Arduino – Sensore di temperatura digitale DS18B20 utilizzo in modalità singola

Nelle attività di laboratorio di Sistemi e TPSEE usiamo molto spesso il sensore di temperatura TMP36, ma un’alternativa interessante al TPM36 è il sensore temperatura digitale DS18B20 utilizzato in modalità diversa dal TPM36.
Questo tipo di sensore è adatto per misure di temperatura ambiente, ma anche del terreno o per rilevare temperature nei liquidi.
Il sensore di solito è disponibile in due form factor, uno che viene fornito nel package TO-92, forma ampiamente utilizzato per i  transistor, mentre un’altro, quello utilizzato da me è inserito all’interno di una sonda impermeabile a forma di siluro, utilissimo quando si ha la necessità di misurare temperature sottoterra, sott’acqua, o lontane dal microcontrollore.

Particolarmente utile inoltre in queste settimane in cui i miei studenti di 4′ automazione stanno realizzando come progetto di PCTO una serra idroponica in cui è essenziale misurare la temperatura dell’acqua del sistema.

Il DS18B20 è abbastanza preciso può misurare temperature da -55 ° C a + 125 ° C con una precisione di ± 0,5 ° C.

Il sensore si basa sul protocollo OneWire introdotto da Dallas Semiconductor ora Maxim e richiede due librerie. La prima è la libreria e la DallasTemperature di Miles Burton, la seconda è la libreria OneWire.
La prima libreria da installare è la DallasTemperature di Miles Burton. Sono disponibili diverse librerie con il nome OneWire, quella che vi consiglio di utilizzare è la Wire Library di Jim Studt, Tom Pollard e altri.

Noterete comunque che durante l’installazione della libreria DallasTemperature vi verrà chiesto in automatico se volete installare anche la OneWire, procedete installando in automatico entrambe le librerie. Leggete attentamente le fasi descritte di seguito in cui riporto tutte le schermate delle fasi di installazione.

Il collegamento è estremamente semplice, come indicato nell’immagine che segue collegate il cavo rosso a 5V o a 3,3V su schede a 3,3V, il cavo nero va connesso al GND e il cavo del segnale “Out”, in genere di colore giallo, bianco o di altro colore, collegatelo ad un pin digitale, nell’esempio viene connesso al pin 2 con una resistenza da 4,7 K Ohm tra il segnale e il pin di alimentazione (5 V o 3,3 V).

Pinout

GND: collegamento al ground
Out: Bus Dati 1-Wire, deve essere collegato a un pin digitale sul microcontrollore.
Vdd: da collegare alla tensione di alimentazione (3,3 – 5 V)

Per tutti i dati tecnici del sensore vi rimando al datasheet.

Schema di collegamento

Circuito – sensore con package TO-92

Circuito – sonda impermeabile

Installazione delle librerie

Il protocollo Dallas OneWire è piuttosto complesso e per nascondere questa complessità installeremo  la libreria DallasTemperature.h in modo da poter impartire semplici comandi per ottenere letture di temperatura dal sensore.

Per installare la libreria, Sketch > Include Library > Manage Libraries

Inserite nel campo di ricerca: ds18b20. Dovrebbero esserci un paio di voci. Tra le varie possibilità selezionate, quella indicata nell’immagine

Il sensore per poter comunicare ha necessità anche della libreria OneWire, libreria che non è specifica per questo sensore, ma viene utilizzata con tutti i dispositivi che utilizzano il protocollo One Wire.

Nel momento in cui installate la prima libreria della Dallas Semiconductor viene chiesto con una finestra aggiuntiva se volete installare anche la libreria OneWire fate click su Install all.

Nel caso in cui avete dimenticato di installare la libreria OneWire potrete cercare sempre attraverso il Manage Libraries inserendo nel campo di ricerca

Esempio 01

Stampa della temperatura rilevata in gradi Celsius.
Il funzionamento del codice è dettagliato nei commenti.

/* 
 *  Prof. Maffucci Michele
 *  data: 24.02.2021
 *  Utilizzo del sensore di temperatura
 *  resistente all'acqua DS18B20
 *  
 *  Sketch 01: stampa delle temperature rilevate
 *  in gradi Celsius 
*/

// librerie per il funzionamento del sensore
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define ONE_WIRE_BUS 2 // Pin Arduino a cui colleghiamo il pin DQ del sensore
const int pinLed = LED_BUILTIN; // Utilizzo del LED su scheda 

const int soglia = 25; // Accende il LED su scheda se si superano i 25°C

OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS); // Imposta la connessione OneWire

DallasTemperature sensore(&oneWire); // Dichiarazione dell'oggetto sensore

void setup(void)
{
  Serial.begin(9600);       // Inizializzazione della serial monitor
  sensore.begin();          // Inizializzazione del sensore
  pinMode(pinLed, OUTPUT);  // pinLed definito come OUTPUT

  // Stampa del messaggio di avvio
  Serial.println("Temperatura rilevata dal sensore DS18B20");
  Serial.println("----------------------------------------");
  delay(1000);
}

void loop()
{
  sensore.requestTemperatures(); // richiesta lettura temperatura
  
  // Restituzione della temperatura letta
  // in gradi Celsius

  // temperatura in Celsius
  float celsius = sensore.getTempCByIndex(0);
  
  // Visualizzazione delle letture 
  // della temperatura sulla Serial monitor
  
  Serial.print("C:");
  Serial.println(celsius);

  // se la temperatura è oltre la soglia
  // viene accesso il LED su scheda
  // altrimenti rimane spento
  
  if (celsius > soglia) {
    digitalWrite(pinLed, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(pinLed, LOW);
  }
  // stampe delle temperature ogni secondo
  delay(1000);
}

All’interno del loop, lo sketch richiede una lettura della temperatura, quindi legge la temperatura in Celsius. Notare che non è necessario eseguire alcuna conversione aritmetica su
i risultati ottenuti dal sensore, tutto viene gestito dalla libreria. Tenete in conto che non è necessario apportare modifiche al codice, ma assicurati di cablare correttamente l’alimentazione del sensore, 3,3 V su schede che funzionano a questa tensione di riferimento o a 5V per schede che funzionano a 5V.

Esempio 02

Stampa della temperatura rilevata in gradi Celsius e Fahrenheit
Il funzionamento del codice è dettagliato nei commenti.

/* 
 *  Prof. Maffucci Michele
 *  data: 24.02.2021
 *  Utilizzo del sensore di temperatura
 *  resistente all'acqua DS18B20
 *  
 *  Sketch 02: stampa delle temperature rilevate
 *  in gradi Celsius e gradi Fahrenheit 
*/

// librerie per il funzionamento del sensore
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define ONE_WIRE_BUS 2 // Pin Arduino a cui colleghiamo il pin DQ del sensore
const int pinLed = LED_BUILTIN; // Utilizzo del LED su scheda 

const int soglia = 25; // Accende il LED su scheda se si superano i 25°C
// La soglia di 25°C corrisponde a 77 °F
// Formula di conversione (Tc°C × 9/5) + 32 = Tf°F
// dove:
// Tc: temperatura in gradi Celsius
// Tf: temperatura in gradi Fahrenheit

OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS); // Imposta la connessione OneWire

DallasTemperature sensore(&oneWire); // Dichiarazione dell'oggetto sensore

void setup(void)
{
  Serial.begin(9600);       // Inizializzazione della serial monitor
  sensore.begin();          // Inizializzazione del sensore
  pinMode(pinLed, OUTPUT);  // pinLed definito come OUTPUT

  // Stampa del messaggio di avvio
  Serial.println("Temperatura rilevata dal sensore DS18B20");
  Serial.println("----------------------------------------");
  delay(1000);
}

void loop()
{
  sensore.requestTemperatures(); // richiesta lettura temperatura
  
  // Restituzione della temperatura letta
  // in gradi Celsius e gradi Fahrenheit

  // temperatura in Celsius
  float celsius = sensore.getTempCByIndex(0);

  // temperatura in Fahrenheit
  float fahrenheit = sensore.getTempFByIndex(0);
  
  // Visualizzazione delle letture 
  // della temperatura sulla Serial monitor
  
  Serial.print("C:");
  Serial.print(celsius);
  Serial.print(",");
  Serial.print(" F:");
  Serial.println(fahrenheit);

  // se la temperatura è oltre la soglia
  // viene accesso il LED su scheda
  // altrimenti rimane spento
  
  if (celsius > soglia) {
    digitalWrite(pinLed, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(pinLed, LOW);
  }
  // stampe delle temperature ogni secondo
  delay(1000);
}

Il codice è molto simile al precedente, all’interno del loop, lo sketch richiede una lettura della temperatura, quindi legge la temperatura in Celsius, poi Fahrenheit.

Sono disponibili alcune utili funzioni che possono essere usate con l’oggetto DallasTemperature di seguito il dettaglio di alcune di esse:

La funzione setResolution() function imposta la risoluzione del convertitore Analogico-Digitale del DS18B20 a 9, 10, 11, or 12-bit, che corrispondono ad incrementi di  0.5°C, 0.25°C, 0.125°C e  0.0625°C.

La funzione setHighAlarmTemp() e setLowAlarmTemp () imposta gli allarmi interni di alta e bassa temperatura in gradi Celsius. L’intervallo valido è compreso tra -55 e 125 ° C

La funzione bool hasAlarm () restituisce true se il sensore rileva una condizione di superamento dei limiti minimo o massimo di temperatura.

Esercizio 1

  • Rilevare ogni 2 secondi 10 misurazioni, memorizzare questi valori in un Array
  • Visualizzare la temperatura minima, media e massima ogni 10 secondi su un display 16×2 I2C
  • Se la temperatura scende sotto il valore minimo o supera il valore massimo impostati viene emesso un allarme (messaggio su display, emissione di un suono, accensione di un LED rosso per il superamento del valore massimo, azzurro se la temperatura scende al di sotto del valore minimo impostato)

Esercizio 2

Realizzare le medesime funzionalità dell’esercizio precedente aggiungendo:

  • Ridurre la luminosità del display dopo 15 secondi di funzionamento
  • Alla pressione di un pulsante viene attivata la retroilluminazione del display
  • Se viene attivato un allarme si attiva la retroilluminazione

Nella prossima lezione vedremo come collegare sullo stesso bus più sensori DS18B20.

Buon Coding a tutti 🙂

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