Arduino練習：溫度感測DS18B20

Arduino自從在2011年底釋出板子Uno（義大利文之意為數字1）與開發環境1.0版之後，並沒有停下腳步，仍然持續不斷更新。（之前的版本編號從0001到0023。）

2012年7月，新板子Leonardo，比Uno更強更便宜，開發環境版本需1.0.1，開發環境開始支援多國語言（我也幫忙翻譯正體中文的部份），已經編譯過而沒改變的程式檔不會重新編譯。

2012年10月，新板子Due，這是由Arduino推出第一片以32位元ARM為核心的微控制器開發板。注意，需下載不同的軟體開發環境。

2012年11月，新板子Micro，尺寸小，與Adafruit共同開發，開發環境版本需1.0.2，加入WiFi程式庫。

2012年12月，新板子Esplora，內建各種感測器與聲光輸出，包括搖桿、溫度感測器、加速度感測器、麥克風、光源感測器、等等，開發環境需版本1.0.3。

閒話說完，這篇的主角是溫度感測器DS18B20。我用的板子是Arduino Uno R3，軟體開發環境版本為1.0.3、Windows版。

這顆感測器是Dallas半導體公司的產品，Dallas公司於2001年成為Maxim的子公司，所以有些產品的品牌標誌改為Maxim，但有些仍保留Dallas的商標。

我去某電子材料行花了新台幣120元，不過到各拍賣網站會更便宜。價格差很多，有些拍賣網站要價不到50，有些網站賣的大概是改良後的新產品，居然要價兩三百。


先講講DS18B20的特色，首先，它不僅感測溫度，還會將資料數位化，這麼一來，即使DS18B20與Arduino板子離很遠，也不會影響準確度。

第二，它使用1-Wire（One-Wire）資料傳輸協定，顧名思義，資料傳輸只需一條線即可，所以在一般狀況下，需要三個腳位（電源、資料、接地），但不僅如此，1-Wire裝置裡含有電容，可經由資料線充電，所以僅需兩個腳位即可（資料+電源、接地）。前者稱為normal mode或powered mode，後者稱為parasite mode。不過既然只使用一條線進行傳輸，其中必定有複雜的技術，還好，別人已經寫好方便易用的程式庫了。

第三，每個1-Wire裝置擁有一個獨一無二的序號，所以在同一條線（匯流排）上連接多個1-Wire仍可分別彼此。（但我只有一個DS18B20。）

第四，溫度感測範圍-55°C到+125°C，一般來說夠了。

電路圖：

從Arduino板子的5V與GND接到麵包板。

DS18B20有三支接腳，根據下圖可知，當針腳朝下、我們面向平平的那一邊時（另一邊為半圓凸起），從左到右為1接地、2資料、3電源。
（如果用parasite mode，就不需要區分腳位1與3了，因為都要接地。）


底下是parasite mode的接法：

DS18B20腳位1，接地。
DS18B20腳位3，接地。

5V串聯一個4.7K ohm的上拉電阻（pull-up resistor），然後接到DS18B20腳位2。

從Arduino的數位腳位2接到DS18B20腳位2。



底下是normal mode的接法：
DS18B20腳位1，接地。
DS18B20腳位3，接5V。
5V串聯一個4.7K ohm的上拉電阻（pull-up resistor），然後接到DS18B20腳位2。
從Arduino的數位腳位2接到DS18B20腳位2。



接下來在撰寫程式前，先安裝兩個程式庫OneWire與DallasTemperature。

OneWire可到此下載，我下載的是版本2.1，解壓縮後得到目錄OneWire，放到Arduino的sketchbook目錄下的libraries目錄裡。

DallasTemperature可到此下載，我下載的是版本3.7.2 Beta，解壓縮後得到目錄dallas-temperature-control，請改名為DallasTemperature，放到Arduino的sketchbook目錄下的libraries目錄裡。

註：sketchbook目錄的路徑可從「Arduino軟體開發環境-File-Preferences-Sketchbook location:」得知。若裡頭無libraries這個目錄，請自行建立。

然後重新啟動Arduino軟體開發環境，應該就能在「Sketch-Import Library...」裡看到OneWire與DallasTemperature。
底下是程式碼：

// 匯入程式庫標頭檔
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

// Arduino數位腳位2接到1-Wire裝置
#define ONE_WIRE_BUS 2

// 運用程式庫建立物件
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

void setup(void)
{
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Temperature Sensor");
  // 初始化
  sensors.begin();
}

void loop(void)
{
  // 要求匯流排上的所有感測器進行溫度轉換（不過我只有一個）
  sensors.requestTemperatures();

  // 取得溫度讀數（攝氏）並輸出，
  // 參數0代表匯流排上第0個1-Wire裝置
  Serial.println(sensors.getTempCByIndex(0));

  delay(1000);
}

輸出結果如下，可對著DS18B20呵氣讓溫度上升。


DallasTemperature程式庫裡還有其他功能可用：

uint8_t getDeviceCount(void)，回傳1-Wire匯流排上有多少個裝置。

typedef uint8_t DeviceAddress[8]，裝置的位址。
bool getAddress(uint8_t*, const uint8_t)，回傳某個裝置的位址。

uint8_t getResolution(uint8_t*)，取得某裝置的溫度解析度（9~12 bits，分別對應 0.5°C、0.25°C、0.125°C、0.0625°C），參數為位址。
bool setResolution(uint8_t*, uint8_t)，設定某裝置的溫度解析度。

bool requestTemperaturesByAddress(uint8_t*)，命令某感測器進行溫度轉換，參數為位址。
bool requestTemperaturesByIndex(uint8_t)，同上，參數為索引值。

float getTempC(uint8_t*)，取得溫度讀數，參數為位址。
float getTempCByIndex(uint8_t)，取得溫度讀數，參數為索引值。

另有兩個靜態成員函式可作攝氏華氏轉換。
static float toFahrenheit(const float)
static float toCelsius(const float)

還可以設定警報（溫度上限、溫度下限），但我就沒試了。

有興趣的話，可看看其他我寫的關於Arduino的文章。

參考資料：

• Maxim網站：DS18B20 datasheet（PDF檔）。
• Arduino Playground：Dallas Semiconductor's 1-Wire Protocol。
• Wikipedia：1-Wire。
• OneWire程式庫。
• Dallas Temperature Control程式庫。
• 輕鬆工作家：Arduino 溫度感應。
• 魚菜共生---樹屋魚主人計畫(七)---DS18B20溫度計。
• 8051單晶片教學講義：溫度感測DS18B20，詳細解說DS18B20的運作。
• How it works: DS18B20 and Arduino，使用OneWire程式庫但不使用DallasTemperature程式庫。