Термометр на Arduino с температурным датчиком LM35. Делаем корпус для датчика

Интересный способ использования библиотеки LiquidCrystal - это создание пользовательских символов. С помощью createChar я создал символ градусов. Таким же способом вы можете создать и свои собственные символы. Чтобы создать пользовательский символ или значок, вам необходимо объявить его, как массив из восьми байт, и «нарисовать», какие пиксели будут включены (1 - включен, 0 - выключен).

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.

О цифровых термометрах на основе Arduino было сказано немало. Все они либо подключались к компьютеру, либо выводили температуры сразу на дисплей.
Но мне был нужен уличный термометр, который автономно и отправляет данные на сайт. Итак, приступим.

Что нам понадобится:

• Arduino Duemilanove (Freeduino 2009)
• Ethernet Shield v2
• цифровой датчик температуры - DS18B20
• вентилятор для корпуса (120 мм)
• банка от водоэмульсионки или клея ПВА (2 литра)
• светодиод
• витая пара

Задачи

Алгоритм работы устройства:

1. присваиваем нашему Ethernet Shield`у MAC адрес и ip-адрес
2. инициализируем соединение с сервером на 80 порт
3. получаем данные с цифрового датчика температуры, по 1-Wire шине
4. формируем GET запрос
5. отправляем GET запрос
6. разрываем соединение

Исходный код скетча:

include
// Библиотеки ниже нет в стандартной поставке среды разработки Arduino.
// придётся её скопировать.
include

// MAC-адрес нашего устройства
byte mac = { 0x00, 0x3A, 0xF1, 0x19, 0x69, 0xFC };
// ip-адрес устройства
byte ip = { 192, 168, 1, 156 };
// ip-адрес удалённого сервера
byte server = { 79, 140, 28, 20 }; // измените на свой
char temp;
byte isdata=0;

Client client(server, 80); // 80-порт.
DallasTemperature tempSensor;

void setup()
{
Ethernet.begin(mac, ip); // Инициализируем Ethernet Shield
tempSensor.begin(7); // Датчик температуры на 7-й пин
Serial.begin(9600); // Скорость консольного порта 9600 (пригодится для отладки)
}

void loop()
{
delay(3000); // задержка в 3 сек.
// Соединяемся
if (client.connect()) {
Serial.println("connecting..." ); // Serial.println для отладки. Лучше его оставить, на всякий случай, потом будет легче понять, в чём проблема.
// Обработчик ошибок датчика
switch (tempSensor.isValid())
{
case 1:
Serial.println("Invalid CRC" ); // ошибка контрольной суммы
tempSensor.reset(); // сбросить девайс
return ;
case 2:
Serial.println("Invalid device" ); // какой-то "левый" датчик:)
tempSensor.reset(); // сбросить девайс
return ;
}

Serial.println("connected" );
char buf;
float f=tempSensor.getTemperature(); // получаем температуру

Serial.println(tempSensor.getTemperature());

// Ниже извращения с отделением дробной части и целой. Почему-то Arduino не хочет работать с float.
// Вместо числа вставляет вопросик. Наверное, виной тому отсутствие аппаратной поддержки работы с
// числами с плавающей запятой в Arduino. Буду рад увидеть более красивое решение в комментариях.
int temp1 = (f - (int )f) * 100; // выделяем дробную часть
// Составляем GET запрос. Переменная code нужна для того, чтобы вражеский термометр не слал какие попало значения.
// проверяется на стороне Web-сервера.
sprintf(buf, "GET /class/backend/meteo.php?temp=%0d.%d&code=123456 HTTP/1.0" , (int )f, abs(temp1));

Serial.println(buf);
client.println(buf); // Отправляем GET запрос
client.println("Host: opck.info" ); // Указываем, какой конкретно host на данном ip нас интересует.
client.println();

} else {
Serial.println("connection failed" );
}

while (client.available()) {
isdata=1;
char c = client.read(); // Читаем, что нам ответил Web-сервер
Serial.print(c);

if (!client.connected()) {
isdata=0;
Serial.println();
Serial.println("disconnecting." );
client.stop(); // Завершаем соединение
}
}

Сборка устройства:

1. первую «ногу» датчика цепляем на «минус» GND
2. вторую «ногу» (DQ) на 7-й пин
3. третью на «плюс»
4. вторую и третью нужно соединить резистором на ~ 4,7 К. Но я заменил резистор на светодиод и получил индикатор обращения к шине датчика (ВНИМАНИЕ! Без резистора или светодиода работать ничего не будет. Не забудьте!)

По идее, вот и всё. Должно работать.
Работает, но боевые условия показали, что когда падает солнечный свет на датчик, тот может нагреваться и показывать температуру гораздо выше реальной. Всё правильно - он покажет температуру на солнце. А нам нужна температура воздуха.

В первый раз для этого был собран корпус из-под банки от кофе, обёрнутый в фольгу. Но это ничем не помогло.

Изучение фотографий реальных метео-станций помогло найти решение. Корпус для датчика должен быть больше, и к тому же иметь активную вентиляцию для таких случаев.

Делаем корпус для датчика

Как вы помните, резистор я заменил светодиодом, поэтому делаем и для него отверстие, чтобы всегда было видно работу устройства.

Крышка от банки нам не нужна, вместо неё нужен навес, такой, чтобы и воздух пропускал, и чтобы атмосферные осадки не попадали внутрь (датчик-то будет расположен на улице).

Корпус для Arduino я сделал из пластмассовой коробки от mp3-плеера Explay C360.

Backend, принимающий данные:

Во время длительной работы датчика обнаружилась проблема, иногда он самопроизвольно (раз в 3-4 часа) выдаёт рандомное значение. Поэтому я добавил проверку на изменение температуры больше чем на 1 градус в течении 15 секунд. Такие значения игнорируются.

Недостатки:

Планы на будущее:

• датчик влажности
• датчик давления
• датчик скорости ветра
• датчик освещённости
• поставить несколько таких в городе и делать свои прогнозы погоды
• питать Arduino по Power over Ethernet
• автоматизировать включение и частоту вращения вентилятора в зависимости от освещения
• удалённое управление
• сброс данных на случай отсутствия связи (для меня это критично)

Известные мне недостатки:

В этом уроке мы будем использовать датчик температуры DS18B20 с Arduino UNO для создания термометра. Датчик DS18B20 является хорошим вариантом, когда в проекте с высокой точностью требуется хорошая реакция. Мы покажем как подключить DS18B20 к вашему и отобразить данные температуры на ЖК-дисплее 16x2.

Датчик DS18B20 взаимодействует с Arduino через 1-проводную шину. По определению для связи с Arduino требуется только одна линия данных (и земля).

Каждый DS18B20 имеет уникальный 64-битный последовательный код или адрес, который позволяет нескольким DS18B20s работать на той же однопроводной шине. Поэтому использование микропроцессора упрощает управление несколькими DS18B20, распределенными по большой площади. Приложения для этой функции включают в себя экологический контроль, системы контроля температуры в зданиях и механическом оборудовании.

Особенности DS18B20

• Необходим только один однопроводный интерфейс для связи между микроконтроллером и датчиком.
• Требуется только один внешний компонент: резистор 4,7 кОм.
• Может питаться от линии передачи данных напрямую, требуя напряжения от 3,0 до 5,5 В.
• Каждое устройство имеет уникальный 64-битный последовательный код, хранящийся на встроенном ПЗУ.
• Может измерять температуру в диапазоне от -55° C до + 125° C (от -67° F до + 257° F).
• Точность ± 0,5° C в диапазоне от -10° C до + 85° C.

В этом проекте используется DS18B20, который поставляется в форме температурного зонда, который является водонепроницаемым. Использование водонепроницаемого датчика расширяет возможности - датчик температуры сможет измерить температуру жидкостей, таких как вода, химикаты, чай и кофе.

Требования к комплектующим

Требования к оборудованию для вашего термометра достаточно стандартные, нам пригодятся:

• ЖК-дисплей 16х2
• Датчик температуры DS18B20
• Провода для перемычек
• Резистор 1K
• Макетная плата

Схема соединения

Сделайте соединения согласно приведенной ниже схеме.

Соединяем датчик и Ардуино

• VCC -> Arduino 5V, плюс резистор 4,7K, идущий от VCC к Data
• Data -> Пин 7 Arduino
• GND -> GND Arduino

Соединения для ЖК-дисплея и Arduino UNO

• Пин 1 -> GND
• Пин 2 -> VCC
• Пин 3 -> Arduino Пин 3
• Пин 4 -> Arduino Пин 33
• Пин 5 -> GND
• Пин 6 -> Arduino Пин 31
• Пин 7-10 -> GND
• Пин 11 -> Arduino Пин 22
• Пин 12 -> Arduino Пин 24
• Пин 13 -> Arduino Пин 26
• Пин 14 -> Arduino Пин 28
• Пин 15 -> VCC через резистор 220 Ом
• Пин 16 -> GND

Подключите потенциометр, как показано выше, к контакту 3 на ЖК-дисплее, для управления контрастностью.

Этот проект работает на температурах до 125° C. В случае наличия некоторого диссонанса в значении показанной температуры дважды проверьте соединения с резистором, подключенным к DS18B20. После соединения всего, что описано выше, мы можем перейти к программированию.

Исходный код для термометра

Перед загрузкой исходного кода вам нужно настроить две библиотеки, необходимые для запуска этого кода в среде Arduino.

• Первая библиотека называется - OneWire ().
• Вторая библиотека называется - DallasTemperature ().

После скачивания обеих библиотек переместите файлы в папку библиотек Arduino по умолчанию. Затем скопируйте код в и загрузите его после двойной проверки правильности подключения вашего датчика.