آموزش کامل سنسور دمای DS18B20 با Arduino و ESP32

DS18B20 چیست و چه زمانی انتخاب خوبی است؟

DS18B20 یک دماسنج دیجیتال کالیبره‌شده است که اندازه‌گیری را داخل تراشه انجام می‌دهد و نتیجه را به‌صورت دیجیتال روی باس 1-Wire می‌فرستد. برخلاف سنسورهای آنالوگ، طول سیم و نویز ADC مستقیماً عدد دما را تغییر نمی‌دهد. هر سنسور یک کد ROM یکتای 64 بیتی دارد؛ بنابراین چند DS18B20 می‌توانند تنها با یک پایه میکروکنترلر کار کنند.

پایه‌ها و سیم‌کشی صحیح

در پکیج TO-92، هنگامی که سطح تخت بدنه رو به شما و پایه‌ها به سمت پایین هستند، ترتیب پایه‌ها از چپ به راست به این صورت است:

برای کابل‌های بلند یا محیط صنعتی، توپولوژی خطی، کابل زوج‌تابیده، خازن بای‌پس نزدیک سنسور و مقاومت پول‌آپ متناسب با ظرفیت باس معمولاً نتیجه بهتری از اتصال ستاره‌ای می‌دهند. مقدار 4.7 کیلو‌اهم نقطه شروع رایج است، اما مقدار نهایی باید با توجه به طول کابل، تعداد سنسورها و ظرفیت باس بررسی شود.

روش‌های تغذیه: عادی و پارازیتی

تغذیه عادی سه‌سیمه

در این روش، پایه VDD به منبع تغذیه متصل است و خط DQ فقط برای تبادل داده استفاده می‌شود. این روش برای ESP32، چند سنسور، کابل بلند و طراحی‌های قابل اعتماد پیشنهاد می‌شود.

تغذیه پارازیتی دوسیمه

در تغذیه پارازیتی، سیم مثبت جداگانه حذف می‌شود، پایه VDD طبق دیتاشیت به GND متصل می‌شود و سنسور انرژی موردنیاز خود را هنگام HIGH بودن خط DQ در خازن داخلی ذخیره می‌کند. هنگام تبدیل دما و اجرای فرمان Copy Scratchpad باید روی خط داده «پول‌آپ قوی» برقرار شود؛ مقاومت پول‌آپ معمولی به‌تنهایی همیشه جریان لازم را تأمین نمی‌کند. اگر تازه شروع کرده‌اید، از اتصال عادی سه‌سیمه استفاده کنید.

رزولوشن و زمان تبدیل دما

بیت‌های R1 و R0 در رجیستر Configuration رزولوشن را مشخص می‌کنند. دقت عددی بیشتر، زمان تبدیل طولانی‌تری می‌خواهد:

رزولوشن بالاتر به معنی دقت مطلق بهتر نیست؛ دقت تضمین‌شده در بازه اصلی ±0.5°C است. برای کنترل دمای سریع، 10 یا 11 بیت اغلب انتخاب متعادل‌تری است.

تایمینگ پروتکل 1-Wire به زبان ساده

هر تبادل با Reset شروع می‌شود. مستر باس را حداقل 480 میکروثانیه LOW می‌کند؛ سپس سنسور پس از رها شدن خط، با پالس Presence حضور خود را اعلام می‌کند. هر اسلات خواندن یا نوشتن حداقل 60 میکروثانیه است و بین اسلات‌ها حداقل 1 میکروثانیه زمان بازیابی لازم است.

در برنامه‌های معمول نیازی نیست این تأخیرها را دستی بسازید؛ کتابخانه OneWire آن‌ها را مدیریت می‌کند. دانستن تایمینگ برای عیب‌یابی با لاجیک آنالایزر، کابل‌های بلند و نوشتن درایور اختصاصی ضروری است.

فرمان‌های مهم DS18B20

راه‌اندازی با Arduino

1. در Library Manager کتابخانه‌های OneWire و DallasTemperature را نصب کنید.
2. سیم DQ را به پایه D2 و مقاومت 4.7kΩ را بین DQ و 5V وصل کنید.
3. کد زیر را اجرا و Serial Monitor را روی 115200 تنظیم کنید.

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define ONE_WIRE_BUS 2
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  sensors.begin();
  sensors.setResolution(12);
  Serial.printf("Sensors: %d\n", sensors.getDeviceCount());
}

void loop() {
  sensors.requestTemperatures();
  float c = sensors.getTempCByIndex(0);
  if (c == DEVICE_DISCONNECTED_C) {
    Serial.println("Sensor disconnected");
  } else {
    Serial.printf("Temperature: %.2f C\n", c);
  }
  delay(1000);
}

راه‌اندازی با ESP32 و خواندن غیرمسدودکننده

همان دو کتابخانه روی Arduino Core for ESP32 کار می‌کنند. DQ را به GPIO4 و Pull-up را به 3.3V وصل کنید. برای جلوگیری از توقف 750 میلی‌ثانیه‌ای برنامه، تبدیل را غیرمسدودکننده انجام دهید:

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

constexpr uint8_t ONE_WIRE_BUS = 4;
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);
uint32_t conversionStarted = 0;
bool converting = false;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  sensors.begin();
  sensors.setResolution(12);
  sensors.setWaitForConversion(false);
}

void loop() {
  if (!converting) {
    sensors.requestTemperatures();
    conversionStarted = millis();
    converting = true;
  }
  if (converting && millis() - conversionStarted >= 750) {
    float c = sensors.getTempCByIndex(0);
    Serial.printf("Temperature: %.2f C\n", c);
    converting = false;
  }
  // WiFi, UI and other tasks can run here.
}

چند سنسور روی یک پایه

به‌جای تکیه بر Index، آدرس 8 بایتی هر سنسور را پیدا و ذخیره کنید؛ ترتیب Index ممکن است با تغییر سیم‌کشی عوض شود. کتابخانه DallasTemperature متد getAddress() و خواندن با getTempC(address) را فراهم می‌کند. در یک باس، فرمان Convert T را برای همه صادر کنید و بعد Scratchpad هر آدرس را جدا بخوانید.

خطاهای رایج و روش عیب‌یابی

• عدد -127°C: معمولاً قطع بودن سنسور، پایه اشتباه یا نبود Pull-up است.
• عدد 85°C: مقدار پیش‌فرض رجیستر پس از روشن شدن است؛ تبدیل کامل نشده یا زود خوانده‌اید.
• نوسان روی کابل بلند: سیم‌کشی ستاره‌ای، Pull-up نامناسب، زمین ضعیف یا نویز منبع تغذیه را بررسی کنید.
• چند سنسور با یک Index: ROM Code هر قطعه را ذخیره و براساس آدرس بخوانید.
• خطای داده: بایت نهم Scratchpad شامل CRC است؛ در کاربرد مطمئن، CRC را بررسی و در صورت خطا دوباره بخوانید.

جمع‌بندی و ادامه مسیر

برای یک پروژه مطمئن با ESP32، تغذیه سه‌سیمه 3.3 ولت، مقاومت 4.7kΩ، خواندن غیرمسدودکننده و بررسی CRC نقطه شروع مناسبی است. برای یادگیری سنسورهای بیشتر به مرکز آموزش سنسورها و آموزش سنسورهای دما و رطوبت سر بزنید.

مرجع فنی: دیتاشیت رسمی DS18B20 Rev. 6 از Analog Devices / Maxim Integrated.