Перевозка скоропортящихся товаров на дальние расстояния – это ответственная работа, требующая повышенного внимания к температурному режиму. Внутри каждого рефрижератора должен быть установлен датчик, контролирующий эффективность работы холодильного оборудования. Данное устройство должно также передавать данные о состоянии автономной системы на диспетчерский пульт для возможности быстрого реагирования в случае поломки. Подобные задачи может решить цифровой измеритель температуры DS18B20 в комплексе с дополнительным оборудованием.

DS18B20 представляет собой электронное устройство, позволяющее производить замеры температуры с последующей передачей сигнала тревоги оператору. Данный прибор имеет следующие отличительные особенности:

• Встроенный 9 – 12 битный преобразователь сигнала, влияющий на точность входящих показаний. 
• Граничные условия по требуемому температурному диапазону задаются пользователем и заносятся во встроенную память контроллера.
• Устройство передаёт показания диспетчеру по протоколу с интерфейсом 1-Wire. При использовании в холодной логистике – конвертация информации производится посредством GPS связи.
• Измеритель не нуждается во внешнем источнике питания, так как для работы достаточно напряжения поступающего по слаботочному каналу для передачи данных, накапливаемого на конденсаторе.
• Чувствительный датчик позволяет производить замеры температуры в помещении при экстремальных значениях – от -55 °C до + 125 °C– оболочка кабеля для передачи данных выполнена из тугоплавкого поливинилхлорида.
• Точность измерения составляет рекордные 0,5 °C, в отличие от прошлых моделей от данного производителя. Однако данный показатель может незначительно отличаться при температуре ниже +10 °C или выше +85 °C.

Каждый измеритель температуры DS18B20 имеет индивидуальный 64-разрядный код, идентифицирующий конкретное изделие. Это обеспечивает возможность подключения сразу нескольких контроллеров на единый канал связи, и устройства не будут мешать друг другу. 

Преимущества устройства

Цифровой измеритель температуры DS18B20 имеет некоторые преимущества по сравнению с другими моделями от конкурентов:

• Каждый провод 1-Wire обслуживает только один канал передачи данных от датчика.
• Несколько проводов можно объединить в единую линию связи с выводом на единый индикатор, расположенный в диспетчерской.
• Отсутствует необходимость подключения к розетке, так как устройство становится активным при напряжении от 3 до 5,5 В.
• При выставлении максимального разрешения в 12 бит обеспечивается скорость обновления показаний на индикаторе 750 мс.
• Пользователь имеет возможность выставлять индивидуальные параметры сигнала тревоги.
• При параллельном включении нескольких датчиков в один канал связи, сигнал, свидетельствующий о сбое предоставляет информацию о конкретном приборе, который вышел из строя. Это позволяет диспетчеру быстро идентифицировать проблему и дать команду на устранение неполадки.
• Датчик полностью совместим с программным обеспечением DS1822, устанавливаемым на компьютер с целью вывода результатов замеров на монитор.

Рассматриваемый измеритель температуры получил широкое применение и используется во многих отраслях промышленности. Устройство чаще всего используется при холодной логистике скоропортящихся грузов.

Устройство измерителя температуры DS18B20

Датчик рассматриваемой модели имеет встроенное постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) на 64 бита, которое хранит уникальный идентификатор. Кроме того, микросхема также содержит оперативную память, которая временно фиксирует следующие данные:

• Мгновенные показания замеров температуры в помещении занимают 2 байта от общего объёма памяти.
• Граничные условия, задаваемые пользователем, преодоление которых активизирует команду для срабатывания сигнала тревоги. Нижний порог называется Th, верхний – Tl.
• В памяти также отводится свободное место для сохранения пользовательских конфигураций в размере 1 байта. Через данный регистр можно настроить разрешение датчика от 9 до 12 бит с шагом в 1 бит (9, 10, 11 и 12 бит – в общей сложности 4 режима).

Что касается регистра граничных параметров для срабатывания сигнала тревоги, то он сохраняется в отдельном блоке, не зависящим от электричества, который называется EEPROM. Это позволяет системе получить сигнал тревоги в любой внештатной ситуации.

Для возможности многоканального подключения линии связи к нескольким устройствам, используется специальный резистор, обладающий следующими функциями:

• В составе резистора присутствует микроконтроллер, который регистрирует индивидуальный код каждого из датчиков, подключенных к каналу связи. 
• Устройство позволяет параллельно обмениваться входящими данными с каждым подключенным устройством. 
• Микроконтроллер снабжается шиной, и каждый из датчиков подключается к ней, образуя единую систему диспетчеризации холодильного оборудования.

Независимость от питающей линии прибора достигается наличием на микросхеме встроенного конденсатора, который накапливает в себе энергию от входящего сигнала. Этот элемент также питает главную микросхему, обеспечивая так называемое «паразитное питание». При необходимости, возможно подключение контроллера через внешний источник электропитания путём включения кабеля в выходящее гнездо Vdd.

Как происходит измерение температуры

Главная задача датчика – трансформация реального значения температуры окружающей среды, полученного от металлического щупа в числовую последовательность для последующего считывания и выведения на экран индикатора или монитора диспетчера. Пользователю доступно 4 типа разрешения, от которых зависит точность считывания показаний температуры: 

• 9 бит – достигается погрешность в измерении 0.5 °C;
• 10 бит – 0.25 °C;
• 11 бит – 0.125 °C;
• 12 бит – 0.0625 °C.

Заводские установки выставляются таким образом, что при включении индикатор автоматически выдаёт значения для 12-битного расширения. В выключенном состоянии устройство пребывает в режиме экономии энергии. Для активизации алгоритм должен провести первое преобразование показаний на датчике в цифровое значение и записать эти данные в оперативную память. 

Как считывать показания датчика

Устройство проводит измерение температуры в градусах Цельсия, преобразуя её значение в 16-разрядный код. Чтобы правильно считать показания и вычислить значение температуры, необходимо учитывать следующие правила, в зависимости от выставленного разрешения:

• 12-битное разрешение – каждый бит для положительных значений равен 0, для отрицательных – 1. Высокая точность измерений достигается тем, что все биты являются значащими.
• 11-битное разрешение – те же показания, но бит 0 не может быть идентифицирован.
• 10-битное разрешение – не определяются 2 бита – 0 и 1.
• 9-битное разрешение – аналогично, не определяются уже 3 бита – 0, 1 и 2.

Чтобы точно вычислить показания температуры при положительном значении, требуется полученный после преобразования код (бит 0) перевести в десятичную систему и умножить на заданную погрешность 0,0625 °C. Если выдаётся отрицательное значение (бит 1), то дополнительный код конвертируется в прямой, после чего вычисление выполняется в соответствии с тем же алгоритмом, что и при положительном значении.

Как происходит передача сигнала тревоги

Сигнал тревоги позволяет диспетчеру, либо водителю рефрижератора контролировать температурный режим внутри холодильной камеры во время выполнения логистики. Сирена срабатывает в соответствии со следующим алгоритмом:

1. Пользователь изначально программирует граничные условия для срабатывания сигнализации. Нижний порог обозначается индексом Th, верхний – Tl. Программирование происходит в цифровом формате, в соответствии с описанным выше алгоритмом, где положительным и отрицательным значением присваиваются коды 0 и 1, соответственно.
2. Пользовательские установки фиксируются в энергонезависимом запоминающем устройстве EEROM, но они остаются доступными для чтения в конкретных кластерах 2 и 3 временного запоминающего устройства.
3. Если цифровое значение показателей реальной температуры выходит за назначенные предельные показатели, автоматически срабатывает сигнал тревоги, который немедленно всплывает на диспетчерском пульте для возможности реагирования.

Базовое устройство ведёт периодический мониторинг выставленных температурных диапазонов при помощи особого протокола ECh, отвечающего за детектор сигнала тревоги. При несоответствии показателей контроллер посылает оператору сигнал с указанием точного адреса устройства, в котором произошёл сбой. При обширном автопарке логистической компании это преимущество позволяет диспетчеру связаться с конкретным экспедитором и сообщить ему о проблеме, не останавливая работу всех водителей.

Подключение электропитания DS18B20

Устройство может быть запитано по одной из двух возможных схем подключения:

• Автономно, с использованием паразитного режима.
• При подключении к внешней сети электропитания.

Оба режима обеспечивают бесперебойное функционирование устройства по определению температур и передаче цифровых данных на индикатор оператора.

Паразитный режим

Считается оптимальным типом подключения, при котором достигается частичная независимость от электричества, а также возможность включения в работу сразу нескольких датчиков на единой шине. Данный способ подключения имеет следующие особенности:

• Конденсатор, установленный на микросхеме, заряжается в автономном режиме при возникновении повышенного напряжения на линии связи.
• Когда конденсатор набирает заряд, в случае смены сигнала, он становится элементом питания устройства.
• При постоянном потоке напряжения, датчик работает стабильно, без непредвиденного отключения.
• Если считывание сигнала происходит слишком часто, сила тока может превысить предельно допустимые значения. В соответствии с законом Ома, рост I приводит к падению U. Для предотвращения сбоев в работе, на микросхеме присутствует транзистор, который включается автоматически при каждом преобразовании сигнала с занесением данных в ОЗУ, когда накопленного на конденсаторе заряда недостаточно для обеспечения питания. Таким образом, транзистор играет роль стабилизатора напряжения при автономном режиме.

Паразитный метод прекрасно работает при холодной логистике, так как конденсатор обеспечивает питание измерителя при экстремально низких температурах. В том случае, когда температурные показатели слишком высоки (от 100 °C и более), то накопленного снаряда уже не хватает. Пользователю приходится прибегать к внешнему источнику питания. 

Работа от внешнего источника

Данный тип подключения, несмотря на необходимость внешнего источника электропитания, имеет некоторые преимущества:

• Так как при работе с повышенными температурами сбой в работе прибора не происходит, отпадает необходимость в включении в схему транзистора. 
• При осуществлении питания, ток проходит через резистор, с внутренним сопротивлением 4,7 кОм.
• При работе шина преобразователя температурного сигнала в цифровой остаётся свободный. Она может быть использована для расширения функционала прибора.
• При использовании внешнего питания функции контроллера значительно расширяются. Пользователь получает возможность отслеживать не только показания, но также контролировать сам процесс преобразования. Таким образом, дополнительное питание обеспечивает видимость линии не как в высоком, так и в низком положении.
  
• Внешний источник питания обеспечивает стабильный сигнал без сбоев и помех, а при паразитном способе возможны задержки отображения информации в случае работы устройства на пределе технических возможностей.

При транспортировке скоропортящейся продукции в холодильной установке, повышение температур до описанных выше экстремальных значений невозможно. В связи с этим, в холодной логистике вполне подходит метод автономного паразитного питания.

Устройства, необходимые для начала работы с измерителем температуры DS18B20

Датчик является всего лишь частью системы мониторинга температурного режима при холодной логистике. Чтобы обеспечить синхронизацию чтения показателей и вывод информации на доступный для пользователя интерфейс, необходимо иметь в наличии следующие вспомогательные устройства:

1. Специализированное программное обеспечение, которое называется Arduino IDE и инсталлируется на жёсткий диск компьютера.
2. Установочный файл библиотеки для контроля входящих данных по протоколу 1-Wire.
3. Структурированная установочная программа с функцией setup, называемая скетч.
4. Контроллер, совместимый с Arduino, позволяющий обеспечить логическую связь датчика и программного обеспечения.
5. Кабель с разъёмом USB, необходимый при подключении контроллера к устройству для чтения информации – персональному компьютеру, ноутбуку или специализированным устройствам для индикации входящих данных.
6. Установочная плата, необходимая для подключения микросхемы и коннекторы.

При корректном подключении контроллера, потребуется калибровка прибора, проверка качества входящего сигнала, программирование граничных условий Th и Tl, а также тестирование работоспособности устройства.

Инструкция по подключению микросхемы к программному обеспечению Arduino

Схема подключения микросхемы достаточно примитивна, и для сборки устройства вовсе не обязательно привлекать профессионального инженера-электронщика. Сборка устройства производится путём подключения 3 контактов, в соответствии со следующим алгоритмом:

• Контакт 1 с маркировкой GND присоединяется к «минусу» на микросхеме.
• Контакт 2 с маркировкой Vdd должен быть подключен к слаботочному источнику электроэнергии, обладающему номинальным напряжением 5В. Данный показатель обеспечивается после прохождения тока через упомянутый выше резистор с сопротивлением 4,7 кОм.
• Контакт 3 с маркировкой DATA – служит для включения в общую схему программного обеспечения Arduino через собственный контроллер, на котором имеется несколько гнёзд для подключения.

После подключения мастер должен убедиться в корректности настройки параметров электроподключения путём проверки 65-й (внешнее ds-write) и 10-й (паразитное ds-write) строк на плате.

Как подготовить прибор к работе

По завершении подключения наступает самый ответственный этап – отладка устройства с программированием его библиотек. Данная работа требует взаимодействия пользователя с программным обеспечением Arduino. Процедура выполняется в строгом соответствии со следующими этапами:

1. В интерфейсе приложения Arduino IDE выбирается команда, отвечающая за создание библиотеки, которая называется OneWire library. Данное действие выполняется путём выбора в интерактивном меню приложения Sketch строчки Add Library. В русскоязычной версии программного обеспечения данный пункт обозначается как «добавить библиотеку».
2. После создания можно зайти в библиотеку и найти в ней файл для программирования контроллера прибора под названием D158x20. Данная строчка располагается в поддиректории «Примеры» основного падающего меню «Файл». 
3. В открывшемся новом окне следует выбрать директорию OneWire, которая будет содержать искомый файл D518x20_Temperature.
4. Последним этап состоит в корректировке заводских установок с 10 pin на 2 pin для стабильной работы оборудования и получения достоверных данных в режиме реального времени.

Когда работа завершена, на индикаторе устройства с программным обеспечением появится текст с входящими параметрами, среди которых будет уникальный серийный номер датчика, а также показатель текущей температуры в холодном помещении, где он смонтирован.

Технические возможности библиотеки OneWire

Библиотека OneWire является неотъемлемой частью программного обеспечения. Спектр задач, которые решаются при помощи данной надстройки, включает в себя следующие возможности:

• Поиск и идентификация каждого датчика, подключенного к системе с автоматической фиксацией его уникального кода. Для выполнения поиска следует ввести в диалоговом окне команду search(addressArray). Если какой-либо прибор не будет зарегистрирован в системе, пользователь увидит сообщение об ошибке false.
• OneWire также может производить поиск на первичном устройстве после ввода команды reset_search.
• Если был произведён сброс всех настроек, библиотека самостоятельно выбирает устройство, записывая на него циклический 56-битный код ROM. Для выполнения данной операции пользователь указывает команду select(addressArray).
• Команда write(byte) обеспечивает запись байтов информации на устройство при его питании от внешней сети.
• Команда write(byte, 1) выполняет ту же функцию, но при паразитном способе питания контроллера.
• При необходимости, библиотека даёт возможность оператору считать входящую и сохранённую информацию, поступившую на обработку от температурных датчиков. Данный процесс выполняется командой read.
• Активация циклического избыточного кода CRC. Команда – crc8(dataArray, length), где dataArray означает порядковый номер выбранного массива для хранения данных, length – протяжённость цифрового кода.
• Библиотека позволяет настроить питание на скетче, в зависимости от его типа и соответствующей строки – 65 или 10.

Данная универсальная надстройка может самостоятельно подавать команды в виде битов, а именно:

• 0х44 – код, отвечающий за измерение температуры с последующей передачей и фиксацией входящих данных.
• 0хBE – запускается процесс поэтапного считывания показателей датчика.
• 0хВ8 – происходит копирование данных в байты.
• 0хB4 – код, который даёт возможность быстрого переключения типа электропитания с паразитного на внешний источник, и обратно.

Правильная настройка библиотеки и знание всех команд позволит пользователю легко ориентировать в интерфейсе программного обеспечения, оперативно получать входящую информацию и менять основные пользовательские настройки. Как правило, каждый диспетчер имеет распечатку со всеми цифровыми кодами для возможности быстрого вмешательства в систему.

Допустимые параметры эксплуатации измерителя температуры DS18B20

Любой прибор для измерения температуры имеет параметры, при которых он может эксплуатироваться без риска поломки и сбоев. Для рассматриваемого устройства предельно допустимые параметры приводятся ниже:

• Напряжение, при котором обеспечивается бесперебойная работа устройства составляет от 3 до 6 В. Если реальный показатель окажется ниже, пользователь не сможет считывать показания, так как на линии появятся помехи, а при превышении предельных значений может произойти замыкание с последующим выгоранием контакта.
• Предел измеряемых температур составляет от -55 °C до +125 °C. В данном случае говорить о каких-либо экстремальных значениях не имеет смысла, так как указанный производителем диапазон подходит для эксплуатации устройства в любых условиях.

Следует учесть, что длительная работа DS18B20 на предельных эксплуатационных параметрах может значительно снизить ресурс устройства, и оно выйдет из строя в короткий срок.

Алгоритм подключения нескольких температурных датчиков к одному каналу связи

Как было сказано выше, на одну шину можно подключить сразу несколько температурных датчиков для возможности диспетчеризации состояния груза в холодильной установке с одного считывателя информации. Для этого необходимо включить в схему резистор, а после этого выполнить несколько операций:

• Каждое новое устройство должно подключаться параллельно, то есть считывание информации и передача цифрового сигнала на канал связи происходит от каждого датчика в независимом режиме.
• В библиотеке OneWire задаются параметры для поиска каждого из датчиков с последующей регистрацией уникальных кодов. 
• Сопротивление резистора зависит от количества включённых в систему устройств, исходя из средних параметров сопротивления 100 – 150 Ом на каждый датчик. Таким образом, оптимальное сопротивления резистора при включении в систему сразу 10 датчиков составит 1,5 – 1,6 кОм.
• Резистор напрямую подключается к плате контроллера Arduino.

После подключения пользователь получает возможность адресно обращаться к каждому датчику, а сигнал тревоги при превышении предельного порога будет подаваться в автоматическом режиме.

Совместимость температурного датчика с GPS трекером

Датчик DS18B20 нашёл широкое применение в холодной логистике. При перевозке скоропортящихся товаров водитель не всегда может отслеживать микроклимат внутри рефрижератора, особенно если перевозка товара производится без участия экспедитора. В таких случаях данные о температурном режиме передаются на диспетчерский пульт дистанционно, с использованием GPS трекера. 

Устройство для беспроводной передачи данных фиксирует фактическую температуру в холодильнике, позволяя оператору считать эти показатели, а, в случае возникновения аварийной ситуации, сигнал тревоги автоматически оправляется в систему мониторинга. Для совместной работы GPS трекера GPSM Pro и температурного датчика 1-Wire DS18B20, необходимо выполнить следующие условия:

• После монтажа внутри холодильной установки, датчик подключается при помощи штатного кабеля к маячку с системой GPS, установленного за пределами холодного контура. 
• Производится настройка программного обеспечения с заданием граничных параметров для срабатывания тревожной сигнализации.
• Данные поступают на контроллер, учитываются системой GPS и передаются на диспетчерский пульт.
• Для удобства считывания информации и быстрого реагирования на сигнал тревоги, оповещение о колебаниях температур может поступать не только на установленное программное обеспечение. Информация может приходить на экран мобильного телефона в виде SMS сообщения, а также поступать вместе с входящей корреспонденцией на ящик электронной почты. Это позволяет получить сведения не только диспетчеру, но и водителю.

При обнаружении неполадки, диспетчер логистической компании немедленно сообщает водителю или экспедитору о проблеме. Это даёт возможность вовремя предотвратить измерение температурного режима в холодильнике и спасти груз.

Коротко о главном

Температурный датчик DS18B20 можно приобрести в нашем интернет-магазине по лучшей цене среди конкурентов. Мы работаем напрямую с производителем и имеем льготные условия оптовых поставок. Наша компания также занимается реализацией сопутствующего интерфейса и GPS систем. Готовая к работе система обеспечивает возможность дистанционной диспетчеризации состояния груза при выполнении холодной логистики.

Товар представляет собой оптимальное соотношение цены и качества. При разработке данного высокоточного прибора использовались передовые технологии, которые позволяют получить сведения о состоянии груза в режиме реального времени с минимальной погрешностью в вычислениях. При необходимости установки датчика в химически агрессивной среде, потребителям доступны усовершенствованные приборы с щупом из нержавеющей стали, обладающие повышенной коррозионной стойкостью.