Fabriquer un thermomètre numérique avec le capteur de température numérique DS18B20

Introduction: Cet article explique en détail l'application du capteur de température numérique DS18B20 personnalisé dans la construction d'un thermomètre numérique.. Y compris le principe de fonctionnement, connexion matérielle, programmation de logiciels et mise en œuvre de simulations. Fournir un diagramme de simulation de protues complet, Code source C et analyse des résultats pour aider les lecteurs à comprendre et à pratiquer en profondeur l'utilisation du DS18B20.

Informations sur les paramètres: alimentation électrique: 3.0V – 5.5V; Résolution réglable: 9 – 12 peu; Plage de température: -55 ℃ à +125 ℃; Sortir : rouge (VCC), jaune (DONNÉES), noir (GND);
Ce que vous obtenez: tu auras 4 Capteurs de température DS18B20, 4 modules adaptateurs et 4 fils de liaison femelle à femelle; Le module adaptateur est doté d'une résistance de rappel, qui peut être compatible avec Raspberry Pi sans résistance externe;
Capteur de température DS18B20: la taille du boîtier en acier inoxydable est d'env.. 6 X 50 mm/ 0.2 X 2 pouce, et le câble thermique de température numérique a une longueur totale d'environ. 1 m/ 39.4 pouce, ce qui est assez long pour répondre à vos besoins;
Matériel de qualité: la sonde est fabriquée en acier inoxydable de qualité, qui est étanche, résistant à l'humidité et pas facile à rouiller, afin d'éviter les courts-circuits;
Large application: ce capteur de température DS18B20 est compatible avec Raspberry Pi, et est largement appliqué dans la surveillance de la température des tranchées de câbles, chaudière, quoi, serre agricole, salle blanche, etc..

Capteur de température DS18B20 -55 à +125 Degrés Celsius, Compatible avec Raspberry Pi

Sonde étanche de capteur de température numérique DS18B20 à montage en Surface

Sonde de thermomètre numérique, capteur de température DS18B20 + Module adaptateur de borne avec jeu de fils

1. Caractéristiques du capteur DS18B20
Le capteur DS18B20 joue un rôle clé dans le domaine de la surveillance moderne de la température. Il peut mesurer la température avec une grande précision, et sa résolution peut être ajustée selon les besoins, afin de réaliser une surveillance de la température avec différents degrés de précision. En outre, la petite taille du DS18B20 le rend adapté à une utilisation dans des environnements avec un espace limité, et ses caractéristiques faciles à utiliser réduisent le seuil technique des débutants aux professionnels.

Avant d'explorer davantage les paramètres de performances du DS18B20, il faut d'abord comprendre son principe de fonctionnement. Le DS18B20 communique les données de température via des signaux numériques, ce qui apporte de la commodité à la collecte de données de température. Par rapport aux capteurs de température analogiques traditionnels, les capteurs numériques tels que DS18B20 peuvent fournir des lectures plus précises et sont moins sensibles au bruit pendant la transmission du signal.

Afin d'utiliser pleinement ces avantages du DS18B20, nous devons avoir une compréhension approfondie de ses paramètres de performance. Ces paramètres incluent la plage de mesure de la température, précision, résolution, et tension d'alimentation. Ces paramètres déterminent non seulement si le DS18B20 peut répondre aux besoins d'applications spécifiques, mais affectent également les performances et la fiabilité de l'ensemble du système.

Dans ce chapitre, nous présenterons les paramètres de performance du DS18B20 en détail, analyser son principe de fonctionnement, et explorez ses avantages dans différentes applications. A travers ces contenus, les lecteurs acquerront une compréhension plus approfondie des capteurs DS18B20 et établiront une base solide pour des applications et une programmation ultérieures plus complexes.

2. Explication détaillée du protocole de communication 1-Wire du DS18B20
La raison pour laquelle les capteurs DS18B20 sont largement utilisés est en grande partie due à son protocole de communication unique. – 1-Protocole de communication filaire. Ce protocole simplifie les exigences en matière de connexions matérielles et fournit un moyen efficace de transmettre des données. Ce chapitre analysera en profondeur le mécanisme de travail et le processus d'échange de données du protocole de communication à 1 ligne afin de jeter une base solide pour la pratique de programmation ultérieure..
2.1 Bases du protocole de communication 1 fil
2.1.1 Caractéristiques du protocole de communication à 1 fil:
Le protocole de communication DS18B20 à 1 fil est également appelé “bus unique” technologie. Il a les caractéristiques suivantes: – Communication par bus unique: Une seule ligne de données est utilisée pour la transmission de données bidirectionnelle, ce qui réduit considérablement la complexité du câblage par rapport à la méthode de communication traditionnelle des capteurs multifils. – Connexion multi-appareils: Prend en charge la connexion de plusieurs appareils sur un seul bus de données, et identifie et communique via des codes d'identification de l'appareil. – Faible consommation d'énergie: Pendant la communication, l'appareil peut être dans un état de veille à faible consommation lorsqu'il ne participe pas à la communication. – Haute précision: Avec un temps de transmission de données plus court, il peut réduire les interférences externes et améliorer la précision des données.
2.1.2 Format des données et analyse temporelle de la communication 1 fil
Le format de données du protocole de communication 1 fil suit une règle de synchronisation spécifique. Il comprend le timing d'initialisation, timing d'écriture et timing de lecture:
Calendrier d'initialisation: L'hôte démarre d'abord le timing de détection de présence (Impulsion de présence) en arrêtant le bus pendant un certain temps, et le capteur envoie alors une impulsion de présence en réponse.
Synchronisation d'écriture: Lorsque l'hôte envoie un timing d'écriture, il arrête d'abord le bus pendant environ 1-15 microsecondes, puis libère le bus, et le capteur abaisse le bus 60-120 microsecondes pour répondre.
Lire le timing: L'hôte demande au capteur d'envoyer des données en abaissant le bus et en le relâchant, et le capteur émettra le bit de données sur le bus après un certain délai.

3. Méthode de connexion du matériel du thermomètre
La connexion matérielle est la première et la plus importante étape dans la construction d'un thermomètre numérique. La connexion correcte entre le capteur DS18B20 et le microcontrôleur garantira une transmission précise des données et fournira une base solide pour la programmation ultérieure du logiciel et le traitement des données.. Ce chapitre présentera en détail les principes de conception d'interface entre le DS18B20 et le microcontrôleur et les étapes spécifiques de connexion du circuit., et couvrir le contenu pertinent de l'alimentation électrique et du conditionnement du signal.
3.1 Interface entre DS18B20 et microcontrôleur
3.1.1 Principes de conception des circuits d'interface
La conception du circuit d'interface du DS18B20 doit suivre plusieurs principes fondamentaux pour garantir un fonctionnement stable et efficace de l'appareil.:
Alimentation électrique stable: DS18B20 peut obtenir l'alimentation de la ligne de données “QD” (appelé “mode d'alimentation parasite”), ou il peut être alimenté indépendamment par une alimentation externe. Quelle que soit la méthode utilisée, l'alimentation doit être stable pour éviter les erreurs de transmission de données causées par les fluctuations de l'alimentation.
Intégrité du signal: Puisque le DS18B20 transmet les données via une seule ligne, l'intégrité du signal est particulièrement critique. Il est nécessaire de prendre en compte la capacité anti-interférence du signal et l'adéquation des caractéristiques électriques du signal.
Protection des circuits: Protection contre les surintensités et décharges électrostatiques (ESD) des mesures de protection doivent être incluses dans la conception du circuit pour éviter d'endommager le capteur ou le microcontrôleur.

3.1.2 Étapes spécifiques pour la connexion du circuit
La connexion du DS18B20 à un microcontrôleur suit généralement les étapes suivantes:
Connexion d'alimentation: Connectez la broche VDD du DS18B20 à une alimentation 3,3 V ou 5 V (en fonction du niveau de tension du microcontrôleur), et la broche GND à la ligne de masse.
Connexion de ligne de données: La broche DQ est connectée à une broche d'E/S numérique du microcontrôleur. Afin d'assurer la stabilité de la transmission des données, une résistance de rappel peut être ajoutée entre la ligne de données et l'alimentation, avec une valeur typique de 4,7kΩ à 10kΩ.
Traitement des broches d'impulsion de réinitialisation et de présence: Normalement, la broche de réinitialisation (TVD) et broche d'impulsion de présence (PAR) du DS18B20 n'a pas besoin d'être connecté en externe, ce sont des signaux utilisés en interne.

Dans cette section, nous avons conçu un circuit de base à travers lequel le capteur de température DS18B20 peut être connecté à un microcontrôleur. Ce qui suit est un exemple de schéma de circuit basé sur Arduino Uno et la description correspondante:

organigramme LR
DS18B20 — |VDD| 5V
DS18B20 — |GND| GND
DS18B20 — |QD| 2
QD — |Tirer vers le haut| 5V

Parmi eux, DS18B20 représente le capteur de température numérique, 5V est la puissance de sortie du microcontrôleur, GND est le fil de terre, et 2 représente la broche de l'Arduino Non. 2, qui est utilisé pour la transmission de données. La connexion entre DQ et 5V représente la résistance de rappel.

3.2 Alimentation et conditionnement du signal
3.2.1 Choix de la méthode d'alimentation
DS18B20 fournit deux méthodes d'alimentation:
Mode puissance parasite: Dans ce mode, la ligne de données (QD) peut non seulement transmettre des données, mais aussi alimenter le DS18B20. A cette époque, la tension de haut niveau sur la ligne de données doit être d'au moins 3,0 V pour garantir un courant d'alimentation suffisant. Ce mode est généralement utilisé lorsque la longueur du bus est courte et que la transmission des données n'est pas trop fréquente..

Mode d'alimentation externe: Dans ce mode, DS18B20 dispose d'une entrée d'alimentation indépendante VDD. L'alimentation avec une alimentation externe peut améliorer la force du signal du capteur et améliorer la capacité anti-interférence, ce qui convient à la transmission longue distance ou à la transmission fréquente de données.

3.2.2 Filtrage et stabilisation du signal
Afin de garantir la stabilité du signal et une lecture précise des données, le signal doit être correctement filtré et stabilisé:
Résistance de rappel: La résistance de rappel est ajoutée entre la ligne de données et l'alimentation pour garantir que la ligne de données est dans un état de haut niveau lorsqu'elle est inactive.
Circuit sur gigue: Afin d'éliminer les lectures erronées causées par des interférences de ligne ou des fluctuations de tension instantanées, le signal peut être supprimé par logiciel du côté du microcontrôleur.
Protection ESD: Composants de protection ESD (comme les diodes TVS) sont ajoutés aux ports des capteurs et des microcontrôleurs pour éviter les dommages causés par les décharges électrostatiques.

Les méthodes de connexion et les stratégies de traitement du signal ci-dessus peuvent intégrer efficacement le capteur de température DS18B20 dans n'importe quel système de microcontrôleur.. Le chapitre suivant présentera comment utiliser le langage C pour:

Pratique de programmation fonctionnelle du DS18B20:
4. Thermomètre numérique DS18B20, programmation en langage C
4.1 Base de programmation et préparation de l'environnement
4.1.1 Idées de conception de programme et construction du cadre
Avant de commencer à écrire le programme en langage C du thermomètre numérique DS18B20, vous devez d'abord établir les idées de base de la conception du programme. Le capteur DS18B20 communique avec le microcontrôleur via le protocole de communication 1 fil. Donc, la tâche principale du programme est de mettre en œuvre les opérations associées du protocole de communication à 1 fil, y compris l'initialisation du DS18B20, envoi d'instructions, lire les données de température, et convertir et afficher les données lues.

Le cadre du programme est grossièrement divisé en les parties suivantes:
Initialisation: Initialiser le microcontrôleur et le capteur DS18B20.
Boucle principale: Contient une boucle qui lit en permanence les données du capteur.
1-bibliothèque de fonctions de communication filaire: Contient des fonctions pour implémenter le protocole de communication à un fil.

Informatique: Convertissez les données brutes renvoyées par le capteur en valeurs de température lisibles.
Sortie d'affichage: Affichez les données de température traitées sur l'écran LCD ou envoyez-les à l'ordinateur via le port série.

Sonde de température DS18b20 étanche en acier inoxydable, 1 fil 1, 2, 5 mètres

Capteur de température numérique DS18B20 à 1 fil

Kit de module de capteur de température DS18B20 avec 1 Sonde numérique étanche en acier inoxydable de m-3,2 pieds

4.1.2 Construction et configuration de l'environnement de développement
Afin de programmer et développer le thermomètre numérique DS18B20, vous devez préparer l'environnement de développement et le configurer de manière appropriée. Voici les étapes de base du développement:

Sélectionnez l'environnement de développement: Sélectionnez l'environnement de développement intégré approprié (EDI) selon le type de microcontrôleur, comme pour le développement basé sur le microcontrôleur de la série ARM Cortex-M. Vous pouvez utiliser Keil MDK ou STM32CubeIDE.

Configurer le compilateur: Selon l'IDE utilisé, configurer le compilateur pour garantir que le code du langage C peut être compilé correctement.
Construire la carte de développement matériel: Sélectionnez une carte de développement de microcontrôleur appropriée, comme basé sur STM32, ESP32, etc..
Connectez la carte de développement: Connectez le capteur DS18B20 à la broche spécifiée du microcontrôleur via le protocole de communication à 1 fil.
Écrire du code: Créez un nouveau projet en langage C dans l'EDI et commencez à écrire le code du programme.
Compiler et déboguer: Utilisez l'outil IDE pour compiler le code et exécutez-le sur la carte de développement pour le débogage.

#inclure <stdio.h>

// Déclaration de la bibliothèque de fonctions de communication de première ligne DS18B20
void ds18b20_init();
annuler DS18B20_Reset();
void ds18b20_writebyte(données de caractères non signées);
caractère non signé DS18B20_ReadByte();
int DS18B20_ReadTemperature();

int principal() {
// Initialiser le capteur DS18B20
Ds18b20_init();
// Boucle principale
alors que(1) {
// Lire la valeur de la température
température int = DS18B20_ReadTemperature();
// Valeur de température de sortie vers le port série ou un autre périphérique d'affichage
imprimer(“Température actuelle: %d\n”, température);
}
retour 0;
}

4.2 Implémentation du programme de lecture de température DS18B20
4.2.1 Construction de la bibliothèque de fonctions de communication unifilaire
Afin de réaliser la lecture de la température du DS18B20, vous devez d'abord créer une bibliothèque de fonctions de communication à un fil. Voici les méthodes de mise en œuvre de plusieurs fonctions clés:

Ds18b20_init(): Initialiser le timing de communication à un fil.
DS18B20_Réinitialiser(): Réinitialisez le capteur et détectez son pouls.
Ds18b20_writebyte(données de caractères non signées): Écrire un octet de données sur le capteur.
Ds18b20_readbyte(): Lire un octet de données du capteur.
DS18B20_ReadTemperature(): Lire la température et la convertir.

La mise en œuvre de la bibliothèque de fonctions de communication à un fil du DS18B20 est assez compliquée car elle nécessite un contrôle précis des changements de niveau des broches pour suivre le protocole de communication à un fil.. Ce qui suit est un exemple d'implémentation de fonction:
annuler DS18B20_Reset() {
// Séquence de réinitialisation de la communication sur une ligne, y compris l'extraction de la ligne de données, retard, libérer le bus, et détecter l'impulsion de présence
// …
}

Le but de cette fonction est d'envoyer une impulsion de réinitialisation au DS18B20. Une fois la réinitialisation réussie, le DS18B20 renverra une impulsion de présence.

4.2.2 Implémentation de l'algorithme de lecture de température
La lecture de la valeur de température du capteur DS18B20 est un processus plus compliqué, car il est nécessaire d'envoyer des instructions spécifiques au capteur dans un certain timing et de lire correctement les données renvoyées. L'algorithme de lecture de la valeur de température est le suivant:

Réinitialiser le capteur.
Envoyez le “salle du navire” commande (0xCC).
Envoyez le “convertir la température” commande (0x44).
Attendez que la conversion soit terminée.
Envoyez le “lire le registre” commande (0xBE).
Lire deux octets de données de température.

Le code suivant montre comment lire la valeur de température du DS18B20:

int DS18B20_ReadTemperature() {
caractère non signé temp_low, temp_haute;
temp int non signé;

// Réinitialisez le capteur et ignorez les instructions ROM
DS18B20_Réinitialiser();
Ds18b20_writebyte(0xCC); // Ignorer les commandes ROM
// Envoyer une commande de température de conversion
Ds18b20_writebyte(0x44);
// Attendez que la conversion soit terminée. Ici, vous devez attendre en fonction du temps de conversion du DS18B20
// …

// Réinitialisez le capteur et lisez les données de température
DS18B20_Réinitialiser();
Ds18b20_writebyte(0xCC); // Ignorer les commandes ROM
Ds18b20_writebyte(0xBE); // Lire la commande de registre

// Lire deux octets de données
temp_low = DS18B20_ReadByte();
temp_high = DS18B20_ReadByte();
// Combinez deux octets de données en un entier de 16 bits
temp = (temp_haute << 8) | temp_low;
// Renvoie la valeur de la température, conversion appropriée en fonction de la résolution du DS18B20
retour à la température;
}

4.2.3 Débogage du programme et gestion des exceptions

Lors de l'écriture d'un programme de lecture DS18B20, le débogage du programme et la gestion des exceptions sont très importants. Pendant le débogage, vous devrez peut-être utiliser l'assistant de débogage du port série pour vérifier si la valeur de la température de sortie est correcte, ou utilisez un analyseur logique pour surveiller la synchronisation du signal de la communication de première ligne. La gestion des exceptions doit prendre en compte les pannes matérielles, erreurs de communication, et réponses anormales de DS18B20.

Voici quelques stratégies de débogage et de gestion des exceptions:

Vérification des données: Après chaque lecture de données, utiliser une somme de contrôle ou un bit de contrôle pour confirmer l'exactitude des données.
Capture d'exceptions: Ajouter un mécanisme de capture d'exceptions au programme, comme un mécanisme de nouvelle tentative d'expiration du délai, réinitialiser le capteur, etc..
Informations de débogage: Ajoutez suffisamment d'informations de débogage au programme pour aider à localiser le problème..
int principal() {
// Initialiser le capteur DS18B20
Ds18b20_init();
// Boucle principale
alors que(1) {
température intérieure;
// Lire la température et vérifier les erreurs
température = DS18B20_ReadTemperature();
si (température < 0) {
imprimer(“Erreur de lecture de la température!\n”);
// Vous pouvez choisir de réessayer ou d'autres mécanismes de gestion des erreurs
} autre {
imprimer(“Température actuelle: %d\n”, température);
}
}
retour 0;
}

Ce chapitre présente les bases de la programmation en langage C et la préparation de l'environnement du thermomètre numérique DS18B20., ainsi que la mise en place du programme de relevé de température, et souligne l'importance du débogage du programme et de la gestion des exceptions. A travers l'introduction de ce chapitre, les lecteurs devraient être capables de créer un environnement de développement, comprendre l'importance de la bibliothèque de fonctions de communication de première ligne, et écrire un programme de lecture de température de base. Les chapitres suivants approfondiront la construction et l'utilisation de l'environnement de simulation Proteus., fourniture d'une méthode de test de simulation pour un assemblage de matériel réel.

5. Diagramme de simulation Proteus et analyse des résultats de simulation
5.1 Construction d'un environnement de simulation Proteus
5.1.1 Fonctionnement de base du logiciel Proteus
Avant de commencer à construire le modèle de simulation du thermomètre numérique DS18B20, vous devez d'abord comprendre et maîtriser le fonctionnement de base du logiciel Proteus. Proteus est un puissant logiciel de simulation de circuits électroniques qui peut non seulement concevoir des schémas de circuits, mais également concevoir des configurations de circuits imprimés et fournir des fonctions de simulation. Voici quelques étapes clés pour vous aider à démarrer avec Proteus:

Ouvrez le logiciel Proteus et créez un nouveau projet.
Rechercher et sélectionner les composants requis dans la bibliothèque de composants, tels que les capteurs DS18B20, microcontrôleurs, alimentations, fils de connexion, etc..
Faites glisser les composants sélectionnés vers la zone de conception et utilisez la souris pour les placer et les disposer..
Utilisez l'outil de câblage pour connecter les broches de chaque composant afin de former un circuit complet.
Double-cliquez sur un composant ou un fil pour modifier ses propriétés, comme la valeur de résistance, tension d'alimentation, etc..

Assurez-vous que tous les composants sont correctement connectés et vérifiez les erreurs ou omissions.

5.1.2 Créer un projet de simulation DS18B20
Les étapes pour créer un projet de simulation pour le thermomètre numérique DS18B20 sont les suivantes:

Démarrez Proteus et sélectionnez “Nouveau projet” créer un nouveau projet.
Après avoir défini le nom et l'emplacement du projet, cliquez “Suivant”.
Sélectionnez un modèle de projet, tel que “Basé sur un microprocesseur”, et cliquez “Suivant”.
Dans le “Éléments du projet” languette, vérifier “Inclure les composants par défaut” et sélectionnez un microcontrôleur (comme PIC, AVR, etc.) et un capteur DS18B20.
Cliquez “Finition” pour finaliser la création du projet.

Suivant, créer un schéma de circuit:
Sélectionnez le “APPAREIL DE SÉLECTION” outil, recherchez et sélectionnez le microcontrôleur et le capteur DS18B20 dans la bibliothèque de composants.
Utilisez le “PLACEZ L'APPAREIL” outil pour placer le composant sélectionné dans la zone de conception.
Utilisez le “FIL” outil pour connecter le microcontrôleur et les broches correspondantes du capteur DS18B20.
Après avoir terminé la connexion, utiliser le “TEXTE” outil pour ajouter des annotations au schéma de circuit pour une compréhension et une modification faciles.

5.2 Test de simulation et analyse des données
5.2.1 Définir les paramètres et les conditions de simulation
Avant de démarrer la simulation, vous devez définir les paramètres et les conditions de l'exécution de la simulation:
Double-cliquez sur le composant du microcontrôleur pour accéder à l'interface de configuration des propriétés.
Select the previously written program file path at “Program File”.
Set the power supply parameters to ensure that both the microcontroller and the DS18B20 sensor have the correct power supply voltage.
Suivant, set the time parameters for the simulation:
In the simulation control panel, select “Global Settings”.
Adjust the simulation speed and maximum simulation time.
Set appropriate breakpoints to analyze data during the simulation process.

5.2.2 Simulate and read temperature data
Run the simulation and simulate temperature data:
Click the “Play” button in the simulation control panel to start the simulation.
Utilisez le “DEBUG” tool to view the program running status and variable values.
Simulate the DS18B20 sensor to read the temperature value, which is usually achieved by modifying the virtual thermometer in the simulation environment.

Pour lire les données de température dans la simulation, vous pouvez vous référer aux étapes suivantes:
Retrouvez les paramètres de simulation de température dans les propriétés du composant DS18B20.
Modifiez la valeur de la température pour tester la réponse du système dans différentes conditions de température.
Observez comment le programme du microcontrôleur traite les données de température.

5.2.3 Analyse des résultats et dépannage
Analyser les résultats de la simulation et confirmer les performances du thermomètre:
Surveillez les données dans la fenêtre de sortie pour vérifier si la lecture de la température est exacte.
Utilisez l'outil d'analyse logique pour vérifier si le processus de communication des données est normal.
Vérifiez tout signal anormal ou sortie instable.

Effectuer le diagnostic des pannes et le débogage:
Si la lecture de la température est inexacte ou s'il y a une erreur, vérifier la méthode de connexion et la configuration du DS18B20.
Analyser le code du programme pour garantir que les algorithmes de communication de première ligne et de conversion de données sont correctement mis en œuvre.
Utilisez le “Arrêt” fonction du logiciel de simulation pour mettre en pause la simulation et observer l'état actuel du système.