Уличный термометр на ардуино с дисплеем. Термометр на Arduino с температурным датчиком LM35. Делаем корпус для датчика

Примерно это выглядит так:

Мы смогли измерить температуру до 100°C с помощью этого датчика! Он очень отзывчив.

После того, как вы создали проект, потестируйте устройство, погрузив датчик в горячую и холодную воду.

Сейчас вы узнаете, как превратить обычный стрелочный (аналоговый) вольтметр в цифровой термометр, с помощью платформы Arduino и ds18b20 датчика температуры. В принципе эта технология подходит не только для отображения температуры — любые другие (физические и электрические) величины с разных датчиков можно вывести цифровым методом на стрелочный прибор по данному методу.

Модуль DS18B20

Всем известный готовый модуль ds18b20 — это цифровой термометр, который обеспечивает 9-битное измерение температуры и имеет функцию энергонезависимой программируемой верхней и нижней точки срабатывания. Кроме того, ds18b20 обменивается данными по 1-Wire шине и требует только одну линию данных для связи с микропроцессором. Кроме того, ds18b20 может получать питание непосредственно от линии данных, что исключает необходимость внешнего источника питания.

На самом деле, каждый ds18b20 имеет уникальный 64-битный последовательный код, который позволяет даже нескольким DS18B20s функционировать на одной шине 1-Wire. Таким образом, с использованием всего одного микропроцессора можно контролировать много температурных датчиков, распределённых по большой площади.

Схема сборки термометра

Сама схема настолько проста, что нет смысла её рисовать — все соединения видны на фотографии. Вначале подключите ds18b20 к контакту (-) для Arduino заземления, контакт (+) для 5 В и сигнальный выход к цифровому выводу 2, Для того, чтобы управлять вольтметром, связываем положительный его провод с контактом 9 (один из ШИМ) и минус подсоединяем к GND. После этого, чтобы изменить на вольтметре шкалу на термометр, просто распечатайте фото, что в приложении к статье. Вольтметр тут на 5 В, но вы можете взять любой другой индикатор, в том числе обычный микроамперметр, добавив к нему последовательно нужный резистор (примерно 10-100 кОм).

Список нужных деталей

• Ардуино Уно
• Датчик ds18b20
• Стрелочный вольтметр
• Несколько проводов
• Источник питания (можно АКБ)

Принцип работы

Широтно-импульсная модуляция, или ШИМ, это техника получения аналогового результаты с использованием цифровых средств.

При прошивке микроконтроллера вы должны добавить “библиотеку DallasTemperature” в вашу среду разработки Arduino, так как это библиотека, которая поддерживает датчик температуры на микросхеме ds18b20.

Код состоит из трех основных частей:

1. Чтение температуры с датчика
2. Преобразование температуры в ШИМ
3. Отображение значения на шкале

Настройка термометра

В настройках мы будем считывать температуру с датчика. Затем, мы преобразуем это значение в функцию PWM (ШИМ) в диапазоне от 0 до 255. Это может быть сделано внутри функции программы. Далее подадим сигнал на вывод 9, который подключен к стрелочному вольтметру.

При настройках температурного диапазона имейте ввиду — чем меньше разрыв между крайними значениями, тем больше разрешение термометра. Скачать даташит на датчик и код прошивки можно .

Видео работы устройства

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.

При создании различных технических проектов частенько возникает необходимость в обустройстве температурных индикаторов. Данные компоненты позволяют лучше следить за работой устройств. В этом обзоре мы узнаем, как переделать аналоговый вольтметр в точный термометр. Для работы нам потребуется плата Arduino (специальная схема, оснащенная своей памятью, процессором, а также парой десятков функциональных контактов) и датчик температуры модели DS18B20.

Характеристика температурного модуля DS18B20

Нельзя не упомянуть о ещё одном преимуществе модулей DS18B20. Каждый датчик данного типа использует для работы уникальный последовательный 64-битный код. Это значит, что все подобные компоненты могут функционировать на одной шине типа 1 Wire, по которой, как отмечалось выше, передается вся информация. Таким образом, для управления несколькими модулями понадобится всего один микропроцессор, причем сами температурные датчики могут быть разбросаны по солидной площади.

Детали для работы над термометром с DS18B20 на основе Arduino

Чтобы собрать качественный аналоговый термометр, нужно подготовить:

• электросхему типа Arduino (желательно новую);
• температурный сенсор модели DS18B20;
• аналоговый вольтметр;
• 5 шнуров - два шнура понадобятся для создания цепи между платой Arduino и Вольтметром, 3 провода нужны для подключения к электросхеме температурного сенсора;
• внешний аккумулятор.

Создание электрической цепи для термометра с DS18B20 на основе Arduino

Здесь алгоритм работы довольно простой, так что соединить все компоненты в единую цепь сможет даже новичок. Для начала на модуле DS18B20 необходимо найти отрицательный контакт (если смотреть на сенсор сверху, данный контакт будет слева). Отрицательный штырек надо соединить с нижней точкой заземления на плате Arduino (она будет обозначаться аббревиатурой GND). Штырь с положительным зарядом (правый) надо подключить к контакту питания на 5 В (тоже располагается внизу платы). Далее делается сигнальный вывод на цифровой контакт 2 (находится вверху платы), чтобы стало возможным измерение температуры (в этом случае используется центральный штырек сенсора).

Чтобы при работе обеспечивалось управление вольтметром, нужно соединить его положительный контакт с цифровым выводом под номером 9. Отрицательный контакт вольтметра подключается к верхней точке заземления платы (она также обозначается сокращением GND). Чтобы поменять цифровую шкалу вольтметра, необходимо просто распечатать заранее подготовленную картинку с градусами Цельсия. Эта картинка либо приклеивается поверх старой шкалы, либо вставляется вместо неё.

Описание широтно-импульсной модуляции

Если коротко, широтно-импульсная модуляция является методом получения аналоговых результатов (таких, как температура) при помощи цифровых средств. Она хороша тем, что даже очень высокие либо очень низкие значения передаются по каналам связи одним импульсом. Весь процесс широтно-импульсной модуляции проходит так: датчик отправляет процессору сигнальный импульс, а сам процессор уже проводит его обработку, после чего выдает значение на термометр. Чтобы иметь возможность получать информацию таким образом, необходимо задействовать специальные контактные штыри на плате Arduino. Распознать эти контакты предельно просто - рядом с ними есть вот такой значок «~». Кстати, данный значок присутствует и возле контакта под номером 9, с которым мы соединяем положительный штырь вольтметра. 9-й вывод был задействован только в качестве примера; при желании можно использовать любой другой контакт, рядом с которым стоит значок «~».

Прописывание кода для работы термометра с DS18B20 на основе Arduino

Прежде всего, в программу разработки надо добавить библиотеку под названием DallasTemperature. Стоит отдавать предпочтение именно ей, ведь она содержит самые высокие температурные значения (а это важно при использовании модуля DS18B20).

При создании кода нужно будет прописать три основные команды:

1. Чтение температурных значений, поступающих от датчика.
2. Преобразование температуры методом широтно-импульсной модуляции.
3. Вывод значений на термометр.

Следует учитывать, что минимальный и максимальный порог температуры может быть самым разным (здесь все зависит от предпочтений пользователя). Однако необходимо помнить одну деталь: чем больше разрыв между нижним и верхним пределом, тем меньше будут цифры на шкале.

Вот как выглядит весь код, необходимый для настройки работы термометра.

Казалось бы, что может быть интересного и нового в измерении температуры при помощи Ардуино? Написаны сотни статей, объемом десятки мегабайт, может чуть меньше, а может и чуть больше скетчей… А вот еще и моя статья. Зачем? Честно говоря, я тоже думал, что вопрос этот «разжеван вдоль и поперек», пока сам не столкнулся с измерением температуры. А тут полезло. Что-то не работает, что-то работает не так, возникает масса вопросов, на которые ответы приходится «выцарапывать» перерывая половину интернета, причем не только русскоязычного. Данная статья, в отличие от моих прошлых статей на данном ресурсе гораздо более практичная, но начнем сначала. Зачем, собственно измерять температуру чем-то новым, когда термометров продается – на любой вкус и кошелек? А дело в том, что температуру, зачастую, приходится не только измерять, но потом, на основе полученных данных что-то делать, либо просто регистрировать с целью отслеживания изменений. Соединив, при помощи , термодатчик с релейным блоком получим простейший терморегулятор, а если данный терморегулятор сможет отслеживать температуру по нескольким точкам (зонам) и действовать по определенному алгоритму получим довольно серьезный прибор, промышленный аналог которого стоит сопоставимо со стоимостью неплохого ноутбука. Однако, целью данной статьи не является создание заумно-сложных устройств. Цель в другом - предложить новичку простое, проверенное на практике, решение для измерения температуры. Также, как и предыдущие статьи эта будет состоять из частей. В каждой из которых будет рассмотрен свой вопрос. Части будут идти по возрастанию сложности.

Часть первая. Простейшая, но тоже полезная

Итак, от слов к делу! Для реализации данного проекта на первом этапе нам понадобится цифровой термодатчик DS18B20, ARDUINO UNO, резистор на 4,7 кОм (мощность особого значения не имеет, от 0,125 до 2 Вт целиком подходит, но имеет значение точность, чем точнее – тем лучше), кусочек 3-жильного провода (и отдельные проводки на этапе эксперимента тоже подойдут), а еще - несколько штырьков для платы. Хотя и без них тоже можно, если аккуратно, конечно. Выбор данного датчика не случаен. Дело в том, что он может отслеживать температуру в диапазоне от -55оС до +125оС с точностью в основной части диапазона 0,5оС, что вполне хватает для управления, как бытовым отоплением, так и разнообразными морозильными и холодильными установками, а также банями, саунами, теплицами, инкубаторами, рассадниками и прочим. Напоминаю, что ARDUINO UNO можно свободно приобрести здесь: или здесь: , термодатчик DS18B20 - , хотя лично у меня – такой: достоинство моего - малые размеры, сопоставимые с размерами кабеля. Недостатки – отсутствие платы, что в некоторых условиях отрицательно сказывается на удобстве монтажа и жизнеспособности датчика. Также – у датчика встроен резистор и больше никаких резисторов паять не нужно, зато исчезает возможность подключить несколько датчиков «цепочкой». Подключение датчика к Ардуино видно на Рис. 1 и указано в Таблице 1. На термодатчике определить контакты просто. Нужно взять его так, чтобы смотреть на срез с цифрами, а ножки были внизу. Крайняя левая ножка будет GND, средняя DQ, а крайняя правая VDD.

Таблица 1.

Рисунок 1. Подключение одного термодатчика.

На рисунке видно, что было использовано два резистора. Это связано с тем, что найденный мной резистор с маркировкой «4К7», на самом деле имел довольно высокую погрешность, которую и пришлось компенсировать вторым резистором. Общее сопротивление данной сборки составило 4,695 кОм, что я считаю вполне приемлемым. Также на рисунке можно видеть, что датчик не подпаян непосредственно к проводам (обрезок шлейфа), а вставлен в разъем. Сделано это было из соображений развития эксперимента. Паять данные датчики настоятельно рекомендуется. Сам скетч также получился довольно компактным:


Всего 14 строчек кода с комментариями. Любому новичку будет по силам разобраться. В результате работы программа выдаст нечто подобное:

Часть вторая. Немного усложненная.

Усложним мы эту часть тем, что добавим еще один датчик. Предположим, что нам нужно измерять температуру на улице и в помещении. Для этого всего лишь допаиваем один датчик «в цепочку». Очень напоминает параллельное подключение. Знатоки электрики поймут, о чем я. Но отличие есть: в данном случае выводы от центрального провода должны быть как можно короче.

Скетч вырос всего на 3 строчки. Теперь в нем 17 строк:


Результаты работы этого скетча видно на Рисунке 4.

Часть третья. Заключительная.

А теперь подключим к Ардуино светодиод, который будет загораться при достижении определенной температуры. Такой себе «пороговый сигнализатор». Для этого нужен обычный светодиод и токоограничивающий резистор. Мне под руку попался на 100 Ом, его я и использовал, подключив к 7-у контакту Ардуино. Длинную ножку светодиода (анод) подпаиваем к резистору, а короткую (катод) подключаем к контакту GND Ардуино. Должно получиться, примерно, как на рисунке 5.

Скетч также вырос совсем не на много:


Работа данной программы на компьютере отображается точно также, как показано на Рисунке 4. Естественно переменной sensors.getTempCByIndex(1) можно оперировать в очень широких пределах и управление светодиодиком лишь самый простой пример из всех возможных.

И в заключение данной статьи еще один шаг. Сейчас я расскажу, как к одной Ардуинке подключить несколько «гирлянд» данных устройств. Дело в том, что длина «гирлянды» не может быть бесконечной, более того – она очень сильно ограничена. В идеальных условиях – 300 метров, но создание «идеальных» условий – довольно дорогостоящее удовольствие. В реальных условиях – не рекомендуется превышать 10 метров. Для обычного «комнатного» термометра этого более чем достаточно, но если речь идет о каком-либо более серьезном оборудовании – этого катастрофически мало. Тем более, что для стабильной работы необходимо, чтобы датчики располагались как можно ближе к проводникам шины – «гирляндой». Отводить, конечно, тоже можно, но точность и помехозащищенность в этом случае будут крайне низкими. Итак, подключаем мы несколько «гирлянд» именно для того, чтобы собрать информацию с большого числа точек, при этом сохранив достаточную точность и помехозащищенность. Добавляем контакты согласно таблице 2:

Как видно из таблицы – ничего сложного нет, точно такая же шина, только на другой цифровой вод. Не стал паять на 9-й контакт только из соображений удобства и скорости пайки.
Скетч:


Вряд ли скетч нуждается в излишних комментариях.

Результат работы скетча выглядит так:

А плата с подключенными двумя линиями выглядит так:

Из рисунка видно, что резистор 4,7кОм для повышения точности также выполнен составным.

Библиотеки, примененные для написания скетчей рассмотренных в статье находятся здесь:



Обзор подготовил Павел Сергеев