Датчик температуры DS18B20 — характеристики, подключение и применение в отоплении

DS18B20 — цифровой датчик температуры с интерфейсом 1-Wire. Каждый экземпляр имеет уникальный 64-битный адрес, поэтому несколько датчиков могут работать на одной линии данных. DS18B20 применяют в системах отопления, вентиляции, горячего водоснабжения, промышленной автоматике и бытовых устройствах.

Датчик передаёт готовое цифровое значение температуры. Результат меньше зависит от сопротивления соединительного кабеля, чем показания аналогового терморезистора, однако надёжность обмена определяется питанием, кабелем, топологией, подтяжкой и ведущим устройством 1-Wire.

Микросхема и герметичный зонд — разные изделия
Корпус DS18B20 сам по себе не предназначен для погружения в воду или установки в трубопровод. Водостойкость готового зонда зависит от гильзы, герметизации её торца, кабельного ввода и качества сборки. Для влажной среды или погружения используйте зонд, рассчитанный изготовителем на такие условия.

Основные характеристики DS18B20

Разрешение и точность — разные характеристики. При разрешении 12 бит датчик показывает изменения с шагом 0,0625 °C, но это не означает погрешность ±0,0625 °C. Гарантированная изготовителем точность в основном рабочем диапазоне составляет ±0,5 °C.

Выводы датчика

У DS18B20 в корпусе TO-92 три вывода. Для вида на плоскую сторону корпуса слева направо расположены:

1. GND: общий провод.
2. DQ: двунаправленная линия данных 1-Wire.
3. VDD: вход внешнего питания.

У готовых датчиков в металлической гильзе цвета проводов не стандартизованы. Не определяйте распиновку только по цвету кабеля: используйте паспорт или схему поставщика конкретного изделия.

Трёхпроводное и паразитное питание

Внешнее питание

При обычном трёхпроводном подключении к датчику подводятся GND, DQ и VDD. Такое питание упрощает преобразование температуры и обычно предпочтительно для протяжённых линий, нескольких датчиков и объектов с электромагнитными помехами.

Паразитное питание

В паразитном режиме датчик получает энергию с линии DQ, а вывод VDD соединяется с GND. Во время преобразования температуры и записи во внутреннюю память одной резистивной подтяжки недостаточно: ведущий интерфейс должен включить усиленную подтяжку линии к питанию и удерживать её до завершения операции.

Когда выбирать внешнее питание
Для стационарной автоматики надёжнее использовать три провода, если это допускает схема объекта. Паразитное питание удобно при дефиците проводников, но предъявляет более строгие требования к ведущему устройству, напряжению на линии и усиленной подтяжке.

Подтягивающий резистор

Устройства подключаются к DQ выходами с открытым стоком, поэтому линия должна быть подтянута резистором к питанию. В типовой короткой схеме из технического описания используется резистор 4,7 кОм.

Значение 4,7 кОм нельзя считать универсальным для любой сети. На протяжённой линии результат зависит от её ёмкости, напряжения, числа датчиков, формы сигналов и возможностей ведущего интерфейса. Не уменьшайте сопротивление без проверки допустимого тока и временных диаграмм 1-Wire.

Топология и прокладка линии 1-Wire

Для нескольких датчиков предпочтительна линейная магистраль с короткими ответвлениями. Длинные ответвления и звезда создают отражения сигнала и усложняют надёжный обмен.

• Магистраль: кабель проходит от ведущего устройства к дальней точке, датчики подключаются непосредственно к нему или короткими ответвлениями.
• Длинные ответвления: увеличивают вероятность отражений и периодического исчезновения устройств.
• Звезда: требует отдельной проверки и может потребовать разбиения на несколько каналов.
• Силовые помехи: линии двигателей, контакторов и преобразователей могут нарушать обмен; прокладывайте сигнальный кабель с учётом проекта электроснабжения.

У шины 1-Wire нет единой гарантированной максимальной длины для всех схем. Допустимая протяжённость зависит от кабеля, топологии, количества устройств, питания, подтяжки и ведущего интерфейса. Проверяйте линию в окончательной конфигурации.

Как удлинить кабель DS18B20 витой парой

Для удлинения можно использовать медную витую пару Cat 5e. Выбирайте кабель с подходящей для места прокладки оболочкой; маркировка CCA означает омеднённый алюминий, а не медные жилы. Ниже приведён пример распределения жил для датчика с внешним питанием.

Какие жилы использовать

DQ и GND должны идти в одной скрученной паре. Вторую пару используйте для VDD и общего провода питания. Цвета в таблице — пример выбранной схемы, а не стандарт подключения DS18B20.

Обе жилы GND соедините с общим проводом интерфейса на стороне контроллера и с GND датчика на дальнем конце. В этой схеме используются четыре жилы кабеля для трёх электрических цепей. Оставшиеся жилы изолируйте на обоих концах. Не объединяйте несколько жил разных пар для DQ: такое соединение меняет электрические параметры линии и не является способом увеличить её дальность.

Как соединить кабели

1. Отключите питание линии. Уточните назначение проводов готового зонда по его паспорту.
2. Сохраните скрутку пар как можно ближе к месту соединения; не оставляйте длинные расплетённые участки.
3. Соедините жилы клеммами или обжимными соединителями, рассчитанными на их сечение и тип. Для перехода с однопроволочной витой пары на гибкий кабель зонда соединитель должен поддерживать оба типа жил.
4. Изолируйте каждое соединение, закрепите кабели от натяжения и поместите стык в подходящую коробку. Во влажном месте используйте соединение с защитой от попадания воды.
5. Подпишите назначение жил на обоих концах. Не полагайтесь на совпадение цветов проводов зонда и удлинителя.

Что учитывать на длинной линии

• Питание: проверьте напряжение между VDD и GND непосредственно у дальнего датчика, в том числе при преобразовании температуры. Оно должно оставаться в допустимом диапазоне. Не повышайте питание сверх допустимых значений для компенсации потерь в кабеле.
• Подтяжка: перед добавлением резистора выясните, установлен ли он уже на плате. Не ставьте по резистору 4,7 кОм у каждого датчика: параллельные резисторы уменьшают общее сопротивление подтяжки.
• Ответвления: при нескольких датчиках продолжайте общую магистраль и делайте отводы короткими. Не собирайте длинную звезду из отдельных кабелей без расчёта интерфейса.
• Экран: он не заменяет жилу GND. Для экранированного кабеля способ подключения экрана выбирайте по схеме оборудования и системе заземления.
• Помехи: избегайте совместной прокладки с силовыми линиями насосов, контакторов и преобразователей частоты.

После удлинения проверьте обнаружение всех датчиков и многократное чтение с контролем CRC, в том числе при включении силового оборудования. Если связь нестабильна, начните с проверки соединений и питания, затем временно сократите линию и уберите ответвления. Категория Cat 5e сама по себе не гарантирует работу 1-Wire на 100 метрах: ограничения Ethernet к этой шине не относятся.

Принцип передачи данных и общего провода по одной паре описан в материале Analog Devices о соединении 1-Wire; влияние кабеля, ответвлений и ведущего интерфейса разобрано в рекомендациях по протяжённым сетям 1-Wire.

Установка датчика

На трубе

• Очистите поверхность и обеспечьте плотный тепловой контакт гильзы с трубой.
• Закрепите датчик и закройте место измерения теплоизоляцией.
• Выберите участок, температура которого соответствует измеряемому потоку.

В погружной гильзе

• Используйте гильзу, рассчитанную на давление, температуру и теплоноситель.
• Обеспечьте тепловой контакт датчика с внутренней поверхностью гильзы.
• Сохраняйте возможность извлечения датчика для проверки и замены.

В помещении

• Выберите точку, которая отражает температуру обслуживаемой зоны.
• Исключите прямое солнце, сквозняки, наружные стены и воздействие отопительных приборов.
• Учитывайте, что металлическая гильза увеличивает тепловую инерцию датчика.

В конструкции пола

• Разместите датчик между нагревательными элементами без прямого контакта с ними.
• Способ укладки и сменную трубку выбирайте по инструкции производителя системы пола.
• До заливки проверьте датчик и зафиксируйте его расположение.
• Температурные ограничения задавайте по требованиям покрытия и конструкции пола.

Адресация нескольких датчиков

Каждый DS18B20 содержит уникальный 64-битный код. Ведущее устройство использует этот адрес, чтобы обращаться к конкретному датчику на общей шине.

1. До монтажа подпишите датчики и оба конца каждого кабеля.
2. Считайте адрес каждого экземпляра и сохраните его вместе с назначением точки.
3. Не связывайте назначение датчика с порядком обнаружения: после изменения сети порядок может измениться.
4. После замены датчика обновите привязку, потому что новый экземпляр имеет другой адрес.

Проверка результатов измерения

• CRC: девятый байт памяти scratchpad содержит 8-битную контрольную сумму. Показание с ошибочной CRC нужно отбросить.
• Значение +85 °C: после включения питания регистр температуры содержит +85 °C. Не считайте его новым измерением до завершения первого преобразования.
• Время преобразования: при 12-битном разрешении операция может занимать до 750 мс. Чтение раньше завершения даст старое или начальное значение.
• Устаревшие данные: система должна хранить время последнего успешного чтения и считать измерение ошибочным после установленного тайм-аута.
• Физический диапазон: для ответственных систем проверяйте допустимые пределы и скорость изменения температуры.

Проверка и коррекция показаний

Перед сравнением поместите проверяемые датчики и эталон в одинаковые условия и дождитесь теплового равновесия. Не сравнивайте накладной датчик на трубе с прибором, измеряющим воздух рядом: это разные температуры.

1. Проверьте несколько точек рабочего диапазона, если от измерения зависит защита оборудования.
2. Учитывайте погрешность эталонного прибора.
3. Вводите постоянную коррекцию только при устойчивом повторяемом смещении.
4. Не компенсируйте программной поправкой плохой тепловой контакт или неправильное место установки.

Типовые неисправности

Использование DS18B20 с Термохауз ИИ АБ4

Контроллер Термохауз ИИ АБ4 с прошивкой 2.0110 поддерживает до 8 датчиков DS18B20 на встроенной шине 1-Wire. Это ограничение контроллера, а не протокола или микросхемы DS18B20.

Регистрация датчиков

1. Подключите датчики по схеме установленной ревизии платы.
2. Откройте Настройки → 1-Wire и выполните сканирование.
3. Свяжите каждый найденный адрес с отдельной позицией DS.
4. Присвойте позиции понятное имя: Бойлер БКН, Подача тёплого пола или Температура гостиной.
5. Убедитесь, что значение и время последнего успешного чтения обновляются без ошибок.
6. После этого назначьте позицию нужному устройству.

Замена датчика

Новый DS18B20 имеет другой адрес. После физической замены выполните повторное сканирование и привяжите новый адрес к прежней позиции DS. Тогда связанные устройства сохранят настройки. Перед включением нагрузки убедитесь, что показания обновляются, а устройство вышло из аварийного режима.

OUT10 (SENS GND): этот выход зарезервирован для сервисного питания датчиков и не назначается исполнительной нагрузке. Используйте функцию управления питанием сенсоров только по схеме соответствующей ревизии АБ4.

Частые вопросы

Какова точность DS18B20?

Изготовитель указывает погрешность не более ±0,5 °C в диапазоне от −10 до +85 °C. За пределами этого диапазона допустимая погрешность увеличивается. Шаг 0,0625 °C при 12-битном разрешении не равен точности датчика.

Можно ли подключить несколько DS18B20 к одной линии?

Да. Каждый датчик имеет уникальный 64-битный адрес и может работать с другими устройствами на общей шине. Практическое количество ограничивают ведущий интерфейс, питание, кабель и топология сети.

Почему DS18B20 показывает +85 °C?

Это начальное значение регистра после включения питания. Программа должна запустить преобразование, дождаться его завершения и проверить CRC полученных данных.

Какую топологию выбрать для нескольких датчиков?

Предпочтительна линейная магистраль с короткими ответвлениями. Звезда и длинные ответвления увеличивают отражения сигнала и требуют отдельной проверки сети.

Связанные материалы

• DS18B20: описание и документация Analog Devices
• Техническое описание DS18B20 (EN)
• Техническое описание DS18B20 на русском
• Рекомендации по протяжённым сетям 1-Wire
• Подключение и настройка устройств АБ4
• Общее описание контроллера Термохауз ИИ АБ4