Термометр на Arduino с температурным датчиком LM35. Создаем беспроводной термометр на Arduino

08.05.2019

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

Опрашивать датчик температуры по шине 1-Wire и каждые 3 секунды самостоятельно отправлять результаты на Web-сервер, на котором они будут храниться.

Алгоритм работы устройства:

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

Исходный код скетча:

Комментарии по ходу кода должны внести ясность.

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:

первую «ногу» датчика цепляем на «минус» GND
вторую «ногу» (DQ) на 7-й пин
третью на «плюс»
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

Подходящей по размеру оказалась банка от водоэмульсионной краски (такие же бывают из-под клея ПВА, объёмом 2-3 литра). В нижней части банки делаем отверстие под вентилятор. И прикрепляем его к банке. В центре банки размещаем площадку под датчики, диаметром немного меньшим самой банки, чтобы воздух мог циркулировать.
Несколько фото:

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:

На стороне сервера работает скрипт, к которому обращается термометр. Скрипт проверяет правильность секретного кода, чтобы показания нельзя было подменить.
А затем добавляет новую запись в таблицу MySql. Потом эти данные можно выводить как угодно. При этом каждую минуту данные за прошедшую минуту усредняются и добавляются в другую таблицу.
Нужно это для того, чтобы:
1. проще было делать выборки в базе (не правда ли, удобнее указать конкретную минуту и получить результат)
2. выборки были быстрее (за год ~500 000 записей вместо 10 000 000)

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:

Точность датчика 0.5* С, что для меня недостаточно. Но есть способ улучшить его характеристики. Понадобится ещё один, или более датчиков (желательно из разных партий). Получаем данные со всех датчиков и считаем среднее арифметическое. Так можно добиться точности до сотых градуса.

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:

- высокая цена - 2180 руб. (Freeduino 2009 (800 р.) + Ethernet Shield v2 (1300 р.) + 1 датчик (80 р.))
- если вентилятор включить слишком быстро, то он сам вносит погрешность в температуру, обдувая датчик. Он не должен сдувать, а лишь проталкивать воздух.

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.

ds18b20 цоколёвка

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

Подключение элементов к плате

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).

Стрелочный термометр и вольтметр

Список нужных деталей

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

Детали для термометра

Принцип работы

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

Широтно-импульсная модуляция управления стрелочником

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:

Чтение температуры с датчика
Преобразование температуры в ШИМ
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

Сегодня мы рассмотрим проект на Arduino для студентов-инженеров. В этой статье расскажем вам, как сделать термометр на Arduino. Преимуществом строительства термометра на Arduino является простота конструкции. Мы уже и ее особенностями. Программирование Arduino намного проще, чем вы думаете.

Данный проект — цифровой термометр (цифровой датчик температуры Arduino), построенный на основе прецизионного интегрального датчика LM35.

Цифровые термометры широко используются во многих электронных устройствах, таких как кондиционеры, для информирования о температурном уровне и управления процессами системы охлаждения.

В данной схеме задействован датчик температуры LM35 для определения уровня температуры, который может измерять от -55 до 150°С. Измеренная температура отображается на ЖК-дисплее 16х2 с помощью Arduino.

Необходимые компоненты для проекта «Термометр на Arduino»

Цифровой термометр на Arduino использует легко доступные компоненты, которые каждый может приобрести в любом магазине электроники.

Arduino
Датчик температуры LM35
ЖК-дисплей 16х2
Потенциометр 1кОм

Работа термометра

Выходное напряжение датчика LM35 линейно пропорционально температуре (по Цельсию).

Выход LM35 имеет масштабный коэффициент 10 мВ/°C , что означает, что при каждом повышении температуры на 1°C произойдет соответствующее увеличение выходного напряжения на 10мВ, следовательно мы можем легко прочитать значение измеряемой температуры.

Arduino имеет аналоговый вывод (A0), способный считывать аналоговые сигналы от любого датчика. Как показано на принципиальной схеме, аналоговый вывод A0 Arduino подключается к выходу LM35.

Распиновка датчика температуры LM35

Arduino имеет 10-битный встроенный АЦП, поэтому он может считывать значение от 0 до 1023 , то есть для нулевого напряжения он считывает 0000, а для VCC (5 В) он считывает 1023.

Таким образом, мы масштабируем значения 0 — 1023 в новый диапазон 0 — 500, потому что LM35 выдает значения с шагом 10мВ на каждый градус, так что максимально возможный прирост составляет 500 (5В/0,01В).

Используя это сопоставление, мы можем принимать каждое приращение в значении АЦП как шаг повышения по шкале. Если значение АЦП равно 27, то значение измеряемо температуры составляет 27°C.

Скетч термометра

#include long A; int B; LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); void setup() { lcd.begin(16,2); lcd.print(«THERMO METER»); pinMode(A0,INPUT); } void loop() { A=analogRead(A0); B=map(A,0,1023,0,500); lcd.setCursor(0,0); lcd.print(«TEMPERARTURE: «); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(B); lcd.print(«‘C «); }

Теперь перейдем к логике программы. Сначала нам необходимо объявить переменную long «A», чтобы сохранить значение, считанное с LM35, которое имеет диапазон от 0 до 1023. Затем объявляем другую целочисленную переменную «B» для хранения отображаемого (преобразованного) значения.

Значение температуры считывается из вывода A0 и хранится в переменной «A». Затем переменная «A» преобразуется в диапазон от 0 до 500 и сохраняется в переменной «B». Значение «B» выводиться непосредственно на ЖК-экране 16х2.

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.

//Code begins #include #include #include #define ONE_WIRE_BUS 7 OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS); DallasTemperature sensors(&oneWire); float tempC = 0; float tempF = 0; LiquidCrystal lcd(12,11,5,4,3,2); void setup() { sensors.begin(); lcd.begin(16,2); lcd.clear(); pinMode(3, OUTPUT); analogWrite(3, 0); Serial.begin(9600); } void loop() { sensors.requestTemperatures(); tempC = sensors.getTempCByIndex(0); tempF = sensors.toFahrenheit(tempC); delay(1000); Serial.println(tempC); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("C: "); lcd.print(tempC); lcd.print(" degrees"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("F: "); lcd.print(tempF); lcd.print(" degrees"); }

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.