China Sensor Hersteller

China Temperature Sensor & Thermistor manufacturer

Mikrocontroller und Digitales Thermometer DS18B20

Die Temperaturmessung geht von der thermischen Ausdehnung und Kontraktion von Metall (Substanz) aus. Zu den häufig verwendeten Erkennungsmethoden gehören der Widerstand typ, der Thermoelement typ, der PN-Übergang typ, der Strahlung typ, der Faseroptik typ und der Quarzresonanz typ. Diese Nachweismethoden basieren auf dem Prinzip, dass Temperaturänderungen zu Veränderungen physikalischer Parameter (wie Widerstandswert, thermoelektrisches Potenzial usw.) führen. Mit der Verbesserung der Technologie großintegrierter Schaltkreise ist eine Vielzahl integrierter digitaler Temperatursensoren entstanden.
Hier wird ein Entwurfsschema für ein kleines Temperaturmess system basierend auf dem MSP430-Mikrocontroller vorgeschlagen. Der Hauptcontroller verwendet den Mikrocontroller MSP430, und der digitale Temperatursensor DS18B20 ist über einen einzigen Bus (1-Draht) mit dem Mikrocontroller verbunden. Das System verfügt über eine einfache Struktur und eine starke Anti-Interferenz-Fähigkeit. Es eignet sich für die Temperaturmessung vor Ort in rauen Umgebungen und kann zur Messung der Lagertemperatur, zur Steuerung der Gebäudeklimatisierung und zur Überwachung von Produktionsprozessen eingesetzt werden.
Anwendung des Temperatursensors DS18B20
1. Gesamtdesign des digitalen Thermometers
Das System verwendet einen Einzelchip-Mikrocomputer als Hauptsteuerung des digitalen Thermometers, einen integrierten digitalen Temperatursensor als Temperaturinformationserfassungseinheit und ein LCD und seine Antriebskomponenten als Anzeigeeinheit. Das grundlegende Blockdiagramm des Systems ist in Abbildung 1 dargestellt.

Digitales Thermometer basierend auf Mikrocontroller und DS18B20

2. Hardware-Zusammensetzung
Der Hauptcontroller des Systems verwendet den Mikrocontroller MSP430F1121A von TI und der Temperatursensor verwendet den digitalen integrierten Temperatursensor DS18B20 von DALLAS. Verwenden Sie 2 LED-Digitalröhren mit gemeinsamer Kathode und 2 CD4511-Decoder, um die Temperaturanzeige zu realisieren. Der Gesamtentwurf schaltkreis des Systems ist in Abbildung 2 dargestellt.

Digitales Thermometer basierend auf Mikrocontroller und DS18B20

2.1 Hauptcontroller
MSP430F1121A verfügt über ein einzigartiges Ultra-Low-Power-Design mit 5 Low-Power-Modi, was die Entwicklung von Low-Power-Instrumenten sehr praktisch macht. Der Mikrocontroller MSP430F1121A ist vom Flash-Typ, kann wiederholt programmiert werden und verfügt über einen integrierten A/D-Wandler. Speziell für Smart Meter und batteriebetriebene tragbare Geräte entwickelt. Die Funktionen des MSP430F1121A sind wie folgt:
1) Hocheffizienter 16-Bit-RISC-Kern, optimierte 16-Bit-Befehlsstruktur, 27 Befehle, 125 ns Befehlszykluszeit, die meisten Befehle können innerhalb eines Taktzyklus abgeschlossen werden;
2) 1,8~3,6 V Niederspannungsnetzteil, mit mehreren Energiesparmodi, extrem niedrigem Stromverbrauch und einer Batterie, die 10 Jahre lang arbeiten kann;
3) Im Vergleich zu anderen Mikrocontrollern können Mikrocontroller mit Flash den Stromverbrauch um das Fünffache reduzieren, was nicht nur den Platz auf der Leiterplatte, sondern auch die Systemkosten reduziert;
4) Die schnelle Startzeit von 6 μs kann die Standby-Zeit verlängern und den Start beschleunigen, wodurch der Batteriestromverbrauch gesenkt wird;
5) Enthält einen schnellen 12-Bit-ADC/Slope-ADC, der mit nur einem externen Widerstand und einem Kondensator eine hochpräzise Slope-A/D-Wandlung erreichen kann;
6) Der Chip ist reich an Ressourcen, einschließlich ADC, PWM, mehreren TIMEs, seriellen Ports, Watchdogs, Komparatoren, analogen Signalen und leistungsstarken Interrupt-Funktionen;
7) Die Produkte der SP430-Serie bieten eine Vielzahl von Speicheroptionen, von 14-Bit-ADCs bis hin zu Mixed-Signal-Peripheriegeräten für LCD-Treiberschaltungen, was das Design von MSP430 in verschiedenen Anwendungen vereinfacht;
8) ESD-Schutz, starke Entstörungsfähigkeit.
2.2 Decodierung der Treiber- und Anzeigeeinheitsschaltung
Um den Betriebsstatus und die Arbeitsdaten des digitalen Systems visuell anzuzeigen, verwendet das Anzeigemodul des Systems die gemeinsame Kathoden-LED-Digitalröhre LG5011AH und CD4511 als Anzeigedekodierungsschaltung. Das eingegebene Binärsignal wird von CD4511 in Dezimalzahlen übersetzt und dann von der digitalen Röhre angezeigt, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Digitales Thermometer basierend auf Mikrocontroller und DS18B20

D, C, B und A in Abbildung 3 sind BCD-Code-Eingangsanschlüsse, die jeweils mit den entsprechenden E/A-Ports des Hauptcontrollers MSP430F1121A, einem digitalen Thermometer basierend auf dem Mikrocontroller und DS18B20, verbunden sind. BI ist der Austastfunktionsanschluss, LT ist der Lampentestanschluss und LE ist der Verriegelungsanschluss.
Der Single-Chip-Computer MSP430F1121A steuert und verarbeitet die von DS18B20 gemessenen Daten und überträgt sie in Form eines 8421BCD-Codes an CD4511. CD4511 wandelt den BCD-Code in Dezimalziffern um und sendet sie zur Anzeige an die digitale Röhre.

4. Hardwarekomponenten der Temperaturerfassung des Brandmeldesystems
Das Brandmeldesystem besteht aus AT89C51, Echtzeituhrschaltung DS1302, Tastatur- und Anzeigeschaltung, RS485-Kommunikationsschaltung, Watchdog-Schaltung bestehend aus MAX813L, serieller E2PROM-Speicherschaltung usw. Durch die Verwendung mehrerer Sensoren zur Messung der Temperatur in verschiedenen Räumen können Sie die oberen Alarmgrenzen für verschiedene Räume festlegen und die Anzeige und den Alarm der entsprechenden Temperaturen in mehreren Räumen realisieren.

Der Hardware-Aufbau des Brandmeldesystems ist in Abbildung 2 dargestellt.

DS18B20 Temperatur erfassung modul ds18b20 Temperatursensor angetrieben auf ESP32
DS18B20 Temperatur erfassung modul ds18b20 Temperatursensor angetrieben auf ESP32

Abbildung 2, Diagramm der Hardware-Zusammensetzung des Brandmeldesystems

5. Stromversorgung methode für digitale Temperatursensoren mit 1-Draht-Bus-Technologie
Für DS18B20 gibt es zwei Arten von Netzteilen. Externer Stromversorgung modus und parasitärer Stromversorgung modus. Die externe Stromversorgung methode ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Pin VDD in Abbildung 3 ist mit der externen Stromversorgung verbunden. Die parasitäre Stromversorgungsmethode erfordert keine externe Stromversorgung, wie in Abbildung 4 dargestellt. Beim Betrieb im parasitären Stromversorgung modus sind sowohl VDD als auch GND mit Masse verbunden. Sehr nützlich, wenn eine Fernüberwachung der Temperatur erforderlich ist und der Platz begrenzt ist. Wenn in Abbildung 3 der 1-Wire-Bus hoch ist, „stiehlt“ DS18B20 Strom vom 1-Wire-Bus über Pin DQ, und die gestohlene Ladung versorgt den Bus mit Strom. Wenn der Bus niedrig ist, versorgt die in der parasitären Versorgungskapazität gespeicherte Ladung den Sensor mit Strom. Wenn DS18B20 im parasitären Stromversorgung modus verwendet wird, muss VDD mit Masse verbunden werden. Im parasitären Stromversorgung modus kann der Betriebsstrom jedoch 1,5 mA erreichen, wenn der DS18B20 eine Temperatur umwandlung durchführt und den Inhalt des Arbeitsspeichers in das EEPROM kopiert. Dieser Strom kann zu einem erheblichen Spannungsabfall führen und die ordnungsgemäße Funktion des Sensors beeinträchtigen. Um sicherzustellen, dass der DS18B20 über ausreichend Versorgungsstrom verfügt, muss beim Durchführen der Temperatur umwandlung und beim Kopieren des Inhalts des Arbeitsspeichers in das EEPROM ein ausreichend starker Pullup am Bus bereitgestellt werden. Zum Hochziehen des Busses kann eine MOSFET-Röhre verwendet werden, wie in Abbildung 4 dargestellt. Wenn die erkannte Temperatur 100 °C überschreitet, wird im Allgemeinen empfohlen, keine parasitäre Stromversorgung, sondern eine externe Stromversorgung zu verwenden. Denn bei so hohen Temperaturen ist es dem DS18B20 aufgrund des hohen Leckstroms unmöglich, die Datenkommunikation aufrechtzuerhalten. Versuchen Sie daher, wenn die Bedingungen es zulassen, eine externe Stromversorgung zu verwenden.

Abbildung 3 Externe Stromversorgung methode des DS18B20

Abbildung 4 Parasitärer Stromversorgung modus von DS18B20

6. Flussdiagramm zur Temperaturerfassung und -verarbeitung
Das auf dem Mikrocontroller AT89C51 basierende Brandmeldesystem verwendet den intelligenten Temperatursensor DS18B20. Nach dem korrekten Lesen der 64-Bit-Seriennummer muss ein Temperatur lese programm gemäß strengen Zeitvorgaben geschrieben werden. Der Mikrocontroller muss dem Befehlsfluss von DS18B20 folgen, um die Temperatur umwandlung von DS18B20 zu steuern. Zuerst wird die Initialisierungssequenz ausgeführt, und dann gibt der Mikrocontroller einen Skip-ROM-Befehl aus (Code ist CCH). Dieser Befehl zielt auf alle Online-DS18B20 ab. Der Mikrocontroller gibt dann einen Startumwandlung befehl (Code 44H) aus, um DS18B20 zu starten und die Temperatur umwandlung abzuschließen. Für eine 12-Bit-Auflösung ist eine Verzögerung von 750 ms erforderlich. Dann wird die Initialisierungssequenz ausgeführt, und dann gibt der Mikrocontroller einen Match-ROM-Befehl (Code 55H) und eine 64-Bit-Seriennummer auf der Datenleitung aus und gibt dann einen 9-Byte-Lesebefehl (Code BEH) aus. Die entsprechende korrekte Temperatur können Sie nach Abschluss der Temperaturumrechnung der entsprechenden Seriennummer des intelligenten Temperatursensors DS18B20 ablesen. Das Flussdiagramm zur Temperaturerfassung und -verarbeitung basierend auf DS18B20 ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5 Flussdiagramm des Temperaturerfassungs- und -verarbeitung programms DS18B20 basierend auf der 1-Wire-Technologie

7. Fazit
Die herkömmliche Methode zur Temperaturmessung besteht darin, das analoge Signal zur A/D-Umwandlung an die Abtastschaltung zu übertragen. Um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, ist es notwendig, das Problem der Mehrpunkt-Messumschaltung und der Nullpunktdrift der Verstärkerschaltung zu lösen. Das Aufkommen digitaler Temperatursensoren mit 1-Wire-Bus-Technologie kann die oben genannten Probleme besser lösen. Die Innovation des Autors in diesem Artikel besteht darin, die 1-Wire-Bus-Technologie anzuwenden und ein Brandmeldesystem mit mehreren digitalen Temperatursensoren zu entwerfen. Der Stromversorgung modus und die Eigenschaften des Sensors werden analysiert und die ROM-Befehle und Funktionsbefehle des digitalen Temperatursensors werden erläutert. Basierend auf AT89C51 werden die Echtzeituhr-Anzeigeschaltung, die Tastatur-Anzeigeschaltung, die serielle Speicherschaltung, die RS485-Kommunikationsschaltung, die Watchdog-Schaltung usw. entworfen und das Hardware-Zusammensetzung diagramm des Brandmeldesystems erläutert. Entwarf ein Flussdiagramm für die Temperaturerfassung und schrieb ein Programm, um die korrekte Temperaturanzeige zu vervollständigen. Der 1-Wire-Technologie-Temperatursensor DS18B20 wandelt das Temperatursignal direkt in ein serielles Digitalsignal zur Mikrocontroller-Verarbeitung um. Mehrere Sensoren werden an eine einzige Busschnittstelle angeschlossen und die Temperatur vor Ort wird direkt in einem digitalen Busformat übertragen, um auf einfache Weise ein verteiltes Mehrpunkt-Temperaturmesssystem zu bilden. Der Einsatz digitaler Temperatursensoren in 1-Wire-Bus-Technologie reduziert effektiv die Kosten und sorgt für eine hohe Zuverlässigkeit der Anwendungssysteme mit langen Übertragungswegen. Es wird häufig in Brandmelde systemen mit verteilter Temperaturmessung eingesetzt.
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