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@GANTZ(GANTZ G)

温度センサDS18B20の調査

Last updated at Posted at 2024-09-12

はじめに

データシート

通信方式は　1-Wire bus方式です。

購入した温度センサDS18B20
image.png

目的

温度制御に利用するうえで、以下の点を調べました。

  1. 最小制御周期
  2. 測定結果の精度
    1. センサ同士の誤差
    2. 時間的なブレ
    3. 電源電圧の影響
  3. 温度応答性

結論

  1. 最小制御周期 → 1秒周期で可能（センサ自体の熱容量からして、もっと粗くてもいいけど）
  2. 測定結果の精度
    • センサ同士の誤差 →　測定単位1でブレる。ほぼないと見ていい
    • 時間的なブレ　→　測定単位1でブレる。ほぼないと見ていい
    • 電源電圧の影響　→　測定単位1でブレる。ほぼないと見ていい
  3. 温度応答性
    • 7秒遅れがあるとみなして良い

通信について：1-Wire bus

通信は以下の流れになります。

  1. バスリセット（スレーブの存在確認）
  2. データ送信・受診

バスリセット

マスタ：480us以上LOW　→　スレーブ：60～240usLOWにして返す
image.png

スレーブが存在することを確認します。

データ送受信

スロット時間幅（1bitデータ時間幅）を60～120usとして、HIGH/LOWを使用して送受信する。
image.png

時間定義

image.png

image.png

通信プロトコル

image.png

以下の順にデータを送信します。
1．バスリセット
2. ROMコマンド
3. ファンクションコマンド

コマンド

  • SEARCH ROM →　0xF0
  • READ ROM　→　0x33
  • MATCH ROM　→　0x55
  • SKIP ROM　→　0xCC
  • ALARM SEARCH　→　0xEC
    image.png

信号測定

Arduino側
#include <OneWire.h>
OneWire ds(8);  // This is where DQ of your DS18B20 will connect.
void setup(void) {
  Serial.begin(9600);
  getDeviceAddress();
}



void getDeviceAddress(void) {
  byte i;
  byte addr[8];
  Serial.println("Getting the address...\n\r");
  /* initiate a search for the OneWire object we created and read its value into

    addr array we declared above*/

  while (ds.search(addr)) {
    Serial.print("The address is:\t");
    //read each byte in the address array
    for ( i = 0; i < 8; i++) {
      Serial.print("0x");
      if (addr[i] < 16) {
        Serial.print('0');
      }
      // print each byte in the address array in hex format
      Serial.print(addr[i], HEX);
      if (i < 7) {
        Serial.print(", ");
      }
    }
    // a check to make sure that what we read is correct.
    if ( OneWire::crc8( addr, 7) != addr[7]) {
      Serial.print("CRC is not valid!\n");
      return;
    }
  }
  ds.reset_search();
  return;
}



void loop(void) {

  // do nothing

}

  • センサ接続していないとき
    image.png
    480usLOWに落としている。本来はスレーブがHIGHにして返すため、それがない今はこれ以上の通信は起きない

  • センサを接続すると
    image.png
    image.png
    センサがLOWにすることでバスリセットに返答している。
    image.png
    こんな感じで読み取れる。長＝0，短=1であるため、これはB00001111=0x0F=サーチコマンド
    image.png
    image.png

全部読み解くのは大変

実測:温度測定

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

#define ONE_WIRE_BUS 8 // データ(黄)で使用するポート番号
#define SENSER_BIT    9      // 精度の設定bit 

OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

DeviceAddress temp0 = { 0x28, 0x61, 0x64, 0x0B, 0x4A, 0x1E, 0xED, 0x0F }; //1つ目のDS18B20のアドレス
DeviceAddress temp1 = { 0x28,0xFF,0xDC,0x12,0x86,0x16,0x04,0x9C }; //2つ目のDS18B20のアドレス

void setup(void){   
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) {
  ; // wait for serial port to connect. Needed for native USB port only
  }
  sensors.setResolution(SENSER_BIT);
  delay(1000);
}

void loop(void){
  sensors.requestTemperatures();              // 温度取得要求
  delay(800);
  Serial.println(sensors.getTempC(temp0)); //1つ目のDS18B20から温度の取得、シリアルモニタに表示
  delay(1000);
}

image.png
1.8秒ごとに繰り返す。

温度測定開始コマンドにかかる時間

image.png

約12ms

サンプリング等にかかる時間は分解能によって変わるが、以下の通り。
image.png

測定結果読み込みコマンドにかかる時間

image.png
約34ms（精度によらない、読み込み2byteは変わらないため）

結論

温度測定周期1秒間隔は可能。
分解能を落とせばもう少し可能。

9bit分解能では、以下合計140ms周期が最短である。

  • 測定要求コマンド：12ms
  • サンプリング：94ms
  • 読み込み：34ms

センサの温度変化

熱容量の大きい、室温放置された水にセンサを入れて測定した。測定精度は12bitとした。
測定期間10分：測定回数312回

結果
image.png

標準偏差→0.0287℃

ただし、測定分解能の影響が強いですね。
測定単位1の前後で変化していると見て良さそうです。

<補足>
image.png
センサは$2^{-4} = 0.0625℃$単位で測定しています。

センサ同士の誤差

DS18B20の測定結果＋シンワ製温度計2つの温度を比較した。

結果
シンワ温度計→28.0℃（目視）
image.png
センサ同士にズレはほぼない

センサ電源電圧を変化させても測定単位1でブレる(USB電源3.9Vと外部電源5Vの2パターンで比較)→電源によらない

ちなみに、アドレスはこんな感じ
image.png

温度応答性

温水にセンサを突っ込むことで応答性を確認する。

Arduino
#include <MsTimer2.h>
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define ONE_WIRE_BUS 8 // データ(黄)で使用するポート番号
#define SENSER_BIT    12 // 精度の設定bit 

OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

DeviceAddress temp0 = {0x28, 0x61, 0x64, 0x0B, 0x4A, 0x1E, 0xED, 0x0F};

volatile bool flag_t = false;

void setup(void) {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) {
    ; // wait for serial port to connect. Needed for native USB port only
  }
  sensors.setResolution(SENSER_BIT);
  MsTimer2::set(1000, mejure);
  MsTimer2::start();
  delay(1000);
}
void mejure() {
  flag_t = true;
  sensors.requestTemperatures();
}

void loop(void) {
  if (flag_t == true) {
    flag_t = false;
    delay(800);
    Serial.println(sensors.getTempC(temp0), 5);
  }
}

82℃のお湯に入れたときの応答
image.png

お湯から出したときの応答
image.png

指数関数的に応答していることがわかると思います。

水槽内の温度は$T_{con}$一定であるとして、温度計（熱容量$C[J/K]$,初期温度$T_0$）に対して、伝熱係数$k$,表面積$A$で熱流束$q$で伝熱したと考えられる。

q = kA(T_{con}-T)

温度計の温度は以下の微分方程式に従うといえる。

C \frac{dT}{dt} = q

上記の方程式を解くと

T= -( T_{con} - T_0) e^{- \frac{kA}{C} t} + T_{con}

温度計の応答性を表している時定数$\tau$は以下のように求められると考えられる。

\tau = \frac{C}{kA}

$1-e^{-1} = 63.2%$となる時刻は、
水中では7秒
気中では82秒

気中は伝熱係数が低いからしょうがないが、結構長いね。12倍ぐらいか。

image.png
image.png

熱伝導性は20倍ぐらいある。
伝導だけではなく対流もあるから、なんとも言えないけども。

応答性

水中での時定数が7秒であることから、計測されるまでに7秒遅れがあると考えて良い。
→ 制御周期によっては発振の原因となるため、注意

結論

  1. 最小制御周期 → 1秒周期で可能（センサ自体の熱容量からして、もっと粗くてもいいけど）
  2. 測定結果の精度
    • センサ同士の誤差 →　測定単位1でブレる。ほぼないと見ていい
    • 時間的なブレ　→　測定単位1でブレる。ほぼないと見ていい
    • 電源電圧の影響　→　測定単位1でブレる。ほぼないと見ていい
  3. 温度応答性
    • 7秒遅れがあるとみなして良い
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