启动转换
while (DS18B20_ReadBit() == 0); // 等待转换完成
DS18B20_Reset();
DS18B20_WriteByte(0xCC);
DS18B20_WriteByte(0xBE); // 读暂存器
data[0] = DS18B20_ReadByte();
data[1] = DS18B20_ReadByte();
DS18B20_Reset(); // 释放总线
int16_t raw = (data[1] << 8) | data[0];
return (DS18B20_Temp){ raw >> 4, (raw & 0x0F) * 625 };
}
三、DHT11 读取原理与实现
1. 起始信号
主机拉低总线 ≥18ms，然后释放并延迟 20~40μs。DHT11 随后拉低 80μs，再拉高 80μs，表示准备发送数据。
uint8_t DHT11_Start(void) {
DHT11_MODE_OUT();
DHT11_WRITE_LOW();
delay_ms(20); // 拉低 20ms
DHT11_WRITE_HIGH();
delay_us(30);
DHT11_MODE_IN();
// 等待 DHT11 响应
if (DHT11_READ()) return 0; // 总线应被拉低
while (!DHT11_READ()); // 等待拉高
while (DHT11_READ()); // 等待数据开始
return 1;
}
2. 数据位解码
每 bit 开始于 50μs 低电平，随后高电平长短区分 0/1。通常高电平 26~28μs 为 0，70μs 左右为 1。采样点放在高电平中间偏后（约 40μs）。
uint8_t DHT11_ReadBit(void) {
while (!DHT11_READ()); // 等待低电平结束
delay_us(40); // 跳过前 40μs
uint8_t bit = DHT11_READ(); // 读取电平状态
while (DHT11_READ()); // 等待高电平结束，准备下一位
return bit ? 1 : 0;
}
3. 完整读取函数
typedef struct {
uint8_t humidity_int;
uint8_t humidity_dec;
uint8_t temp_int;
uint8_t temp_dec;
} DHT11_Data;
uint8_t DHT11_ReadData(DHT11_Data *data) {
if (!DHT11_Start()) return 0;
uint8_t buf[5] = {0};
for (int i = 0; i < 5; i++)
for (int j = 7; j >= 0; j--)
buf[i] |= DHT11_ReadBit() << j;
// 校验：前 4 字节和等于第 5 字节
if (buf[4] != (buf[0] + buf[1] + buf[2] + buf[3])) return 0;
data->humidity_int = buf[0];
data->humidity_dec = buf[1];
data->temp_int = buf[2];
data->temp_dec = buf[3];
return 1;
}
四、STM32 工程要点
1. GPIO 配置
建议使用开漏输出，并外接 4.7kΩ 上拉电阻。若用内部上拉，阻值偏大，不适合长线，可能导致时序不稳。
void DS18B20_GPIO_Init(void) {
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; // 开漏
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}
2. 微秒延时实现
HAL 的 HAL_Delay 只能精确到毫秒。可基于 DWT 实现微秒延时：
void DWT_Delay_Init(void) {
CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
DWT->CYCCNT = 0;
DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;
}
void delay_us(uint32_t us) {
uint32_t start = DWT->CYCCNT;
uint32_t ticks = us * (HAL_RCC_GetHCLKFreq() / 1000000);
while ((DWT->CYCCNT - start) < ticks);
}
五、注意事项
- 中断抢占：读取过程中若发生中断，会导致时序超时，建议在读取函数入口关闭中断，读取结束后再开启。
- 再次读取间隔：DS18B20 转换时间最少 100ms，DHT11 读取间隔建议 ≥2s，否则易读失败。
- 总线争夺：两传感器协议不兼容，严禁将两者直接并联。若需共用引脚，必须用跳线或模拟开关分时切换，并重新初始化时序。
- 上拉电阻：开漏模式必须有上拉电阻，否则总线无法拉高。
- 信号完整性：连接线尽量短（<50cm），若使用延长线，改用屏蔽双绞线并降低通信频率（拉长时间参数）。
- 电源去耦：在传感器 VCC 与 GND 之间加 100nF 电容，避免供电波动影响时序。
总结
DS18B20 与 DHT11 的单总线读取核心在于精确控制时长。DS18B20 需要严格的时隙和 ROM 命令；DHT11 则更简单，但依赖于对高电平时长的判断。通过 GPIO 模拟时序，STM32 能轻松驱动这两类传感器。掌握上述原理后，你可以灵活应用于温湿度监控、环境采集等项目。