Projekt: Snímač teploty DS18B20

Zadanie

---

1. Zobrazte teplotu z dvoch snímačov teploty pripojených na zbernicu 1-Wire.

Literatúra:

• Vypracovali

Bc. Ján Baláž

Bc. Jozef Kupčiha

• Študijný odbor: Aplikovaná mechatronika
• Ročník: 2. Ing.

Vypracovanie

---

1-Wire Zbernica

---

Ako už z názvu vyplýva ide o jednovodičové sériove rozhranie s možnosťou polo duplexnej obojsmernej komunikácie. Zbernica sa skladá v podstate z dvoch vodičov a to dátového a zemiaceho. Dátový vodič slúži zároveň na napájanie zariadeni pripojených na tuto zbernicu.

Oblasti použitia napr:

• identifikačné systémy

• senzory (teploty, vlhkosti a podobne )

• digitálne potenciometre a iné

Vlastnosti:

• dĺžka vodiča až 100m

• na jednu linku je možné pripojiť do 150 zariadení s unikátnym sériovým číslom zabezpečenie pomocou 8-bitového CRC kódu

• obojsmerná poloduplexná prevádzka

• identifikácia zariadenia na základe 8-bajtového sériového čísla a 1- bajtovej informácie o type zariadenia

• realizácia prepojenia je pomocou krútenej dvoj linky – twisted pair

Zapojenie: Zariadenia sú trvalo pripojené na napájacie napätie „PullUp“ rezistor obr.1

Komunikacia

Komunikácia je inicializovaná mikropočítačom zmenou úrovne napätia na zbernici na 0 V. Komunikácia je založená na takzvaných „časových slotoch“, čiže od závislosti doby trvania poklesu úrovne napätia je slave zariadením identifikovaný typ operácie (zápis log.1 alebo log.0, čítanie log.1 alebo log.0, reset a identifikácia zariadenia).

Inicializácia

- Na začiatku uPC (master) ztiahne zbernicu k zemi (cez pull up rezistor) na minimálne 480us, potom ju uvoľní.

- Na uvoľnenie zbernice a vrátenie do kľudového stavu je potrebných 60us. Po tejto dobe je možné prečítať stav zbernice.

- Ak je na zbernici pripojené nejaké zariadenie, odpovedá ztiahnutím zbernice na dobu 60 až 240 us. Ak sa na zbernici nenacháda žiadne zariadenie, zbernica ostáva po celú dobu v kľudovom stave.

- Celková dĺžka trvania inicializačného procesu je minimálne 2x480us, teda až po dobe 960us môže prísť ďalší signál od mástra.

Vysielanie

Log 1

- stiahnutie zbernice po dobu mnimálne 1us.

- uvoľnenie zbernice.

- dĺžka slotu pre zápis je v rozsahu 60 až 120us.

Log 0

- stiahnutie zbernice po dobu mnimálne 60us.

- uvoľnenie zbernice.

- dĺžka slotu pre zápis je v rozsahu 60 až 120us.

Čítanie

- čítanie je inicializované mástrom. Ten najprv stiahne zbernicu po dobu minimálne 1us, následne ju uvoľní.

- následuje čítanie zbernice mástrom. To je inicializované po minimálne 15us od začiatku slotu (ten je určený počiatkom stiahnutia zbernice mastrom).

- ak slave chce vyslať log 1, ponechá zbernicu uvoľnenú až do konca slotu (master prečíta log 1 - uvoľnená zbernica).

- ak slave chce vyslať log 0, ztiahne zbernicu (master prečíta log 0 - ztiahnutá zbernica).

- celková dĺžka slotu čítania je 60 až 120us.

V našom prípade sme pracovali so snímačmi teploty s označením DS18B20. Preto sú na obrázkoch vyššie použité pre lepšie pochopenie komunikácie na zbernici informácie z datasheetu snímača DS18B20

Priebeh komunikacie na zbernici 1Wire

Každé zariadenie obsahuje výrobcom nastavenú 64-bitovú informáciu v internej ROM pamäti. Prvých horných 8 bitov slúži na zabezpečenie CRC kódom, potom nasleduje 48-bitové sériové číslo zariadenia a dolných 8 bitov tvorí kód identifikujúci typ zariadenia. Táto 64-bitová informácia je unikátna pre každé vyrobené zariadenie s možnosťou tak jednoznačnej identifikácie aj viacerých zariadení rovnakého typu pripojených na jednu linku.

Komunikácia má tri stupne:

• Inicializácia

Vykonáva sa pri resete PRESENCE pulsom od slave zariadenia

• ROM príkaz

V prípade, že je na jednej zbernici viac zariadení tak použíjme tieto príkazy 
pre prácu s jednotlivými zariadeniam.
 
Príkazy:

a) Search ROM [F0h] - Vyhladavanie adries zariadení pripojených na zbernicu

b) Read ROM [33h] – tento príkaz môže byť použitý iba pri jednom zariadení na zbernici – umožňuje prečítať 64 bitový ROM kód

c) Match ROM [55h] – tento príkaz spolu so 64 bit ROM kódom umožňuje vybrať to zariadenie s ktorým chceme pracovať.
   Odpovedá iba SLAVE, ktorého  ROM kód sa zhoduje s odoslaným ROM kódom

d) Skip ROM [CCh] – bez adresácie – komunikuje sa s zariadením bez adresácie – iba jedno zariadenie na zbernici

e) Alarm search [ECh] – podobný príkazu Search ROM s tým že odpovedá iba SLAVE s nastaveným alarm bitom 

• Funkčný príkaz

Tieto príkazy umožňujú čítať, zapisovať do pamäte, merať teplotu a zisťovať (stav) napájanie. 

Napr:

a) CONVERT [44h] – zmeria sa teplota a zapíše do pamäte.
 
b) READ SCRATCHPAD [BEh] - Čítanie pamäte (data o teplote). Čítajú sa postupne bajty od LSB. 

c) A iné

Senzor teploty DS18B20

Popis

• napájanie je 3,0V – 5,5V
• rozsah meranej teploty od –55°C do +125°C (-67°F do +257°F)
• presnosť 0,5°C v rozmedzí –10°C do +85°C
• rozlíšenie senzora je voliteľné v rozsahu 9 až 12 bit
• meranie teploty s rozlíšením 12 bit trvá 750ms

Všetky informácie su uvedené v DataSheete obvodu Ktorý si môžte stiahnuť tu

Vyhotovenie senzora

Senzor sa vyrába v troch púzdrach: TO-92, SO-8 a uSOP-8.

Pamäť senzora

Pamäť senzora – nazvaná SCRATCHPAD obsahuje 8 bajtov.

Bajt 0 a 1 obsahujú 16 bitové číslo s údajom o teplote. 
Ďalšie Bajty sú vysvetlené v obrázku nižšie

Bajt číslo 4

Nastavenia konfiguračných bitov v Bajte čislo 4

Obsah Bajtu 0 a 1

Vysvetlenie obsahu bajtu 0 a 1

Príklady získania teploty

Zapojenie a Program

Funkcia zariadenia

Zariadenie ma za úlohu odmerať teplotu na viacerých snímačoch (v tomto prípade dvoch). Následne tieto hodnoty zobraziť na displeji.
Snímače sú pripojené k zberici 1-wire. Identifikácia jednotlivých snímačov je základe ich jedinečného sériového čísla.
Snímače využívajú v zapojení tri vodiče. Dátový vodič, vodič pre napájanie

snímača a spoločný neutrálny vodič.

Schéma zapojenia snímača

Schéma celého zapojenia v simulaćnom programe ISIS Proteus

Program

Program je písaný v jazyku C, v AVR Studio 4, určenom pre prácu so zariadeniami firmy Atmel.
Použitý je 8-bitový mikrokontrolér s označením ATmega16.
Pre komunikáciu so snímačmi teploty je použitý pin 0 portu A.
Pre komunikáciu s LCD displejom sú využívané piny 0 až 5 portu C.

Využívané piny

Port A

pin 0: 1-wire komunikacia

Port C

pin 0: treti datovy bit
pin 1: druhy datovy bit
pin 2: prvy datovy bit
pin 3: nulty datovy bit
pin 4: enable pin
pin 5: RS pin

(poznámka: čísla pinov nekorešpondujú s číslami vývodov mikrokontroléra, tie sú uvedené v datasheete)

Štruktúra programu
Program je pre lepšiu prehľadnosť napísaný vo viacerých súboroch. Skladá sa z týchto časti:
- main.c ktorý obsahuje hlavný program
- lcd.c ktorý obsahuje funkcie pre obsluhu a komunkáciu s LCD displejom
- 1wire.c ktorý obsahuje funkcie potrebné pre správnu komunikáciu na zbernici

(z pohľadu mástra)
- hlavičkové subory k 1wire zbernici a LCD displeju (1wire.h a lcd.h)

V následujúcej časti nižšie sú popísané vybrané (najdôležitejšie) časti programu.

1wire.c

Inicializácia na zbernici

Principiálne znázornenie možného riešenia na vývojovom diagrame

(pzn. nekorešponduje úplne s kódom nižšie)

Funkcia pre 1-wire reset:

/*-----------------------------------------------------------------------------
 * Generovanie 1-wire reseru. Vráti 0 ak bol zaznamenaý presence impulz, ináč vráti 1
 */
uint8_t
OWTouchReset(void) {
    _delay_us(1);
    THERM_LOW();				// ztiahnutie zbernice
    THERM_OUTPUT_MODE();		        // nastavenie 1wire pinu ako výstup
    _delay_us(480);				// oneskorenie pre resetovaci impulz
    THERM_INPUT_MODE();			        // nastavenie 1wire pinu ako vstup - uvoľnenie zbernice
    _delay_us(70);

    return(THERM_PIN & _BV(THERM_DQ) ? 1 : 0);  //podmienene vyhodnotenie
}

Čítanie bajtu a bitu

Principiálne znázornenie možného riešenia na vývojovom diagrame

(pzn. nekorešponduje úplne s kódom nižšie)

Funkcia pre čítanie bajtu:

/*-----------------------------------------------------------------------------
 * Čítanie bajtu z 1-wire zbernice
 */
uint8_t
OWReadByte(void) {
    int i, result = 0;			        // result - prijatý bajt
    
    for (i = 0; i < 8; i++) { 	                //cyklus pre načítavanie po bitoch
	result >>= 1;				// rotácia doprava lebo načítava sa od LSB (poslený bit sa zapise na HSB)
	/*testovanie vráteného bitu z funkcie pre čítanie bitu na zbernici*/
	if (OWReadBit())			// volanie funkcie na čítanie bitu zo zbernice (či vráti log 1)
	    result |= 0x80;			// použitie masky (1000 0000) - zapis log 1
    }
    return(result);				// vráti prečítaný bajt 
}

Funkcia pre čítanie bitu:

/*-----------------------------------------------------------------------------
 * Čítanie jedného bitu na 1-wire zbernici a jeho vrátenie
 */
uint8_t
OWReadBit(void) {
    OWdelay();					
	// začiatok slotu čítania bitu
    THERM_LOW();				// ztiahnutie zbernice
    THERM_OUTPUT_MODE();		        // nastavenie 1wire pinu ako výstup
    _delay_us(6);			        // oneskorenie pre uvoľnenie zbernice 
    THERM_INPUT_MODE();			        // uvoľnenie zbernice - nastavenie 1wire pinu ako vstup
    _delay_us(9);				// oneskorenie pre čítanie zo zbernice
    return(THERM_PIN & _BV(THERM_DQ) ? 1 : 0);	// vráti stav na zbernici (log 0 alebo 1)
	/*ak zbernica ostala stiahnutá (drží slave) stav log 0, ináč log 1*/
}

Vysielanie bajtu a bitu

Principiálne znázornenie možného riešenia na vývojovom diagrame

(pzn. nekorešponduje úplne s kódom nižšie)

Funkcia pre zápis bajtu:

/*-----------------------------------------------------------------------------
 * Zápis bajtu na 1-wire zbernicu
 */

void
OWWriteByte(uint8_t data) {		// data - obsahuje vysielaný bajt
    uint8_t i;
    
    /* vyslanie bitu s najnižšou váhou (LSB)*/
    for (i = 0; i < 8; i++) {	        // cyklus pre rotáciu posielaného bitu na najnižsiu úroveň
	OWWriteBit(data & 0x01);	// maska pre určenie či sa posiela log 0 alebo 1
	data >>= 1;			// rotácia (vysielaného bajtu) o jeden bit doprava
    }
}

Funkcia pre zápis bitu:

/*-----------------------------------------------------------------------------
 * Zápis jedneho bitu na 1-wire zbernicu
 */

void
OWWriteBit(uint8_t bit) {
    OWdelay();
    if (bit) {				// testovanie, aký bit sa posiela (0 alebo 1)
	// ak sa posiela log 1
	THERM_LOW();			// ztiahnutie zbernice
	THERM_OUTPUT_MODE();	        // nastavenie 1wire pinu ako výstup
	_delay_us(6);			// oneskorenie pre log 1
	THERM_INPUT_MODE();		// uvoľnenie zbernice - nastavenie 1wire pinu ako vstup 
	_delay_us(64);
    } else {
	// ak sa posiela log 0
	THERM_LOW();			// ztiahnutie zbernice
	THERM_OUTPUT_MODE();	        // nastavenie 1wire pinu ako výstup
	_delay_us(60);			// oneskorenie pre log 0
	THERM_INPUT_MODE();		// uvoľnenie zbernice - nastavenie 1wire pinu ako vstup
	_delay_us(10);
    }
}

main.c

Hlavný program. Načítava adresy snímačov na zbernici, Meria telotu a vypisuje na displej.
Funkcie potrebné k obsluhe displeja sú v súbre lcd.c. Je možné ho stiahnuť nižšie spolu s ostatnými súbormi v jednom archíve.

#define F_CPU 8000000L
#include <util/delay.h>
#include <avr/io.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "lcd.h"
#include "1wire.h"
 
 uint8_t ROM1[2][8],pocet_cidel=0;
 int8_t	cidla;
 int16_t teplota1,teplota2;
 char text[16];
 char cele[16];
 char desatine[16];
 int p=0;

int main(void)
 {
	lcd_init(LCD_DISP_ON);  				// inicializácia dipleja
	_delay_ms(100);
	
	/* hľadanie snímačov na zbernici*/
	cidla = OWFirst(ROM1[0],1,0);				// hľadanie prvneho snimaca
	if(cidla)						// ak bol najdeny
		pocet_cidel++;					// počet snímačov + 1

	cidla = OWNext(ROM1[pocet_cidel],1,0);		        // hľanie ďalších snímačov
		if(cidla)					// ak bol najdeny
			pocet_cidel++;				// počet snímačov + 1

	do											
		{	
		cidla = OWNext(ROM1[pocet_cidel],1,0);	        // hľanie ďalších snímačov
		if(cidla)					// ak bol najdeny
			pocet_cidel++; 				// počet snímačov + 1
		}while(cidla);					// dokiaľ boli nájdené dalšie snímače

 	_delay_ms(10);
 

  while(1)
	{  	
	/* Vypis na disp Senzor 1 a senzor 2 */										
	lcd_clrscr();						// zmazanie displeja
    lcd_gotoxy(0,0);						// pozícia kurzora
	lcd_puts("Senzor:1");
	lcd_gotoxy(0,1);					// pozícia kurzora
	lcd_puts("Senzor:2");
	_delay_ms(2000);
	    

	 for (p = 0; p < 10; p++)				// Cyklus pre načítanie a zobrazenie (10krat) 
	 {
	      
  		teplota1=DS18B20_read_temp(ROM1[0]);	        // načítanie teploty1 zo senzora 0
		_delay_ms(100);
		teplota2=DS18B20_read_temp(ROM1[1]);	        // načítanie teploty2 zo senzora 1
		_delay_ms(100);	
		
		//----Vypis zo Senzora 1----
		itoa(teplota1/10,cele,10);	                // Prevedie Cele cisla na znaky
		itoa(teplota1%10,desatine,10);                  // Prevedie Desatine cisla na znaky
	    
		lcd_clrscr();
    		lcd_gotoxy(0,0);
		lcd_puts(cele);                                 // vypis na disp v tvare XX.X°C
		lcd_puts(".");
		lcd_puts(desatine);
		lcd_putc(0b10110010);                           // vypis na disp: °
		lcd_puts("C");
		
		
		//----Vypis zo Senzora 2----
		itoa(teplota2/10,cele,10);		        // Prevedie Cele cisla na znaky
		itoa(teplota2%10,desatine,10);	                // Prevedie Desatine cisla na znaky
		 
		lcd_gotoxy(0,1);                                // vypis na disp v tvare XX.X°C
		lcd_puts(cele);                                
		lcd_puts(".");                                  
		lcd_puts(desatine);
		lcd_putc(0b10110010);                           // vypis na disp: °
		lcd_puts("C"); 
		_delay_ms(500);
					
	
	  }
   }
 }

Súbory na stiahnutie

main.c
‎ lcd.c
1wire.c
lcd.h
1wire.h

Realizácia

Najprv sme overovali spravnosť zapojenia a funkčnosť programu cez simulačný software ISIS Proteus 7. V tomto simulačnom prostredí sme využili možnosti pozorovania zbernice pomocou osciloskopu čo nám veľmi uľahčilo hľadanie chyby pri pri nesprávnej (nefunkčnej) komunikácii. Výsledkom simulácie je zobrazenie teplôt z dvoch senzorov DS18B20, ako je vidieť na obrázku nižšie.

Po úspešnom doladení programu za pomoci simulácie sme zrealizovali aj skutočné zapojenie, kde používame:

• Procesor ATmega16
• Dva teplotné snímače DS18B20
• Displej 16x1 znakov