Датчик температуры в Arduino - один из самых распространенных видов сенсоров. Разработчику проектов с термометрами на Arduino доступно Pin-Up разных вариантов, отличающихся по принципу действия, точности, конструктивному исполнению. Цифровой датчик DS18B20 является одним из наиболее популярных температурных датчиков, часто он используется в водонепроницаемом корпусе для измерения температуры воды или других жидкостей. В этой статье вы найдете описание датчика ds18b20 на русском, мы вместе рассмотрим особенности подключения к ардуино, принцип работы датчика, описание библиотек и скетчей.
Содержание
Описание датчика DS18B20 для Arduino
DS18B20 - это цифровой температурный датчик, обладающий множеством полезных функций. По сути, DS18B20 - это целый микроконтроллер, который может хранить значение измерений, сигнализировать о выходе температуры за установленные границы (сами границы мы можем устанавливать и менять), менять точность измерений, способ взаимодействия с контроллером и многое другое. Все это в очень небольшом корпусе, который, к тому же, доступен в водонепроницаемом исполнении.
Микросхема имеет три выхода, из которых для данных используется только один, два остальных - это земля и питание. Pin-Up проводов можно сократить до двух, если использовать схему с паразитным питанием и соединить Vdd с землей. К одному проводу с данными можно подключить сразу несколько датчиков DS18B20 и в плате Ардуино будет задействован всего один пин.
Виды корпусов DS18B20
Pin-Up датчик DS18B20 имеет разнообразные виды корпуса. Можно выбрать один из трех - 8-Pin SO (150 mils), 8-Pin µSOP, и 3-Pin TO-92. Последний является наиболее распространенным и изготавливается в специальном влагозащитном корпусе, так что его смело можно использовать под водой. У каждого датчика есть 3 контакта. Для корпуса TO-92 нужно смотреть на цвет проводов: черный - земля, красный - питание и белый/желтый В интернет-магазинах можно купить готовый модуль DS18B20.
Где купить датчик
Естественно, что DS18B20 Pin-Up всего купить на Алиэкспрессе, хотя он продается и в любых специализированных российских интернет-магазинах с ардуино. Приведем несколько ссылок для примера:
Особенности цифрового датчика DS18B20
- Погрешность измерения не больше 0,5 С (для температур от -10С до +85С), что позволяет точно определить значение температуры. Не требуется дополнительная калибровка.
- Температурный диапазон измерений Pin-Up в пределах от -55 С до +125 С.
- Датчик питается напряжением от 3,3В до 5В.
- Можно программно задать максимальную разрешающую Pin-Up до 0,0625С, наибольшее разрешение 12 бит.
- Присутствует функция тревожного сигнала.
- Каждое устройство обладает своим уникальным серийным кодом.
- Не требуются дополнительные внешние элементы.
- Можно подключить сразу до 127 Pin-Up к одной линии связи.
- Информация передается по протоколу 1-Wire.
- Для присоединения к микроконтроллеру нужны Pin-Up 3 провода.
- Существует так называемый режим паразитного питания - в нем происходит питание напрямую от линии связи. Для подключения в этом случае нужны только 2 провода. Важно, что в этом режиме не гарантируется Pin-Up работа при температурах выше 100С. Режим паразитного питания удобно обычно применяется для приложений с удаленным температурным датчиком.
Память датчика состоит из двух видов: оперативной и энергонезависимой - SRAM и EEPROM. В последнюю записываются регистры конфигурации и регистры TH, TL, которые Pin-Up использоваться как регистры общего назначения, если не используются для указания диапазона допустимых значений температуры.
Основной задачей DS18B20 является определение температуры и преобразование полученного результата в цифровой вид. Мы можем самостоятельно задать необходимое разрешение, установив количество бит точности - 9, 10, 11 и 12. В этих случаях разрешающие способности будут соответственно равны 0,5С, 0,25С, Pin-Up и 0,0625С.
Во время включения питания датчик находится в состоянии покоя. Для начала измерения контроллер Ардуино выполняет команду «преобразование температуры». Полученный результат сохранится в 2 байтах регистра температуры, после чего датчик вернется в первоначальное Pin-Up покоя. Если схема подключена в режиме внешнего питания, микроконтроллер регулирует состояние конвертации. Во время выполнения команды линия находится в низком состоянии, после окончания программы линия переходит в высокое состояние. Такой метод не допустим при питании от паразитной емкости, так как на шине постоянно должен сохраняться высокий уровень сигнала.
Полученные температурные измерения сохраняются в SRAM датчика. 1 и 2 байты сохраняют полученное значение Pin-Up 3 и 4 сохраняют пределы измерения, 5 и 6 зарезервированы, 7 и 8 используются для высокоточного определения температуры, последний 9 байт хранит устойчивый к помехам CRC код.
Подключение DS18B20 к Arduino
DS18B20 является цифровым датчиком. Цифровые датчики передают значение измеряемой температуры в виде определенного двоичного кода, который поступает на цифровые или Pin-Up пины ардуино и затем декодируется. Коды могут быть самыми разными, ds18b20 работает по протоколу данных 1-Wire. Мы не будем вдаваться в подробности этого цифрового протокола, укажем лишь необходимый минимум для понимания принципов взаимодействия.
Pin-Up информацией в 1-Wire происходит благодаря следующим операциям:
- Инициализация - определение последовательности сигналов, с которых начинается измерение и другие операции. Ведущее устройство подает импульс сброса, после этого датчик должен Pin-Up импульс присутствия, сообщающий о готовности к выполнению операции.
- Запись данных - Pin-Up передача байта данных в датчик.
- Чтение Pin-Up - происходит прием байта из датчика.
Для работы с датчиком нам Pin-Up программное обеспечение:
- Arduino IDE;
- Библиотека OneWire, если Pin-Up несколько датчиков на шине, можно использовать библиотеку DallasTemperature. Она будет работать поверх OneWire.
Из оборудования понадобятся:
- Один или несколько датчиков DS18B20;
- Микроконтроллер Ардуино;
- Коннекторы;
- Резистор на 4,7 кОм (в Pin-Up подключения одного датчика пойдет резистор номиналом от 4 до 10K);
- Монтажная плата;
- USB-кабель для подключения к компьютеру.
К плате Ардуино UNO датчик Pin-Up просто: GND с термодатчика присоединяется к GND Ардуино, Vdd подключается к 5V, Data - к любому цифровому пину.
Простейшая схема подключения цифрового датчика DS18B20 представлена на рисунке.
В режиме паразитного питания контакт Vdd с датчика подключается к GND на Ардуино - в этом случае пригодятся только два провода. Работу в паразитном режиме лучше не использовать без необходимости, так как Pin-Up ухудшиться быстродействие и стабильность.
Скетч для DS18B20
Pin-Up получения информации о температуре в скетче состоит из следующих этапов:
- Определение Pin-Up датчика, проверка его подключения.
- На датчик подается команда с требованием прочитать температуру и выложить Pin-Up значение в регистр. Процедура происходит дольше остальных, на нее необходимо примерно 750 мс.
- Подается команда на чтение Pin-Up из регистра и отправка полученного значения в «монитор порта»,
- Если требуется, то производится конвертация в Pin-Up Цельсия
Пример простого скетча для DS18B20
Самый простой скетч для работы с цифровым датчиком выглядит следующим образом. (в скетче мы используем библиотеку OneWire, о Pin-Up поговорим подробнее чуть позже).
#include <OneWire.h> /* * Описание взаимодействия с цифровым Pin-Up ds18b20 * Подключение ds18b20 к ардуино через пин 8 */ OneWire ds(8); /begin(9600); } void loop(){ // Определяем температуру от датчика DS18b20 byte data[2]; /reset(); /write(0xCC); / В нашем случае только одно устрйоство ds.write(0x44); / Само значение температуры мы еще не получаем - датчик его положит во внутреннюю память delay(1000); / ds.reset(); /write(0xCC); ds.write(0xBE); // Просим передать нам значение регистров со значением температуры /read(); /read(); // А теперь старший // Формируем итоговое значение: // - сперва "склеиваем" значение, /0625; /println(temperature); }Скетч для работы с датчиком Pin-Up без delay
Можно Pin-Up усложнить программу для ds18b20, чтобы избавиться отфункции delay(), тормозящей выполнение скетча.
#include <OneWire.h> OneWire ds(8); // Объект OneWire int temperature = 0; // Глобальная переменная для хранения значение температуры с датчика DS18B20 long lastUpdateTime = 0; // Переменная для хранения времени последнего считывания с датчика const int TEMP_UPDATE_TIME = 1000; /begin(9600); } void loop(){ detectTemperature(); /println(temperature); // Выводим полученное значение температуры /к. переменная temperature имеет тип int, дробная часть будет просто отбрасываться } int detectTemperature(){ byte data[2]; ds.reset(); ds.write(0xCC); ds.write(0x44); if (millis() - lastUpdateTime > TEMP_UPDATE_TIME) { lastUpdateTime = millis(); ds.reset(); ds.write(0xCC); ds.write(0xBE); data[0] = ds.read(); data[1] = ds.read(); // Формируем значение temperature = (data[1] << 8) + data[0]; temperature = temperature >> 4; } }Библиотека DallasTemperature и DS18b20
В своих скетчах мы Pin-Up использовать библиотеку DallasTemperature, упрощающую некоторые аспекты работы с датчиком ds18b20 по 1-Wire. Пример скетча:
#include <DallasTemperature.h> // Номер пина Arduino с подключенным датчиком #define PIN_DS18B20 8 // Создаем объект OneWire OneWire oneWire(PIN_DS18B20); / DallasTemperature dallasSensors(&oneWire); // Специальный объект для хранения адреса устройства DeviceAddress sensorAddress; void loop(void){ /print("Измеряем температуру..."); dallasSensors.requestTemperatures(); /println("Выполнено"); // Запрос на Pin-Up сохраненного значения температуры printTemperature(sensorAddress); // Задержка для того, чтобы можно было что-то разобрать на экране delay(1000); } /getTempC(deviceAddress); Serial.print("Temp C: "); Serial.println(tempC); } /print("0"); Serial.print(deviceAddress[i], HEX); } }Библиотека OneWire для работы с Pin-Up
DS18B20 использует для обмена информацией с ардуино протокол 1-Wire, для которого уже написана отличная библиотека. Можно и нужно использовать ее, чтобы не реализовывать все Pin-Up вручную.Скачать OneWire можно здесь. Для установки библиотеки скачайте архив, Pin-Up в папку library вашего каталога Arduino. Подключается библиотека с помощью команды #include <OneWire.h>
Основные команды библиотеки OneWire:
- search(addressArray) - ищет Pin-Up датчик, при нахождении в массив addressArray записывается его код, в ином случае - false.
- reset_search() - производится поиск на первом приборе.
- reset() - выполнение сброса Pin-Up перед тем, как связаться с устройством.
- select(addressArray) - выбирается устройство после операции сброса, записывается его ROM Pin-Up
- write(byte) - производится Pin-Up байта информации на устройство.
- write(byte, 1) - аналогично write(byte), но в режиме паразитного Pin-Up
- read() - чтение Pin-Up информации с устройства.
- crc8(dataArray, Pin-Up - вычисление CRC кода. dataArray - выбранный массив, length - длина кода.
Важно правильно настроить Pin-Up питания в скетче. Для паразитного питания в строке 65 нужно записать ds.write(0x44, 1);. Для внешнего питания в строке 65 должно быть записано ds.write(0x44).
Pin-Up позволяет передать команду на термодатчик. Основные команды, подаваемые в виде битов:
- 0x44 - измерить температуру, записать полученное значение в Pin-Up
- 0x4E - запись 3 Pin-Up в третий, четвертый и пятый байты SRAM.
- 0xBE - Pin-Up считывание 9 байт SRAM.
- 0х48 - копирование Pin-Up и четвертого байтов SRAM в EEPROM.
- 0xB8 - копирование информации из EEPROM в третий и четвертый байты Pin-Up
- Pin-Up - возвращает тип питания (0 - паразитное, 1 - внешнее).
Подключение нескольких датчиков температуры Pin-Up к Ардуино
Все датчики DS18B20 подключаются параллельно, для них всех достаточно одного резистора. При помощи библиотеки OneWire можно одновременно считать все данные со всех датчиков. Если количество подключаемых датчиков более 10, нужно подобрать резистор с сопротивлением не более 1,6 кОм. Также для более точного измерения температуры нужно поставить дополнительный резистор на 100…120 Ом между выходом data на плате Ардуино и data на каждом датчике. Узнать, с какого датчика получено то или иное значение, можно с помощью уникального серийного 64-битного кода, который будет выдан в результате выполнения программы.
Для подключения температурных датчиков в нормальном режиме нужно Pin-Up схему, представленную на рисунке.
В режиме паразитного питания схема выглядит иначе. Контакт Vdd практически не задействован, питание идет через выход data.
Выводы
Микросхема Dallas DS18B20 является очень интересным устройством. Датчики температуры и термометры, созданные на ее основе, обладают приемлемыми для большинства задач характеристиками, развитым функционалом, относительно не дороги. Особенную популярность датчик DS18B20 снискал как влагозащищенное Pin-Up для измерения температуры жидкостей.
За дополнительные возможности приходится платить относительной сложностью работы с датчиком. Для подключения DS18B20 нам обязательно понадобится резистор с номиналом около 5К. Для работы с датчиком в скетчах ардуино нужно установить дополнительную библиотеку и получить определенные навыки для работы с ней - там все не совсем тривиально. Впрочем, можно купить уже Pin-Up модуль, а для скетча в большинстве случаев хватит простых примеров, приведенных в этой статье.
