在线温度计：Arduino与温度传感器的完美结合

### 在线温度计：Arduino 与温度传感器的完美结合 #### 1. 项目概述 Arduino 是数据采集和记录系统的理想组件，尤其是在家庭自动化领域，温度传感器的应用十分广泛。通过将 Arduino 与多个 DS18B20 温度传感器相结合，我们可以在家庭或办公室的各个角落安装传感器，并通过网页浏览器实时获取温度报告。这些读数还可以随时间记录和绘图，帮助我们了解家庭供暖或制冷系统的效果，以及在气候条件变化时家庭温度的保持情况。此外，这些信息还可以作为控制系统的反馈，用于控制主动加热或冷却设备，或者触发伺服电机或线性执行器来打开和关闭窗户及被动通风系统。 #### 2. 所需部件 | 部件名称 | 数量 | | --- | --- | | Arduino Duemilanove、Arduino Pro、Seeeduino 或等效型号 | 1 | | Seeed Studio 以太网扩展板或 nuElectronics 以太网扩展板（带原型开发板） | 1 | | DS18B20 Dallas 1 - 线温度传感器（注意：非 DS18S20） | 6 | | 4K7 1/4W 电阻 | 6 | | PCB 安装 3 针公接头 | 6 | | 引线安装 3 针母接头 | 6 | | 双绞线电缆或报警电缆（至少 3 根导体） | 适量 | 源代码可从 www.practicalarduino.com/projects/online - thermometer 下载。 #### 3. 以太网扩展板选择 在众多 Arduino 以太网适配器中，我们选择了 Seeed Studio 以太网扩展板。原因在于其设计者意识到，大多数为 Arduino 添加以太网功能的用户还希望添加其他自定义部件。其他以太网扩展板通常会浪费大量的扩展板面积，而 Seeed Studio 扩展板将以太网电路集中在板的一端，剩余空间则提供了一个原型开发区域，并且将所有 Arduino I/O 引脚引出到边缘的焊盘上，方便用户使用。 然而，该扩展板也有一些不足之处。它基于 NuElectronics 以太网扩展板的设计，需要使用 NuElectronics 的 etherShield 库。与官方 Arduino 以太网库不同，etherShield 库会暴露大量 TCP/IP 的细节，使得 Arduino 程序难以理解。此外，常见的下载版本（v1.0）在区分大小写的文件系统（如大多数 Linux 机器）上存在 bug，不过可以从 Practical Arduino 网站下载更新版本（v1.1）。 该项目的示例代码仅适用于 Seeed Studio 和 NuElectronics 扩展板，不适用于基于“官方”设计的以太网扩展板。但修改后的适用于官方扩展板的代码也可从 Practical Arduino 网站下载。如果使用其他扩展板，可能需要在以太网扩展板上再安装一个原型开发板来组装项目。 #### 4. 扩展板设置 - **安装 PCB 插头**：为了方便测试扩展板，我们使用插头和插座来连接外部设备，如 DS18B20 温度传感器。我们在原型上使用了 3 针 PCB 安装接头，因为它们价格便宜，占用扩展板空间小，并且只能以一种方式插入，避免了传感器插反的问题。Seeed Studio 以太网扩展板有足够的空间安装六个接头，甚至可以安装多达 10 个。需要注意的是，Arduino 的模拟输入引脚（0 - 5）也可以作为数字 I/O 引脚使用，对应数字引脚 14 - 19。例如，要将模拟引脚 3 用作数字输入，可以使用以下代码： ```cpp pinMode(17, INPUT); ``` - **连接 +5V 和 GND**：在扩展板上焊接好接头后，使用单芯电缆将所有 +5V 连接在一起，然后连接到扩展板的 +5V 引脚。同样，将所有接地连接在一起，然后连接到扩展板的 GND 引脚。 - **连接数据线**：使用单芯电缆将每个接头的中心（数据）引脚连接到对应的数字 I/O 线。具体分配如下： | 传感器 | 数字 I/O 引脚 | | --- | --- | | 传感器 A | 3 | | 传感器 B | 4 | | 传感器 C | 5 | | 传感器 D | 6 | | 传感器 E | 7 | | 传感器 F | 8 | 由于引脚 0 和 1 用于与主机的串行连接（USB），引脚 2 被以太网扩展板用于与 Arduino 通信，因此我们从数字引脚 3 开始连接。 #### 5. 传感器组装 - **测试传感器组装**：为了在实验台上测试系统，我们将一个 DS18B20 直接安装到一个接头上，然后将其插入扩展板。每个 DS18B20 需要在数据和 +5V 引脚之间连接一个 4k7 电阻。安装时要注意引脚方向，确保传感器正确对齐扩展板上的引脚分配。 - **长引线传感器组装**：对于需要安装在远处的传感器，可以使用各种类型的电线，如双绞线电缆或立体声屏蔽电缆。但要注意，长距离的屏蔽电缆可能会产生电容，干扰数字数据传输。我们还将 4k7 电阻安装在接头的背面，这样另一端只需要连接传感器本身即可。如果传感器要安装在恶劣环境中，可以在引线和连接点上涂抹硅胶，但要确保大部分传感器主体暴露在外，以便快速感知环境温度变化。 #### 6. 程序加载 该项目的示例程序将 Arduino 作为一个简单的 Web 服务器运行，响应网页请求并返回包含当前传感器读数的页面。不过，在深入了解代码细节之前，需要注意一些限制： - **响应大小限制**：由于该程序基于 etherShield 库，不支持数据包分段，因此返回的网页必须适合单个数据包，否则将无法正常工作。示例程序将 TCP 缓冲区限制为 500 字节，但你可以尝试其他值。 - **路由限制**：etherShield 库没有提供指定网关或子网掩码的功能，因此没有路由概念。无法在程序中配置网关地址并发起与外部网络主机的 TCP/IP 连接，但如果网关进行源 NAT（网络地址转换），Arduino 可以响应来自外部网络的请求。 以下是示例程序的部分代码： ```cpp #include "etherShield.h" // 修改以下两行以适应你的本地网络配置。MAC 和 IP 地址在你的局域网中必须唯一： static uint8_t myMac[6] = {0x54,0x55,0x58,0x10,0x00,0x24}; static uint8_t myIp[4] = {192,168,1,15}; static char baseurl[] = "http://192.168.1.15/"; static uint16_t myPort = 80; // Listen port for tcp/www (range 1-254) // Set up variables for the TCP/IP buffer #define BUFFER_SIZE 500 static uint8_t buf[BUFFER_SIZE+1]; #define STR_BUFFER_SIZE 22 static char strbuf[STR_BUFFER_SIZE+1]; // Create an instance of the EtherShield object named "es" EtherShield es=EtherShield(); // Prepare the web page by writing the data to the TCP send buffer uint16_t print_webpage(uint8_t *buf); int8_t analyse_cmd(char *str); // Specify data pins for connected DS18B20 temperature sensors #define SENSOR_A 3 #define SENSOR_B 4 #define SENSOR_C 5 #define SENSOR_D 6 #define SENSOR_E 7 #define SENSOR_F 8 void setup() { /*initialize enc28j60*/ es.ES_enc28j60Init(myMac); // Change clkout from 6.25MHz to 12.5MHz es.ES_enc28j60clkout(2); delay(10); /* Magjack leds configuration, see enc28j60 datasheet, page 11 */ // LEDA=green LEDB=yellow // 0x880 is PHLCON LEDB=on, LEDA=on es.ES_enc28j60PhyWrite(PHLCON, 0x880); delay(500); // 0x990 is PHLCON LEDB=off, LEDA=off es.ES_enc28j60PhyWrite(PHLCON, 0x990); delay(500); // 0x880 is PHLCON LEDB=on, LEDA=on es.ES_enc28j60PhyWrite(PHLCON, 0x880); delay(500); // 0x990 is PHLCON LEDB=off, LEDA=off es.ES_enc28j60PhyWrite(PHLCON, 0x990); delay(500); // 0x476 is PHLCON LEDA=links status, LEDB=receive/transmit es.ES_enc28j60PhyWrite(PHLCON, 0x476); delay(100); //init the ethernet/ip layer: es.ES_init_ip_arp_udp_tcp(myMac, myIp, myPort); // Set up the data pins for communication with DS18B20 sensors digitalWrite(SENSOR_A, LOW); pinMode(SENSOR_A, INPUT); digitalWrite(SENSOR_B, LOW); pinMode(SENSOR_B, INPUT); digitalWrite(SENSOR_C, LOW); pinMode(SENSOR_C, INPUT); digitalWrite(SENSOR_D, LOW); pinMode(SENSOR_D, INPUT); digitalWrite(SENSOR_E, LOW); pinMode(SENSOR_E, INPUT); digitalWrite(SENSOR_F, LOW); pinMode(SENSOR_F, INPUT); } void loop(){ uint16_t plen, dat_p; int8_t cmd; plen = es.ES_enc28j60PacketReceive(BUFFER_SIZE, buf); /*plen will ne unequal to zero if there is a valid packet (without crc error) */ if(plen!=0) { // arp is broadcast if unknown but a host may also verify the mac address by sending it to a unicast address. if (es.ES_eth_type_is_arp_and_my_ip (buf,plen)) { es.ES_make_arp_answer_from_request (buf); return; } // check if ip packets are for us: if (es.ES_eth_type_is_ip_and_my_ip (buf,plen) == 0) { return; } if (buf[IP_PROTO_P]==IP_PROTO_ICMP_V && buf[ICMP_TYPE_P]==ICMP_TYPE_ECHOREQUEST_V) { es.ES_make_echo_reply_from_request (buf,plen); return; } // tcp port www start, compare only the lower byte if (buf[IP_PROTO_P] == IP_PROTO_TCP_V && buf[TCP_DST_PORT_H_P] == 0 && buf[TCP_DST_PORT_L_P] == myPort) { if (buf[TCP_FLAGS_P] & TCP_FLAGS_SYN_V) { es.ES_make_tcp_synack_from_syn (buf); // make_tcp_synack_from_syn does already send the syn,ack return; } if (buf[TCP_FLAGS_P] & TCP_FLAGS_ACK_V) { es.ES_init_len_info (buf); // init some data structures dat_p = es.ES_get_tcp_data_pointer(); if (dat_p==0) { // we can possibly have no data, just ack: if (buf[TCP_FLAGS_P] & TCP_FLAGS_FIN_V) { es.ES_make_tcp_ack_from_any (buf); } return; } if (strncmp ("GET ", (char *) & (buf[dat_p]), 4) != 0) { // head, post, and other methods for possible status codes see: // http://www.w3.org/Protocols/rfc2616/rfc2616-sec10.html plen = es.ES_fill_tcp_data_p (buf,0,PSTR ("HTTP/1.0 200 OK\r\nContent-Type: text/html\r\n\r\n<h1>200 OK</h1>")); goto SENDTCP; } if (strncmp("/ ", (char *) & (buf[dat_p+4]), 2) == 0){ plen = print_webpage (buf); goto SENDTCP; } cmd = analyse_cmd ((char *) & (buf[dat_p+5])); if (cmd == 1){ pl ```