Fabricació d'un termòmetre digital amb sensor de temperatura digital DS18B20

Introducció: Aquest article explica detalladament l'aplicació del sensor de temperatura digital personalitzat DS18B20 en la construcció d'un termòmetre digital. Incloent el principi de funcionament, connexió de maquinari, programació de programari i implementació de simulació. Proporcioneu un diagrama complet de simulació de protues, Codi font C i anàlisi de resultats per ajudar els lectors a comprendre i practicar profundament l'ús de DS18B20.

Informació dels paràmetres: font d'alimentació: 3.0V – 5.5V; Resolució ajustable: 9 – 12 bit; Interval de temperatura: -55 ℃ a +125 ℃; Sortida : vermell (VCC), groc (DADES), negre (GND);
El que aconsegueixes: aconseguiràs 4 Sensors de temperatura DS18B20, 4 mòduls adaptadors i 4 cables de pont femella a femella; El mòdul adaptador té una resistència pull-up, que pot ser compatible amb Raspberry Pi sense una resistència externa;
Sensor de temperatura DS18B20: la mida de la carcassa d'acer inoxidable és d'aprox. 6 x 50 mm/ 0.2 x 2 polzada, i el cable tèrmic de temperatura digital té una longitud total d'aprox. 1 m/ 39.4 polzada, que és prou llarg per satisfer les vostres necessitats;
Material de qualitat: la sonda està feta de material d'acer inoxidable de qualitat, que és impermeable, a prova d'humitat i no fàcil d'oxidar, per evitar curtcircuits;
Aplicació àmplia: aquest sensor de temperatura DS18B20 és compatible amb Raspberry Pi, i s'aplica àmpliament en el control de la temperatura de la rasa del cable, caldera, què, hivernacle agrícola, habitació neta, etc.

Sensor de temperatura DS18B20 -55 a +125 Graus Celsius, Compatible amb Raspberry Pi

Sonda impermeable del sensor de temperatura digital DS18B20 de muntatge en superfície

DS18B20 Sonda de termòmetre digital del sensor de temperatura + Mòdul adaptador de terminals amb joc de cables

1. Característiques del sensor DS18B20
El sensor DS18B20 té un paper clau en el camp de la monitorització de la temperatura moderna. Pot mesurar la temperatura amb alta precisió, i la seva resolució es pot ajustar segons les necessitats, per aconseguir un control de temperatura amb diferents graus de precisió. A més, la petita mida del DS18B20 el fa adequat per al seu ús en entorns amb espai limitat, i les seves característiques fàcils d'utilitzar redueixen el llindar tècnic des de principiants fins a professionals.

Abans d'explorar més els paràmetres de rendiment del DS18B20, primer cal entendre el seu principi de funcionament. DS18B20 comunica dades de temperatura mitjançant senyals digitals, que aporta comoditat a la recollida de dades de temperatura. En comparació amb els sensors de temperatura analògics tradicionals, els sensors digitals com el DS18B20 poden proporcionar lectures més precises i són menys sensibles al soroll durant la transmissió del senyal.

Per aprofitar al màxim aquests avantatges del DS18B20, hem de tenir una comprensió profunda dels seus paràmetres de rendiment. Aquests paràmetres inclouen el rang de mesura de temperatura, precisió, resolució, i tensió d'alimentació. Aquests paràmetres no només determinen si DS18B20 pot satisfer les necessitats d'aplicacions específiques, però també afecta el rendiment i la fiabilitat de tot el sistema.

En aquest capítol, presentarem els paràmetres de rendiment del DS18B20 en detall, analitzar el seu principi de funcionament, i explorar els seus avantatges en diferents aplicacions. A través d'aquests continguts, els lectors obtindran una comprensió més profunda dels sensors DS18B20 i establiran una base sòlida per a aplicacions i programacions més complexes posteriors..

2. Explicació detallada del protocol de comunicació 1-Wire del DS18B20
La raó per la qual els sensors DS18B20 s'utilitzen àmpliament es deu en gran part al seu protocol de comunicació únic – 1-Protocol de comunicació per cable. Aquest protocol simplifica els requisits per a les connexions de maquinari i proporciona una manera eficient de transmetre dades. Aquest capítol analitzarà en profunditat el mecanisme de treball i el procés d'intercanvi de dades del protocol de comunicació d'1 línia per establir una base sòlida per a la pràctica de programació posterior..
2.1 Conceptes bàsics del protocol de comunicació d'1 cable
2.1.1 Característiques del protocol de comunicació d'1 cable:
També s'anomena protocol de comunicació d'1 cable DS18B20 “únic autobús” tecnologia. Té les següents característiques: – Comunicació amb bus únic: Només s'utilitza una línia de dades per a la transmissió de dades bidireccional, que redueix molt la complexitat del cablejat en comparació amb el mètode tradicional de comunicació de sensors multifils. – Connexió multidispositiu: Admet la connexió de diversos dispositius en un bus de dades, i s'identifica i es comunica mitjançant codis d'identificació del dispositiu. – Baix consum d'energia: Durant la comunicació, el dispositiu pot estar en un estat d'espera de baixa potència quan no participa en la comunicació. – Alta precisió: Amb un temps de transmissió de dades més curt, pot reduir les interferències externes i millorar la precisió de les dades.
2.1.2 Anàlisi de format de dades i sincronització de la comunicació a 1 cable
El format de dades del protocol de comunicació d'1 cable segueix una regla de temporització específica. Inclou el temps d'inicialització, escriviu el temps i llegiu el temps:
Temps d'inicialització: L'amfitrió primer inicia el temps de detecció de presència (Pols de presència) baixant l'autobús durant un període de temps determinat, i el sensor envia un pols de presència en resposta.
Escriu el temps: Quan l'amfitrió envia un temps d'escriptura, primer baixa l'autobús durant aproximadament 1-15 microsegons, després deixa anar l'autobús, i el sensor tira l'autobús cap a dins 60-120 microsegons per respondre.
Llegir el temps: L'amfitrió notifica al sensor que enviï dades baixant l'autobús i deixant-lo anar, i el sensor emetrà el bit de dades al bus després d'un cert retard.

3. Mètode de connexió del maquinari del termòmetre
La connexió del maquinari és el primer i més important pas per construir un termòmetre digital. La connexió correcta entre el sensor DS18B20 i el microcontrolador garantirà la transmissió de dades precisa i proporcionarà una base sòlida per a la programació i el processament de dades posteriors.. Aquest capítol introduirà en detall els principis de disseny de la interfície entre el DS18B20 i el microcontrolador i els passos específics de la connexió del circuit., i cobreix el contingut rellevant de la font d'alimentació i el condicionament del senyal.
3.1 Interfície entre DS18B20 i microcontrolador
3.1.1 Principis de disseny de circuits d'interfície
El disseny del circuit d'interfície del DS18B20 ha de seguir diversos principis bàsics per garantir un funcionament estable i eficient del dispositiu.:
Font d'alimentació estable: DS18B20 pot obtenir energia de la línia de dades “DQ” (cridat “mode de potència paràsit”), o pot ser alimentat independentment per una font d'alimentació externa. Independentment del mètode que s'utilitzi, la font d'alimentació ha de ser estable per evitar errors de transmissió de dades causats per fluctuacions de la font d'alimentació.
Integritat del senyal: Atès que DS18B20 transmet dades a través d'una única línia, La integritat del senyal és especialment crítica. Cal tenir en compte la capacitat anti-interferència del senyal i la concordança de les característiques elèctriques del senyal.
Protecció de circuits: Protecció contra sobreintensitat i descàrrega electrostàtica (ESD) S'han d'incloure mesures de protecció en el disseny del circuit per evitar danys al sensor o al microcontrolador.

3.1.2 Passos específics per a la connexió del circuit
La connexió del DS18B20 a un microcontrolador sol seguir els passos següents:
Connexió d'alimentació: Connecteu el pin VDD del DS18B20 a una font d'alimentació de 3,3 V o 5 V (depenent del nivell de tensió del microcontrolador), i el pin GND a la línia de terra.
Connexió de línia de dades: El pin DQ està connectat a un pin d'E/S digital del microcontrolador. Per tal de garantir l'estabilitat de la transmissió de dades, es pot afegir una resistència pull-up entre la línia de dades i la font d'alimentació, amb un valor típic de 4,7 kΩ a 10 kΩ.
Reinicialització i processament de pins de pols de presència: Normalment, el pin de restabliment (RST) i pin de pols de presència (PAR) de DS18B20 no cal connectar-se externament, són senyals utilitzats internament.

En aquesta secció, hem dissenyat un circuit bàsic mitjançant el qual el sensor de temperatura DS18B20 es pot connectar a un microcontrolador. El següent és un exemple de diagrama de circuit basat en Arduino Uno i la descripció corresponent:

diagrama de flux LR
DS18B20 — |VDD| 5V
DS18B20 — |GND| GND
DS18B20 — |DQ| 2
DQ — |Pull-up| 5V

Entre ells, DS18B20 representa el sensor de temperatura digital, 5V és la potència de sortida del microcontrolador, GND és el cable de terra, i 2 representa el pin de l'Arduino núm. 2, que s'utilitza per a la transmissió de dades. La connexió entre DQ i 5V representa la resistència pull-up.

3.2 Alimentació i condicionament del senyal
3.2.1 Elecció del mètode d'alimentació
DS18B20 proporciona dos mètodes d'alimentació:
Mode d'alimentació paràsit: En aquesta modalitat, la línia de dades (DQ) no només pot transmetre dades, però també alimenta el DS18B20. En aquest moment, la tensió d'alt nivell a la línia de dades ha de ser com a mínim de 3,0 V per garantir un corrent d'alimentació suficient. Aquest mode s'utilitza normalment quan la longitud del bus és curta i la transmissió de dades no és massa freqüent.

Mode d'alimentació externa: En aquesta modalitat, DS18B20 té una entrada d'alimentació independent VDD. L'alimentació amb una font d'alimentació externa pot millorar la força del senyal del sensor i millorar la capacitat anti-interferències, que és adequat per a la transmissió a llarga distància o la transmissió de dades freqüent.

3.2.2 Filtrat i estabilització del senyal
Per tal de garantir l'estabilitat del senyal i la lectura precisa de les dades, el senyal s'ha de filtrar i estabilitzar adequadament:
Resistència pull-up: La resistència d'extracció s'afegeix entre la línia de dades i la font d'alimentació per garantir que la línia de dades estigui en un estat d'alt nivell quan està inactiva..
Circuit de desenganxament: Per tal d'eliminar lectures errònies causades per interferències de línia o fluctuacions instantànies de tensió, el senyal es pot eliminar per programari al costat del microcontrolador.
Protecció ESD: Components de protecció ESD (com ara díodes TVS) s'afegeixen als ports de sensors i microcontroladors per evitar danys causats per descàrregues electrostàtiques.

Els mètodes de connexió anteriors i les estratègies de processament de senyal poden integrar eficaçment el sensor de temperatura DS18B20 en qualsevol sistema de microcontroladors.. El següent capítol presentarà com utilitzar el llenguatge C:

Pràctica de programació funcional de DS18B20:
4. Termòmetre digital DS18B20 Programació en llenguatge C
4.1 Base de programació i preparació de l'entorn
4.1.1 Idees de disseny de programes i construcció de marcs
Abans de començar a escriure el programa en llenguatge C del termòmetre digital DS18B20, primer cal establir les idees bàsiques del disseny del programa. El sensor DS18B20 es comunica amb el microcontrolador mitjançant el protocol de comunicació d'1 cable. Per tant, la tasca principal del programa és implementar les operacions relacionades amb el protocol de comunicació d'1 cable, inclosa la inicialització de DS18B20, enviant instruccions, lectura de dades de temperatura, i convertir i mostrar les dades llegides.

El marc del programa es divideix aproximadament en les parts següents:
Inicialització: Inicialitzar el microcontrolador i el sensor DS18B20.
Bucle principal: Conté un bucle que llegeix contínuament les dades del sensor.
1-biblioteca de funcions de comunicació per cable: Conté funcions per implementar el protocol de comunicació d'un cable.

Tractament de dades: Converteix les dades en brut retornades pel sensor en valors de temperatura llegibles.
Sortida de visualització: Mostra les dades de temperatura processades a la pantalla LCD o envia-les a l'ordinador a través del port sèrie.

Sonda de temperatura DS18b20 impermeable d'acer inoxidable 1 fil 1, 2, 5 metres

DS18B20 Sensor de temperatura digital d'1 cable

Kit de mòdul de sensor de temperatura DS18B20 amb 1 Sonda digital impermeable d'acer inoxidable de m-3,2 peus

4.1.2 Construcció i configuració de l'entorn de desenvolupament
Per tal de programar i desenvolupar el termòmetre digital DS18B20, cal preparar l'entorn de desenvolupament i configurar-lo adequadament. Els següents són els passos bàsics per al desenvolupament:

Seleccioneu l'entorn de desenvolupament: Seleccioneu l'entorn de desenvolupament integrat adequat (IDE) segons el tipus de microcontrolador, com per exemple per al desenvolupament basat en el microcontrolador de la sèrie ARM Cortex-M. Podeu utilitzar Keil MDK o STM32CubeIDE.

Configura el compilador: Segons l'IDE utilitzat, configureu el compilador per assegurar-vos que el codi del llenguatge C es pugui compilar correctament.
Construeix la placa de desenvolupament de maquinari: Seleccioneu una placa de desenvolupament de microcontroladors adequada, com basat en STM32, ESP32, etc.
Connecteu la placa de desenvolupament: Connecteu el sensor DS18B20 al pin especificat del microcontrolador mitjançant el protocol de comunicació d'1 cable.
Escriu codi: Creeu un nou projecte de llenguatge C a l'IDE i comenceu a escriure el codi del programa.
Compilar i depurar: Utilitzeu l'eina IDE per compilar el codi i executar-lo a la placa de desenvolupament per a la depuració.

#incloure <stdio.h>

// Declaració de biblioteca de la funció de comunicació de primera línia DS18B20
void DS18B20_Init();
void DS18B20_Reset();
void DS18B20_WriteByte(char dat sense signar);
caràcter sense signar DS18B20_ReadByte();
int DS18B20_ReadTemperature();

int principal() {
// Inicialitzar el sensor DS18B20
DS18B20_Calor();
// Bucle principal
mentre(1) {
// Llegir el valor de la temperatura
int temperature = DS18B20_ReadTemperature();
// Valor de temperatura de sortida al port sèrie o a un altre dispositiu de visualització
imprimirf(“Temperatura actual: %dn”, temperatura);
}
tornar 0;
}

4.2 Implementació del programa de lectura de temperatura DS18B20
4.2.1 Construcció de la biblioteca de funcions de comunicació d'un cable
Per tal de realitzar la lectura de temperatura de DS18B20, primer heu de crear una biblioteca de funcions de comunicació d'un sol cable. A continuació es mostren els mètodes d'implementació de diverses funcions clau:

DS18B20_Calor(): Inicialitzar el temps de comunicació d'un sol cable.
DS18B20_Restablir(): Reinicieu el sensor i detecteu el seu pols.
DS18B20_WriteByte(char dat sense signar): Escriu un byte de dades al sensor.
DS18B20_ReadByte(): Llegeix un byte de dades del sensor.
DS18B20_ReadTemperature(): Llegeix la temperatura i converteix-la.

La implementació de la biblioteca de funcions de comunicació d'un cable de DS18B20 és força complicada perquè requereix un control precís dels canvis de nivell de pins per seguir el protocol de comunicació d'un cable. El següent és un exemple d'implementació d'una funció:
void DS18B20_Reset() {
// Seqüència de reinici de comunicació d'una línia, inclòs tirar cap avall la línia de dades, retard, deixant anar l'autobús, i detectar el pols de presència
// …
}

El propòsit d'aquesta funció és enviar un pols de restabliment al DS18B20. Després que el restabliment tingui èxit, el DS18B20 retornarà un pols de presència.

4.2.2 Implementació de l'algoritme de lectura de temperatura
La lectura del valor de temperatura del sensor DS18B20 és un procés més complicat, perquè cal enviar instruccions específiques al sensor en un temps determinat i llegir correctament les dades retornades. L'algorisme per llegir el valor de la temperatura és el següent:

Reinicieu el sensor.
Envia el “vaixell ROMA” comandament (0xCC).
Envia el “convertir la temperatura” comandament (0x44).
Espereu que finalitzi la conversió.
Envia el “llegir el registre” comandament (0xBE).
Llegiu dos bytes de dades de temperatura.

El codi següent mostra com llegir el valor de temperatura del DS18B20:

int DS18B20_ReadTemperature() {
caracter no signat temp_low, temp_alta;
unsigned int temp;

// Restableix el sensor i salta les instruccions de la ROM
DS18B20_Restablir();
DS18B20_WriteByte(0xCC); // Omet les ordres de la ROM
// Envia l'ordre de temperatura de conversió
DS18B20_WriteByte(0x44);
// Espereu que finalitzi la conversió. Aquí heu d'esperar segons el temps de conversió de DS18B20
// …

// Reinicieu el sensor i llegiu les dades de temperatura
DS18B20_Restablir();
DS18B20_WriteByte(0xCC); // Omet les ordres de la ROM
DS18B20_WriteByte(0xBE); // Llegir l'ordre del registre

// Llegeix dos bytes de dades
temp_low = DS18B20_ReadByte();
temp_high = DS18B20_ReadByte();
// Combina dos bytes de dades en un nombre enter de 16 bits
temperatura = (temp_alta << 8) | temp_baix;
// Retorna el valor de la temperatura, convertir adequadament en funció de la resolució del DS18B20
temperatura de retorn;
}

4.2.3 Depuració de programes i gestió d'excepcions

En escriure un programa de lectura DS18B20, La depuració del programa i el maneig d'excepcions són molt importants. Durant la depuració, és possible que hàgiu d'utilitzar l'assistent de depuració del port sèrie per comprovar si el valor de la temperatura de sortida és correcte, o utilitzeu un analitzador lògic per controlar el temps del senyal de la comunicació de primera línia. El maneig d'excepcions ha de tenir en compte els errors de maquinari, errors de comunicació, i respostes anormals de DS18B20.

A continuació es mostren algunes estratègies de depuració i de gestió d'excepcions:

Verificació de dades: Després de cada lectura de dades, utilitzeu una suma de verificació o un bit de verificació per confirmar la correcció de les dades.
Captura d'excepcions: Afegiu un mecanisme de captura d'excepcions al programa, com ara un mecanisme de reintent de temps d'espera, reinicieu el sensor, etc.
Informació de depuració: Afegiu prou informació de depuració al programa per ajudar a localitzar el problema.
int principal() {
// Inicialitzar el sensor DS18B20
DS18B20_Calor();
// Bucle principal
mentre(1) {
int temperatura;
// Llegiu la temperatura i comproveu si hi ha errors
temperatura = DS18B20_ReadTemperature();
si (temperatura < 0) {
imprimirf(“Error en llegir la temperatura!\n”);
// Podeu optar per tornar a intentar-ho o altres mecanismes de gestió d'errors
} altra cosa {
imprimirf(“Temperatura actual: %dn”, temperatura);
}
}
tornar 0;
}

Aquest capítol presenta la base de programació del llenguatge C i la preparació de l'entorn del termòmetre digital DS18B20, així com la implementació del programa de lectura de temperatura, i destaca la importància de la depuració de programes i el maneig d'excepcions. A través de la introducció d'aquest capítol, els lectors haurien de poder crear un entorn de desenvolupament, comprendre la importància de la biblioteca de funcions de comunicació de primera línia, i escriure un programa bàsic de lectura de temperatura. Els capítols següents aprofundiran en la construcció i l'ús de l'entorn de simulació Proteus, proporcionar un mètode de prova de simulació per al muntatge real del maquinari.

5. Diagrama de simulació Proteus i anàlisi de resultats de simulació
5.1 Construcció de l'entorn de simulació Proteus
5.1.1 Funcionament bàsic del programari Proteus
Abans de començar a construir el model de simulació del termòmetre digital DS18B20, primer cal entendre i dominar el funcionament bàsic del programari Proteus. Proteus és un potent programari de simulació de circuits electrònics que no només pot dissenyar esquemes de circuits, sinó també dissenyar dissenys de circuits PCB i proporcionar funcions de simulació. Aquests són alguns passos clau per ajudar-vos a començar amb Proteus:

Obriu el programari Proteus i creeu un nou projecte.
Cerqueu i seleccioneu els components necessaris a la biblioteca de components, com els sensors DS18B20, microcontroladors, fonts d'alimentació, cables de connexió, etc.
Arrossegueu els components seleccionats a l'àrea de disseny i utilitzeu el ratolí per col·locar-los i dissenyar-los.
Utilitzeu l'eina de cablejat per connectar els pins de cada component per formar un circuit complet.
Feu doble clic en un component o cable per modificar-ne les propietats, com el valor de la resistència, tensió d'alimentació, etc.

Assegureu-vos que tots els components estiguin connectats correctament i comproveu si hi ha errors o omissions.

5.1.2 Crear un projecte de simulació DS18B20
Els passos per crear un projecte de simulació per al termòmetre digital DS18B20 són els següents:

Inicieu Proteus i seleccioneu “Nou Projecte” per crear un nou projecte.
Després d'establir el nom i la ubicació del projecte, feu clic “A continuació”.
Seleccioneu una plantilla de projecte, com ara “Basat en microprocessador”, i feu clic “A continuació”.
En el “Elements del projecte” pestanya, comprovar “Inclou components predeterminats” i seleccioneu un microcontrolador (com ara PIC, AVR, etc.) i un sensor DS18B20.
Feu clic “Acabar” per completar la creació del projecte.

A continuació, crear un esquema de circuit:
Seleccioneu el “ESCOLLIR EL DISPOSITIU” eina, cerqueu i seleccioneu el microcontrolador i el sensor DS18B20 a la biblioteca de components.
Utilitza el “COL·LOCA EL DISPOSITIU” eina per col·locar el component seleccionat a l'àrea de disseny.
Utilitza el “FIL” eina per connectar el microcontrolador i els pins corresponents del sensor DS18B20.
Després de completar la connexió, utilitza el “TEXT” eina per afegir anotacions al diagrama de circuits per a una fàcil comprensió i modificació.

5.2 Prova de simulació i anàlisi de dades
5.2.1 Establir paràmetres i condicions de simulació
Abans de començar la simulació, cal establir els paràmetres i les condicions per a l'execució de la simulació:
Feu doble clic al component del microcontrolador per entrar a la interfície de configuració de propietats.
Seleccioneu el camí del fitxer de programa escrit anteriorment a “Fitxer del programa”.
Configureu els paràmetres de la font d'alimentació per assegurar-vos que tant el microcontrolador com el sensor DS18B20 tinguin la tensió d'alimentació correcta..
A continuació, establir els paràmetres de temps per a la simulació:
Al panell de control de simulació, seleccionar “Configuració global”.
Ajusteu la velocitat de simulació i el temps màxim de simulació.
Establiu els punts d'interrupció adequats per analitzar les dades durant el procés de simulació.

5.2.2 Simular i llegir dades de temperatura
Executeu la simulació i simuleu les dades de temperatura:
Feu clic a “Jugar” botó al tauler de control de simulació per iniciar la simulació.
Utilitza el “DEpuració” eina per veure l'estat d'execució del programa i els valors variables.
Simula el sensor DS18B20 per llegir el valor de temperatura, que normalment s'aconsegueix modificant el termòmetre virtual en l'entorn de simulació.

Per llegir dades de temperatura a la simulació, podeu consultar els passos següents:
Trobeu els paràmetres de simulació de temperatura a les propietats del component DS18B20.
Modifiqueu el valor de temperatura per provar la resposta del sistema en diferents condicions de temperatura.
Observeu com el programa del microcontrolador processa les dades de temperatura.

5.2.3 Anàlisi de resultats i resolució de problemes
Analitzeu els resultats de la simulació i confirmeu el rendiment del termòmetre:
Superviseu les dades a la finestra de sortida per comprovar si la lectura de temperatura és precisa.
Utilitzeu l'eina de l'analitzador lògic per controlar si el procés de comunicació de dades és normal.
Comproveu si hi ha senyals anormals o sortides inestables.

Realitzar diagnòstic d'errors i depuració:
Si la lectura de temperatura és inexacta o hi ha un error, comproveu el mètode de connexió i la configuració del DS18B20.
Analitzeu el codi del programa per assegurar-vos que la comunicació de primera línia i els algorismes de conversió de dades s'implementen correctament.
Utilitza el “Atureu-vos” funció del programari de simulació per aturar la simulació i observar l'estat actual del sistema.