Das Thermometer mit erhöhter Genauigkeit mit dem DS18S20-Sensor. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Leistungsregler, Thermometer, Wärmestabilisatoren

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Es wird ein Temperaturmessgerät vorgeschlagen, das auf dem Mikrocontroller ATmega8515 und dem Temperatursensor DS18S20 basiert und sich durch einfache Schaltung und Design mit erhöhter Messgenauigkeit auszeichnet.

Heutzutage werden viele verschiedene Temperatursensoren hergestellt, sowohl analoge als auch digitale. Allerdings weisen viele analoge Sensoren eine deutlich nichtlineare Abhängigkeit des Ausgangsparameters von der Temperatur auf (Thermistoren); die Signale anderer (Thermoelemente) müssen vor der Verwendung deutlich verstärkt werden.

Sie alle erfordern häufig eine Kalibrierung des hergestellten Temperaturmessgeräts gegen ein Referenzthermometer, um systematische Fehler zu eliminieren. Digitale Sensoren sind in der Regel werkseitig kalibriert und verfügen über eine lineare Temperaturskala.

Für den Einsatz im Gerät wurde der gängige digitale Sensor DS18S20 ausgewählt. Laut [1] ist es in der Lage, Temperaturen im Bereich von -55 bis +125°C zu messen. Leider nutzen fast alle bekannten Thermometer mit diesem Sensor (z. B. in [2]) nicht die Möglichkeit, daraus Temperaturwerte mit einer Auflösung von weniger als 0,5 °C zu erhalten. Dies liegt offenbar an der Notwendigkeit, zusätzliche Informationen vom Sensor auszulesen und Berechnungen mithilfe einer Divisionsoperation durchzuführen, die für einen einfachen Mikrocontroller aufwändig ist. Diese Funktion ist im vorgeschlagenen Thermometer implementiert. Die Temperatur wird in Schritten von 0,1 °C gemessen, wodurch Sie Trends in ihren Änderungen genauer verfolgen können.

Dank der Verwendung eines 40-poligen ATmega8515-16PU-Mikrocontrollers ist die in Abb. 1 erwies sich als relativ einfach. Der DS18S20-Sensor (BK1) ist über eine 1-Wire-Schnittstelle mit dem Mikrocontroller verbunden. Zur Steuerung des Sensors wird im Mikrocontroller der Ausgang PE1 ausgewählt und der Eingang PE0 empfängt Informationen vom Sensor. Die Verwendung von zwei Pins anstelle von einem vereinfachte das Mikrocontroller-Programm erheblich.

Reis. 1. Diagramm des Temperaturmessers

Die Funktionsweise der 1-Wire-Schnittstelle basiert auf der Kodierung der über sie in bestimmten Zeitintervallen übertragenen logischen Nullen und Einsen. Die Dauer dieser Intervalle ist recht streng festgelegt, sodass der Mikrocontroller von einem Generator getaktet wird, der durch einen externen Quarzresonator ZQ1 stabilisiert wird und eine Maschinentaktdauer von 0,25 μs liefert.

Nachdem der Mikrocontroller dem Sensor den Befehl gegeben hat, den Temperaturmesszyklus zu starten, wartet er auf dessen Abschluss. Es liest dann aus den internen Registern des Sensors nicht nur den üblicherweise verwendeten Temperaturmesswert T_geändert mit dem niedrigstwertigen Bitwert 0,5 ^оC, aber auch zwei Korrekturfaktoren dazu. Faktor K₁ (COUNT_PER_C) – die Anzahl der im Sensor erzeugten Impulse pro Temperaturgrad. Der Koeffizient K2 (COUNT_REMAIN) ist der Rest im internen Zähler, nachdem der gesamte Teil des gemessenen Temperaturwerts gezählt wurde. Der Mikrocontroller berechnet den eingestellten Temperaturwert T nach einer Formel, die der in den Referenzdaten des DS18S20-Sensors angegebenen ähnelt:

T = int(T_geändert) - 0,25 + (K₁ - K₂)/K₁

Der Temperaturwert wird über die Anschlüsse A, B und C des Mikrocontrollers ausgegeben, dessen Ausgänge über strombegrenzende Widerstände R2-R9, R12-R25 mit den Kathoden der siebenelementigen LED-Anzeigen HG1-HG3 mit einer gemeinsamen Verbindung verbunden sind Anode. Die Temperatur wird von -55 bis +99,9 °C angezeigt. Negative Temperaturwerte, die im Bereich von -55...-10°C liegen, werden als Ganzzahlen mit Minuszeichen angezeigt (Abb. 2,a). Im Bereich -9,9...-0,1 °C wird die Temperatur mit Zehntelgrad und einem Minuszeichen angezeigt (Abb. 2,6). Positive Werte im Bereich 0...+99,9°C werden ohne Vorzeichen mit Zehntelgrad angezeigt (Abb. 2,c).

Reis. 2. Temperaturanzeige

Das Thermometer ist auf einer technologischen Glasfaserplatte mit metallisierten Löchern montiert, die in einem Raster mit einem Abstand von 2,5 mm angeordnet sind (Abb. 3). Auf der Platine ist ein Panel für den Mikrocontroller verbaut. Die Kondensatoren C1-C3 sind aus Keramik. Die Installation erfolgte auf der Rückseite der Platine mit MGTF-Draht. Der Temperatursensor VK1 kann entfernt werden, indem er mit drei verdrillten Drähten von maximal 5 m Länge an die Platine angeschlossen wird.

Reis. 3. Das Thermometer wird auf einer Glasfaserplatte mit metallisierten Löchern montiert

Der vom Thermometer verbrauchte Strom variiert je nach dem auf den Anzeigen angezeigten Temperaturwert zwischen 50 und 110 mA. Bei Verwendung des im Diagramm angegebenen Mikrocontrollers kann das Thermometer von jeder Konstantspannungsquelle von 4,5 bis 5,5 V gespeist werden. Bei Batteriebetrieb empfiehlt es sich, den Mikrocontroller durch zu ersetzen

ATmega8515L-8PU, der mit einer Versorgungsspannung von 2,7...5,5 V arbeitet, was praktisch mit der zulässigen Versorgungsspannung des DS18S20-Sensors (3...5,5 V) übereinstimmt.

Das Mikrocontroller-Programm kann von ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/05/mega8515.zip heruntergeladen werden.

Literatur

1. Hochpräzises 1-Draht-Digitalthermometer – URL: robotstorehk. com/sensors/doc/DS18S20.pdf.
2. Samokhin I. Digitales Thermometer mit Thermostatkontrollfunktion. – Radio, 2007, Nr. 7, S. 35, 36.

Autoren: E. Lukyanenko, N. Nikitina, A. Starykh

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