Главная Двери

DS18B20 - Датчик температуры цифровой. Датчик температуры Arduino DS18B20 Датчик температуры dallas 18b20

DS18B20 - современный программируемый датчик цифрового типа для контроля изменений температуры с функцией аварийного сигнала. Данные устройства работают согласно протоколу 1-Wire (однопроводная линия связи с микроконтроллером) и снабжены энергонезависимой памятью для сохранения и контроля запрограммированных параметров интерфейса. Корректное измерение температуры DS18B20 происходит в диапазоне от -55° до +125°С, но наименьшая погрешность, составляющая 0,5°С, достигается в диапазоне от -10° до +85°С.

Цифровой датчик температуры DS18B20 благодаря своему специфическому 64-разрядному коду разрешает подключать в единую линию связи несколько микросхем данной серии для контроля микроклимата как небольшого офисного здания в Москве, так и огромного производственного цеха.

Общая характеристика, названия и маркировка выводов моделей DS18B20

В зависимости от конструкции микросхема-датчик температуры Dallas DS18B20 для контроля заданных параметров доступна в 3 формах:

ТО-92;
SO (150 mm);
µSOP.

Расшифруем, где какой вывод микросхемы, и как правильно ее подключить.

Основные особенности и характеристики датчика температуры DS18B20 :

низкий уровень U питания от линии (3–5,5 В);
высокоэффективная работа с помощью протокола 1-Wire;
уникальный идентификационный 64-битный код, записываемый в независимую ROM-память устройства для работы большего количества устройств с помощью одной линии связи, что позволяет получать точное положение датчика, температурный режим которого находится выше или ниже запрограммированного уровня;
широкий диапазон температурных измерений: -55°–+125°С с точностью 0,5°С в диапазоне -10°–+85°С;
встроенный АЦП позволяет запрограммировать DS18B20 в диапазоне 9–12 разрядов, что позволяет снизить время измерений до 750 мс;
удобное подключение микросхемы DS18B20 Raspberry Pi;
для программирования термодатчика достаточно его подключить к любому устройству, работающему под управлением архитектур Arduino, ARM, PIC или AVR.

Как работают современные датчики температуры

Блок-схема датчика температуры типа DS18B20 выглядит следующим образом:

Исходя из вышеприведенной структуры, рассматриваемый датчик состоит из:

Основная функция микросхемы DS18B20 - трансформация показаний встроенного датчика температуры в цифровой код. Это преобразование зависит от разрешения преобразования, установленного пользователем, которое варьируется от 9 до 12 бит (0,5°–0,625°С). Если настройки не производились, то установка регистра конфигурации соответствует 12 битам.

В начальном состоянии DS18B20 находится в состоянии покоя или иными словами в низком энергетическом уровне. Для начала измерений микроконтроллер подает сигнал , после чего полученные данные сохраняются в регистр, а сам датчик переходит в режим «покоя».

При работе цифрового датчика температуры DS18B20 от независимого источника питания микроконтроллер способен контролировать процесс выполнения команды , которая осуществляет измерение температуры. Таким образом, датчик температуры DS18B20 сформирует логический «0» во время трансформации показаний температурного режима и логическую «1» в случае окончания процесса преобразования.

После снятия и обработки сигнала с датчика температуры в микросхеме DS18B20 полученные данные в градусах Цельсия сохраняются в виде 16-битного числа с признаком (S), который отвечает за знак «+» или «-» температуры. Структура регистра температуры будет выглядеть так, как показано ниже.

Если показания температуры выше «0», то показатель S=0, если же значение температуры отрицательное, то S=1. Ниже представлена таблица соответствия данных и температуры.

Как формируются и передаются тревожные сигналы Th и Tl

После выполнения трансформации показаний температуры в 16-битный код полученное число сравнивается со значениями Th и Tl, расположенными в регистре памяти (EEPROM) микропроцессора, а именно второй и третий байты. Структура регистров Th и Tl будет выглядеть следующим образом:

Если полученные данные, 11–4 биты регистра, превышают Th или же ниже параметра Tl, то формируется сигнал аварии на микросхеме. Но на этом измерения не прекращаются, и в случае снижения Th ниже или Tl выше заданного диапазона условие «Авария » сбрасывается.

Если же необходимо самостоятельно выявить один из датчиков, который выдает сигнал «Тревога », то микроконтроллер с помощью команды ECh выполнит тестирование каждого датчика. В случае изменения параметров Th и Tl, выше или ниже занесенных в регистр значений, выдаст код устройства с нарушениями температурного режима.

Как выполнить правильное питание DS18B20

Микросхема DS18B20 позволяет осуществить 2 типа подключения:

Данный тип подключения считается более рациональным. Основное его преимущество - возможность работы с большим количеством датчиков с помощью специальных приложений.

При высоком U на шине микросхемы DS18B20 работает и заряжает Cpp при помощи вывода DQ. Обязательное условие для работы устройства в подобном режиме - заземление Vdd. При смене уровня сигнала на логический «0» питание схемы осуществляется от ранее заряженного конденсатора. В обычном режиме работы микросхема DS18B20 способна демонстрировать непрерывную и стабильную работу при соблюдении электрических характеристик.

Однако при выполнении микросхемой частых преобразований и взаимодействий с памятью потребляемый ток может превысить 1,5 мА. Это приведет к просадке напряжения на шине ниже минимально допустимого уровня. Для решения этой задачи необходимо использовать MOSFET транзистор. Он работает, когда выполняется копирование данных или же преобразование температуры. Тем не менее его используют очень редко, так как запас мощности микросхемы DS18B20 позволяет выполнять вычисления без снижения уровня напряжения.

В большинстве случаев рационально применять данный метод. Однако если измеряемая температура выше 100°С, то возникает большой ток утечки, и заряда конденсатора Cpp не хватает для полноценного функционирования микросхемы. В таких случаях лучше применять питание микросхемы от внешнего источника.

Подключение цифрового датчика температуры DS18B20 к внешнему источнику питания

Основное достоинство прямого подключения - отсутствие MOSFET транзистора. Питание микросхемы осуществляется от внешнего источника с помощью резистора номиналом 4,7 кОм. Во время работы по данной схеме основная шина преобразования может быть использована в других целях, потому что она остается свободной.

Контроль чтения DS18B20

Для контроля процесса чтения данных 64-битного ROM-кода девятый байт - это CRC или байты циклического кода SRAM. Генератор CRC выглядит следующим образом:

Данный код находится в старшем байте памяти ROM и вычисляется для предыдущих 56 битов. Основная задача девятого байта (CRC) - контроль чтения данных из микросхемы. Для этого микропроцессор производит вычисление полученного циклического кода и выполняет его сравнение с заранее принятым кодом. В результате сравнения микроконтроллер получает данные о корректности полученных данных.

Для проверки полученных данных служит полином циклического кода следующей структуры:

C R C = X 8 + X 5 + X 4 + 1

Кодировка датчика DS18B20

Для контроля уровня температур в различных точках применяется большое количество датчиков, каждый из которых закодирован 64-битным кодом в ROM-памяти. В первые 8 бит записан код семейства (28h), во вторые 48 бит - серийный номер датчика и в последние 8 бит запрограммирован циклический код (CRC) для всех предыдущих битов.

Регистр конфигураций

Время обработки сигнала в микросхеме DS18B20 зависит от значения байта 4 в памяти конфигурации, являющегося регистром конфигурации. Данный регистр выглядит так , как показано ниже .

Для установки разрешения преобразования необходимо сменить параметры R0 и R1, которые в первоначальном состоянии соответствуют 11. В таблице приведено соответствие значений данных параметров , разрешения и время преобразования .

Работа с интерфейсом 1-Wire

Система для измерения перепада температурного режима на основе датчиков DS18B20 работает при помощи протокола 1-Wire, который в свою очередь состоит из ведущего (главного или «Мастер») и ведомого устройства (СЛЕЙВ). Датчик данного типа может подключаться только в качестве ведомого. При подключении к шине только одного датчика данная система будет называться одноточечной , а в случае нескольких - многоточечной. Все данные и сигналы в подобной системе передаются с младшим битом вначале.

Как выполнена память цифрового датчика данного типа

Для полноценной работы DS18B20 состоит из 2 типов памяти: EEPROM и SRAM. Первый тип памяти - энергонезависимый, а второй - оперативный. Карта памяти выглядит следующим образом:

В EEPROM-памяти хранятся данные граничных порогов температур, а также регистр конфигураций.

А в карте памяти SRAM первые 2 байта (0 и 1) отвечают за измеренную температуру, вторые 2 байта предназначены только для чтения и отвечают за значения граничных температур из памяти EEPROM, четвертый байт содержит в себе параметры конфигурации. А зарезервированные байты с пятого по седьмой всегда выдают логическую «1» при чтении и не могут быть записаны. Для корректной работы памяти есть также восьмой байт или генератор циклического кода, отвечающий за первые 8 байт.

Чтобы выполнить запись в байты 2–4, потребуется выполнить команду ЗАПИСЬ ПАМЯТИ . Для получения доступа к записанным данным достаточно выполнить команду ЧТЕНИЕ ПАМЯТИ . А если необходимо выполнить запись параметров TH, TL или же регистра конфигурации, тогда следует выполнить команду КОПИРОВАНИЕ ПАМЯТИ .

Что понадобится для работы с микросхемой DS18B20

Для работы с микросхемой DS18B20 потребуется:

программное обеспечение Arduino IDE ;
библиотека для работы с протоколом 1-Wire OneWire library ;
скетч.

Вышеуказанные приложения позволят произвести прошивку микросхемы. Однако, чтобы это осуществить, потребуется следующее оборудование:

контроллер Arduino;
USB-кабель, подключающий контроллер к персональному компьютеру;
монтажная плата для установки микросхемы и 3 коннектора.

Подключение микросхемы к Arduino

Для подключения датчика, как показано на схеме ниже, контакт 1 (GND) подключается к общему «-» платы, контакт 2 (Vdd) подключается к источнику питания +5 В через подтягивающий резистор номиналом 4,7 кОм, а последний контакт 3 (DATA) подключается к одному из пинов на микроконтроллере Arduino (на схеме использован второй пин).

Для данного случая строка 10 должна иметь следующий вид: OneWire ds(2) .

Настройка кода и работа с библиотеками

После окончания монтажных работ можно приступать к программированию устройства. Для этого с помощью приложения Arduino IDE требуется смонтировать библиотеку OneWire library . Для этого в меню приложения необходимо выбрать «Add Library », которое расположено в меню «Sketch » или для русскоязычного варианта «Скетч » - «Подключить библиотеку » - «OneWire ».

Далее в открывшейся библиотеке следует найти пример программирования «». Для этого необходимо в меню «Файл » выбрать подменю «Примеры », далее раздел «OneWire » и пункт «».

В примере из библиотеки OneWire в строке 10 изначально запрограммирован 10 pin микроконтроллера, для рассматриваемого случая его требуется заменить на 2. В итоге 10 строка должна выглядеть следующим образом:

После корректно выполненных операций, компиляции и загрузки программы в окне монитора порта «Инструменты » - «» появится примерно следующее:

Заключение

Датчик DS18B20 - сложное устройство, измеряющее температурный режим, обладающее легкой схемой монтажа, высокой точностью измерений температуры и надежностью. Однако для полноценного функционирования данных устройств необходимо выполнить сложное программирование.

Видео по теме

Вам необходимо измерить температуру в неблагоприятной для микросхем среде?

Датчик DS18B20 поможет вам измерить температуру воды в аквариуме или в чайнике. Можно использовать его для измерения температуры на улице и при этом не бояться, что датчик зальёт дождём. Дачники оценят возможность измерять температуру почвы в теплице и на участке.

В постоянной памяти DS18B20 можно сохранить граничные значения температуры, при выходе из которых сенсор будет переходить в режим тревоги. На общей шине из многих сенсоров микроконтроллер может за раз узнать, какие из них перешли в этот режим. Таким образом становится легко определить проблемный участок в контролируемой среде.

Разрешение показаний настраивается и может составлять от 9 до 12 бит. Меньше разрешение - выше скорость преобразования.

Подключение

Герметичный датчик на основе микросхемы DS18B20 можно подключить двумя способами:

По трём проводам: питание (красный), земля (чёрный) и сигнал (белый).

По двум проводам: земля и сигнал. В этом случае датчик изредка может давать неверные показания, которые легко исключить из конечного результата фильтрацией.

Независимо от способа подключения, сигнальный провод необходимо соединить с питанием через резистор 4,7 кОм. При подключении только одного датчика, подойдёт и резистор на 10 кОм.

Для подключения датчика к Arduino или к макетной плате удобно будет использовать нажимной клеммник.

Для подключения 1-Wire устройств к Arduino существует готовая библиотека, а для работы именно с DS18B20 существует библиотека-надстройка от Майлса Бёртона.

Характеристики:

Напряжение питания: 3.0..5.5 В
Диапазон температур: -55°C..+125°C
Точность показаний температуры: 0.5 °С
Шаг показаний: 0.0625 °С
Интерфейс: 1-Wire
Длинна провода: 1 метр
Потребляемый ток: 1мА

Датчик температуры в Arduino – один из самых распространенных видов сенсоров. Разработчику проектов с термометрами на Arduino доступно множество разных вариантов, отличающихся по принципу действия, точности, конструктивному исполнению. Цифровой датчик DS18B20 является одним из наиболее популярных температурных датчиков, часто он используется в водонепроницаемом корпусе для измерения температуры воды или других жидкостей. В этой статье вы найдете описание датчика ds18b20 на русском, мы вместе рассмотрим особенности подключения к ардуино, принцип работы датчика, описание библиотек и скетчей.

DS18B20 – это цифровой температурный датчик, обладающий множеством полезных функций. По сути, DS18B20 – это целый микроконтроллер, который может хранить значение измерений, сигнализировать о выходе температуры за установленные границы (сами границы мы можем устанавливать и менять), менять точность измерений, способ взаимодействия с контроллером и многое другое. Все это в очень небольшом корпусе, который, к тому же, доступен в водонепроницаемом исполнении.

Температурный датчик DS18B20 имеет разнообразные виды корпуса. Можно выбрать один из трех – 8-Pin SO (150 mils), 8-Pin µSOP, и 3-Pin TO-92. Последний является наиболее распространенным и изготавливается в специальном влагозащитном корпусе, так что его смело можно использовать под водой. У каждого датчика есть 3 контакта. Для корпуса TO-92 нужно смотреть на цвет проводов: черный – земля, красный – питание и белый/желтый/синий – сигнал. В интернет-магазинах можно купить готовый модуль DS18B20.

Где купить датчик

Естественно, что DS18B20 дешевле всего купить на Алиэкспрессе, хотя он продается и в любых специализированных российских интернет-магазинах с ардуино. Приведем несколько ссылок для примера:

Память датчика состоит из двух видов: оперативной и энергонезависимой – SRAM и EEPROM. В последнюю записываются регистры конфигурации и регистры TH, TL, которые могут использоваться как регистры общего назначения, если не используются для указания диапазона допустимых значений температуры.

Основной задачей DS18B20 является определение температуры и преобразование полученного результата в цифровой вид. Мы можем самостоятельно задать необходимое разрешение, установив количество бит точности – 9, 10, 11 и 12. В этих случаях разрешающие способности будут соответственно равны 0,5С, 0,25С, 0,125С и 0,0625С.

Полученные температурные измерения сохраняются в SRAM датчика. 1 и 2 байты сохраняют полученное значение температуры, 3 и 4 сохраняют пределы измерения, 5 и 6 зарезервированы, 7 и 8 используются для высокоточного определения температуры, последний 9 байт хранит устойчивый к помехам CRC код.

Подключение DS18B20 к Arduino

DS18B20 является цифровым датчиком. Цифровые датчики передают значение измеряемой температуры в виде определенного двоичного кода, который поступает на цифровые или аналоговые пины ардуино и затем декодируется. Коды могут быть самыми разными, ds18b20 работает по протоколу данных 1-Wire. Мы не будем вдаваться в подробности этого цифрового протокола, укажем лишь необходимый минимум для понимания принципов взаимодействия.

Обмен информацией в 1-Wire происходит благодаря следующим операциям:

Инициализация – определение последовательности сигналов, с которых начинается измерение и другие операции. Ведущее устройство подает импульс сброса, после этого датчик должен подать импульс присутствия, сообщающий о готовности к выполнению операции.
Запись данных – происходит передача байта данных в датчик.
Чтение данных – происходит прием байта из датчика.

Для работы с датчиком нам понадобится программное обеспечение:

Arduino IDE;
Библиотека OneWire, если используется несколько датчиков на шине, можно использовать библиотеку DallasTemperature. Она будет работать поверх OneWire.

Из оборудования понадобятся:

Один или несколько датчиков DS18B20;
Микроконтроллер Ардуино;
Коннекторы;
Резистор на 4,7 кОм (в случае подключения одного датчика пойдет резистор номиналом от 4 до 10K);
Монтажная плата;
USB-кабель для подключения к компьютеру.

К плате Ардуино UNO датчик подключается просто: GND с термодатчика присоединяется к GND Ардуино, Vdd подключается к 5V, Data – к любому цифровому пину.

Простейшая схема подключения цифрового датчика DS18B20 представлена на рисунке.

Алгоритм получения информации о температуре в скетче состоит из следующих этапов:

Определение адреса датчика, проверка его подключения.
На датчик подается команда с требованием прочитать температуру и выложить измеренное значение в регистр. Процедура происходит дольше остальных, на нее необходимо примерно 750 мс.
Подается команда на чтение информации из регистра и отправка полученного значения в «монитор порта»,
Если требуется, то производится конвертация в градусы Цельсия/Фаренгейта.

Пример простого скетча для DS18B20

Самый простой скетч для работы с цифровым датчиком выглядит следующим образом. (в скетче мы используем библиотеку OneWire, о которой поговорим подробнее чуть позже).

#include /* * Описание взаимодействия с цифровым датчиком ds18b20 * Подключение ds18b20 к ардуино через пин 8 */ OneWire ds(8); // Создаем объект OneWire для шины 1-Wire, с помощью которого будет осуществляться работа с датчиком void setup(){ Serial.begin(9600); } void loop(){ // Определяем температуру от датчика DS18b20 byte data; // Место для значения температуры ds.reset(); // Начинаем взаимодействие со сброса всех предыдущих команд и параметров ds.write(0xCC); // Даем датчику DS18b20 команду пропустить поиск по адресу. В нашем случае только одно устрйоство ds.write(0x44); // Даем датчику DS18b20 команду измерить температуру. Само значение температуры мы еще не получаем - датчик его положит во внутреннюю память delay(1000); // Микросхема измеряет температуру, а мы ждем. ds.reset(); // Теперь готовимся получить значение измеренной температуры ds.write(0xCC); ds.write(0xBE); // Просим передать нам значение регистров со значением температуры // Получаем и считываем ответ data = ds.read(); // Читаем младший байт значения температуры data = ds.read(); // А теперь старший // Формируем итоговое значение: // - сперва "склеиваем" значение, // - затем умножаем его на коэффициент, соответсвующий разрешающей способности (для 12 бит по умолчанию - это 0,0625) float temperature = ((data << 8) | data) * 0.0625; // Выводим полученное значение температуры в монитор порта Serial.println(temperature); }

Скетч для работы с датчиком ds18b20 без delay

Можно немного усложнить программу для ds18b20, чтобы избавиться от , тормозящей выполнение скетча.

#include OneWire ds(8); // Объект OneWire int temperature = 0; // Глобальная переменная для хранения значение температуры с датчика DS18B20 long lastUpdateTime = 0; // Переменная для хранения времени последнего считывания с датчика const int TEMP_UPDATE_TIME = 1000; // Определяем периодичность проверок void setup(){ Serial.begin(9600); } void loop(){ detectTemperature(); // Определяем температуру от датчика DS18b20 Serial.println(temperature); // Выводим полученное значение температуры // Т.к. переменная temperature имеет тип int, дробная часть будет просто отбрасываться } int detectTemperature(){ byte data; ds.reset(); ds.write(0xCC); ds.write(0x44); if (millis() - lastUpdateTime > TEMP_UPDATE_TIME) { lastUpdateTime = millis(); ds.reset(); ds.write(0xCC); ds.write(0xBE); data = ds.read(); data = ds.read(); // Формируем значение temperature = (data << 8) + data; temperature = temperature >> 4; } }

Библиотека DallasTemperature и DS18b20

В своих скетчах мы можем использовать библиотеку DallasTemperature, упрощающую некоторые аспекты работы с датчиком ds18b20 по 1-Wire. Пример скетча:

#include // Номер пина Arduino с подключенным датчиком #define PIN_DS18B20 8 // Создаем объект OneWire OneWire oneWire(PIN_DS18B20); // Создаем объект DallasTemperature для работы с сенсорами, передавая ему ссылку на объект для работы с 1-Wire. DallasTemperature dallasSensors(&oneWire); // Специальный объект для хранения адреса устройства DeviceAddress sensorAddress; void loop(void){ // Запрос на измерения датчиком температуры Serial.print("Измеряем температуру..."); dallasSensors.requestTemperatures(); // Просим ds18b20 собрать данные Serial.println("Выполнено"); // Запрос на получение сохраненного значения температуры printTemperature(sensorAddress); // Задержка для того, чтобы можно было что-то разобрать на экране delay(1000); } // Вспомогательная функция печати значения температуры для устрйоства void printTemperature(DeviceAddress deviceAddress){ float tempC = dallasSensors.getTempC(deviceAddress); Serial.print("Temp C: "); Serial.println(tempC); } // Вспомогательная функция для отображения адреса датчика ds18b20 void printAddress(DeviceAddress deviceAddress){ for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) { if (deviceAddress[i] < 16) Serial.print("0"); Serial.print(deviceAddress[i], HEX); } }

Библиотека OneWire для работы с DS18B20

DS18B20 использует для обмена информацией с ардуино протокол 1-Wire, для которого уже написана отличная библиотека. Можно и нужно использовать ее, чтобы не реализовывать все функции вручную. . Для установки библиотеки скачайте архив, распакуйте в папку library вашего каталога Arduino. Подключается библиотека с помощью команды #include

Все датчики DS18B20 подключаются параллельно, для них всех достаточно одного резистора. При помощи библиотеки OneWire можно одновременно считать все данные со всех датчиков. Если количество подключаемых датчиков более 10, нужно подобрать резистор с сопротивлением не более 1,6 кОм. Также для более точного измерения температуры нужно поставить дополнительный резистор на 100…120 Ом между выходом data на плате Ардуино и data на каждом датчике. Узнать, с какого датчика получено то или иное значение, можно с помощью уникального серийного 64-битного кода, который будет выдан в результате выполнения программы.

Для подключения температурных датчиков в нормальном режиме нужно использовать схему, представленную на рисунке.

Выводы

Микросхема Dallas DS18B20 является очень интересным устройством. Датчики температуры и термометры, созданные на ее основе, обладают приемлемыми для большинства задач характеристиками, развитым функционалом, относительно не дороги. Особенную популярность датчик DS18B20 снискал как влагозащищенное устройство для измерения температуры жидкостей.

За дополнительные возможности приходится платить относительной сложностью работы с датчиком. Для подключения DS18B20 нам обязательно понадобится резистор с номиналом около 5К. Для работы с датчиком в скетчах ардуино нужно установить дополнительную библиотеку и получить определенные навыки для работы с ней – там все не совсем тривиально. Впрочем, можно купить уже готовый модуль, а для скетча в большинстве случаев хватит простых примеров, приведенных в этой статье.

DS18B20 — цифровой датчик температуры фирмы Dallas. Отправляет данные о температуре, используя только один цифровой вывод и специальный протокол, называемый 1-Wire. Вы можете подключить несколько датчиков к одному контакту. Датчик измеряет температуру в градусах Цельсия.

Технические характеристики DS18B20

Датчик можно питать напряжением от 3 до 5,5В
Датчик может измерять температуру от -55 до 125 °C
Датчик имеет цифровое разрешение от 9 до 12 бит
Точность измерения +/- 0,5 °C в диапазоне от -10 до 85 °C
Точность измерения: + /- 2 °C для диапазона от -55 до 125 °C
Дрейф измерения +/- 0,2 °C

Схема подключения DS18B20

Что такое разрешение?

В технических характеристиках сообщается, что датчик DS18B20 может измерять температуру с различным разрешением. Разрешение — это как у линейки: миллиметры между сантиметрами. Так же и c разрешением у DS18B20 — это шаг между последовательными ступенями градусов Цельсия.

Разрешение выбирается с помощью количества бит. Диапазон выбора от 9 до 12 бит. Выбор разрешения влечет за собой определенные последствия. Чем выше разрешение, тем дольше придется ждать результат измерений.

Для 9 битного разрешения есть 2 шага между последовательными уровнями:

0,0 °C
0,5 °C

Для 10 битного разрешения есть 4 шага между последовательными уровнями:

0,0 °C
0,25 °C
0,5 °C
0,75 °C

В этом случае мы считываем температуру с разрешением 0,25 °C. Время измерения для 10 битного разрешения составляет 187,5 мс, что позволяет выполнить 5,3 измерений в секунду.

Для 11 битного разрешения есть 8 шагов между последовательными уровнями:

0,0 °C
0,125 °C
0,25 °C
0,375 °C
0,5 °C
0,625 °C
0,75 °C
0,875 °C

То есть разрешение составляет 0,125 °C. Время измерения для 11 битного разрешения составляет 375 мс. Это позволяет выполнить 2,6 измерения в секунду.

Для 12 битного разрешения есть 16 шагов между последовательными уровнями:

0,0 °C
0,0625 °C
0,125 °C
0,1875 °C
0,25 °C
0,3125 °C
0,375 °C
0,4375 °C
0,5 °C
0,5625 °C
0,625 °C
0,6875 °C
0,75 °C
0,8125 °C
0,875 °C
0,9375 °C

Следовательно, разрешение составляет 0,0625 °C. Время измерения для 12 битного разрешения в районе 750 мс. То есть вы можете сделать 1,3 измерений в секунду.

Что такое точность измерения?

Ничто в мире, и особенно в электронике, не является совершенным. Можно только приближаться к совершенству, тратя все больше и больше денег и сил. Так же и с этим датчиком. Он имеет некоторые неточности, о которых вы должны знать.

В технических характеристиках сказано, что в диапазоне измерения от -10 до 85 °C датчик DS18B20 имеет точность на уровне +/- 0,5 °C. Это значит, что, когда в комнате у нас температура 22,5 °C, то датчик может вернуть нам результат измерения от 22 до 23 °C. То есть, может показать на 0,5 °C больше или меньше. Все это зависит от индивидуальной характеристики датчика.

В диапазоне от -55 до 125 °C погрешность измерения может возрасти до +/- 2 °C. То есть, когда вы измеряете что-то с температурой 100 °C, то датчик может показать температуру от 98 до 102 °C.

Все эти отклонения могут несколько отличаться для каждой температуры, но при измерении одной и той же температуры, отклонение всегда будет одинаковым.

Что такое дрейф измерения?

Дрейф измерения — это наиболее худшая форма неточности. Суть дрейфа измерения заключается в том, что при измерении постоянной температуры — при одном измерении датчик может показывать одну температуру, а при последующем другую (на величину дрейфа).

Дрейф датчика температуры DS18B20 +/- 0.2 °C. Например, когда в комнате постоянная температура составляет 24 °C, датчик может выдавать результат в диапазоне от 23,8 °C до 24,2 °C.

(379,0 Kb, скачано: 913)

В процессе изучения микроконтроллеров рано или поздно возникает необходимость измерения такого метеорологического параметра окружающей среды, как ее температура. Современный мировой рынок электронных комплектующих предлагает широкий ассортимент датчиков температуры. Основные отличия между ними состоят в диапазоне измеряемой температуры, напряжении питания, области применения, габаритных размерах, способах преобразования температуры, интерфейсом для взаимодействия с пользовательской управляющей системой. Так исторически сложилось, что на текущий момент одним из самых популярных температурных датчиков является датчик DS18 B20 корпорации Dallas Semiconductor. О нем следующее повествование.

DS18 B20 – цифровой датчик температуры с программируемым разрешением преобразования.

Отличительные особенности:

1) Использование интерфейсной шины данных 1-Wire для взаимодействия с управляющей системой;
2) Наличие уникального 64-битного последовательного идентификационного кода, расположенного во внутренней ROM-памяти и предназначенной для многоточечных систем, где необходимо адресовать конкретный датчик;
3) Напряжение питания составляет 3-5,5В, что позволяет использовать его не только в 5-вольтовых системах, но и в 3,3 (большинство микроконтроллеров);
4) Диапазон измеряемой температуры составляет -55…+125 о С;
5) Точность в ±0,5 о С, правда это верно только для диапазона -10…+85 о С;
6) Разрешение преобразования определяется пользователем и составляет 9…12 бит;
7) Имеет внутренние регистры триггеров верхнего и нижнего порогов срабатывания с вырабатыванием сигнала тревоги для систем, использующих термостатическую логику работы;
8) Эти датчики программно совместимы с DS1822 и широко применяются в промышленных термостатических регуляторах, индустриальных системах, в потребительской электронике и других термочувствительных системах.

Описание и принцип работы устройства:

В своей статье я опишу пример работы с датчиком, выполненном в корпусе TO-92.

Выглядит он таким образом:

Внутри эта штуковина устроено очень просто, взгляните сами:

Рассмотрим поподробнее эту блок-схему.

Однако питание таким способом вносит некоторые ограничения на временные параметры датчика. Удержание линии данных некоторое время разрядит конденсатор, что приведет к обесточиванию линии INTERNAL Vdd, а соответственно и датчика в целом. Поэтому в неиспользуемое время на линии DQ должен поддерживаться высокий логический уровень. Следует отметить одно важное замечание. При операциях преобразования температуры и копирования данных из Scratchpad в EEPROM (в один из регистров), потребляемый линией INTERNAL Vdd ток может достигать 1,5мА, что непосильно внутреннему конденсатору, а на резисторе подтяжки будет большое падение напряжения, что недопустимо скажется на работе устройства в целом. Для этого необходимо организовать линии DQ схему мощной подтяжки, реализуемой по вот такой схеме:

После выдачи команды Convert T или Copy Scratchpad необходимо включить мощную подтяжку MOSFET-транзистором линии DQ не позднее 10мкс(макс.), как утверждают разработчики датчика, после чего выждать время преобразования (Tconv) или время передачи данных (Twr=10мс), причем в это время никаких действий при включенной мощной подтяжке на линии DQ быть не должно!

Про стандартное питание нужно мало что сказать, ведь тут все просто, и даже MOSFET не нужен вовсе:

Подсистема «64-BIT ROM AND 1-Wire PORT» содержит в себе уникальный 64-битный последовательный идентификационный код, расположенный в энергонезависимой памяти ROM, также в этом узле расположен интерфейс взаимодействия с управляющей системой 1-Wire. Подсистема «Memory Control Logic» осуществляет передачи данных между подсистемой интерфейса 1-Wire и памятью типа Scratchpad, которая, в свою очередь, имеет доступ к регистрам температурного датчика, регистрам установки верхнего и нижнего порогов срабатывания сигнала тревоги, конфигурационному регистру и регистру генератора 8-битноой контрольной суммы для защиты системы от неправильных данных.

При включении питания по умолчанию датчик имеет разрешение преобразования 12 бит, и сразу входит в режим пониженного энергопотребления. Для инициирования преобразования ведущее устройство должно передать команду Convert T . После преобразования температуры в цифровой код, этот код располагается в Scratchpad-памяти в виде двухбайтного слова, и датчик снова переходит в энергосберегающий режим.

Преобразование температуры.

Теперь разберемся, как преобразуется температура в датчике. По сути, внутри самого температурного сенсора располагается АЦП, и выходные данные, расположенные в регистре температуры, переносятся в Scratchpad-память. Данные о температуре имеют следующий формат:

Флаг S – флаг знака, используется для указания знака числа (S=0 – число, содержащееся в битах 10-0 положительно, и S=1, если число, содержащееся в тех же битах отрицательно, т.е. в данном случае температура представляется в дополнительном коде (коде дополнения до двух)).

При настройке на разрешение преобразования 12 бит все 12 бит (bit 11- bit 0) задействованы и содержат достоверные данные. При настройке на разрешение 11 бит содержимое бита 0 не следует принимать в расчет, при настройке на 10 бит не следует принимать в расчет биты 0 и 1 и т.д.

Сигнал тревоги – функция термостата.

Для этого предусмотрено 2 8-битных регистра, Th и Tl. В Th содержится значение верхнего порога температуры, а в Tl – соответственно нижнего. Если температура выше значение Th или ниже Tl устанавливается флаг тревоги. Этот флаг тревоги обнаруживается ведущим устройством посредством выдачи команды Alarm Search на линию DQ. Флаг тревоги обновляется при после каждой операции преобразования температуры. Кстати, только биты с 11 по 4-й регистра температуры используются в сравнении с регистром Th или Tl, отсюда следует, что функция термостата работает только для целых значений температуры. Регистры физически являются EEPROM памятью, поэтому они сохраняют свои значения при выключении питания. Сами регистры аналогичны регистру температуры, только они 8-битные, флаг S имеет абсолютно такое же значение, как и в предыдущем случае:

Этот код, как отмечалось ранее, необходим для идентификации каждого устройства на линии в системах многоточечного измерения температуры.

Формат этой памяти такой:

Младшие 8 бит отводятся для обозначения семейства, и содержат значение 0х28.Следующие 48 бит содержат уникальный серийный номер устройства. Самый старший байт содержит значение контрольной суммы CRC, рассчитываемой для младших 56 бит ROM-памяти.

Организация памяти.

Память датчика состоит из пространства памяти блокнотного типа (Scratchpad) и EEPROM-памяти для хранения данных конфигурации и значений регистров верхнего и нижнего порогов сигнала тревоги.

При выключении питания данные байта 2, 3 и 4 сохраняют свое значение в EEPROM. Ну а при включении, значение в них остаются неизменными. Байт 0 и 1 содержат значение преобразованной температуры, байты 5, 6, 7 зарезервированы для внутреннего использования и не могут быть доступны пользователю для его нужд.

8-й байт содержит значение, генерируемое встроенной логикой формирования CRC-кода для байтов с 0 по 7, что сводит к минимуму возможность ошибочного определения температуры в конечном итоге.

Следует отметить, что если функция термостата не используется, то регистры Th и Tl могут использоваться как память общего назначения – в них вы можете хранить любую информацию.

Данные записываются в байты 2, 3 и 4 начиная с младшего бита байта 2 при помощи команды Write Scratchpad . Для проверки целостности записанных данных, можно их прочитать, для чего необходимо передать датчику команду Read Scratchpad , после чего ведущее устройство должно принимать данные начиная с младшего бита байта 0.

Для сохранения данных старшего, младшего регистров термостата а так же регистра конфигурации в EEPROM-памяти, ведущее устройство должно передать датчику команду Copy Scratchpad .

Как отмечалось ранее, данные, уже записанные в EEPROM, при выключении питания сохраняются. Но при включении питания из соответствующих EEPROM-ячеек значения автоматически загружаются в соответствующие регистры памяти scratchpad. Удобно, не правда ли?:)

Кроме всего, данные, записанные в EEPROM, в любое время могут быть перезаписаны в scratchpad-память. Это необходимо например для того, когда вы изменили конфигурацию в процессе работы, а потом вам надо встать на «штатный режим работы», т.е. вернуть ту конфигурацию работы, которая была до изменения содержимого регистров памяти scratchpad. Вот собственно для этого ведущее устройство должно передать датчику команду Recall E 2 .

В регистре конфигурации пользователем могут определяться только 2 бита: R0 и R1. Эти биты определяют разрешение преобразования температуры, и по дефолту установлены в 1, что и определяет изначальную настройку на 12-битное разрешение преобразования.

Все возможные конфигурации этих битов и соответствующие разрешения представлены в таблице ниже. Следует отметить, что чем больше разрешение преобразования, тем больше время преобразования, например, для 12-битного разрешение время преобразования составляет 750мс (макс.).

Взаимодействие с управляющей системой.

DS18B20, как отмечалось ранее, для связи с ведомым устройством используют интерфейсную шину данных 1-Wire. Поэтому для его подключения управляющая система должна обеспечивать выход с открытым стоком или с Hi-Z состоянием линии.

Внутренняя конфигурация интерфейса датчика показана ниже:

В неактивном состоянии (в состоянии простоя) линия DQ подтянута резистором к «+» питания. Таким образом между транзакциями (передачами данных) эта линия всегда должна удерживаться в этом состоянии. Если по какой-либо причине транзакции должны быть приостановлены, линия DQ должна удерживаться в высоком логическом уровне, если эта передача дальше будет возобновлена. В процессе остановки транзакции мы сколько угодно долго можем держать линию DQ в высоком логическом уровне, начиная с 1мкс. Но, если шина данных будет удержана в низком логическом уровне дольше 480мкс, произойдет полный сброс всех датчиком, присутствующих на этой шине.

Последовательность операций для обмена.

Каждый раз при обращении управляющей системы к датчику должна быть соблюдена следующая последовательность действий:

1) Инициализация;
2) Команда ROM (за которым следует необходимый обмен данными);
3) Функциональная команда датчика (за которой следует необходимый обмен данными).

Если какой либо шаг при обращении к датчику отсутствует – датчик не будет реагировать. Исключение составляют команды Search ROM [ F 0 h ] и Alarm Search [ ECh ] , после их выполнения мастер должен вернуться к первому шагу управляющей последовательности.

Итак. Все транзакции начинаются с инициализации. Эта операция сопровождается выработкой ведущим устройством импульса сброса, на который ведомые устройства (в данном случае датчик(-и)) передают ведущему импульс присутствия, которые дают ему знать, что датчики подключены и готовы к работе.

Вообще интерфейсная шина 1-Wire, реализуемая в датчике, определяет несколько типов сигналов на линии данных: импульс сброса, импульс присутствия, запись 0, запись 1, чтение 0, чтение 1. Все эти операции реализует ведущее устройство, за исключением импульса присутствия. Его формирует только датчик(-и).

Итак, для начала ведущее устройство переходит в режим передатчика и устанавливает линию DQ в 0 на время не менее 480мкс (выделено жирным черным цветом). Это сбрасывает датчик. Затем линию необходимо отпустить, и перевести ведущее устройство в режим приемника, при этом подтягивающий резистор установит линию данных в высокий логический уровень (выделено тонким черным цветом). После того, как датчик почует нарастающий фронт, датчик выждет время 15-60мкс и своим аппаратным интерфейсом сбросит линию данных в 0, и будет ее держать в течение 60-240мкс. По истечении этого времени датчик отпустит линию и она установится в уровень логической 1 в течение не менее 480мкс после обнаружения датчиком импульса сброса.

Теперь поговорим о том, как осуществляется процесс передачи данных. Вообще, передачи бита. Дело в следующем. Берется отрезок времени, и в течение этого времени мастер смотрит, что там у нас на линии, допустим 1 – значит записали 1, если 0 – значит записали ноль. Но это только абстрактное объяснение. На самом деле там есть некоторые нюансы, связанные с временными рамками всего этого дела.

Смотрим картинки:

Все начинается с того, что ведущий должен опустить линию данный в низкий логический уровень, и с этого момента начинается слот записи/чтения 1/0, длящийся от 60 до 120мкс. Между слотами записи/чтения линия данных обязательно должна установиться в 1 на время, не меньшее времени восстановления (1мкс). Для организации слота записи 0 необходимо все время слота держать линию данных в 0, если же необходимо записать в датчик 1, то сначала сбрасываем линию данных в 0, затем ждем не менее 1мкс и отпускаем линию в 1, в течение слота записи 1 (60-120мкс) будет записана 1 в датчик (см. верхний правый рисунок).

Собственно говоря, если в течение 15-60мкс после старта будет обнаружена 1 на линии данных, то запишется 1, а если в течение 60-240мкс обнаружится 0 – то и запишется 0.

Чтение данных сопровождается ведущим устройством, когда он сбрасывает линию, ждет не менее 1мкс, и в течение 15мкс смотрит, что на линии творится: если остался 0, то датчик передает 0, если переключилась в 1, - то и передалась 1.

Команды.

ROM-команды.

Эти команды должны следовать за последовательностью инициализации и содержат инструкции поиска соответствующего датчика и т.д. Разрядность каждой команды 8бит. После выполнения соответствующей команды можно передать функциональную команду датчику.

SEARCH ROM	Когда система первоначально подключена, она должна распознать все подключенные к шине устройства. Для этого эта команда. Но, поскольку у нас всего лишь один датчик, пользоваться этой командой мы не будем.
READ ROM	Эта команда используется только тогда, когда на шине имеется лишь один датчик. Это позволяет ведущему устройству считать содержимое 64 бит ROM-памяти не используя команду ее поиска. А если же вы попробуете использовать эту команду при подключенном количестве датчиков, более 1, все они начнут передавать содержимое этой памяти, что приведет к нежелательным последствиям.
MATCH ROM	Это команда соответствия ROM. Мастер выпускает 64 бита соответствующей памяти ROM подключенного к шине датчика, и там уже определяется, что с ним делать (измерить температуру, и т.д.). Другие датчики на шине будут в это время ждать своей очереди.
SKIP ROM	Это команда пропуска ROM. Не принимает в расчет адрес какого-либо конкретного датчика на шине, а обращается сразу ко всем. После этой команды, можно выдать, например, команду преобразования температуры, и все датчики начнут преобразование. Однако вывести команду чтения памяти после вызова этой команды приведет к непредсказуемым результатам (потому что сразу все датчики будут передавать данные). Значит, только при одном подключенном датчике возможна такая ситуация.
ALARM SEARCH	Эта команда идентична первой в этой таблице за исключением того, что осуществляет поиск датчиков на шине с установленным флагом тревоги.

Функциональные команды.

Эти команды осуществляют функциональные операции каких либо процессов, например, запуск операции преобразования температуры, копирование памяти и т.д. Всего команд 6, разрядность каждой 8бит.

CONVERT T	Запуск преобразования температуры. После выполнения этой команды 2-байтные данные заносятся в регистр температуры.
WRITE SCRATCHPAD	Записывает данные в регистры 2-4 начиная со второго, младшим битом вперед. Во время передачи данные в три регистра необходимо следить, чтобы мастер не сбросил датчики, потому что возможна потеря данных.
READ SCRATCHPAD	Инициирует процесс передачи данных всех регистров памяти scratchpad, начиная с младшего бита байта 0 и заканчивая старшим битом байта 8 (CRC).
COPY SCRATCHPAD	Эта команда копирует содержимое регистров байта 2, 3 и 4 в соответствующие EEPROM-ячейки.
RECALL E 2	Эта команда копирует данные из EEPROM в соответствующие места в блокнотной памяти scratchpad. Как отмечалось ранее, при включении питания эта операция происходит автоматически.
READ POWER SUPPLY

Вот, собственно, и вся премудрость работы с датчиком температуры DS18B20. За более детальной информацией обращаемся в даташит (). Теперь необходимо все это дело реализовать в железе.

Принципиальная схема устройства:

Сборочный чертеж печатной платы (извиняюсь за качество, делал лишь бы работало, для отладки):

Не забудьте правильно отзеркалить плату

Поскольку это макетка, я вытащил ее из старого проекта, поэтому на плате, приведенной выше – немного не то, что у меня (на своей я сейчас убрал все лишнее и оно стало точь-в-точь как на рисунках выше).

Вот что вышло у меня:

Получился этакий бутерброд

Исходный код программы был написан в среде разработки . Я не старался использовать максимум готовых библиотек avr-gcc компилятора, а писал все, как говорится, «от руки». Моя цель – это не демонстрация виртуозного владения Си, а всего лишь пример, написанный за час, способный предоставить новичкам общее представление по работе с датчиком.
Устройство предназначено для использования в комнате, поэтому не предусматривает измерение отрицательных температур.

Скачать исходники и печатную плату LAY вы можете ниже

Все дополнительные вопросы, пожелания жду по адресу: [email protected]