Realizarea unui termometru digital cu senzorul digital de temperatură DS18B20

Introducere: Acest articol explică în detaliu aplicarea senzorului de temperatură digital personalizat DS18B20 în construirea unui termometru digital. Inclusiv principiul de funcționare, conexiune hardware, programare software și implementare de simulare. Furnizați diagrama completă de simulare a protuesului, Codul sursă C și analiza rezultatelor pentru a ajuta cititorii să înțeleagă profund și să practice utilizarea DS18B20.

Informații despre parametri: alimentare electrică: 3.0V – 5.5V; Rezoluție reglabilă: 9 – 12 pic; Interval de temperatură: -55 ℃ la +125 ℃; Ieșire : roşu (VCC), galben (DATE), negru (GND);
Ce primești: vei primi 4 Senzori de temperatură DS18B20, 4 module adaptoare și 4 fire de legătură mamă la mamă; Modulul adaptor are o rezistență de tragere, which can be compatible with Raspberry Pi without an external resistor;
Senzor de temperatură DS18B20: dimensiunea carcasei din oțel inoxidabil este de aprox. 6 x 50 mm/ 0.2 x 2 inch, and the digital temperature thermal cable has a total length of approx. 1 m/ 39.4 inch, care este suficient de lung pentru a vă satisface nevoile;
Material de calitate: the probe is made of quality stainless steel material, care este impermeabil, rezistent la umezeală și nu ușor de ruginit, pentru a preveni scurtcircuitele;
Aplicație largă: this DS18B20 temperature sensor is compatible with Raspberry Pi, and is widely applied in temperature monitoring of cable trench, cazan, ce, seră agricolă, camera curata, etc.

Senzor de temperatură DS18B20 -55 la +125 Grade Celsius, Compatibil cu Raspberry Pi

Sondă impermeabilă cu senzor digital de temperatură DS18B20 montat la suprafață

Senzor de temperatură DS18B20 Sondă termometru digitală + Modul adaptor terminal cu set de fire

1. Caracteristicile senzorului DS18B20
Senzorul DS18B20 joacă un rol cheie în domeniul monitorizării moderne a temperaturii. Poate măsura temperatura cu mare precizie, iar rezoluția acestuia poate fi ajustată în funcție de nevoi, astfel încât să se realizeze monitorizarea temperaturii cu diferite grade de precizie. în plus, dimensiunea redusă a lui DS18B20 îl face potrivit pentru utilizare în medii cu spațiu limitat, iar caracteristicile sale usor de utilizat reduc pragul tehnic de la incepatori la profesionisti.

Înainte de a explora în continuare parametrii de performanță ai DS18B20, este necesar să înțelegem mai întâi principiul său de funcționare. DS18B20 comunică datele de temperatură prin semnale digitale, ceea ce aduce comoditate culegerii datelor de temperatură. În comparație cu senzorii de temperatură analogici tradiționali, senzorii digitali precum DS18B20 pot oferi citiri mai precise și sunt mai puțin sensibili la zgomot în timpul transmisiei semnalului.

Pentru a utiliza pe deplin aceste avantaje ale DS18B20, trebuie să avem o înțelegere profundă a parametrilor de performanță. Acești parametri includ domeniul de măsurare a temperaturii, precizie, rezoluţie, si tensiunea de alimentare. Acești parametri nu numai că determină dacă DS18B20 poate satisface nevoile aplicațiilor specifice, dar afectează și performanța și fiabilitatea întregului sistem.

În acest capitol, vom introduce în detaliu parametrii de performanță ai DS18B20, analiza principiul său de funcționare, și explorați avantajele sale în diferite aplicații. Prin aceste continuturi, cititorii vor obține o înțelegere mai profundă a senzorilor DS18B20 și vor pune o bază solidă pentru aplicații și programare ulterioare mai complexe..

2. Explicație detaliată a protocolului de comunicație cu 1 fir al DS18B20
Motivul pentru care senzorii DS18B20 sunt utilizați pe scară largă se datorează în mare măsură protocolului său unic de comunicare – 1-Protocol de comunicare prin cablu. Acest protocol simplifică cerințele pentru conexiunile hardware și oferă o modalitate eficientă de transmitere a datelor. Acest capitol va analiza în profunzime mecanismul de lucru și procesul de schimb de date al protocolului de comunicare pe 1 linie pentru a pune o bază solidă pentru practica de programare ulterioară.
2.1 Bazele protocolului de comunicare cu 1 fir
2.1.1 Caracteristicile protocolului de comunicare cu 1 fir:
DS18B20 1-Wire Communication Protocol este de asemenea numit “un singur autobuz” tehnologie. Are următoarele caracteristici: – Comunicare cu un singur bus: Pentru transmisia bidirecțională a datelor este utilizată o singură linie de date, ceea ce reduce foarte mult complexitatea cablajului în comparație cu metoda tradițională de comunicare cu senzori cu mai multe fire. – Conexiune cu mai multe dispozitive: Suportă conectarea mai multor dispozitive pe o singură magistrală de date, și identifică și comunică prin intermediul codurilor de identificare a dispozitivului. – Consum redus de energie: În timpul comunicării, dispozitivul poate fi într-o stare de așteptare cu consum redus atunci când nu participă la comunicare. – Precizie înaltă: Cu un timp mai scurt de transmisie a datelor, poate reduce interferențele externe și poate îmbunătăți acuratețea datelor.
2.1.2 Formatul datelor și analiza temporală a comunicației cu 1 fir
Formatul de date al protocolului de comunicație cu 1 fir urmează o regulă de sincronizare specifică. Include timpul de inițializare, cronometrarea scrierii și cronometrarea citirii:
Momentul de inițializare: Gazda începe mai întâi sincronizarea de detectare a prezenței (Puls de prezenta) prin tragerea în jos a autobuzului pentru o anumită perioadă de timp, iar senzorul trimite apoi un impuls de prezență ca răspuns.
Scrieți sincronizarea: Când gazda trimite un timp de scriere, mai întâi trage autobuzul pentru aproximativ 1-15 microsecunde, apoi eliberează autobuzul, iar senzorul trage autobuzul în jos 60-120 microsecunde pentru a răspunde.
Citiți sincronizarea: Gazda notifică senzorul să trimită date trăgând în jos magistrala și eliberând-o, iar senzorul va scoate bitul de date pe magistrală după o anumită întârziere.

3. Metoda de conectare hardware a termometrului
Conectarea hardware este primul și cel mai important pas în construirea unui termometru digital. Conexiunea corectă între senzorul DS18B20 și microcontroler va asigura transmisia precisă a datelor și va oferi o bază solidă pentru programarea software-ului și procesarea datelor ulterioare. Acest capitol va introduce în detaliu principiile de proiectare a interfeței dintre DS18B20 și microcontroler și pașii specifici de conectare a circuitului, și acoperă conținutul relevant al sursei de alimentare și al condiționării semnalului.
3.1 Interfață între DS18B20 și microcontroler
3.1.1 Principii de proiectare a circuitelor de interfață
Designul circuitului de interfață al DS18B20 trebuie să urmeze câteva principii de bază pentru a asigura funcționarea stabilă și eficientă a dispozitivului:
Alimentare stabilă: DS18B20 poate obține energie de la linia de date “DQ” (chemat “modul de putere parazită”), sau poate fi alimentat independent de o sursă de alimentare externă. Indiferent de metoda folosită, sursa de alimentare trebuie să fie stabilă pentru a preveni erorile de transmisie a datelor cauzate de fluctuațiile sursei de alimentare.
Integritatea semnalului: Deoarece DS18B20 transmite date printr-o singură linie, integritatea semnalului este deosebit de critică. Este necesar să se ia în considerare capacitatea anti-interferență a semnalului și potrivirea caracteristicilor electrice ale semnalului.
Protecția circuitului: Protecție la supracurent și descărcare electrostatică (ESD) măsuri de protecție ar trebui incluse în proiectarea circuitului pentru a evita deteriorarea senzorului sau microcontrolerului.

3.1.2 Etape specifice pentru conectarea circuitului
Conectarea DS18B20 la un microcontroler urmează de obicei următorii pași:
Conexiune de alimentare: Conectați pinul VDD al DS18B20 la o sursă de alimentare de 3,3 V sau 5 V (în funcţie de nivelul de tensiune al microcontrolerului), iar pinul GND la linia de masă.
Conexiune la linia de date: Pinul DQ este conectat la un pin digital I/O al microcontrolerului. Pentru a asigura stabilitatea transmiterii datelor, se poate adăuga un rezistor pull-up între linia de date și sursa de alimentare, cu o valoare tipică de 4,7 kΩ până la 10 kΩ.
Resetarea și procesarea pinului pulsului de prezență: În mod normal, pinul de resetare (RST) și pin puls de prezență (PAR) de DS18B20 nu trebuie conectat extern, sunt semnale utilizate intern.

În această secțiune, am proiectat un circuit de bază prin care senzorul de temperatură DS18B20 poate fi conectat la un microcontroler. Următorul este un exemplu de diagramă de circuit bazat pe Arduino Uno și descrierea corespunzătoare:

organigrama LR
DS18B20 — |VDD| 5V
DS18B20 — |GND| GND
DS18B20 — |DQ| 2
DQ — |Tragere în sus| 5V

Printre ei, DS18B20 reprezintă senzorul digital de temperatură, 5V este puterea de ieșire a microcontrolerului, GND este firul de împământare, și 2 reprezintă pinul Arduino nr. 2, care este folosit pentru transmiterea datelor. Conexiunea dintre DQ și 5V reprezintă rezistența de pull-up.

3.2 Alimentare și condiționare semnal
3.2.1 Alegerea metodei de alimentare
DS18B20 oferă două metode de alimentare:
Modul de putere parazită: În acest mod, linia de date (DQ) nu poate transmite doar date, dar și alimentarea DS18B20. În acest moment, tensiunea de nivel înalt pe linia de date ar trebui să fie de cel puțin 3,0 V pentru a asigura un curent de alimentare suficient. Acest mod este de obicei folosit atunci când lungimea magistralei este scurtă și transmisia de date nu este prea frecventă.

Modul de alimentare externă: În acest mod, DS18B20 are o intrare independentă de putere VDD. Alimentarea cu o sursă de alimentare externă poate îmbunătăți puterea semnalului senzorului și poate îmbunătăți capacitatea anti-interferențe, care este potrivit pentru transmisii pe distanțe lungi sau transmisii frecvente de date.

3.2.2 Filtrarea și stabilizarea semnalului
Pentru a asigura stabilitatea semnalului și citirea corectă a datelor, semnalul trebuie filtrat și stabilizat corespunzător:
Rezistor de tragere: Rezistorul de tragere este adăugat între linia de date și sursa de alimentare pentru a se asigura că linia de date este într-o stare de nivel înalt atunci când este inactiv.
Circuitul de eliminare a fluctuațiilor: Pentru a elimina citirile eronate cauzate de interferența liniei sau fluctuațiile instantanee ale tensiunii, semnalul poate fi software-de-jittered pe partea microcontrolerului.
Protecție ESD: Componente de protecție ESD (cum ar fi diode TVS) sunt adăugate la porturile senzorilor și microcontrolerelor pentru a preveni deteriorarea cauzată de descărcarea electrostatică.

Metodele de conectare de mai sus și strategiile de procesare a semnalului pot integra eficient senzorul de temperatură DS18B20 în orice sistem de microcontroler. Următorul capitol va prezenta modul de utilizare a limbajului C pentru:

Practica de programare funcțională a DS18B20:
4. Termometru digital DS18B20 programare limbaj C
4.1 Fundația de programare și pregătirea mediului
4.1.1 Idei de proiectare a programului și construcția cadrului
Înainte de a începe să scrieți programul în limbaj C al termometrului digital DS18B20, mai întâi trebuie să stabiliți ideile de bază ale proiectării programelor. Senzorul DS18B20 comunică cu microcontrolerul prin protocolul de comunicare cu 1 fir. Prin urmare, sarcina principală a programului este de a implementa operațiunile aferente protocolului de comunicație cu 1 fir, inclusiv inițializarea DS18B20, trimiterea instructiunilor, citirea datelor de temperatură, și conversia și afișarea datelor citite.

Cadrul programului este împărțit aproximativ în următoarele părți:
Inițializare: Inițializați microcontrolerul și senzorul DS18B20.
Bucla principală: Conține o buclă care citește continuu datele senzorului.
1-biblioteca de funcții de comunicare prin fir: Conține funcții pentru implementarea protocolului de comunicație cu un fir.

Prelucrarea datelor: Convertiți datele brute returnate de senzor în valori de temperatură lizibile.
Ieșire afișată: Afișați datele de temperatură procesate pe ecranul LCD sau trimiteți-le la computer prin portul serial.

Sondă de temperatură DS18b20 impermeabilă din oțel inoxidabil cu 1 fir 1, 2, 5 metri

DS18B20 Senzor digital de temperatură cu 1 fir

DS18B20 Kit de modul senzor de temperatură cu 1 Sondă digitală impermeabilă din oțel inoxidabil m-3,2 ft

4.1.2 Construcția și configurarea mediului de dezvoltare
Pentru a programa și dezvolta termometrul digital DS18B20, trebuie să pregătiți mediul de dezvoltare și să îl configurați corespunzător. Următorii sunt pașii de bază pentru dezvoltare:

Selectați mediul de dezvoltare: Selectați mediul de dezvoltare integrat adecvat (IDE) în funcţie de tipul de microcontroler, cum ar fi pentru dezvoltarea bazată pe microcontrolerul din seria ARM Cortex-M. Puteți utiliza Keil MDK sau STM32CubeIDE.

Configurați compilatorul: Conform IDE-ului utilizat, configurați compilatorul pentru a vă asigura că codul limbajului C poate fi compilat corect.
Construiți placa de dezvoltare hardware: Selectați o placă de dezvoltare pentru microcontroler adecvată, cum ar fi bazat pe STM32, ESP32, etc.
Conectați placa de dezvoltare: Conectați senzorul DS18B20 la pinul specificat al microcontrolerului prin protocolul de comunicare cu 1 fir.
Scrie cod: Creați un nou proiect în limbaj C în IDE și începeți să scrieți codul programului.
Compilați și depanați: Utilizați instrumentul IDE pentru a compila codul și rulați-l pe placa de dezvoltare pentru depanare.

#include <stdio.h>

// DS18B20 Declarație de bibliotecă a funcției de comunicare de primă linie
void DS18B20_Init();
void DS18B20_Reset();
void DS18B20_WriteByte(nesemnat char dat);
caracter nesemnat DS18B20_ReadByte();
int DS18B20_ReadTemperature();

int Main() {
// Inițializați senzorul DS18B20
DS18B20_Căldură();
// Bucla principală
în timp ce(1) {
// Citiți valoarea temperaturii
int temperatură = DS18B20_ReadTemperature();
// Valoarea temperaturii de ieșire către portul serial sau alt dispozitiv de afișare
printf(“Temperatura actuală: %dn”, temperatură);
}
reveni 0;
}

4.2 Implementarea programului de citire a temperaturii DS18B20
4.2.1 Construirea bibliotecii de funcții de comunicație cu un singur fir
Pentru a realiza citirea temperaturii a DS18B20, mai întâi trebuie să construiți o bibliotecă de funcții de comunicare cu un singur fir. Următoarele sunt metodele de implementare a mai multor funcții cheie:

DS18B20_Căldură(): Inițializați sincronizarea comunicației cu un singur fir.
DS18B20_Resetare(): Resetați senzorul și detectați-i pulsul.
DS18B20_WriteByte(nesemnat char dat): Scrieți un octet de date la senzor.
DS18B20_ReadByte(): Citiți un octet de date de la senzor.
DS18B20_ReadTemperature(): Citiți temperatura și convertiți-o.

Implementarea bibliotecii de funcții de comunicare cu un singur fir a DS18B20 este destul de complicată, deoarece necesită un control precis al modificărilor nivelului pinului pentru a urma protocolul de comunicație cu un singur fir.. Următorul este un exemplu de implementare a unei funcții:
void DS18B20_Reset() {
// Secvență de resetare a comunicației pe o linie, inclusiv tragerea în jos a liniei de date, întârziere, eliberând autobuzul, și detectarea pulsului de prezență
// …
}

Scopul acestei funcții este de a trimite un impuls de resetare către DS18B20. După ce resetarea are succes, DS18B20 va returna un impuls de prezență.

4.2.2 Implementarea algoritmului de citire a temperaturii
Citirea valorii temperaturii senzorului DS18B20 este un proces mai complicat, deoarece este necesar să se trimită instrucțiuni specifice senzorului într-un anumit timp și să citească corect datele returnate. Algoritmul pentru citirea valorii temperaturii este următorul:

Resetați senzorul.
Trimite “nava ROMA” comanda (0XCC).
Trimite “converti temperatura” comanda (0x44).
Așteptați finalizarea conversiei.
Trimite “citiți registrul” comanda (0Xbe).
Citiți doi octeți de date de temperatură.

Următorul cod arată cum să citiți valoarea temperaturii DS18B20:

int DS18B20_ReadTemperature() {
caracter nesemnat temp_low, temp_high;
unsigned int temp;

// Resetați senzorul și omiteți instrucțiunile ROM
DS18B20_Resetare();
DS18B20_WriteByte(0XCC); // Omite comenzile ROM
// Trimiteți comanda temperaturii de conversie
DS18B20_WriteByte(0x44);
// Așteptați finalizarea conversiei. Aici trebuie să așteptați în funcție de timpul de conversie al DS18B20
// …

// Resetați senzorul și citiți datele de temperatură
DS18B20_Resetare();
DS18B20_WriteByte(0XCC); // Omite comenzile ROM
DS18B20_WriteByte(0Xbe); // Citiți comanda registrului

// Citiți doi octeți de date
temp_low = DS18B20_ReadByte();
temp_high = DS18B20_ReadByte();
// Combinați doi octeți de date într-un număr întreg de 16 biți
temp = (temp_high << 8) | temp_low;
// Returnează valoarea temperaturii, conversia adecvată pe baza rezoluției DS18B20
temp. retur;
}

4.2.3 Depanarea programului și gestionarea excepțiilor

Când scrieți un program de citire DS18B20, depanarea programului și gestionarea excepțiilor sunt foarte importante. În timpul depanării, poate fi necesar să utilizați asistentul de depanare a portului serial pentru a verifica dacă valoarea temperaturii de ieșire este corectă, sau utilizați un analizor logic pentru a monitoriza sincronizarea semnalului de comunicare de prima linie. Gestionarea excepțiilor trebuie să ia în considerare defecțiunile hardware, erori de comunicare, și răspunsuri anormale ale DS18B20.

Următoarele sunt câteva strategii de depanare și de gestionare a excepțiilor:

Verificarea datelor: După fiecare dată citită, utilizați o sumă de control sau un bit de verificare pentru a confirma corectitudinea datelor.
Captură excepție: Adăugați un mecanism de captare a excepțiilor la program, cum ar fi un mecanism de reîncercare de timeout, resetați senzorul, etc.
Informații de depanare: Adăugați suficiente informații de depanare în program pentru a ajuta la localizarea problemei.
int Main() {
// Inițializați senzorul DS18B20
DS18B20_Căldură();
// Bucla principală
în timp ce(1) {
int temperatura;
// Citiți temperatura și verificați dacă există erori
temperatură = DS18B20_ReadTemperature();
dacă (temperatură < 0) {
printf(“Eroare la citirea temperaturii!\n”);
// Puteți alege să reîncercați sau alte mecanisme de gestionare a erorilor
} altfel {
printf(“Temperatura actuală: %dn”, temperatură);
}
}
reveni 0;
}

Acest capitol prezintă baza de programare în limbajul C și pregătirea mediului pentru termometrul digital DS18B20, precum şi implementarea programului de citire a temperaturii, și subliniază importanța depanării programelor și a gestionării excepțiilor. Prin introducerea acestui capitol, cititorii ar trebui să poată construi un mediu de dezvoltare, înțelegeți importanța bibliotecii de funcții de comunicare de primă linie, și scrieți un program de bază de citire a temperaturii. Următoarele capitole vor aprofunda în continuare în construcția și utilizarea mediului de simulare Proteus, furnizarea unei metode de testare de simulare pentru asamblarea hardware reală.

5. Diagrama de simulare Proteus și analiza rezultatelor simulării
5.1 Construcția mediului de simulare Proteus
5.1.1 Funcționarea de bază a software-ului Proteus
Înainte de a începe construirea modelului de simulare al termometrului digital DS18B20, mai întâi trebuie să înțelegeți și să stăpâniți funcționarea de bază a software-ului Proteus. Proteus este un software puternic de simulare a circuitelor electronice, care nu poate proiecta doar scheme de circuite, dar, de asemenea, proiectează configurații de circuite PCB și oferă funcții de simulare. Iată câțiva pași cheie pentru a vă ajuta să începeți cu Proteus:

Deschideți software-ul Proteus și creați un nou proiect.
Căutați și selectați componentele necesare în biblioteca de componente, precum senzorii DS18B20, microcontrolere, surse de alimentare, fire de conectare, etc.
Trageți componentele selectate în zona de proiectare și utilizați mouse-ul pentru a le plasa și dispune.
Utilizați instrumentul de cablare pentru a conecta pinii fiecărei componente pentru a forma un circuit complet.
Faceți dublu clic pe o componentă sau un fir pentru a-i modifica proprietățile, cum ar fi valoarea rezistenței, tensiunea de alimentare, etc.

Asigurați-vă că toate componentele sunt conectate corect și verificați dacă există erori sau omisiuni.

5.1.2 Creați un proiect de simulare DS18B20
Pașii pentru crearea unui proiect de simulare pentru termometrul digital DS18B20 sunt următorii:

Porniți Proteus și selectați “Proiect nou” pentru a crea un nou proiect.
După setarea numelui și locației proiectului, clic “Următorul”.
Selectați un șablon de proiect, ca “Bazat pe microprocesor”, și faceți clic “Următorul”.
În “Elemente de proiect” fila, verifica “Includeți componente implicite” și selectați un microcontroler (cum ar fi PIC, AVR, etc.) și un senzor DS18B20.
Clic “Termina” pentru a finaliza crearea proiectului.

Următorul, creați o schemă de circuit:
Selectați “ALEGE DISPOZITIV” instrument, găsiți și selectați microcontrolerul și senzorul DS18B20 în biblioteca de componente.
Utilizați “PLASAȚI DISPOZITIV” instrument pentru a plasa componenta selectată în zona de proiectare.
Utilizați “SÂRMĂ” instrument pentru a conecta microcontrolerul și pinii relevanți ai senzorului DS18B20.
După finalizarea conexiunii, utilizați “TEXT” tool to add annotations to the circuit diagram for easy understanding and modification.

5.2 Test de simulare și analiza datelor
5.2.1 Setați parametrii și condițiile de simulare
Înainte de a începe simularea, you need to set the parameters and conditions for the simulation run:
Double-click the microcontroller component to enter the property setting interface.
Select the previously written program file path at “Fișier program”.
Set the power supply parameters to ensure that both the microcontroller and the DS18B20 sensor have the correct power supply voltage.
Următorul, setați parametrii de timp pentru simulare:
În panoul de control al simulării, selecta “Setări globale”.
Adjust the simulation speed and maximum simulation time.
Set appropriate breakpoints to analyze data during the simulation process.

5.2.2 Simulați și citiți datele de temperatură
Rulați simularea și simulați datele de temperatură:
Faceți clic pe “Juca” butonul din panoul de control al simularii pentru a porni simularea.
Utilizați “DEBUG” instrument pentru a vizualiza starea de rulare a programului și valorile variabilelor.
Simulați senzorul DS18B20 pentru a citi valoarea temperaturii, care se realizează de obicei prin modificarea termometrului virtual în mediul de simulare.

Pentru a citi datele de temperatură în simulare, te poți referi la următorii pași:
Găsiți setările de simulare a temperaturii în proprietățile componentei DS18B20.
Modificați valoarea temperaturii pentru a testa răspunsul sistemului în diferite condiții de temperatură.
Observați modul în care programul microcontrolerului procesează datele de temperatură.

5.2.3 Analiza rezultatelor și depanare
Analizați rezultatele simulării și confirmați performanța termometrului:
Monitorizați datele din fereastra de ieșire pentru a verifica dacă citirea temperaturii este corectă.
Utilizați instrumentul de analiză logică pentru a monitoriza dacă procesul de comunicare a datelor este normal.
Verificați dacă există semnale anormale sau ieșiri instabile.

Efectuați diagnosticarea defecțiunilor și depanarea:
Dacă citirea temperaturii este inexactă sau există o eroare, verificați metoda de conectare și configurația DS18B20.
Analizați codul programului pentru a vă asigura că algoritmii de comunicare de primă linie și de conversie a datelor sunt implementați corect.
Utilizați “Stop” funcția software-ului de simulare pentru a întrerupe simularea și a observa starea curentă a sistemului.