Výroba digitálního teploměru s digitálním teplotním senzorem DS18B20

Zavedení: Tento článek podrobně vysvětluje použití vlastního digitálního teplotního senzoru DS18B20 při sestavování digitálního teploměru. Včetně principu fungování, hardwarové připojení, programování softwaru a implementace simulací. Poskytněte kompletní schéma simulace výstupků, C zdrojový kód a analýza výsledků, která čtenářům pomůže hluboce pochopit a procvičit si používání DS18B20.

Informace o parametrech: napájení: 3.0PROTI – 5.5PROTI; Nastavitelné rozlišení: 9 – 12 bit; Teplotní rozsah: -55 ℃ až +125 ℃; Výstup : červený (VCC), žluť (DATA), černý (GND);
Co získáte: dostanete 4 Teplotní čidla DS18B20, 4 moduly adaptérů a 4 propojovací kabely samice na samice; Modul adaptéru má pull-up rezistor, který může být kompatibilní s Raspberry Pi bez externího rezistoru;
Teplotní čidlo DS18B20: velikost pouzdra z nerezové oceli je cca. 6 x 50 mm/ 0.2 x 2 palec, a digitální teplotní tepelný kabel má celkovou délku cca. 1 m/ 39.4 palec, která je dostatečně dlouhá, aby vyhovovala vašim potřebám;
Kvalitní materiál: Sonda je vyrobena z kvalitního nerezového materiálu, který je voděodolný, odolný proti vlhkosti a není snadné jej zrezivět, aby se zabránilo zkratům;
Široká aplikace: tento teplotní senzor DS18B20 je kompatibilní s Raspberry Pi, a je široce používán při monitorování teploty kabelových výkopů, kotel, co, zemědělský skleník, čistý pokoj, atd.

Snímač teploty DS18B20 -55 na +125 stupně Celsia, Kompatibilní s Raspberry Pi

Vodotěsná sonda digitálního teplotního senzoru DS18B20 pro povrchovou montáž

DS18B20 Teplotní čidlo Digitální teploměr Sonda + Modul terminálového adaptéru se sadou drátů

1. Charakteristika snímače DS18B20
Snímač DS18B20 hraje klíčovou roli v oblasti moderního monitorování teploty. Dokáže měřit teplotu s vysokou přesností, a jeho rozlišení lze upravit podle potřeby, tak, aby bylo dosaženo monitorování teploty s různým stupněm přesnosti. Navíc, díky malým rozměrům je DS18B20 vhodný pro použití v prostředí s omezeným prostorem, a jeho snadno použitelné vlastnosti snižují technický práh od začátečníků po profesionály.

Před dalším zkoumáním výkonových parametrů DS18B20, je nutné nejprve pochopit jeho princip fungování. DS18B20 sděluje údaje o teplotě prostřednictvím digitálních signálů, což přináší pohodlí při sběru údajů o teplotě. Ve srovnání s tradičními analogovými teplotními senzory, digitální senzory, jako je DS18B20, mohou poskytovat přesnější údaje a jsou méně citlivé na šum během přenosu signálu.

Aby bylo možné plně využít těchto výhod DS18B20, musíme hluboce rozumět jeho výkonnostním parametrům. Tyto parametry zahrnují rozsah měření teploty, přesnost, rezoluce, a napájecí napětí. Tyto parametry neurčují pouze to, zda DS18B20 dokáže splnit potřeby konkrétních aplikací, ale také ovlivňují výkon a spolehlivost celého systému.

V této kapitole, podrobně si představíme výkonové parametry DS18B20, analyzovat princip jeho fungování, a prozkoumat jeho výhody v různých aplikacích. Prostřednictvím těchto obsahů, čtenáři hlouběji porozumí senzorům DS18B20 a položí pevný základ pro následné složitější aplikace a programování.

2. Podrobné vysvětlení 1-Wire komunikačního protokolu DS18B20
Důvodem, proč jsou senzory DS18B20 široce používány, je z velké části jeho unikátní komunikační protokol – 1-Drátový komunikační protokol. Tento protokol zjednodušuje požadavky na hardwarová připojení a poskytuje efektivní způsob přenosu dat. Tato kapitola bude hluboce analyzovat pracovní mechanismus a proces výměny dat 1-linkového komunikačního protokolu, aby položil pevný základ pro následnou programovací praxi..
2.1 Základy 1-Wire komunikačního protokolu
2.1.1 Vlastnosti 1-Wire komunikačního protokolu:
Také se nazývá DS18B20 1-Wire Communication Protocol “jediný autobus” technologie. Má následující vlastnosti: – Jednosběrnicová komunikace: Pro obousměrný přenos dat se používá pouze jedna datová linka, což výrazně snižuje složitost kabeláže ve srovnání s tradičním vícedrátovým způsobem komunikace senzorů. – Připojení více zařízení: Podporuje připojení více zařízení na jednu datovou sběrnici, a identifikuje a komunikuje prostřednictvím identifikačních kódů zařízení. – Nízká spotřeba energie: Během komunikace, zařízení může být v pohotovostním stavu s nízkou spotřebou energie, když se neúčastní komunikace. – Vysoká přesnost: S kratší dobou přenosu dat, může snížit vnější rušení a zlepšit přesnost dat.
2.1.2 Formát dat a časová analýza 1-wire komunikace
Formát dat 1-wire komunikačního protokolu se řídí konkrétním pravidlem časování. Zahrnuje časování inicializace, časování zápisu a časování čtení:
Časování inicializace: Hostitel nejprve spustí časování detekce přítomnosti (Puls přítomnosti) stažením autobusu na určitou dobu, a senzor poté odešle jako odpověď puls přítomnosti.
Napište časování: Když hostitel odešle časování zápisu, nejprve stáhne autobus na asi 1-15 mikrosekundách, pak autobus uvolní, a senzor stáhne autobus dovnitř 60-120 mikrosekundy na odpověď.
Přečtěte si časování: Hostitel upozorní senzor, aby odeslal data, stažením sběrnice a jejím uvolněním, a snímač odešle datový bit na sběrnici po určité prodlevě.

3. Způsob připojení hardwaru teploměru
Hardwarové připojení je prvním a nejdůležitějším krokem při stavbě digitálního teploměru. Správné propojení mezi senzorem DS18B20 a mikrokontrolérem zajistí přesný přenos dat a poskytne pevný základ pro další programování softwaru a zpracování dat. Tato kapitola podrobně představí principy návrhu rozhraní mezi DS18B20 a mikrokontrolérem a konkrétní kroky zapojení obvodu, a pokrývají příslušný obsah napájení a úpravy signálu.
3.1 Rozhraní mezi DS18B20 a mikrokontrolérem
3.1.1 Principy návrhu obvodů rozhraní
Návrh obvodu rozhraní DS18B20 musí dodržovat několik základních principů, aby byl zajištěn stabilní a efektivní provoz zařízení:
Stabilní napájení: DS18B20 může získávat energii z datové linky “DQ” (volal “režim parazitního výkonu”), nebo může být nezávisle napájen externím napájecím zdrojem. Bez ohledu na to, která metoda je použita, napájecí zdroj musí být stabilní, aby nedocházelo k chybám přenosu dat způsobeným kolísáním napájení.
Integrita signálu: Protože DS18B20 přenáší data po jedné lince, Integrita signálu je obzvláště důležitá. Je nutné vzít v úvahu antiinterferenční schopnost signálu a přizpůsobení elektrických charakteristik signálu.
Ochrana obvodu: Nadproudová ochrana a elektrostatický výboj (ESD) ochranná opatření by měla být zahrnuta do návrhu obvodu, aby se zabránilo poškození snímače nebo mikrokontroléru.

3.1.2 Konkrétní kroky pro připojení okruhu
Připojení DS18B20 k mikrokontroléru obvykle probíhá podle následujících kroků:
Připojení napájení: Připojte kolík VDD na DS18B20 k 3,3V nebo 5V napájecímu zdroji (v závislosti na napěťové úrovni mikrokontroléru), a kolík GND k zemnícímu vedení.
Připojení datové linky: Pin DQ je připojen k digitálnímu I/O pinu mikrokontroléru. Aby byla zajištěna stabilita přenosu dat, mezi datovou linku a napájecí zdroj lze přidat pull-up rezistor, s typickou hodnotou 4,7kΩ až 10kΩ.
Zpracování pulsu resetu a přítomnosti: Normálně, resetovací kolík (RST) a prezenční pulzní kolík (PAR) DS18B20 není nutné připojovat externě, jsou to interně používané signály.

V této sekci, navrhli jsme základní obvod, přes který lze připojit snímač teploty DS18B20 k mikrokontroléru. Následuje příklad schématu zapojení založeného na Arduino Uno a odpovídající popis:

vývojový diagram LR
DS18B20 — |VDD| 5PROTI
DS18B20 — |GND| GND
DS18B20 — |DQ| 2
DQ — |Vytahování| 5PROTI

Mezi nimi, DS18B20 představuje digitální teplotní senzor, 5V je výstupní výkon mikrokontroléru, GND je zemnící vodič, a 2 představuje pin č. Arduina. 2, který se používá pro přenos dat. Spojení mezi DQ a 5V představuje pull-up rezistor.

3.2 Napájení a úprava signálu
3.2.1 Volba způsobu napájení
DS18B20 poskytuje dva způsoby napájení:
Režim parazitního výkonu: V tomto režimu, datovou linku (DQ) umí nejen přenášet data, ale také napájet DS18B20. V tuto chvíli, vysoké napětí na datové lince by mělo být alespoň 3,0 V, aby byl zajištěn dostatečný napájecí proud. Tento režim se obvykle používá, když je délka sběrnice krátká a přenos dat není příliš častý.

Režim externího napájení: V tomto režimu, DS18B20 má nezávislý napájecí vstup VDD. Napájení pomocí externího napájecího zdroje může zvýšit sílu signálu snímače a zlepšit odolnost proti rušení, který je vhodný pro přenos na dlouhé vzdálenosti nebo časté přenosy dat.

3.2.2 Filtrování a stabilizace signálu
Aby byla zajištěna stabilita signálu a přesné čtení dat, signál je potřeba správně filtrovat a stabilizovat:
Pull-up rezistor: Pull-up rezistor je přidán mezi datovou linku a napájecí zdroj, aby bylo zajištěno, že datová linka je v nečinnosti ve stavu vysoké úrovně.
De-jitter obvod: Aby se eliminovaly chybné odečty způsobené rušením vedení nebo okamžitým kolísáním napětí, signál lze softwarově de-jitterovat na straně mikrokontroléru.
ESD ochrana: Součásti ochrany ESD (jako jsou TVS diody) se přidávají do portů senzorů a mikrokontrolérů, aby se zabránilo poškození způsobenému elektrostatickým výbojem.

Výše uvedené způsoby připojení a strategie zpracování signálu mohou účinně integrovat teplotní senzor DS18B20 do jakéhokoli systému mikrokontroléru. Další kapitola představí, jak používat jazyk C:

Nácvik funkcionálního programování DS18B20:
4. Digitální teploměr DS18B20 programování v jazyce C
4.1 Základy programování a příprava prostředí
4.1.1 Nápady na návrh programu a konstrukce rámce
Před zahájením psaní programu v jazyce C digitálního teploměru DS18B20, nejprve musíte stanovit základní myšlenky návrhu programu. Senzor DS18B20 komunikuje s mikrokontrolérem prostřednictvím 1-wire komunikačního protokolu. Proto, hlavním úkolem programu je implementace souvisejících operací 1-wire komunikačního protokolu, včetně inicializace DS18B20, odesílání pokynů, čtení údajů o teplotě, a převádění a zobrazování načtených dat.

Programový rámec je zhruba rozdělen do následujících částí:
Inicializace: Inicializujte mikrokontrolér a senzor DS18B20.
Hlavní smyčka: Obsahuje smyčku, která nepřetržitě čte data senzoru.
1-knihovna funkcí drátové komunikace: Obsahuje funkce pro implementaci jednodrátového komunikačního protokolu.

Zpracování dat: Převeďte nezpracovaná data vrácená senzorem na čitelné hodnoty teploty.
Zobrazení výstupu: Zobrazte zpracovaná teplotní data na LCD obrazovce nebo je odešlete do počítače přes sériový port.

Nerezová vodotěsná teplotní sonda DS18b20 1-Wire 1, 2, 5 metrů

DS18B20 1-Wire digitální teplotní senzor

DS18B20 Sada modulu snímače teploty s 1 m-3,2 Ft vodotěsná digitální sonda z nerezové oceli

4.1.2 Konstrukce a konfigurace vývojového prostředí
Za účelem naprogramování a vývoje digitálního teploměru DS18B20, musíte připravit vývojové prostředí a vhodně jej nakonfigurovat. Následují základní kroky pro vývoj:

Vyberte vývojové prostředí: Vyberte vhodné integrované vývojové prostředí (IDE) podle typu mikrokontroléru, například pro vývoj založený na mikrokontroléru řady ARM Cortex-M. Můžete použít Keil MDK nebo STM32CubeIDE.

Nakonfigurujte kompilátor: Podle použitého IDE, nakonfigurujte kompilátor, abyste zajistili správnou kompilaci kódu jazyka C.
Sestavte desku pro vývoj hardwaru: Vyberte vhodnou vývojovou desku mikrokontroléru, například založené na STM32, ESP32, atd.
Připojte vývojovou desku: Připojte senzor DS18B20 k určenému kolíku mikrokontroléru pomocí 1-wire komunikačního protokolu.
Napište kód: Vytvořte nový projekt v jazyce C v IDE a začněte psát programový kód.
Kompilace a ladění: Pomocí nástroje IDE zkompilujte kód a spusťte jej na vývojové desce pro ladění.

#zahrnout <stdio.h>

// DS18B20 deklarace knihovny komunikačních funkcí prvního řádku
void DS18B20_Init();
void DS18B20_Reset();
void DS18B20_WriteByte(nepodepsaný znak dat);
nepodepsaný znak DS18B20_ReadByte();
int DS18B20_ReadTemperature();

int main() {
// Inicializujte snímač DS18B20
DS18B20_Heat();
// Hlavní smyčka
zatímco(1) {
// Odečtěte hodnotu teploty
vnitřní teplota = DS18B20_ReadTemperature();
// Hodnota výstupní teploty na sériový port nebo jiné zobrazovací zařízení
Printf(“Aktuální teplota: %d\n”, teplota);
}
návrat 0;
}

4.2 Implementace programu pro čtení teploty DS18B20
4.2.1 Konstrukce knihovny jednodrátových komunikačních funkcí
Aby bylo možné realizovat odečet teploty DS18B20, nejprve musíte vytvořit knihovnu jednodrátových komunikačních funkcí. Níže jsou uvedeny způsoby implementace několika klíčových funkcí:

DS18B20_Heat(): Inicializujte časování jednodrátové komunikace.
DS18B20_Reset(): Resetujte senzor a detekujte jeho puls.
DS18B20_WriteByte(nepodepsaný znak dat): Zapište bajt dat do senzoru.
DS18B20_ReadByte(): Přečtěte si bajt dat ze senzoru.
DS18B20_ReadTemperature(): Odečtěte teplotu a převeďte ji.

Implementace knihovny jednodrátových komunikačních funkcí DS18B20 je poměrně komplikovaná, protože vyžaduje přesné řízení změn úrovně kolíků, aby bylo možné dodržet jednodrátový komunikační protokol.. Následuje příklad implementace funkce:
void DS18B20_Reset() {
// Sekvence resetování jednolinkové komunikace, včetně stažení datového vedení, zpoždění, uvolnění autobusu, a detekce pulzu přítomnosti
// …
}

Účelem této funkce je poslat resetovací impuls do DS18B20. Po úspěšném resetu, DS18B20 vrátí puls přítomnosti.

4.2.2 Implementace algoritmu čtení teploty
Čtení hodnoty teploty čidla DS18B20 je složitější proces, protože je potřeba v určitém čase posílat konkrétní instrukce do senzoru a správně číst vrácená data. Algoritmus pro čtení hodnoty teploty je následující:

Resetujte senzor.
Pošlete “loď ŘÍM” příkaz (0XCC).
Pošlete “převést teplotu” příkaz (0x44).
Počkejte na dokončení převodu.
Pošlete “číst registr” příkaz (0Xbe).
Přečtěte si dva bajty teplotních dat.

Následující kód ukazuje, jak číst hodnotu teploty DS18B20:

int DS18B20_ReadTemperature() {
unsigned char temp_low, temp_high;
unsigned int temp;

// Resetujte senzor a přeskočte instrukce ROM
DS18B20_Reset();
DS18B20_WriteByte(0XCC); // Přeskočit příkazy ROM
// Odeslat příkaz převodní teploty
DS18B20_WriteByte(0x44);
// Počkejte na dokončení převodu. Zde musíte počkat podle doby převodu DS18B20
// …

// Resetujte snímač a přečtěte si údaje o teplotě
DS18B20_Reset();
DS18B20_WriteByte(0XCC); // Přeskočit příkazy ROM
DS18B20_WriteByte(0Xbe); // Příkaz čtení registru

// Přečtěte si dva bajty dat
temp_low = DS18B20_ReadByte();
temp_high = DS18B20_ReadByte();
// Zkombinujte dva bajty dat do 16bitového celého čísla
temp = (temp_high << 8) | temp_low;
// Vraťte hodnotu teploty, vhodnou konverzi na základě rozlišení DS18B20
zpětná teplota;
}

4.2.3 Ladění programu a zpracování výjimek

Při psaní čtecího programu DS18B20, ladění programu a zpracování výjimek jsou velmi důležité. Během ladění, možná budete muset použít asistenta pro ladění sériového portu, abyste zkontrolovali, zda je hodnota výstupní teploty správná, nebo použijte logický analyzátor ke sledování časování signálu první linky. Zpracování výjimek musí brát v úvahu selhání hardwaru, komunikační chyby, a abnormální odezvy DS18B20.

Následují některé strategie ladění a zpracování výjimek:

Ověření dat: Po každém přečtení dat, použijte kontrolní součet nebo kontrolní bit k potvrzení správnosti dat.
Zachycení výjimek: Přidejte do programu mechanismus zachycení výjimek, jako je mechanismus opakování časového limitu, resetujte senzor, atd.
Informace o ladění: Přidejte do programu dostatečný výstup informací o ladění, který pomůže najít problém.
int main() {
// Inicializujte snímač DS18B20
DS18B20_Heat();
// Hlavní smyčka
zatímco(1) {
vnitřní teplota;
// Odečtěte teplotu a zkontrolujte chyby
teplota = DS18B20_ReadTemperature();
-li (teplota < 0) {
Printf(“Chyba při čtení teploty!\n”);
// Můžete zvolit opakování nebo jiné mechanismy zpracování chyb
} jiný {
Printf(“Aktuální teplota: %d\n”, teplota);
}
}
návrat 0;
}

Tato kapitola představuje základy programování v jazyce C a přípravu prostředí digitálního teploměru DS18B20, stejně jako implementaci programu pro odečítání teploty, a zdůrazňuje důležitost ladění programu a zpracování výjimek. Prostřednictvím úvodu této kapitoly, čtenáři by měli být schopni vytvořit vývojové prostředí, pochopit důležitost knihovny komunikačních funkcí první linie, a napsat základní program pro čtení teploty. Následující kapitoly se budou dále věnovat konstrukci a použití simulačního prostředí Proteus, poskytování simulační testovací metody pro skutečnou montáž hardwaru.

5. Simulační diagram Proteus a analýza výsledků simulace
5.1 Konstrukce simulačního prostředí Proteus
5.1.1 Základní obsluha softwaru Proteus
Před zahájením stavby simulačního modelu digitálního teploměru DS18B20, nejprve musíte pochopit a zvládnout základní ovládání softwaru Proteus. Proteus je výkonný software pro simulaci elektronických obvodů, který umí nejen navrhovat schémata obvodů, ale také navrhnout rozložení plošných spojů obvodů a poskytnout simulační funkce. Zde je několik klíčových kroků, které vám pomohou začít s Proteusem:

Otevřete software Proteus a vytvořte nový projekt.
Vyhledejte a vyberte požadované součásti v knihovně součástí, jako jsou senzory DS18B20, mikrokontroléry, napájecí zdroje, propojovací vodiče, atd.
Přetáhněte vybrané součásti do oblasti návrhu a pomocí myši je umístěte a rozmístěte.
Pomocí nástroje pro zapojení spojte kolíky každé součásti a vytvořte kompletní obvod.
Poklepáním na součást nebo vodič upravte jejich vlastnosti, jako je hodnota odporu, napájecí napětí, atd.

Ujistěte se, že jsou všechny součásti správně připojeny a zkontrolujte, zda nedošlo k chybám nebo opomenutím.

5.1.2 Vytvořte simulační projekt DS18B20
Kroky k vytvoření simulačního projektu pro digitální teploměr DS18B20 jsou následující:

Spusťte Proteus a vyberte “Nový projekt” k vytvoření nového projektu.
Po nastavení názvu a umístění projektu, klikněte “Další”.
Vyberte šablonu projektu, například “Na bázi mikroprocesoru”, a klikněte “Další”.
V “Položky projektu” tab, kontrola “Zahrnout výchozí součásti” a vyberte mikrokontrolér (jako je PIC, AVR, atd.) a snímač DS18B20.
Klikněte “Dokončit” k dokončení tvorby projektu.

Další, vytvořit schéma obvodu:
Vyberte “VYBERTE ZAŘÍZENÍ” nástroj, vyhledejte a vyberte mikrokontrolér a senzor DS18B20 v knihovně součástek.
Použijte “UMÍSTĚTE ZAŘÍZENÍ” nástroj pro umístění vybrané součásti do oblasti návrhu.
Použijte “DRÁT” nástroj pro připojení mikrokontroléru a příslušných pinů snímače DS18B20.
Po dokončení připojení, použít “TEXT” nástroj pro přidávání anotací do schématu zapojení pro snadné pochopení a úpravu.

5.2 Simulační test a analýza dat
5.2.1 Nastavte parametry a podmínky simulace
Před spuštěním simulace, musíte nastavit parametry a podmínky pro běh simulace:
Poklepáním na součást mikrokontroléru vstoupíte do rozhraní nastavení vlastností.
Vyberte dříve zapsanou cestu k souboru programu na “Program File”.
Nastavte parametry napájení, abyste zajistili, že mikrokontrolér i senzor DS18B20 mají správné napájecí napětí.
Další, nastavte časové parametry pro simulaci:
V ovládacím panelu simulace, vybrat “Globální nastavení”.
Upravte rychlost simulace a maximální dobu simulace.
Nastavte vhodné body přerušení pro analýzu dat během procesu simulace.

5.2.2 Simulujte a čtěte údaje o teplotě
Spusťte simulaci a simulujte údaje o teplotě:
Klikněte na “Hrát” na ovládacím panelu simulace pro spuštění simulace.
Použijte “LADIT” nástroj pro zobrazení stavu běhu programu a hodnot proměnných.
Simulujte snímač DS18B20, abyste načetli hodnotu teploty, čehož je obvykle dosaženo úpravou virtuálního teploměru v prostředí simulace.

Pro čtení údajů o teplotě v simulaci, můžete postupovat podle následujících kroků:
Nastavení simulace teploty vyhledejte ve vlastnostech komponenty DS18B20.
Upravte hodnotu teploty, abyste otestovali odezvu systému za různých teplotních podmínek.
Sledujte, jak program mikrokontroléru zpracovává údaje o teplotě.

5.2.3 Analýza výsledků a odstraňování problémů
Analyzujte výsledky simulace a potvrďte výkon teploměru:
Sledujte data ve výstupním okně a zkontrolujte, zda je naměřená teplota přesná.
Pomocí nástroje logického analyzátoru můžete sledovat, zda je proces datové komunikace normální.
Zkontrolujte případné abnormální signály nebo nestabilní výstupy.

Proveďte diagnostiku chyb a ladění:
Pokud je údaj teploty nepřesný nebo došlo k chybě, zkontrolujte způsob připojení a konfiguraci DS18B20.
Analyzujte programový kód, abyste se ujistili, že první linie komunikace a algoritmy konverze dat jsou správně implementovány.
Použijte “Zastávka” funkce simulačního softwaru pro pozastavení simulace a sledování aktuálního stavu systému.