การตรวจวัดอุณหภูมิด้วยไอซีดิจิตอลเบอร์ DS1820

1. แนะนำไอซีเบอร์ DS1820

ไอซีดิจิตอลเบอร์ DS1820 เป็นเซนเซอร์วัดอุณหภูมิที่มีข้อมูลขนาด 9 บิตเพื่อแสดงค่าอุณหภูมิของไอซี สามารถเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านมาตรฐานการเชื่อมต่อแบบ 1-wire^TM ซึ่งใช้สายในการเชื่อมต่อข้อมูลเพียงเส้นเดียวร่วมกับกราวด์และไฟเลี้ยง สามารถอ่าน เขียน และแปลงค่าอุณหภูมิโดยใช้คำสั่งผ่านสายเส้นเดียวกันกับข้อมูลได้โดยไม่จำเป็นต้องใช้ไฟเลี้ยงจากภายนอก

เนื่องจากไอซี DS1820 ที่ผลิตออกแต่ละตัวมีเลขประจำตัวเฉพาะ ทำให้สามารถเชื่อมต่อบนสายข้อมูลเส้นเดียวกันได้หลายตัว ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในงานด้านการตรวจวัดในบริเวณต่างๆ ได้อย่างหลากหลาย อาทิเช่น ในงานด้านการควบคุมความร้อน การระบายอากาศ ระบบปรับอากาศ เซนเซอร์วัดอุณหภูมิภายในอาคาร ติดตั้งกับเครื่องจักรกล และในกระบวนการที่มีการตรวจสอบอุณหภูมิตลอดเวลา เป็นต้น

รูปที่ 1 การจัดเรียงขาของไอซีตรวจวัดอุณหภูมิเบอร์ DS1820

 2. วงจรการเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์

การเชื่อมต่อจะใช้สายข้อมูลเพียงเส้นเดียวต่อเข้ากับ พอร์ตอินพุตเอาท์พุทของไมโครคอนโทรลเลอร์ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 การเชื่อมต่อไอซีตรวจวัดอุณหภูมิเบอร์ DS1820 กับไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล AVR เบอร์ATtiny2313

3. การพัฒนาโปรแกรม

          ในส่วนนี้เป็นการอธิบายขั้นตอนการพัฒนาโปรแกรมเพื่ออ่านและเขียนค่า สำหรับเชื่อมต่อไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล AVR กับเซนเซอร์ตรวจวัดอุณหภูมิ โดยไม่กล่าวถึงขั้นตอนการพัฒนาโปรแกรมที่เป็นพื้นฐาน สำหรับการแสดงผลของอุณหภูมิที่วัดได้นั้น จะแสดงผ่านหน้าจอเทอร์มินอลมอนิเตอร์ ซึ่งเป็น ส่วนเพิ่มขยายของ Atmel Studio 6.0 เบื้องต้นจะกล่าวถึงการเชื่อมต่อในกรณีที่มีเซนเซอร์ต่ออยู่กับสายข้อมูลเพียงเส้นเดียวก่อนเท่านั้น

3.1 การจัดการเรื่องเวลา

          เนื่องจากการเชื่อมต่อกับเซนเซอร์ใช้เพียงสายเส้นเดียว จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่ต้องทำให้ช่วงจังหวะเวลาในการอ่านหรือเขียนค่านั้นมีความแม่นยำ โดยในแต่ละช่วงเวลาอ่านเขียนนั้น จะมีการอธิบายอย่างชัดเจนในเอกสารอธิบายข้อมูลของไอซี และพบว่าต้องมีความแม่นยำในระดับไมโครวินาทีเลยทีเดียว ซึ่งมีค่าน้อยมากเลยทีเดียว ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเข้าใจในระดับหนึ่งเรื่องฐานเวลาเพื่อนำมาจัดการให้ได้ช่วงเวลาที่ต้องการอย่างแม่นยำ

          สำหรับ Atmel Studio 6.0 มีการเตรียมไลบรารีเรื่องหน่วงเวลา ซึ่งสามารถนำมาใช้ได้เลยคือ delay.h โดยภายในจะมีฟังก์ชันการหน่วงเวลาที่มีความแม่นยำในระดับ ไมโครวินาที (_delay_us()) และ มิลลิวินาที (_delay_ms()) ไว้ให้ใช้งาน แต่ต้องมีการเพิ่มเข้ามาในส่วนเริ่มต้นของโปรแกรม และกำหนดความถี่เริ่มต้นของระบบที่นำมาใช้ ก่อนที่จะเรียกใช้งาน ดังนี้

#define F_CPU 12000000UL          //define CPU clock

#include <util/delay.h>           //include delay library

ทั้งนี้ ต้องกำหนดตัวแปร F_CPU ก่อนเป็นอันดับแรกเพื่อให้ได้ฐานเวลาที่ตรงกับผู้ใช้งานจริง โดยในที่นี้กำหนดความถี่ที่ใช้เป็น 12MHz แต่ถ้าผู้เขียนโปรแกรมไม่มีการกำหนดค่าดังกล่าวนี้ ไลบรารีจะกำหนดเองซึ่งจะมีค่าปกติเท่ากับ 1MHz และสามารถเรียกใช้งานได้ดังนี้ เมื่อต้องการหน่วงเวลา 480 ไมโครวินาที

_delay_us(480);      // if we want to make 480 us delay

          3.2 การเริ่มต้นเชื่อมต่อข้อมูล

          สิ่งแรกที่ต้องทำก่อนการรับส่งข้อมูลจำเป็นต้องมีการขั้นตอนการในการเริ่มต้นหรือรีเซตค่าอุปกรณ์เพื่อให้พร้อมสำหรับการรับส่ง ในขั้นตอนนี้ประกอบไปด้วยรีเซตพัลส์ที่ถูกส่งมาจากตัวไมโครคอนโทรลเลอร์ซึ่งเป็นมาสเตอร์ และตามด้วยพัลส์ตอบสนองจากอุปกรณ์ซึ่งเป็นไอซีตรวจวัดอุณหภูมิ ดังแสดงตามแผนผังเวลาในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แผนผังเวลาสำหรับกระบวนการเริ่มต้นรับส่งข้อมูล

จากรูปที่ 3 พบว่ามาสเตอร์ส่งค่าเพื่อทำให้สายข้อมูลมีค่าเป็นศูนย์เป็นระยะเวลาอย่างน้อย 480 ไมโครวินาที และตามด้วยการคืนค่าสายข้อมูล ถัดจากนั้น 15-60 ไมโครวินาที ตัวอุปกรณ์ที่เป็นไอซีตรวจวัดอุณหภูมิก็จะทำให้สายข้อมูลมีค่าเป็นศูนย์เป็นเวลา 60-240 ไมโครวินาที ซึ่งเรียกว่าพัลส์ตอบสนอง โดยในส่วนหลังนี้ก็ใช้เวลา 480 ไมโครวินาที เช่นกัน เมื่อใช้ PORTD PIND6 จะสามารถนำมาเขียนเป็นโปรแกรมได้ดังนี้

uint8_t reset()                                

{

       uint8_t i;

       PORTD &= ~(1 << PIND6);    //Pull line low and wait for 480 us

       DDRD |= (1<<PIND6);

       _delay_us(480);                         

      

       DDRD &= ~(1 << PIND6);     //Release line and wait for 60us

       _delay_us(60);

      

i = (PORTD &(1<<PIND6));   //Store line value and wait until the //completion of 480us period

       _delay_us(420);

      

return i;                  //Return the value read from the //presence pulse (0 is OK & 1 is WRONG)

}

3.3 การเขียนและอ่านค่าข้อมูล

          ในส่วนนี้เป็นการเขียนฟังก์ชันเพื่อเขียนและอ่านค่าข้อมูลลงบนสายข้อมูลทีละบิตก่อน จากนั้นจึงเขียนฟังก์ชันเพื่อเขียนและอ่านค่าข้อมูลเป็นไบต์โดยเรียกใช้ฟังก์ชันก่อนหน้า

          3.3.1 การอ่านและเขียนค่าทีละบิต

          พิจารณาจากแผนผังเวลาในเอกสารอธิบายรายละเอียดอุปกรณ์ดังในรูปที่ 4

รูปที่ 4 แผนผังเวลาการอ่านและเขียนข้อมูลแต่ละบิต

ในการเขียนค่า เริ่มต้นด้วยการเขียนค่าให้สายข้อมูลเป็นลอจิกต่ำและถ้าต้องเขียนค่าเป็นศูนย์ก็ให้คงสถานะลอจิกต่ำไว้นาน 60 ไมโครวินาที แต่ถ้าต้องการเขียนค่าหนึ่ง ให้คืนสถานะของสายข้อมูลหลังจากเป็นลอจิกต่ำอยู่ 1 ไมโครวินาที ซึ่งจะได้ฟังก์ชันการเขียนค่าข้อมูลทีละบิตดังนี้

void write_bitdata(uint8_t bitData)            

{

       PORTD &= ~(1 << PIND6);           //Pull line low for 1 us

       DDRD |= (1 << PIND6);

       _delay_us(1);

      

if(bitData) DDRD &= ~(1 << PIND6);

//release the line if Bit = 0 and //write 1 if Bit = 1

      

       _delay_us(60);                    //wait for 60 uS and release line

              DDRD &= ~(1 << PIND6);

}

ในทางตรงกันข้าม สำหรับการอ่านค่าข้อมูลจะดูเหมือนคล้ายกันแต่ต่างกันเล็กน้อย โดยจะเริ่มด้วยการทำให้สายข้อมูลเป็นลอจิกต่ำ 1 ไมโครวินาที จากนั้นคืนค่าสายข้อมูลและรอเป็นเวลา 14 ไมโครวินาที ดังแสดงตามแผนผังเวลาในรูปที่ 4 หลังจากนั้นก็สามารถอ่านค่าข้อมูลบนสายข้อมูลได้ โดยจะมีค่าเป็นลอจิกสูงถ้าอุปกรณ์ส่งค่า 1 ออกมา และจะมีค่าเป็นลอจิกต่ำถ้าอุปกรณ์ส่งค่า 0 ออกมา ซึ่งจะต้องหน่วงเวลารอ 45 ไมโครวินาที เพื่อให้ครบ 60 ไมโครวินาที ซึ่งจะได้ฟังก์ชันการอ่านค่าข้อมูลทีละบิตดังนี้

uint8_t read_bitdata(void)

{

       uint8_t bit = 0;

      

              PORTD &= ~(1 << PIND6);    //Pull line low for 1 us

              DDRD |= (1 << PIND6);

              _delay_us(1);

             

              DDRD &= ~(1 << PIND6);     //release line and wait for 1 us

              _delay_us(14);

             

              if (PIND&(1<<PIND6)) bit =1;      //read line value

             

              _delay_us(45);       //wait for 45 us and return read value

              return bit;

      

}

3.3.2 การอ่านและเขียนค่าทีละไบต์

เนื่องจากได้สร้างฟังก์ชันเขียนและอ่านค่าทีละบิตไว้แล้ว การที่จะอ่านค่าเป็นไบต์ก็ทำได้โดยง่ายเพียงวนลูป 8 ครั้งแล้วเขียนค่าออกไป หรืออ่านค่าเข้ามาเก็บไว้ในตัวแปร ดังแสดงในฟังก์ชันต่อไปนี้

void write_bytedata(uint8_t byte)

{

       uint8_t i = 8;

       while (i--)

       {

write_bitdata(byte &1);    //write bit and shift one position //for next write

              byte >>=1;

       }

}

uint8_t read_bytedata()

{

       uint8_t i = 8, n = 0;

      

       while(i--)

       {

              n>>=1;        //shift one position right and store read value

              n|=(read_bitdata()<<7);

       }

       return n;

}

3.5 ชุดคำสั่ง

          เมื่อสามารถเขียนอ่านข้อมูลได้แล้ว สิ่งต่อไปที่ควรทราบก็คือ ชุดคำสั่ง ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ว่าเราต้องการให้อุปกรณ์ตรวจวัดอุณหภูมิของเราทำอะไร ซึ่งแสดงได้โดยสรุปดังตารางที่ 1

ตารางที่ 1 สรุปรายละเอียดของชุดคำสั่งสำหรับ DS1820

ชุดคำสั่ง	รหัสคำสั่ง	คำอธิบาย
ชุดคำสั่งสำหรับรอม
Search ROM	0xF0	สำหรับระบุตัวตนหรือรหัสรอมของ DS1820 แต่ละตัว เพื่อตรวจสอบจำนวนอุปกรณ์ทั้งหมดที่เชื่อมต่ออยู่กับสายข้อมูล
Read ROM	0x33	มีผลเช่นเดียวกันกับ Search ROM เพียงแต่สามารถใช้ได้ในกรณีมีอุปกรณ์เพียงตัวเดียวเท่านั้น ถ้าใช้ในอุปกรณ์เชื่อมต่ออุปกรณ์หลายต่อจะให้ข้อมูลซ้อนทับกัน
Match ROM	0x55	ใช้ร่วมกับรหัสรอม 64 บิต เพื่อระบุว่ามาสเตอร์จะติดต่อกับอุปกรณ์ลูกตัวไหน โดยที่ตัวรหัสรอมตรงกันเพียงตัวเดียวเท่านั้นในสายข้อมูลที่จะตอบสนองกลับ ตัวอื่นจะรอกระบวนรีเซต
Skip ROM	0xCC	ใช้ระบุอุปกรณ์ทุกตัวที่เชื่อมต่ออยู่กับสายข้อมูล ซึ่งใช้ในกรณีต้องการส่งคำสั่งแปลงค่า ในระบบที่มีอุปกรณ์เชื่อมต่อเพียงตัวเดียว
Alarm Search	0xEC	คล้ายกับ Search ROM เพียงแต่อุปกรณ์จะตอบสนองโดยการเซตค่าแจ้งเตือน
ชุดคำสั่งกำหนดหน้าที่
Convert T	0x44	คำสั่งแปลงเริ่มแปลงค่าอุณหภูมิ ซึ่งจะเก็บค่าไว้ที่สองไบต์แรกของ หน่วยความจำ Scratchpad ถ้ามีการอ่านค่าขณะทำการแปลงค่าไม่เสร็จจะทำให้สายข้อมูลมีสถานะเป็นลอจิกต่ำ และแสดงสถานะเป็นลอจิกสูงถ้ากระบวนการแปลงค่าเสร็จสิ้นแล้ว
Write Scratchpad	0x4E	มาสเตอร์เขียนค่าไปที่ หน่วยความจำ 3 ตัว คือ TH TL และ หน่วยความจำสำหรับปรับตั้งค่า (Configuration register)
Read Scratchpad	0xBE	ทำการอ่านค่าจาก Scratchpad ซึ่งมีทั้งหมด 9 ไบต์โดยจะให้ค่าบิตนัยสำคัญต่ำสุดออกมาก่อน ซึ่งสามารถรีเซตได้ตลอดเวลา ถ้าไม่ต้องการอ่านค่าทุกไบต์
Copy Scratchpad	0x48	คัดลอกหน่วยความจำ 3 ตัว คือ TH TL และ หน่วยความจำสำหรับปรับตั้งค่า (Configuration register) ไปที่ EEPROM
Recall E2	0xB8	เรียกคืนค่าหน่วยความจำ 3 ตัว คือ TH TL และ หน่วยความจำสำหรับปรับตั้งค่า (Configuration register) จาก EEPROM
Read Power Supply	0xB4	สำหรับเป็นตัวบ่งชี้ว่าอุปกรณ์เชื่อมต่อใช้แหล่งจากไฟจากภายนอกหรือใช้แบบพาราสิทเพาเวอร์ ถ้าเป็นแบบพาราสิทเพาเวอร์อุปกรณ์เชื่อมต่อจะทำให้สายข้อมูลมีสถานะเป็นลอจิกต่ำหลังจากใช้คำสั่งแต่ถ้าไม่จะให้สถานะเป็นลอจิกสูง

3.6 การอ่านค่าอุณหภูมิ

          ข้อมูลแสดงค่าอุณหภูมิของ DS1820 ถูกเก็บอยู่ใน 2 ไบต์แรกของหน่วยความจำ Scratchpad ซึ่งมีทั้งหมด 9 ไบต์ ประกอบด้วยส่วนต่างๆ ดังแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 แผนที่หน่วยความจำ Scratchpad ของ DS1820

          ข้อมูลอุณหภูมิมีขนาด 16 บิต 2 คอมพลีเมนต์แบบมีเครื่องหมาย ในตารางที่ 1 แสดงความสัมพันธ์ของค่าข้อมูลทั้งสองไบต์กับค่าอุณหภูมิที่วัดได้ โดยข้อมูลจะส่งผ่านสายข้อมูล ซึ่งสามารถวัดอุณหภูมิได้ในช่วง -55 ถึง 125 องศาเซลเซียส ความละเอียด 0.5 องศาเซลเซียส ต่อหนึ่งบิตดิจิตอล (สามารถเพิ่มความละเอียดเป็น 0.25 องศาเซลเซียสได้ รายละเอียดในเอกสารแสดงรายละเอียดของ DS1820)

ตารางที่ 2 ความสัมพันธ์ระหว่างค่าข้อมูลกับค่าอุณหภูมิ

Temperature (oC)	Digital Output (Binary)	Digital Output (Hex)
+125	00000000 11111010	00FA
+25	00000000 00110010	0032
+0.5	00000000 00000001	0001
+0	00000000 00000000	0000
-0.5	11111111 11111111	FFFF
-25	11111111 11001110	FFCE
-50	11111111 10010010	FF92

          ดังนั้นในการอ่านค่าอุณหภูมิ สามารถทำได้โดยการตรวจสอบข้อมูลในไบต์สูงว่ามีค่าเป็น 0 หรือ 1 ถ้าเป็น 0 อุณหภูมิที่ได้จะมีค่าเป็นบวกและมีค่าอุณหภูมิเท่ากับค่าของข้อมูลในไบต์ต่ำ (LSB) คูณด้วย 0.5 แต่ถ้ามีค่าเป็น 1 อุณหภูมิที่ได้จะมีค่าเป็นลบและมีค่าอุณหภูมิเท่ากับ การทำ 2 คอมพลีเมนต์ของข้อมูลในไบต์ต่ำ

4. โปรแกรมอ่านค่าข้อมูลและแสดงผล

          ในที่นี้จะกล่าวถึงการอ่านค่าข้อมูลสำหรับการเชื่อมต่อ DS1820 ในสายข้อมูลเพียง 1 ตัว โดยมีลำดับการเขียนและอ่านข้อมูล ดังแสดงในตารางที่ 3

ตารางที่ 3 ลำดับการแปลงค่าข้อมูลและการอ่านค่าอุณหภูมิ

Master mode	Data (LSB first)	รายละเอียด
ส่ง	รีเซต	พัลส์รีเซต
รับ	ตอบสนอง	พัลส์ตอบสนอง
ส่ง	CCh	คำสั่ง Skip ROM
ส่ง	44h	คำสั่งแปลงค่าอุณหภูมิ
รับ	ข้อมูล 1 ไบต์	อ่านค่าข้อมูลเพื่อตรวจสอบว่าการแปลงค่าเรียบร้อยหรือไม่ โดย 0 ยังไม่เสร็จ 1 เสร็จสมบูรณ์
ส่ง	รีเซต	พัลส์รีเซต
รับ	ตอบสนอง	พัลส์ตอบสนอง
ส่ง	CCh	คำสั่ง Skip ROM
ส่ง	BEh	คำสั่งอ่านค่าข้อมูลใน Scratchpad
รับ	ข้อมูล 9 ไบต์	ข้อมูลทั้งหมด 9 ไบต์ ถูกส่งออกมาบนสายข้อมูล
ส่ง	รีเซต	พัลส์รีเซต
รับ	ตอบสนอง	พัลส์ตอบสนอง เสร็จสิ้นการแปลงและอ่านค่าข้อมูลอุณหภูมิ 1 รอบ
-	-	ไมโครคอนโทรลเลอร์ทำความคำนวณค่าและแสดงผล

ซึ่งสามารถเขียนเป็นโปรแกรม ได้ดังนี้

int main(void)

{

       uint8_t buffTemp[2]; //Temperature buffer for read MSB and LSB

       uint16_t buffInt;

      

       USART_Init(12);      //Initial serial port with 57600 baud rate

      

       while(1)

       {

              reset();             //Reset, Skip ROM and Start conversion

              write_bytedata(0xCC);

              write_bytedata(0x44);

             

              while(!read_bitdata());    //Wait until conversion complete               

             

              reset();             //     Reset, Skip ROM and read Scratchpad

              write_bytedata(0xCC);

              write_bytedata(0xBE);

             

              buffTemp[0] = read_bytedata();    //Read only 2 first Bytes

              buffTemp[1] = read_bytedata();

              reset();

             

              buffInt = buffTemp[0] * 5;        //Convert to degree celcius

              int2terminal(buffInt);            //Display on Terminal window

       }

}

โดยเพิ่มส่วนแสดงผลให้สามารถแสดงค่าอุณหภูมิผ่านหน้าจอเทอร์มินอลของส่วนเพิ่มขยายของ Atmel Studio ดังแสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6 การแสดงค่าอุณหภูมิห้องที่วัดได้ผ่านหน้าจอเทอร์มินอล

5. เอกสารอ้างอิง

[1] DALLAS, DS1820 1Wire^TM Digital Thermometer Datasheet,

      http://narong.ece.engr.tu.ac.th/microlab/document/ds1820.pdf, 2015.

[2] Gerard Marull Paretas, Using DS18B20 digital temperature sensor on AVR microcontrollers,

    http://www.piekary.net/~jermi/datasheets/ds18b20_pre1.pdf, 2015.

[3] ATMEL, ATtiny2313 Datasheet, http://www.atmel.com/images/doc2543.pdf, 2015.