Sensormodule und Visuino - Kapitel 3

In diesem Kapitel werden angesprochen

• Auslesen einer Sensor-Adresse bei 1-Wire Betrieb
• DS18B20-Modul (Temperatur, 1-Wire Bus)
• DHT11-Modul (Temperatur, Feuchtigkeit)
• LM34 und TMP36 Sensor (Temperatur) mit Steckbrettaufbau

Module sind immer herstellerspezifisch aufgebaut und können sich deshalb - bei gleicher Namensbelegung - voneinander unterscheiden. Vor dem Aufbau einer Schaltung ist das Studium der zugehörigen Datenblätter deshalb unerlässlich.

Etwas Theorie vorweg

Ein 1-Wire Bus beschreibt eine serielle bidirektionale Schnittstelle (entwickelt von der Fa. Dallas Semiconductor Corp. -> Analog Devices -> Maxim), die mit nur einem Draht, mit einer Datenader (DQ), auskommt, die als Stromversorgung, aber auch als Sende- und Empfangsleitung genutzt wird. Das gilt allerdings nur für 1-Wire Objekte, die über eine eigene Stromversorgung verfügen. Hinzu kommt noch eine Masse-Verbindung, deshalb ist der Begriff 1-Wire etwas irreführend.

Das in den folgenden Übungen benutzte DS18B20-Modul (s. Abb. 1) verfügt über keine eigene Stromversorgung. Der Sensor DS18B20 wird über zwei Leitungen (V_CC und GND) mit Strom versorgt. Die dritte Leitung (1-Wire) dient als Datenleitung. Über einen Pull-up Widerstand zwischen Datenleitung und V_CC  (hier: 4k7 bei 5V Betriebsspannung) wird die Datenleitung auf HIGH gezogen und so die Störanfälligkeit verringert. Als Richtwert gilt, dass mindestens 1mA durch den Pull-up Widerstand fließen soll. Die Datenübertragung erfolgt asynchron (ohne Übertragung eines Taktsignals).

Jeder 1-Wire Sensor besitzt eine einzigartige 64-Bit ROM Adresse über die er über den Datenbus angesprochen werden kann. In Übung 1 wird gezeigt, wie sich die Adresse eines 1-Wire-Sensors (hier: eines DS18B20) auslesen und im Terminalfenster darstellen lässt.

Übung 1 - Auslesen einer 1-Wire-Adresse

1 - Pflichtenheft oder Was soll die Schaltung können?

• Die Adresse eines DS18B20 Sensors des gleichnamigen Moduls wird ausgelesen und im Terminalfenster angezeigt.

2 - Material

• Arduino- oder Arduino kompatibles Board (Ard-Board)
• Steckbrett und Steckdraht (Ma-Ma)
• DS18B20 Modul
• Arduino IDE und Visuino auf dem Rechner bereits installiert

3 - Anschlussbelegung - DS18B20-Modul -> Ard-Board

• G -> GND
• R  -> 3,3V ... 5V -> +5V wg. des Vorwiderstands von 4k7 Ohm
• Y -> D2

Schaltungsaufbau

4 - Objektanordnung

Schritt 1 - Ard-Board festlegen

Starte das Programm Visuino und wähle in der Kopfzeile des Arduino-Blocks über das Werkzeug-Icon ganz rechts das eingesetzte Ard-Board aus.

Schritt 2 - Objekte auswählen

Gib in Filtersuche "ds18b" ein, wähle das Objekt "MAXIM 1 Wire Thermometer" (s. Abb. 3) und ziehe es in die Arbeitsfläche.

Schritt 3 - Objekte verbinden

Verbinde in der Arbeitsfläche die entsprechenden Elemente des Arduino-Blocks mit dem Objekt Thermometer1 (s. Abb. 4):

• Thermometer1 OneWire -> Digital Digital[2]
• Thermometer1 Address -> Serial Serial[0]
• Speicher das Programm ab.

Schritt 4 - Display Elemente und Eigenschaften des DS18B20-Moduls festlegen

• Keine Veränderungen nötig.

Schritt 5 - Kompilieren und Hochladen des Programmcodes

• Öffne unten rechts durch Anklicken des roten Buttons das Arbeitsmenü, klicke den Reiter "Build" und anschließend den Button "Compile/Build and Upload" an. Wenn kein Fehler aufgetreten ist, wird das Programm nach kurzer Zeit in den Controller geladen sein und eine Adresse im Terminalfenster der Arduino IDE ausgegeben (s. Abb. 5). Viel Spaß beim Experimentieren!

Terminalausgabe in der Arduino IDE

Übung 2 - Temperatur messen mit einem DS18B20 Modul (1-Wire)

1 - Pflichtenheft oder Was soll die Schaltung können?

• Mit einem DS18B20 Modul wird die Temperatur ermittelt und auf einem 4-zeiligen LCD I2C Display ausgegeben.

2 - Material

• wie in Übung 1 plus 4-zeiliges LCD I₂C Display

3 - Anschlussbelegung - DS18B20-Modul -> Ard-Board

• wie in Übung 1

     Anschlussbelegung - LCD I2C Display -> Ard-Board

• GND -> GND
• V_CC -> +5V
• SDA -> SDA
• SCL -> SCL

4 - Objektanordnung

Schritt 1 - Ard-Board festlegen

Starte das Programm Visuino und wähle in der Kopfzeile des Arduino-Blocks über das Werkzeug-Icon ganz rechts das eingesetzte Ard-Board aus. Bei mir, wie gehabt, ein Arduino UNO WiFi Rev2.

Schritt 2 - Objekte auswählen

• Gib in Filtersuche "LCD" ein, wähle das Objekt "LCD I2C" (s. Abb. 3) und ziehe es in die Arbeitsfläche.
• Gib in Filtersuche "ds18" ein, wähle das Objekt "Maxim 1-Wire Thermometer" und ziehe es in die Arbeitsfläche (s. Abb. 3).

Schritt 3 - Objekte verbinden

Verbinde in der Arbeitsfläche die entsprechenden Einheiten des Ard-Blocks mit den Objekten LCD1 und Thermometer1 (s. Abb. 5):

• Thermometer1 OneWire -> Digital Digital[2]  Ard-Block
• Thermometer1 Out-> In TextField2 LiquidCrystalDisplay1
• LCD1 Out -> In Serial[0](9600)  Ard-Block
• Speicher das Programm ab.

Elemente eintragen im LiquidChristalDisplay1

• Öffne mit einem Doppelklick im Objekt LCD1 das Fenster Elements.
• Mit einem Doppelklick auf TextField im rechten Fenster kopiere TextField1 ins rechte Fenster. Wiederhole diesen Vorgang noch zweimal.
• Verfahre genauso mit CustomCharacterField (1x) und DefineCustomCharacter (1x) (s. Abb. 6).

• Öffne mit einem Klick im Objekt LCD1 das Fenster Eigenschaften und dort Elements und DefineCustomCharacter1. Klicke rechts in das Feld Pattern und öffne den Pixel-Editor (s. Abb. 7).

Schritt 4 - Eigenschaften der Module LCD und DS18B20 festlegen

• Im Fenster Eigenschaften des DS18B20-Moduls lassen sich folgende Einstellungen vornehmen (s. Abb. 8)..

• Im Fenster Eigenschaften des LCD1-Moduls lassen sich Einstellungen für alle eingetragenen Elemente vornehmen (s. Abb. 9). Versuche selbst eine Lösung zu finden für eine Darstellung auf dem LCD, wie sie Abb. 10 zeigt.

Übung 3 - Temperatur messen mit einem DHT11-Modul

1 - Pflichtenheft oder Was soll die Schaltung können?

• Mit einem DHT11-Modul wird die Temperatur ermittelt und auf einem 4-zeiligen LCD I2C Display angezeigt. Zusätzlich kann in einer weiteren Übung auch die Messung der Feuchtigkeit hinzugenommen werden (wird hier nicht gezeigt).

2 - Material

• Arduino- oder Arduino kompatibles Board (Ard-Board)
• Steckbrett und Steckdraht (Ma-Ma)
• DHT11-Modul
• Arduino IDE und Visuino auf dem Rechner bereits installiert

3 - Anschlussbelegung - DHT11-Modul (s. Abb. 11)  -> Ard-Board

• GND -> GND
• +5V -> 5V
• Data -> D2

     Anschlussbelegung - LCD I2C Display -> Ard-Board

• GND -> GND
• V_CC -> +5V
• SDA -> SDA
• SCL -> SCL

4 - Objektanordnung

Schritt 1 - Ard-Board festlegen

Starte das Programm Visuino und wähle in der Kopfzeile des Arduino-Blocks über das Werkzeug-Icon ganz rechts das eingesetzte Ard-Board aus. Bei mir, wie gehabt, ein Arduino UNO WiFi Rev2.

Schritt 2 - Objekte auswählen

• Gib in Filtersuche "LCD" ein, wähle das Objekt "LCD I2C" (s. Abb. 3) und ziehe es in die Arbeitsfläche.
• Gib in Filtersuche "dht11" ein, wähle das Objekt "Humidity and Thermometer ..." und ziehe es in die Arbeitsfläche.

Schritt 3 - Objekte verbinden

Verbinde in der Arbeitsfläche die entsprechenden Punkte des Ard-Blocks mit den Objekten LCD1 und HumidityThermometer1 (s. Abb. 12):

• HumidityThermometer1 Temperature -> In TextField1  LCD1-Block
• HumidityThermometer1 Humidity(%) -> In TextField2  LCD1-Block
• HumidityThermometer1 Sensor -> Digital Digital[2]  Ard-Block
• LCD1 Out -> In I2C I2C-Channels  Ard-Block
• Speicher das Programm ab.

Schritt 4 - Eigenschaften der Module LCD und DHT11 festlegen

• Im Fenster Eigenschaften des DHT11-Moduls kann von °C (Voreinstellung) auf Fahrenheit umgeschaltet werden..
• Ähnlich wie in Schritt 4 der Übung 2 lassen sich die Eigenschaften der Elemente des Objekts LCD verändern. Ggf. sollte dort noch einmal nachgeschaut werden.
• Die LCD-Ausgabe kann wie in Abb. 10 gestaltet sein oder - als kleine Übung - wie in Abb. 13, mit Angabe von Temperatur und rel. Feuchte(%).

Ausgabe der Messwerte auf einem LCD

Übung 4 und 5 - Temperatur messen mit einem LM34 und TMP36 GZ

Etwas Theorie vorweg

Bei der LM34/35-Serie handelt es sich um Präzisions-Temperatursensoren mit integrierten Schaltkreisen, deren Ausgangsspannung linear proportional zur Fahrenheit-Temperatur ist.

Eigenschaften (Auszug aus dem Datenblatt des LM34)

Linearer Skalierungsfaktor: +10,0 mV/°F

Genauigkeit         : 1,0 °F (bei +23 °C)

Messbereich       : -50°F ... +300°F

Stromaufnahme   : < 90 μA

Eigenschaften (Auszug aus dem Datenblatt des TMP36)

Linearer Skalierungsfaktor: +10,0 mV/°C

Genauigkeit         : +/-1,0 °C (bei +25 °C)

Messbereich       : -40°C ... +125°C

Stromaufnahme   : < 50 μA

Bevor die Temperatur in Celsius angeben werden kann, muss zunächst die analoge Ausgangsspannung U_F bestimmt werden. Es gilt:

• U_F verhält sich zu 5V wie U_Rohwert zu 1024 (wg. 10-Bit ADC)

Die Ausgangsspannung U_F errechnet sich bei einer Referenzspannung von 5V dann über die Gleichung:

• U_F = U_Rohwert * 5/1024 V  oder  U_F = U_Rohwert * 488.28125 mV (1)

• Bei meinen Versuchen betrug die Referenzspannung 4,77V, deshalb ändert sich der Faktor in (1) bei meinen Berechnungen auf 465,82031.

Der Wert von U_F in der Einheit mV gibt gleichzeitig die Temperatur in °F bei einem LM34 an, wenn man ihn mit 100 multipliziert.

Mithilfe der Gleichung

• U_C = (U_F - 32) * 0,556  (2)

lässt sich der Temperaturwert U_F auf einen Wert in °C umrechnen.

1 - Pflichtenheft oder Was soll die Schaltung können?

• Mit einem LM34 werden die Rohdaten aufgenommen, dann in Grad Fahrenheit und schließlich in Grad Ceslsius umgerechnet und die jeweiligen Ergebnisse auf einem 4-zeiligen LCD I2C Display angezeigt.
• Der LM34 und der TMP36 sind pinkompatibel. Tausche sie aus. Die Anpassung der Blöcke mit ihren Elementen und Eigenschaften (wird hier nicht mehr gezeigt) müssen selbst durchgeführt werden.

2 - Material

• siehe Übung 3; statt DHT11 wird zuerst ein LM34 genommen. Wenn das Ergebnis aus dem Pflichtenheft erreicht wurde, kann der LM34 gegen einen TMP36 ausgetauscht und die entsprechenden Blöcke mit ihren Eigenschaften unter Visuino angepasst werden.

3 - Anschlussbelegung - LM34 bzw. TMP36 (s. Abb. 14)  -> Ard-Board

• GND -> GND
• +5V -> 5V
• Data -> A0

     Anschlussbelegung - LCD I2C Display -> Ard-Board

• siehe Übung 3

4 - Objektanordnung

Schritt 1 - Ard-Board festlegen

Starte das Programm Visuino und wähle in der Kopfzeile des Arduino-Blocks über das Werkzeug-Icon ganz rechts das eingesetzte Ard-Board aus. Bei mir, wie gehabt, ein Arduino UNO WiFi Rev2.

Schritt 2 - Objekte auswählen

• Gib in Filtersuche "LCD" ein, wähle das Objekt "LCD I2C" (s. Abb. 3) und ziehe es in die Arbeitsfläche.

Schritt 3 - Objekte verbinden

Verbinde in der Arbeitsfläche die entsprechenden Elemente des Ard-Blocks mit dem Objekt LCD1 (s. Abb. 15). Füge vorher in LCD1 die Elemente TextField1 und AnalogField1 ein:

• LCD1 Out -> In I2C I2C-Channels  Ard-Block
• Speicher das Programm ab.

Schritt 4 - Eigenschaften der Elemente im Fenster Eigenschaften festlegen

• TextField1 Einstellungen

• AnalogField1.Einstellungen

Ausgabe der Rohdaten auf einem LCD I2C

Rohdaten in °F umrechnen

Dazu muss die Blockschaltung aus Abb. 15 um einen Baustein erweitert werden, der den  Rohwert mit einem festen Zahlenwert 488.28125 (s. Formel (1)) vor der Ausgabe auf dem LCD  multipliziert.

• Gib in Filtersuche "multiply" ein, wähle aus dem Fenster "analog" das Objekt "Multiply Analog By Value" (s. Abb. 18) und ziehe es in die Arbeitsfläche.

• Ergänze die Objektanordnung (s. Abb. 15) wie in Abb. 19 gezeigt und gib im Fenster Eigenschaften des Objektes MultiplyByValue im Feld Value den Wert 488.28125 ein. Speichere das Programm ab.

Datenausgabe auf einem LCD I2C

• Zur Darstellung der Temperatur in °C wird Formel (2) benutzt. Dazu muss der Block AddValue1 in die Blockstruktur eingefügt (s. Abb. 22) und die Eigenschaft entsprechend Formel (2) eingetragen werden.
• Es müssen weitere Elemente in den Block LCD1 eingetragen und im Fenster  Eigenschaften des Objektes LCD1 entsprechend angepasst werden (s. Abb. 22).
• Nach Abspeichern der Objektanordnung und Starten des Programms werden auf dem LCD I2C die Rohdatenmesswerte und die daraus errechnete Temperatur angezeigt (s. Abb. 21):

Anpassung des Visuino Programms für einen TMP36 Sensor

Nachdem das Pflichtenheft für einen LM34 erfüllt wurde, wird der LM34 gegen einen pinkompatiblen TMP36 getauscht. Die Anpassung der Blöcke und Elemente mit ihren Eigenschaften (s. Abb. 23 - 25) erfolgt nach den gleichen Methoden, wie in den vorherigen Übungen bereits gezeigt. Das Ergebnis mit einem TMP36 könnte auf einem LCD I2C dann so aussehen (s. Abb. 26):

240420