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简介：基于STM32与DS18B20的温度监控报警仿真项目，面向单片机初学者及嵌入式课程设计人员，解决温度采集、OLED显示与阈值控制联调的常见问题。系统以STM32为主控，DS18B20采集环境温度，通过IIC接口驱动OLED实时显示，并支持按键设定上下限阈值；当温度低于阈值时加热继电器吸合，高于阈值时断开，形成完整的闭环控制逻辑。压缩包共191个文件，包含43个.h头文件、39个.c源码、Proteus仿真工程（.pdsprj/.pdsbak）、Keil工程配置（.uvprojx/.uvoptx）以及可直接烧录的.hex文件等，整体约3.89MB，目录结构清晰，方便按模块查阅与二次开发。已有783人学习浏览，适合用来对照学习STM32外设初始化、DS18B20时序驱动、OLED的IIC通信及继电器控制程序的编写思路。

1. 直接用STM32+DS18B20+OLED+按键报警的Proteus仿真项目，先分清硬件关系

很多嵌入式初学者拿到“基于STM32-DS18B20-按键设置报警阀值-OLED显示-proteus仿真”这串名字，第一反应是“这又是一个把所有外设堆在一起的课设”。实际上这套系统拆开看就是三层：DS18B20负责温度采集，STM32负责读传感器、处理按键和比较阈值，OLED显示温度与设置界面，报警输出可以挂在LED或蜂鸣器上。题里的“阀值”是错别字，工程上叫“阈值”。Proteus仿真的价值在于，不需要买开发板也能把STM32的GPIO时序、按键状态机和I2C OLED显示串起来跑通。这套方案适合做单片机课设、毕业设计预研，也适合想从51过渡到STM32的开发者。要注意的是，Proteus里的DS18B20和OLED模型跟实物存在差异，时序参数不能照搬，后面会专门讲怎么调。

2. DS18B20单总线时序解析与STM32驱动封装

2.1 DS18B20复位和存在脉冲的时序要求

DS18B20是Dallas单总线器件，所有通信都由主机发起。每次读写之前都要先复位：主机把总线拉低至少480us，然后释放，等待器件拉低60-240us表示存在。在STM32里通常用GPIO开漏模式配合外部上拉电阻，在Proteus仿真里则要注意总线浮空问题。下面是常见的时序参数表，来自数据手册，仿真和实物都适用：

注意复位低电平和写0低电平都要求不低于60us，很多网上代码用了“延时xx微秒”，但在Proteus仿真里由于模型时钟频率和指令周期不同，容易出现时序偏差。建议直接使用DWT计数器做微秒延时，而不是简单的软件空循环。DWT是Cortex-M内核里的调试监视跟踪单元，它能提供不受中断影响的us级延时，这在时序敏感的1-Wire通信上很关键。

2.2 STM32用HAL库GPIO模拟单总线的读写函数

这里以STM32F103C8为例，用PB0作为单总线数据脚。HAL库的GPIO配置为开漏输出，外部上拉4.7k。在Proteus仿真里如果没有外加上拉电阻，可以配置内部上拉，但为了贴近实物，最好在原理图上放一个上拉电阻。核心代码分四部分：复位、写位、读位、读取温度。先看复位函数：

#define DS18B20_PORT GPIOB #define DS18B20_PIN GPIO_PIN_0 static void DS18B20_DelayUs(uint32_t us) { // 使用DWT计数器实现1us精度延时，不依赖SysTick CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk; DWT->CYCCNT = 0; DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk; uint32_t start = DWT->CYCCNT; uint32_t ticks = us * (SystemCoreClock / 1000000); while (DWT->CYCCNT - start < ticks); } static uint8_t DS18B20_Reset(void) { uint8_t presence = 0; GPIO_InitTypeDef gpio = {0}; // 配置为开漏输出并拉低 gpio.Pin = DS18B20_PIN; gpio.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; gpio.Pull = GPIO_PULLUP; HAL_GPIO_Init(DS18B20_PORT, &gpio); HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_RESET); DS18B20_DelayUs(500); // 释放总线，配置为输入模式，等待存在脉冲 HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_SET); gpio.Mode = GPIO_MODE_INPUT; gpio.Pull = GPIO_PULLUP; HAL_GPIO_Init(DS18B20_PORT, &gpio); DS18B20_DelayUs(70); presence = HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN); // 等待剩余存在脉冲时间，再切回输出模式 DS18B20_DelayUs(410); gpio.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; gpio.Pull = GPIO_NOPULL; HAL_GPIO_Init(DS18B20_PORT, &gpio); return presence; // 存在脉冲应为0，若为1则未检测到器件 }

这段代码的关键点在于：复位时的500us低电平和释放后70us处读存在脉冲。如果读到0表示器件存在，读到1表示没检测到。HAL_GPIO_Init在每次模式切换时会有额外开销，虽然会引入几百ns延迟，但在Proteus仿真里通常还能容忍。如果要求更精确，可以直接操作GPIO的CRL/CRH寄存器。

写位和读位是1-Wire通信的核心。写位时，写1和写0的时序都以拉低总线开始，但释放时间不同；读位时，主机拉低总线2us后释放，然后在6-9us窗口内采样电平。具体实现如下：

void DS18B20_WriteBit(uint8_t bit) { HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_RESET); if (bit) { DS18B20_DelayUs(6); HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_SET); DS18B20_DelayUs(64); } else { DS18B20_DelayUs(60); HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_SET); DS18B20_DelayUs(10); } } uint8_t DS18B20_ReadBit(void) { uint8_t bit = 0; GPIO_InitTypeDef gpio = {0}; // 拉低总线，然后切换输入模式 HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_RESET); DS18B20_DelayUs(2); HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_SET); DS18B20_DelayUs(6); gpio.Pin = DS18B20_PIN; gpio.Mode = GPIO_MODE_INPUT; gpio.Pull = GPIO_PULLUP; HAL_GPIO_Init(DS18B20_PORT, &gpio); bit = HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN); // 恢复输出模式并等待时隙结束 gpio.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; gpio.Pull = GPIO_NOPULL; HAL_GPIO_Init(DS18B20_PORT, &gpio); DS18B20_DelayUs(60); return bit; }

读位时，如果采样太早，读到的可能是总线释放后的高电平；太晚，又可能读到下一时隙。这里选择拉低2us、释放6us后采样，落在数据手册要求的15us窗口内，这种写法在Proteus和实物上都能稳定工作。读写字节只需要循环8次，把位拼起来即可。

启动温度转换和读取结果：

static void DS18B20_WriteByte(uint8_t byte) { for (int i = 0; i < 8; i++) { DS18B20_WriteBit(byte & 0x01); byte >>= 1; } } static uint8_t DS18B20_ReadByte(void) { uint8_t byte = 0; for (int i = 0; i < 8; i++) { byte >>= 1; if (DS18B20_ReadBit()) { byte |= 0x80; } } return byte; } void DS18B20_Start(void) { DS18B20_Reset(); DS18B20_WriteByte(0xCC); // Skip ROM，跳过ROM匹配 DS18B20_WriteByte(0x44); // Start conversion，启动温度转换 } float DS18B20_ReadTemp(void) { uint8_t low = 0, high = 0; int16_t raw = 0; DS18B20_Reset(); DS18B20_WriteByte(0xCC); DS18B20_WriteByte(0xBE); // Read scratchpad，读取暂存寄存器 low = DS18B20_ReadByte(); high = DS18B20_ReadByte(); raw = (high << 8) | low; return raw * 0.0625f; // 12位分辨率，LSB对应0.0625度 }

0xCC是跳过ROM指令，适用于单点测温；0x44是启动转换指令，温度转换最长需要750ms；0xBE是读取暂存寄存器的指令。温度计算结果乘以0.0625是因为默认12位分辨率下，最低有效的bit代表0.0625摄氏度。在Proteus仿真中，如果温度显示固定为85度，往往就是复位时序不满足，存在脉冲没读到。

2.3 Proteus中DS18B20仿真对时序的影响

Proteus的DS18B20模型支持1-Wire时序，但有几个细节要注意。第一，模型对复位低电平的最小时间要求比实物高，实测要拉低600us左右才稳定；第二，读时隙的采样点必须靠近15us，否则容易读到上次的电平；第三，仿真默认的STM32晶振频率要和keil工程里的代码定义一致，否则微秒延时偏差会让温度一直读为85度。我的做法是在Proteus原理图里给DS18B20加一个4.7k上拉电阻到3.3V，同时把STM32的PLL配置从8MHz外部晶振改成8MHz，确保时钟树正确。这样读出来的温度值才能和实物趋势一致。

另外，Proteus的STM32模型对开漏输出的行为模拟得比较粗糙。如果发现总线电平始终为高，可以在DS18B20的D Q脚和GND之间再并联一个0.1uF电容，用来抑制仿真中的数字噪声，这也能让存在脉冲更稳定。很多同学在Proteus里仿真DS18B20失败，不是程序问题，而是模型参数和环境配置不对。

3. 按键设置报警阈值的状态机与掉电保存

3.1 按键去抖与长按短按识别

按键在这个项目里不只是简单的电平读取，因为要设置报警阈值，需要区分短按、长按和连续步进。常见做法是用10ms定时器扫描按键端口，连续读到3次稳定电平才算有效。下面是一个适合STM32HAL库的按键扫描代码片段：

typedef enum { KEY_RELEASED, KEY_PRESSED, KEY_LONG_PRESSED } KeyState; KeyState KEY_Scan(void) { static uint8_t key_buf = 0xFF; static uint32_t press_time = 0; uint8_t key_level = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0); // PA0接按键，低电平有效 key_buf = (key_buf << 1) | (key_level & 0x01); key_buf = (key_buf << 1) | (key_level & 0x01); // 连续读两次，实际为8位移位 if ((key_buf & 0xFF) == 0x00) { // 连续8次低电平，认为按键已稳定按下 if (press_time == 0) { press_time = HAL_GetTick(); } if (HAL_GetTick() - press_time > 1000) { press_time = HAL_GetTick(); return KEY_LONG_PRESSED; } return KEY_PRESSED; } else { key_buf = 0xFF; press_time = 0; return KEY_RELEASED; } }

这个代码用了8次移位取连续低电平的方式去抖，比单纯延时方式响应快。注意这里PA0配置为下拉输入，按键另一端接3.3V，按下为高电平，代码里也用高电平当作有效。长按返回KEY_LONG_PRESSED，在阈值设置界面里可以用长按快速加减，短按则每次加1或减1。这里的HAL_GetTick()默认是1ms节拍，刚好适合做超时判断。

3.2 阈值设置菜单状态机设计

报警阈值一般有上限和下限两个值，简单实现可以用三个状态：正常显示、设置上限、设置下限。用一个枚举定义状态，按键KEY1切换状态，KEY2增加阈值，KEY3减小阈值。状态机切换表如下：

阈值调整步进默认是1度，但长按KEY2或KEY3时每100ms连续加减，适合从25度调到80度的场景。这里要注意，上限阈值必须大于下限阈值，否则在判断报警逻辑时会出现矛盾。我在状态机里加入了一个矫正逻辑：当设置高阈值时，如果当前值小于低阈值，就把低阈值强制设置为高阈值减1；同理，设置低阈值时也做反向校验。这样能避免用户在Proteus仿真里把阈值设成不可用数值。

状态机的核心代码不复杂，重点在于每次按键事件只处理一次，不能长按自动重复触发导致阈值跳动太快。所以KEY_Scan的返回值只在跳变沿有效，长按则单独用一个计数器控制步进速度。实际测试中，10ms扫描周期加300ms长按初始延迟，再100ms重复，手感最接近实物。

3.3 阈值用STM32内部Flash模拟EEPROM保存

阈值参数不能每次上电都从25度默认值开始，需要使用STM32内部Flash模拟EEPROM。STM32F103的Flash按页组织，一页1KB。这个项目只需要保存4个字节，直接写到最后一页，比如主Flash的127页。写入前必须先擦除整页，然后HAL库写数。下面是保存阈值的代码：

#define FLASH_USER_PAGE 127 // 使用Flash最后一个1KB页 #define FLASH_BASE_ADDR 0x0801FC00 // 最后一页起始地址 void SaveThreshold(uint8_t high, uint8_t low) { FLASH_EraseInitTypeDef erase = {0}; uint32_t page_err = 0; uint64_t data = 0; data = ((uint64_t)high << 8) | low; HAL_FLASH_Unlock(); erase.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_PAGES; erase.PageAddress = FLASH_BASE_ADDR; erase.NbPages = 1; HAL_FLASHEx_Erase(&erase, &page_err); HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_DOUBLEWORD, FLASH_BASE_ADDR, data); HAL_FLASH_Lock(); }

这里用64位双字写入，STM32的Flash编程最小单位是双字，所以即使只用2个字节，也要按8字节对齐。读取时直接通过指针强转：

uint16_t read_val = 0; uint64_t *p = (uint64_t *)FLASH_BASE_ADDR; read_val = (uint16_t)(*p & 0x00FF);

注意Flash页擦除会把这个页里所有数据清零，如果项目里还有其他需要保存的参数，最好提前规划好布局。另外Flash擦写寿命约1万次，仿真阶段频繁调试阈值会消耗擦写次数，但Proteus仿真不会真正磨损芯片，只有实物长期跑才需要考虑磨损均衡。每次上电初始化时，先读取Flash里的值，然后判断是否在合理范围内，比如高阈值在30-90之间、低阈值在10-60之间，超出范围就重新初始化为默认值。

4. OLED显示与Proteus仿真联调

4.1 HAL库下I2C驱动OLED屏幕的全流程

这个项目里OLED用的是I2C接口，常见的是0.96寸128x64屏，驱动芯片为SSD1306。在STM32CubeMX中把I2C1配置为快速模式，速率400kHz，引脚PB8-PB9。OLED的I2C地址由SA0引脚决定，通常为0x78（7位地址0x3C左移一位）。HAL库驱动的关键是写命令和写数据的函数：

#define OLED_ADDR 0x78 static void OLED_WriteCmd(uint8_t cmd) { uint8_t buf[2] = {0x00, cmd}; HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, OLED_ADDR, buf, 2, 20); } static void OLED_WriteData(uint8_t data) { uint8_t buf[2] = {0x40, data}; HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, OLED_ADDR, buf, 2, 20); }

第一个字节是控制字节，0x00表示后面跟命令，0x40表示后面跟显存数据。每次写入都需要发送完整两字节，不能拆开。OLED初始化序列很长，主要是设置显示开关、时钟分频、对比度、寻址模式等。核心设置是寻址模式设为页寻址，每页128列。显示温度数值时，需要把数字转成字符串，再通过字库点阵写入显存。

显示一帧内容的流程是：先选择一个页地址，再设置列地址低高位，然后连续写入该页128字节数据。如果显示内容需要动态刷新，通常的做法是维护一个128x8的显存数组，每次修改数组后整屏刷新。但整屏刷新会占用不少I2C时间，在温度显示这类低速场景里完全够用。Proteus仿真中I2C速度可以降到100kHz，避免模型响应不过来。

4.2 温度、阈值和报警状态的界面布局

OLED界面可以分三行：第一行显示当前温度，第二行显示上限阈值和下限阈值，第三行显示报警状态和设置菜单指示。比如：

• 第一行：Temp:25.5C
• 第二行：H:30 L:10
• 第三行：Alarm:Off

在设置状态下，用一个小箭头标记当前正在修改的项。这个界面不需要复杂的GUI库，用字库提取工具生成ASCII字符点阵即可。下面是在主循环中刷新的逻辑：

char temp_str[16]; sprintf(temp_str, "Temp:%.1fC", temp_value); OLED_ShowString(0, 0, temp_str); sprintf(temp_str, "H:%d L:%d", high_th, low_th); OLED_ShowString(8, 2, temp_str); sprintf(temp_str, "Alarm:%s", alarm_flag ? "On" : "Off"); OLED_ShowString(16, 4, temp_str);

这里的OLED_ShowString需要自己实现，核心是从字库里取出每一列的字节写入显存。注意在Proteus仿真里，OLED模型刷新速度比实物慢，如果调用I2C的延时太短，屏幕会出现花屏。一个简单的规避方法是每次写入命令后加一个100us的延时，或者在I2C初始化时把通信超时调到100ms。如果屏幕只亮不显示内容，优先检查OLED地址和复位引脚是否与原理图一致。

4.3 Proteus仿真里OLED与DS18B20联调的3个坑

第一个坑是Proteus的OLED模型需要正确选择型号，有的版本里只有“OLED 128x64 I2C”而驱动芯片不一定兼容SSD1306，软件显示乱码。第二个坑是I2C总线上拉电阻，Proteus默认不加上拉，STM32的I2C开漏输出会导致通信失败，必须在原理图里给PB8和PB9各加一个4.7k电阻。第三个坑是仿真中DS18B20的温度变化很慢，而OLED刷新又频繁，看起来温度像卡住了一样。其实可以在Proteus里双击DS18B20模型，修改温度步进值（Temperature Step），把默认的1度改成0.1度，这样温度变化会平滑很多，方便测试报警阈值是否生效。

这三个坑如果不在原理图阶段就规避，程序写得再好也跑不起来。我在Proteus仿真时习惯把DS18B20的4.7k上拉、I2C的4.7k上拉、OLED的电源去耦电容都画上，虽然仿真不需要这些电容，但对后面移植实物有参考价值。OLED的VCC和GND也要接到3.3V和地，不要在仿真里接到5V，SSD1306的耐压范围是3.3V，接5V会烧坏。

5. 报警阈值边界与仿真误差的验证技巧

5.1 用Proteus虚拟示波器抓取单总线时序

调试DS18B20最有效的手段是看单总线波形，Proteus的虚拟示波器可以接到PB0上，但1-Wire时序只有几十微秒，设置示波器时基必须调到50us/格以内。复位波形应该看到一长一短两个低电平脉冲，第一个是主机拉低500us，第二个是DS18B20回应的存在脉冲。如果只有主机脉冲而看不到存在脉冲，说明复位时序太短或上拉电阻没起作用。这个验证方法在实物调试时同样适用，只是需要把示波器探头换成逻辑分析仪。

5.2 阈值临界值测试矩阵

报警逻辑不能只测一个温度点，建议做一个测试矩阵，覆盖三种边界情况：温度等于阈值、温度低于阈值、温度高于阈值。在实际调试中，把报警阈值上限设为30度、下限设为10度，然后通过修改Proteus里DS18B20的温度值，观察OLED上Alarm状态和LED是否变化。测试时要注意DS18B20的分辨率是0.0625度，浮点比较不能直接用严格等于，改为(temp_value + 0.05f) >= high_th这样的容错比较。仿真通过后，建议把阈值上下限校验逻辑保留，防止实物上按键抖动导致阈值越界，这个校验代码在任何ST32项目中都能复用。

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