Å lage et digitalt termometer med DS18B20 Digital temperatursensor

Introduksjon: Denne artikkelen forklarer i detalj bruken av tilpasset DS18B20 digital temperatursensor i å bygge et digitalt termometer. Inkludert arbeidsprinsipp, Maskinvareforbindelse, Programmering av programvare og simulering. Gi komplette programmer simuleringsdiagram, C kildekode og resultatanalyse for å hjelpe leserne dypt å forstå og praktisere bruken av DS18B20.

Parameterinformasjon: strømforsyning: 3.0V – 5.5V; Justerbar oppløsning: 9 – 12 bit; Temperaturområde: -55 ℃ til +125 ℃; Produksjon : rød (VCC), gul (DATA), svart (GND);
Hva du får: du får 4 DS18B20 temperatursensorer, 4 Adaptermoduler og 4 kvinnelige til kvinnelige jumperledninger; Adaptermodulen har en opptrekksmotstand, som kan være kompatibel med Raspberry Pi uten en ekstern motstand;
DS18B20 temperatursensor: Størrelsen på rustfritt stålhus er ca.. 6 x 50 mm/ 0.2 x 2 tomme, og den digitale temperaturens termiske kabel har en total lengde på ca.. 1 m/ 39.4 tomme, som er lang nok til å dekke dine behov;
Kvalitetsmateriale: Sonden er laget av kvalitet rustfritt stålmateriale, som er vanntett, Fuktsikkert og ikke lett å ruste, for å forhindre kortslutning;
Bred applikasjon: Denne DS18B20 -temperatursensoren er kompatibel med Raspberry Pi, og brukes mye i temperaturovervåking av kabelgrøft, kjele, hva, Agricultural Greenhouse, rent rom, osv.

DS18B20 temperatursensor -55 til +125 Grader Celsius, Kompatibel med Raspberry Pi

Overflatefeste DS18B20 Digital temperatursensor Vanntett sonde

Ds18b20 temperatursensor digital termometer sonde + Terminaladaptermodul med trådsett

1. DS18B20 Sensoregenskaper
DS18B20 -sensoren spiller en nøkkelrolle innen moderne temperaturovervåking. Det kan måle temperaturen med høy nøyaktighet, og oppløsningen kan justeres etter behov, for å oppnå temperaturovervåking med forskjellige grader av presisjon. I tillegg, Den lille størrelsen på DS18B20 gjør den egnet for bruk i miljøer med begrenset plass, Og dens brukervennlige egenskaper reduserer den tekniske terskelen fra nybegynnere til fagpersoner.

Før du utforsker ytelsesparametrene til DS18B20, det er nødvendig å først forstå dets arbeidsprinsipp. Ds18b20 kommuniserer temperaturdata gjennom digitale signaler, Noe som gir bekvemmelighet for samlingen av temperaturdata. Sammenlignet med tradisjonelle analoge temperatursensorer, Digitale sensorer som DS18B20 kan gi mer nøyaktige avlesninger og er mindre følsomme for støy under signaloverføring.

For å utnytte disse fordelene med DS18B20 fullt ut, Vi må ha en dyp forståelse av resultatparametere. Disse parametrene inkluderer temperaturmålingsområde, nøyaktighet, oppløsning, og forsyningsspenning. Disse parametrene bestemmer ikke bare om DS18B20 kan imøtekomme behovene til spesifikke applikasjoner, men påvirker også ytelsen og påliteligheten til hele systemet.

I dette kapittelet, Vi vil introdusere ytelsesparametrene til DS18B20 i detalj, analysere dets arbeidsprinsipp, og utforske fordelene i forskjellige applikasjoner. Gjennom dette innholdet, Leserne vil få en dypere forståelse av DS18B20 -sensorer og legge et solid fundament for påfølgende mer komplekse applikasjoner og programmering.

2. Detaljert forklaring av DS18B20s 1-Wire kommunikasjonsprotokoll
Årsaken til at DS18B20 -sensorer er mye brukt skyldes i stor grad den unike kommunikasjonsprotokollen – 1-Ledningskommunikasjonsprotokoll. Denne protokollen forenkler kravene til maskinvareforbindelser og gir en effektiv måte å overføre data. Dette kapittelet vil dypt analysere arbeidsmekanismen og datautvekslingsprosessen for 1-linjers kommunikasjonsprotokoll for å legge et solid grunnlag for påfølgende programmeringspraksis.
2.1 Grunnleggende om 1-tråds kommunikasjonsprotokoll
2.1.1 Funksjoner i 1-tråds kommunikasjonsprotokoll:
DS18B20 1-tråd kommunikasjonsprotokoll kalles også “enkeltbuss” teknologi. Den har følgende funksjoner: – Enkeltbusskommunikasjon: Bare en datalinje brukes til toveis dataoverføring, Noe som reduserer kompleksiteten i ledningene sammenlignet med den tradisjonelle kommunikasjonsmetoden for flere trådføler. – Forbindelse med flere enheter: Støtter tilkobling av flere enheter på en databuss, og identifiserer og kommuniserer gjennom enhetens identifikasjonskoder. – Lavt strømforbruk: Under kommunikasjon, enheten kan være i en lav effekt standby-tilstand når du ikke deltar i kommunikasjon. – Høy presisjon: Med en kortere dataoverføringstid, Det kan redusere ekstern interferens og forbedre datatøyaktigheten.
2.1.2 Dataformat og timinganalyse av 1-tråds kommunikasjon
Dataformatet til 1-Wire Communication Protocol følger en spesifikk tidsregel. Det inkluderer initialiseringstiming, Skriv timing og les timing:
Initialiseringstiming: Verten starter først tilstedeværelsesdeteksjonstimingen (Tilstedeværelsespuls) ved å trekke ned bussen i en viss periode, og sensoren sender deretter en tilstedeværelsespuls som svar.
Skriv timing: Når verten sender en skrivetidspunkt, Den trekker først bussen i omtrent 1-15 mikrosekunder, slipper deretter bussen, og sensoren trekker ned bussen i 60-120 Mikrosekunder for å svare.
Les timing: Verten varsler sensoren om å sende data ved å trekke ned bussen og slippe den, og sensoren vil sende ut databiten på bussen etter en viss forsinkelse.

3. Termometer maskinvaretilkoblingsmetode
Maskinvaretilkobling er det første og viktigste trinnet i å bygge et digitalt termometer. Riktig tilkobling mellom DS18B20 -sensoren og mikrokontrolleren vil sikre nøyaktig dataoverføring og gi et solid fundament for videre programvareprogrammering og databehandling. Dette kapittelet vil introdusere i detalj grensesnittdesignprinsippene mellom DS18B20 og Microcontroller og de spesifikke trinnene i kretsforbindelsen, og dekk det relevante innholdet i strømforsyning og signalkondisjonering.
3.1 Grensesnitt mellom DS18B20 og mikrokontroller
3.1.1 Interface Circuit Design Principles
Grensesnittkretsdesignet til DS18B20 må følge flere kjerneprinsipper for å sikre stabil og effektiv drift av enheten:
Stabil strømforsyning: DS18B20 kan skaffe strøm fra datalinjen “Dq” (ringte “Parasittisk strømmodus”), eller det kan være uavhengig drevet av en ekstern strømforsyning. Uansett hvilken metode som brukes, Strømforsyningen må være stabil for å forhindre dataoverføringsfeil forårsaket av strømforsyningssvingninger.
Signalintegritet: Siden DS18B20 overfører data gjennom en enkelt linje, Signalintegritet er spesielt kritisk. Det er nødvendig å vurdere signalets anti-interferensevne og samsvaret med signalets elektriske egenskaper.
Kretsbeskyttelse: Overstrømsbeskyttelse og elektrostatisk utladning (ESD) Beskyttelsestiltak bør inkluderes i kretsdesign for å unngå skade på sensoren eller mikrokontrolleren.

3.1.2 Spesifikke trinn for kretstilkobling
Å koble DS18B20 til en mikrokontroller følger vanligvis følgende trinn:
Strømforbindelse: Koble VDD -pinnen til DS18B20 til en 3,3V eller 5V strømforsyning (Avhengig av spenningsnivået til mikrokontrolleren), og GND -pinnen til første linje.
Datadilkobling: DQ -pinnen er koblet til en digital I/O -pinne av mikrokontrolleren. For å sikre stabiliteten i dataoverføring, En opptrekksmotstand kan legges til mellom datalinjen og strømforsyningen, med en typisk verdi på 4,7KΩ til 10KΩ.
Tilbakestill og tilstedeværelse pulspinnebehandling: Normalt, Tilbakestill pin (RST) og tilstedeværelse puls pin (Par) av DS18B20 trenger ikke å kobles til eksternt, De er internt brukte signaler.

I denne delen, Vi designet en grunnleggende krets som DS18B20 temperatursensor kan kobles til en mikrokontroller. Følgende er et eksempel på kretsdiagram basert på Arduino UNO og den tilsvarende beskrivelsen:

flytskjema lr
DS18B20 — |Vdd| 5V
DS18B20 — |GND| GND
DS18B20 — |Dq| 2
Dq — |Pull-up| 5V

Blant dem, DS18B20 representerer den digitale temperatursensoren, 5V er kraftutgangen til mikrokontrolleren, GND er jordtråden, og 2 representerer Arduinos pin nei. 2, som brukes til dataoverføring. Forbindelsen mellom DQ og 5V representerer opptrekksmotstanden.

3.2 Strømforsyning og signalkondisjonering
3.2.1 Valg av strømforsyningsmetode
DS18B20 gir to strømforsyningsmetoder:
Parasittisk strømmodus: I denne modusen, datalinjen (Dq) kan ikke bare overføre data, Men driver også DS18B20. På dette tidspunktet, Spenningen på høyt nivå på datalinjen skal være minst 3,0V for å sikre tilstrekkelig strømforsyningsstrøm. Denne modusen brukes vanligvis når busslengden er kort og dataoverføring er ikke for hyppig.

Ekstern strømforsyningsmodus: I denne modusen, DS18B20 har en uavhengig strøminngang VDD. Å drive med en ekstern strømforsyning kan forbedre sensorens signalstyrke og forbedre anti-interferensevnen, som er egnet for langdistanseoverføring eller hyppig dataoverføring.

3.2.2 Signalfiltrering og stabilisering
For å sikre signalstabilitet og nøyaktig dataavlesning, Signalet må filtreres og stabiliseres ordentlig:
Pull-up motstand: Pull-up-motstanden legges til mellom datalinjen og strømforsyningen for å sikre at datalinjen er i en tilstand på høyt nivå når det er tomgang.
Onjitterkrets: For å eliminere feilaktige avlesninger forårsaket av linjeforstyrrelser eller øyeblikkelig spenningssvingninger, Signalet kan være programvare-de-jitteret på mikrokontrollersiden.
ESD -beskyttelse: ESD -beskyttelseskomponenter (som TVS -dioder) blir lagt til portene til sensorer og mikrokontrollere for å forhindre skader forårsaket av elektrostatisk utladning.

Ovennevnte tilkoblingsmetoder og signalbehandlingsstrategier kan effektivt integrere DS18B20 temperatursensor i et hvilket som helst mikrokontrollersystem. Neste kapittel vil introdusere hvordan du bruker C -språk til:

Funksjonell programmeringspraksis av DS18B20:
4. Ds18b20 digital termometer c språkprogrammering
4.1 Programmeringsfundament og miljøforberedelse
4.1.1 Programdesignideer og rammekonstruksjon
Før du begynner å skrive C -språkprogrammet til DS18B20 Digital Thermometer, Du må først etablere de grunnleggende ideene til programdesign. DS18B20-sensoren kommuniserer med mikrokontrolleren gjennom 1-Wire kommunikasjonsprotokoll. Derfor, Hovedoppgaven med programmet er å implementere de relaterte operasjonene av 1-Wire Communication Protocol, inkludert initialisering av DS18B20, Sende instruksjoner, Lesetemperaturdata, og konvertere og vise lesedataene.

Programrammen er omtrent delt inn i følgende deler:
Initialisering: Initialiser mikrokontrolleren og DS18B20 -sensoren.
Hovedsløyfe: Inneholder en sløyfe som kontinuerlig leser sensordata.
1-Wire Communication Function Library: Inneholder funksjoner for implementering av kommunikasjonsprotokollen.

Databehandling: Konverter rådataene som returneres av sensoren til lesbare temperaturverdier.
Skjermutgang: Vis de behandlede temperaturdataene på LCD -skjermen eller send den ut til datamaskinen gjennom serieporten.

Rustfritt stål Vanntett DS18B20 Temperaturprobe 1-ledning 1, 2, 5 meter

DS18B20 1-WIRE Digital temperatursensor

Ds18b20 temperatursensormodulsett med 1 M-3.2 ft vanntett digital rustfritt stål sonde

4.1.2 Utviklingsmiljø konstruksjon og konfigurasjon
For å programmere og utvikle DS18B20 Digital termometer, Du må forberede utviklingsmiljøet og konfigurere det på riktig måte. Følgende er de grunnleggende trinnene for utvikling:

Velg utviklingsmiljøet: Velg passende integrerte utviklingsmiljø (Ide) I henhold til typen mikrokontroller, for eksempel for utvikling basert på ARM Cortex-M-serien Mikrokontroller. Du kan bruke Keil MDK eller STM32Cubeide.

Konfigurer kompilatoren: I følge IDE som ble brukt, Konfigurer kompilatoren for å sikre at C -språkkoden kan samles riktig.
Bygg maskinvareutviklingsstyret: Velg et passende mikrokontrollerutviklingsstyr, slik som basert på STM32, ESP32, osv.
Koble til utviklingstavlen: Koble DS18B20-sensoren til den spesifiserte pinnen til mikrokontrolleren gjennom 1-Wire kommunikasjonsprotokoll.
Skriv kode: Lag et nytt C -språkprosjekt i IDE og begynn å skrive programkode.
Kompilere og feilsøke: Bruk IDE -verktøyet for å kompilere koden og kjøre den på utviklingstavlen for feilsøking.

#inkludere <stdio.h>

// DS18B20 Første linje kommunikasjonsfunksjonsbibliotekerklæring
tomrom ds18b20_init();
void ds18b20_reset();
void ds18b20_writebyte(usignert char dat);
usignert char ds18b20_readbyte();
Int DS18B20_ReadTemperature();

Int Main() {
// Initialiser DS18B20 sensor
Ds18b20_init();
// Hovedsløyfe
mens(1) {
// Les temperaturverdi
int temperatur = ds18b20_readtemperature();
// Utgangstemperaturverdi til seriell port eller annen skjermenhet
printf(“Strøm temperatur: %d\n”, temperatur);
}
retur 0;
}

4.2 DS18B20 Temperaturlesingsprogramimplementering
4.2.1 Bygging av en-tråd kommunikasjonsfunksjonsbiblioteket
For å realisere temperaturavlesningen av DS18B20, Du må først bygge et bibliotek for kommunikasjonsfunksjon. Følgende er implementeringsmetodene for flere nøkkelfunksjoner:

Ds18b20_init(): Initialiser one-wire kommunikasjonstiming.
Ds18b20_reset(): Tilbakestill sensoren og oppdag pulsen.
Ds18b20_writebyte(usignert char dat): Skriv en byte med data til sensoren.
Ds18b20_readbyte(): Les en byte med data fra sensoren.
DS18B20_ReadTemperature(): Les temperaturen og konverter den.

Implementering av en-tråd kommunikasjonsfunksjonsbiblioteket til DS18B20 er ganske komplisert fordi det krever presis kontroll av PIN-nivåendringene for å følge kommunikasjonsprotokollen for en-tråden. Følgende er et eksempel på en funksjonsimplementering:
void ds18b20_reset() {
// One-line kommunikasjon tilbakestillingssekvens, inkludert å trekke ned datalinjen, utsette, Slipper bussen, og oppdage tilstedeværelsespulsen
// …
}

Hensikten med denne funksjonen er å sende en tilbakestillingspuls til DS18B20. Etter at tilbakestillingen er vellykket, DS18B20 vil returnere en tilstedeværelsespuls.

4.2.2 Implementering av temperaturavlesningsalgoritmen
Å lese temperaturverdien til DS18B20 -sensoren er en mer komplisert prosess, Fordi det er nødvendig å sende spesifikke instruksjoner til sensoren i en viss timing og lese de returnerte dataene riktig. Algoritmen for å lese temperaturverdien er som følger:

Tilbakestill sensoren.
Send “skip ROM” kommando (0XCC).
Send “Konverter temperaturen” kommando (0x44).
Vent til konverteringen skal fullføres.
Send “Les register” kommando (0Xbe).
Les to byte med temperaturdata.

Følgende kode viser hvordan du kan lese temperaturverdien til DS18B20:

Int DS18B20_ReadTemperature() {
usignert char temp_low, temp_high;
usignert int temp;

// Tilbakestill sensoren og hopp over ROM -instruksjonene
Ds18b20_reset();
Ds18b20_writebyte(0XCC); // Hopp over ROM -kommandoer
// Send konverteringstemperaturkommando
Ds18b20_writebyte(0x44);
// Vent til konverteringen skal fullføres. Her må du vente i henhold til konverteringstiden til DS18B20
// …

// Tilbakestill sensoren og les temperaturdataene
Ds18b20_reset();
Ds18b20_writebyte(0XCC); // Hopp over ROM -kommandoer
Ds18b20_writebyte(0Xbe); // Les registerkommando

// Les to byte med data
temp_low = ds18b20_readbyte();
temp_high = ds18b20_readbyte();
// Kombiner to byte data til et 16-bits heltall
temp = (temp_high << 8) | temp_low;
// Returner temperaturverdien, Konvertere riktig basert på oppløsningen av DS18B20
Retur Temp;
}

4.2.3 Programfeil og unntakshåndtering

Når du skriver et DS18B20 -leseprogram, Programfeil og håndtering av unntak er veldig viktig. Under feilsøking, Det kan hende du må bruke den serielle port -feilsøkingsassistenten for å sjekke om utgangstemperaturverdien er riktig, eller bruk en logikkanalysator for å overvåke signaltidspunktet for førstelinjekommunikasjonen. Unntakshåndtering må ta hensyn til maskinvarefeil, Kommunikasjonsfeil, og unormale svar fra DS18B20.

Følgende er noen feilsøkings- og unntakshåndteringsstrategier:

Dataverifisering: Etter hver data lest, Bruk en sjekksum eller sjekk bit for å bekrefte riktigheten av dataene.
Unntaksfangst: Legg til en unntaksfangningsmekanisme i programmet, for eksempel en tidsavbruddsmekanisme, Tilbakestill sensoren, osv.
Feilsøkingsinformasjon: Legg til tilstrekkelig feilsøking av informasjonsutgang til programmet for å finne problemet.
Int Main() {
// Initialiser DS18B20 sensor
Ds18b20_init();
// Hovedsløyfe
mens(1) {
int temperatur;
// Les temperatur og sjekk for feil
Temperatur = DS18B20_ReadTemperature();
hvis (temperatur < 0) {
printf(“Feil lesetemperatur!\n”);
// Du kan velge å prøve på nytt eller andre feilhåndteringsmekanismer
} ellers {
printf(“Strøm temperatur: %d\n”, temperatur);
}
}
retur 0;
}

Dette kapittelet introduserer C Language Programming Foundation og miljøforberedelse av DS18B20 Digital termometer, samt implementering av temperaturlesingsprogrammet, og understreker viktigheten av programfeil og unntakshåndtering. Gjennom introduksjonen av dette kapittelet, Leserne skal kunne bygge et utviklingsmiljø, Forstå viktigheten av førstelinjens kommunikasjonsfunksjonsbibliotek, og skriv et grunnleggende temperaturlesingsprogram. Følgende kapitler vil ytterligere fordype seg i konstruksjonen og bruken av proteus -simuleringsmiljøet, Tilbyr en simuleringstestmetode for faktisk maskinvareenhet.

5. Proteus simuleringsdiagram og simuleringsresultatanalyse
5.1 Proteus simuleringsmiljøkonstruksjon
5.1.1 Grunnleggende drift av Proteus -programvare
Før du begynner å bygge simuleringsmodellen til DS18B20 digitalt termometer, Du må først forstå og mestre den grunnleggende driften av proteus -programvaren. Proteus er en kraftig programvare for elektronisk krets simulering som ikke bare kan designe kretskjemaer, men også Design Circuit PCB -oppsett og gir simuleringsfunksjoner. Her er noen viktige trinn for å hjelpe deg i gang med Proteus:

Åpne Proteus -programvaren og lag et nytt prosjekt.
Søk og velg de nødvendige komponentene i komponentbiblioteket, for eksempel DS18B20 sensorer, Mikrokontrollere, strømforsyninger, koble til ledninger, osv.
Dra de valgte komponentene til designområdet og bruk musen til å plassere og legge dem ut.
Bruk ledningsverktøyet for å koble pinnene til hver komponent for å danne en komplett krets.
Dobbeltklikk på en komponent eller ledning for å endre egenskapene, for eksempel motstandsverdi, Strømforsyningsspenning, osv.

Forsikre deg om at alle komponentene er koblet riktig og sjekk for feil eller mangler.

5.1.2 Lag et DS18B20 -simuleringsprosjekt
Trinnene for å lage et simuleringsprosjekt for DS18B20 Digital Thermometer er som følger:

Start Proteus og velg “Nytt prosjekt” For å lage et nytt prosjekt.
Etter å ha satt prosjektnavnet og plasseringen, Klikk “NESTE”.
Velg en prosjektmal, slik som “Mikroprosessorbasert”, og klikk “NESTE”.
I “Prosjektartikler” Tab, sjekke “Inkluder standardkomponenter” og velg en mikrokontroller (for eksempel bilde, Avr, etc.) og en DS18B20 -sensor.
Klikk “Ferdig” For å fullføre prosjektopprettelsen.

NESTE, Lag en kretsskjema:
Velg “Velg enhet” verktøy, Finn og velg mikrokontrolleren og DS18B20 -sensoren i komponentbiblioteket.
Bruk “Plasser enhet” verktøy for å plassere den valgte komponenten i designområdet.
Bruk “METALLTRÅD” Verktøy for å koble til mikrokontrolleren og de aktuelle pinnene til DS18B20 -sensoren.
Etter å ha fullført forbindelsen, Bruk “TEKST” Verktøy for å legge til merknader i kretsdiagrammet for enkel forståelse og modifisering.

5.2 Simuleringstest og dataanalyse
5.2.1 Angi simuleringsparametere og forhold
Før du starter simuleringen, Du må angi parametere og betingelser for simuleringskjøringen:
Dobbeltklikk på mikrokontrollerkomponenten for å legge inn eiendomsinnstillingsgrensesnittet.
Velg den tidligere skrevne programfilbanen på “Programfil”.
Still inn strømforsyningsparametrene for å sikre at både mikrokontrolleren og DS18B20 -sensoren har riktig strømforsyningsspenning.
NESTE, Angi tidsparametrene for simuleringen:
I simuleringskontrollpanelet, velge “Globale innstillinger”.
Juster simuleringshastigheten og maksimal simuleringstid.
Angi passende bruddpunkter for å analysere data under simuleringsprosessen.

5.2.2 Simulere og lese temperaturdata
Kjør simuleringen og simulere temperaturdata:
Klikk på “Spille” knapp i simuleringskontrollpanelet for å starte simuleringen.
Bruk “Feilsøking” Verktøy for å se programmet som kjører status og variable verdier.
Simulere DS18B20 -sensoren for å lese temperaturverdien, som vanligvis oppnås ved å endre det virtuelle termometeret i simuleringsmiljøet.

Å lese temperaturdata i simuleringen, Du kan henvise til følgende trinn:
Finn temperatursimuleringsinnstillingene i egenskapene til DS18B20 -komponenten.
Endre temperaturverdien for å teste systemresponsen under forskjellige temperaturforhold.
Observer hvordan mikrokontrollerprogrammet behandler temperaturdataene.

5.2.3 Resultatanalyse og feilsøking
Analyser simuleringsresultatene og bekreft ytelsen til termometeret:
Overvåk dataene i utgangsvinduet for å sjekke om temperaturavlesningen er nøyaktig.
Bruk logikkanalysatorverktøyet for å overvåke om datakommunikasjonsprosessen er normal.
Se etter unormale signaler eller ustabile utganger.

Utføre feildiagnose og feilsøking:
Hvis temperaturavlesningen er unøyaktig eller det er en feil, Kontroller tilkoblingsmetoden og konfigurasjonen av DS18B20.
Analyser programkoden for å sikre at førstelinjekommunikasjons- og datakonverteringsalgoritmer blir implementert riktig.
Bruk “Stoppe” Simuleringsprogramvaren for å pause simuleringen og observere dagens status for systemet.