Zobrazenie zdroja stránky Projekt: Snímač teploty DS18B20

'''Zadanie''' 
----

# 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

[[Súbor:1Wire.gif]]



'''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

[[Súbor:Blokova.jpg]]


==='''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.

[[Súbor:Reset_Pulse.png]]
:

===='''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.
[[Súbor:Zapis_Citanie_1wire.png]]

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

[[Súbor:ramec1Wire.png ]]

== ''' 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 
[[Médiá:DS18B20DataSheet.pdf | '''stiahnuť tu''' ]]

'''Vyhotovenie senzora '''

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

[[Súbor:PuzdraDS18B20.png | Puzdra senzora DS18B20]]

=== '''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

[[Súbor:Pamet.jpg]]

Bajt číslo 4

[[Súbor:Bajt_c_4.png]]

Nastavenia konfiguračných bitov v Bajte čislo 4

[[Súbor:Confg_Bajt_c4.jpg]]


Obsah Bajtu 0 a 1

[[Súbor:ObsahBajtu0a1.png]]

Vysvetlenie obsahu bajtu 0 a 1

[[Súbor:Vysvetlenie.png]]

Príklady získania teploty

[[Súbor:PríkladTeploty.png]]

== '''Zapojenie a Program''' ==

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

snímača a spoločný neutrálny vodič. <br />
<br />

'''Schéma zapojenia snímača'''
<br />
[[Súbor:DS18B20_externe_napajanie.png]]
<br />

'''Schéma celého zapojenia v  simulaćnom programe ISIS Proteus''' <br />
[[Súbor:ZapojenieProteus.png]]

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

'''Využívané piny''' <br />

Port A <br />

pin 0: 1-wire komunikacia <br />
<br />

Port C <br />

pin 0: treti datovy bit <br />
pin 1: druhy datovy bit <br />
pin 2: prvy datovy bit <br />
pin 3: nulty datovy bit <br />
pin 4: enable pin <br />
pin 5: RS pin <br />
<br />
(poznámka: čísla pinov nekorešpondujú s číslami vývodov mikrokontroléra, tie sú uvedené v datasheete)

<br />

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

(z pohľadu mástra) <br />
- hlavičkové subory k 1wire zbernici a LCD displeju [[Médiá:1wire.h|'''(1wire.h''']] [[Médiá:Lcd2.h | '''a lcd.h)''' ]]<br />


V následujúcej časti nižšie sú popísané vybrané (najdôležitejšie) časti programu. <br />

===='''1wire.c'''====

<br />
'''Inicializácia na zbernici''' 

Principiálne znázornenie možného riešenia na vývojovom diagrame <br />

[[Súbor:reset_1_wire.png]]
<br />
(pzn. nekorešponduje úplne s kódom nižšie) <br />

Funkcia pre 1-wire reset:<br />
<source lang="c">
/*-----------------------------------------------------------------------------
 * 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
}
</source>


'''Čítanie bajtu a bitu''' 

Principiálne znázornenie možného riešenia na vývojovom diagrame <br />

[[Súbor:Citaniebajtu_z_1_wire.png]]

<br />
(pzn. nekorešponduje úplne s kódom nižšie) <br />

Funkcia pre čítanie bajtu:<br />
<source lang="c">
/*-----------------------------------------------------------------------------
 * 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 
}
</source>

Funkcia pre čítanie bitu:<br />
<source lang="c">
/*-----------------------------------------------------------------------------
 * 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*/
}
</source>

'''Vysielanie bajtu a bitu''' 

Principiálne znázornenie možného riešenia na vývojovom diagrame <br />

[[Súbor:vysielanie_na_1_wire.png]]
<br />
(pzn. nekorešponduje úplne s kódom nižšie) <br />

Funkcia pre zápis bajtu: <br />
<source lang="c">
/*-----------------------------------------------------------------------------
 * 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
    }
}
</source>

Funkcia pre zápis bitu: <br />
<source lang="c">
/*-----------------------------------------------------------------------------
 * 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);
    }
}
</source>

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

<source lang="c">
#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);
					
	
	  }
   }
 }
</source>
<br />

'''Súbory na stiahnutie''' <br />

[[Médiá: Main.c | main.c]] <br />
[[Médiá: Lcd2.c |‎ lcd.c]] <br />
[[Médiá: 1wire.c | 1wire.c]] <br />
[[Médiá: Lcd2.h | lcd.h]] <br />
[[Médiá: 1wire.h | 1wire.h]] <br />

=== '''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.  

[[Súbor:VysledokSimulacie.png]]


Po úspešnom doladení programu za pomoci simulácie sme zrealizovali aj skutočné zapojenie, kde používame:
*Procesor ATmega16
*Dva teplotné snímače DS18B20
*Displej 16x1 znakov  

[[Súbor:Realanezapojenei1Wire.png]]






[[Category:AVR]] [[Category:DVPS]]