Controlador de rede do sensor de temperatura tolerante a falhas: 8 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Este Instructable mostra como converter uma placa Arduino Uno em um controlador de propósito único para um conjunto de sensores de temperatura DS18B20 capazes de isolamento automatizado de sensores defeituosos.

O controlador pode gerenciar até 8 sensores com Arduino Uno. (E muito mais com Arduino Mega ou com uma ligeira modificação de software.)

Etapa 1: História por Trás …

Há alguns anos, instalei uma rede de sensores de temperatura DS18B20 na estufa de meu pai para meu controlador de aquecimento baseado em pi. Infelizmente, a confiabilidade do controlador era baixa, principalmente devido às frequentes interrupções do sensor. Tentei várias configurações - alimentação parasita, alimentação direta, conexão da rede ao pi e também conexão à placa personalizada baseada em Atmega (cujo objetivo principal era acionar motores de válvula).

O que é pior, a confiabilidade da rede do sensor caiu principalmente durante as noites de inverno, enquanto quase não havia problemas no verão! O que diabos está acontecendo aqui?

Para investigar qual sensor causa o problema, surgiu a necessidade de ligá-los / desligá-los um a um ou habilitar qualquer combinação deles.

Etapa 2: como funciona

O DS18B20 (o sensor de temperatura) usa o protocolo proprietário de 1 fio que permite que vários sensores compartilhem o link de dados comum (aquele único fio). Esse link de dados comum é conectado a um dos pinos GPIO do Arduino e a + 5 V por meio de um resistor pull-up - nada incomum, muitos instrutíveis cobrem essa configuração.

O truque é que os cabos de alimentação de cada sensor sejam conectados aos próprios pinos GPIO (dedicados), para que possam ser ligados e desligados separadamente. Por exemplo, se um sensor tem o cabo Vcc conectado ao pino # 3 e GND ao pino # 2, definir o pino # 3 como HIGH fornece energia para o sensor (sem surpresa), enquanto definir o pino # 2 como LOW fornece aterramento (uma pequena surpresa para mim). Definir ambos os pinos para o modo de entrada isolará (quase) completamente o sensor e sua fiação - não importa que falha (por exemplo, um atalho) aconteça dentro dele, não irá interferir com os outros.

(É justo dizer que conectar o fio de dados a outra coisa conectada de alguma forma ao Arduino irá de fato causar interferência, mas é quase impossível na minha configuração).

Observe que o DS18B20 consome até 1,5 mA enquanto um pino do Arduino pode fornecer / absorver até 40 mA, portanto, é perfeitamente seguro alimentar sensores por pinos GPIO diretamente.

Etapa 3: Material e ferramentas

Material

• 1 placa Arduino UNO
• 3 cabeçalhos de pino fêmea: 1 × 4, 1 × 6 e 1 × 6 (ou mais - eu os cortei de um cabeçalho 1 × 40)
• uma cola
• um pedaço de fio de cobre nu (pelo menos 10 cm)
• uma fita isolante
• consumíveis de soldagem (fio, fluxo …)

Ferramentas

• equipamento de solda (ferro, suportes, …)
• alicate de corte pequeno

Etapa 4: consertar as coisas juntos

Cole os cabeçalhos de pino fêmea nos cabeçalhos da placa Arduino:

1. Cabeçalho 1 × 4 próximo ao cabeçalho de pino "analógico", lado a lado com os pinos A0-A4
2. Cabeçalho 1 × 6 próximo ao primeiro cabeçalho de pino digital, lado a lado com os pinos 2–7
3. Cabeçalho 1 × 6 próximo ao segundo cabeçalho de pino digital, lado a lado com os pinos 8–13

Observe que meus cabeçalhos são um pouco mais longos … não tem contras e nem prós, suponho.

Etapa 5: conecte as coisas

Fiação da linha de barramento de 1 fio:

1. Conecte todos os terminais de cabeçalhos colados no lado "digital" (adjacente aos pinos 2 a 13) soldando um pedaço de fio desencapado a eles
2. Solde a extremidade deste fio ao cabo do pino SCL (conectado internamente ao A5)
3. Conecte todos os terminais do coletor colado no lado "analógico" (pinos A0-A3) soldando um pedaço de fio desencapado a eles
4. Solde a ponta deste fio nos terminais A4 e A5 (usei A5 e A6 porque tenho uma placa que tem A6 e A7)
5. Solde um resistor 4k7 entre a outra extremidade deste fio e o cabo do pino de +5 V

Notas:

• Os pinos A0-A5, embora marcados como "analógicos", também podem ser usados como pinos digitais GPIO.
• O pino SCL no lado "digital" é conectado internamente ao A5 no lado "analógico"; conectado aos cabeçalhos, isso forma a linha de barramento de 1 fio
• A4 (usado como entrada analógica) mede a tensão do barramento para fins de diagnóstico. Por isso está diretamente conectado ao barramento.
• Usei A6 em vez de A4 porque tenho uma placa que tem A6 e A7; originalmente, eu queria usar A7 como o barramento mestre de 1 fio, mas esses dois pinos não podem ser configurados para serem GPIOs digitais.
• Para evitar a conexão incorreta dos conectores do sensor, você pode omitir / cortar o contato não utilizado (não conectado a nenhum fio) de cada conector macho e inseri-lo no orifício correspondente no cabeçalho do pino colado.

Etapa 6: Conectando os Sensores

Você acabou de criar uma matriz de oito soquetes 2 × 2. Você pode soldar e montar conectores Dupont 2 × 2 aos cabos do sensor e conectá-los a esses soquetes. O software configura os pinos de forma que os pinos pares sejam pinos GND e os pinos ímpares sejam pinos Vcc. Para cada sensor, o pino Vcc é apenas o pino GND + 1. Um dos outros dois pinos do soquete 2 × 2 (um dos dois no conector colado e soldado) é para o fio de dados do sensor. Não importa qual você usa.

Etapa 7: Software do controlador

O esboço SerialThermometer executa o controlador. Você pode encontrá-lo no github. Abra e carregue usando o Arduino IDE.

Passo a passo:

1. Abra seu Arduino IDE e instale a biblioteca DallasTemperature e todas as suas dependências via Sketch | Incluir Biblioteca | Gerenciar bibliotecas.
2. Clone o repositório git. Se não estiver familiarizado com o git, baixe e descompacte este zip em qualquer lugar do seu computador.
3. Abra o esboço SerialThermometer em seu Arduino IDE.
4. Conecte sua placa Arduino modificada ao seu computador por cabo USB (forma padrão)
5. Carregue o esboço usando seu IDE Arduino
6. Abra o Serial Monitor por meio de Ferramentas | Monitor Serial
7. Você deve ver a saída de diagnóstico contendo várias medições físicas seguidas por leituras de temperatura - cada soquete do sensor em uma única linha. Se a contagem do sensor for diferente quando ativado separadamente e quando todos ativados juntos), o diagnóstico ocorre em loop até ser resolvido. Mas não se preocupe, o diagnóstico também fornece medições de temperatura!

Consulte a imagem anotada para obter mais detalhes sobre a saída de diagnóstico.

Etapa 8: Conclusão

Tenho a forte sensação de que minhas falhas de rede de sensores foram causadas por alta capacitância de minha fiação longa - cerca de 10 m de cabo LIYY 314 (3 × 0, 14 mm²) para cada sensor. Meus experimentos mostraram que a comunicação é interrompida se houver capacitância próxima ou superior a 0,01 μF entre o barramento de 1 fio e o aterramento, acho que porque o resistor pull-up 4k7 não é capaz de puxar o barramento para + 5 V rápido o suficiente para cumprir os limites do protocolo.

Na minha configuração, isso acontece quando mais de 3 sensores são conectados juntos. Então, o controlador entra em loop no ciclo de diagnóstico, medindo a temperatura sensor a sensor (o que é legal também …)

Mas também o quinto sensor (28: ff: f2: 41: 51: 17: 04: 31) parece muito doente (talvez soldagem errada), então posso investigar mais a fundo!