CC BY
16
Scientific Research of the Union of Scientists in Bulgaria - Plovdiv, series B. Natural Sciences and Humanities, Vol. XVII, ISSN 1311-9192, International Conference of Young Scientists, 11 - 13 June 2015, Plovdiv
МИКРОПРОЦЕСОРНО УСТРОЙСТВО ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА ТЕМПЕРАТУРА ПО ЕДНОПРОВОДНА ЛИНИЯ Недялко Катранджиев, Николай Карнобатев
УХТ-Пловдив, Компютърни системи и технологии
Abstract
The current publication presents the process of implementation of a microprocessor device for measuring the temperature in real time. The device can operate independently, showing the measured temperature on a display, but also it could be connected to a computer and can display plotted in real-time graphs of the measured temperature within a range between -55 °C and + 125 °C. For the implementation of the device the Arduino platform was used. It contained two ATmega 328 microcontrollers as main microcontrollers that performed the desired action and an ATmega 16U2 microcontroller to communicate with a PC. The results were compared with a factory USB thermometer with an accuracy of measurement ± 0.5 °C within a range between -10 and 85 °C.
Въведение
Температурата е величина, характеризираща степента на нагрятост на телата. Тя е важна характеристика за всеки производствен процес. Чрез нея могат да се контролират различни химически реакции. От температурата зависят голяма част от физичните свойства на веществата: агрегатно състояние, плътност, разтворимост, парно налягане, електрическа проводимост (в частност съпротивление на металите), скорост и разпространение на звука (ултразвука) и др. Тя е важна за съхранението на хранителни продукта. С промяната на температурата се променя и цвета на обектите. Следенето на температурата на различните компоненти в електронните устройства спомага за по-ефективно охлаждане, предотвратяване на аварии, злополуки и т.н. При хората температурата е жизненоважен показател. За да се измери точно температурата във всички изброени по-горе ситуации е необходимо използването на различни методи и сензори. С цел едно измерване да бъде коректно, е необходимо да е спазен следния принцип: въздействието на сензора/ термометъра върху измерваната система трябва да бъде пренебрежимо малко. Това налага използването на различни методи и сензори/уреди за измерване на температурата на различни системи. Топлинният капацитет е съотношението между топлината, която се пренася към повишаването на температурата на тялото (сензора):
С = — (1),
АТ
където АQ е въведената топлина, а DТ е промяната в температурата.
Материали и методи
В текущата публикация е използван цифров сензор DS18B20 за измерване на температура на течности, който изпраща измерената температура в цифров вид по
еднопроводна комуникационна линия и маса. Всеки сензор DS18B20 има 64 битов адрес (с уникален код), което означава, че могат да бъдат свързани множество от сензори. Освен за течности този сензор намира приложение при измерване на температура в помещения, камери, устройства, оборудване. Може да се използва за наблюдаване и контрол на различни производствени процеси, за отчитане на температурата в реално време и осъществяване на корекция на друга измервана температурно-зависима величина (да бъде част от мултисензорна система). Захранването на сензора е в диапазон от 3.3 до 5.5V. Той не може да работи самостоятелно. За неговото функциониране е необходимо свързването му към микроконтролер и създаването на алгоритъм и софтуер за измерване и визуализиране и/или записване на измерваната температура. Възможно е програмирането на различни условия за критични (максимални и минимални) температури и изпращане на автоматичен сигнал по изградена локална мрежа (кабелна или безжична), интернет или GSM мрежа, както и възможност за изработване на подходящо регулиращо въздействие, което да предотврати опасни ситуации.
Външният вид на сензора, корцусът и неговите изводи са показани на фигура 1.
__ннттам VI kw
ниш DS1020
IJSlSliiO 10-92 Package
НС мс | V„ I DQ
1 в
2 1
3 6
■1 Б
HD«
пл«
ID «с ZD™
юивзпг
901С(1» шЦ>
фиг. 1 - Изводи и корпус на сензора DS18B20 Описанието на изводите е показано в таблица 2.
Табл. 2 - Описание на изводи
Символ Описание
GND Захранване (-)
VDD Захранване (+)
DQ Данни (Вх./Изх.)
NC не се свързва
Свързване на сензора към микроконтролера и компютъра (хардуерна реализация)
На фигура 2 е показано свързването на сензора към микроконтролера. Комуникацията се осъществява чрез извод 4 (DQ - извод 2, Data на куплунг TS1 от фигура 2), на сензора DS18B20, който се свързват към цифровия извод DP3 на микроконтролера ATmega328.
7 20
AREP 21
-
U3
VCC
AVCC AREF
C8
= 100nF
GND GND
-PCO (ADC0/PCINT8)
PC1 (ADC1/PC1NT9) PC2 (ADC2/PQNT10) PC3 (ADC3/PQNT11) PC4 (ADC4/SDA/PQNT12) PC5 (ADC5/SCL/PQNT13) PC6 (PCINT14/RE.SE.T)
PDO (PCINT16/RXD) PD1 (PCINT17/TXD) PD2 (PCINT18/INT0) PC3 (PCINT19/OC2B/INT1) PD4 (PQNT20/XCKZT0) PD5 (PaNT21/0C0B/T1) PD6 (PCINT22/0C0A/AIN0) PD7 (PQNT23/ATN1)
PB0 (paNTo/aLKo/IaPl) PB1 (0C1A/PCINT1) PB2 (SS/0C1B/PQNT2) PB3 (M0SI/0C2A/PC1NT3) PB4 (MS0TCINT4) PB5 (SCKTON^) PB6 (PCINT6/XTAL1/T0SC1) PB7 (PCINT7/XTAL2/T0SC2)
GND
lAImega328P-PU R8
i1K_
R10
i1K_
23 AP0 ^54 AP1
ot25 AP2 ^t26 AP3 ^27 AP4 <зй8 AP5
<lci— -
2 DP0
3 DP1
<n4 DP2_
R6
+5V
S1
cè DP3 <¡6 DP4 DP5 <J2 DP6 DP7
14 DP8
DP9
<J7DP11 DP12 ^ПЧЭ
<1L
-RESET0-
GND
TS1
DP3 2
3
GND 1 R7
+5V U4.7k
Data VDD
DS18B20
C9
R9
мл. aXTALC10
Y1M y C10 2
GND
фиг. 2 - Схема на свързване на сензора за температура DS18B20 с микроконтролера Комуникацията с персоналния компютър е аналогична на тази, представена i публикацията със заглавие „Измерване на цвят с TCS34725" [1]. Програмиране на сензора (софтуерна реализация) На фигура 3 е показан алгоритъма, по който е програмиран сензора.
фиг. 3 - Алгоритъм за измерване и визуализиране на температурата с DS18B20
Резултати и дискусии
Измерената в реално време температура е сравнена с фабричен USB термометър с точност на измерване ±0.5 °С. За целта двата сензора, както и един контролен, бяха превързани заедно и поставени в порцеланов съд (фиг. 4), като в рамките на 60 секунди бе променена температурата на водата в съда от 32 °С до 85 °С.
Графиките на измерените температури и разликата между тях е показана на фиг. 5.
фиг. 4 - Сензори за температура
Измерване на температурата в реално време с двата сензора, oC
60 68 USB термометър -
✓ // отклонение
i
f* ' ^iAiiMyWv S
i /
f
фиг. 5 - Измерване на температура в реално време с двата сензора
90
80
70
g 60
50
40
30
20
10
Вижда се, че USB термометъра е по-чувствителен и реагира по-бързо на изменението на температурата, но за сметка на това има повече шум при измерването. Това се дължи на факта, че сензорът е с метален корпус и явно неговият софтуер не е добре написан. Създаденото от нас устройство използва сензор с изолиран корпус, държи се по-стабилно и би могло да се използва като по-точен инструмент за измерване на температура. От фигура 5 се вижда, че след 68-та секунда отклонението между двата сензора е в границата ±1.5 °С, като само отделни точки преминават границата ±1 °С, което се дължи на шума при измерването с USB термометъра. При изглаждане на получените стойностите от фабричният USB термометър отклонението влиза в границите ±0.5 °С.
Заключение
Създадено е микропроцесорно устройство за измерване на температура в реално време. Устройството може да се използва както самостоятелно, така и като част от мултисензорна система. Като бъдеща разработка авторите са си поставили за цел да осигурят възможност да се измерва температура в няколко различни точки.
Литература
1. Катранджиев Н., Карнобатев Н., Кансъзов А. Измерване на цвят с TCS34725, 70 години СУБ, Научни трудове на СУБ-Пловдив, Техника и технологии, 2015.
2. Datasheet DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire® Digital Thermometer 2012.
