Датчик температуры DS18B20 с Arduino, ESP32 и Pico

DS18B20 — цифровой датчик температуры и один из самых точных и гибких способов измерять температуру с Arduino. Он работает в диапазоне от −55 °C до +125 °C, даёт точность ±0,5 °C в пределах от −10 °C до +85 °C и передаёт результат цифровым числом, а не аналоговым напряжением, поэтому показания не портятся даже на длинных проводах. Его главный козырь — интерфейс 1-Wire: к одному пину данных можно подключить десятки DS18B20 и читать каждый по отдельности по его уникальному адресу.

В этой статье разберём, как работает DS18B20, как устроена шина 1-Wire, почему ей всегда нужен подтягивающий резистор 4,7 kΩ, а также водонепроницаемую версию в виде зонда и цвета её проводов. Затем шаг за шагом пройдём код для одного и нескольких датчиков с библиотеками OneWire и DallasTemperature, неблокирующее чтение на ESP32 и работу с MicroPython на Raspberry Pi Pico. В конце — причины и решения частых ошибок −127 °C и 85 °C.

Что такое DS18B20 и как он работает?

Внутри DS18B20 есть чувствительный к температуре элемент, аналого-цифровой преобразователь, небольшая память (scratchpad) и записанный на заводе уникальный 64-битный серийный номер. Когда микроконтроллер отправляет команду преобразования, датчик измеряет температуру, записывает результат в память двухбайтовым числом и ждёт, пока его прочитают. Раз измерение делает сам датчик, нет ошибок из-за аналогового входа Arduino, его опорного напряжения или сопротивления провода. В отличие от NTC-термистора, не нужны ни калибровочная таблица, ни формула: прочитанное значение сразу выражено в градусах Цельсия.

Разрешение датчика выбирается программно. Чем выше разрешение, тем мельче шаг, но дольше преобразование. По умолчанию стоит 12 бит — правильный выбор для большинства проектов; если нужны очень быстрые измерения, можно опуститься до 9 или 10 бит.

Что такое 1-Wire? Связь по одному проводу

Как видно из названия, 1-Wire — протокол, который передаёт данные по одной линии при общей земле (GND). На шине есть один ведущий (Arduino) и одно или несколько ведомых устройств (DS18B20). В свободном состоянии подтягивающий резистор держит линию в HIGH. Тот, кто хочет передать данные, на короткое время прижимает линию к LOW; биты кодируются длительностью этих LOW-импульсов, которая измеряется в микросекундах. Каждый обмен начинается с импульса сброса, а датчики отвечают импульсом присутствия: «я здесь».

Поскольку ни одно устройство не выставляет на линии HIGH принудительно (схема с открытым стоком), на одну шину можно повесить сколько угодно датчиков без конфликтов. Ведущий сначала командой поиска находит все 64-битные адреса на шине, затем выбирает нужный датчик по адресу и обращается к нему. Так для измерения температуры в пяти разных точках хватает одного пина вместо пяти.

DS18B20, DHT11, DHT22 и NTC: сравнение

Коротко: если нужна ещё и влажность, правильный выбор — DHT11 или DHT22. Если же нужно мерить температуру воды, почвы, трубы или морозилки, следить за несколькими точками через один пин или работать с минусовыми температурами, DS18B20 вне конкуренции.

Распиновка DS18B20 и цвета проводов

Подключение DS18B20: Arduino Uno, ESP32 и Pico

Подтягивающий резистор в этой схеме обязателен. Устройства на шине 1-Wire умеют только прижимать линию к LOW, а возвращает её в HIGH именно этот резистор. Без него линия «висит в воздухе», датчик не находится, и библиотека возвращает −127 °C. Номинал 4,7 kΩ подтягивает линию достаточно быстро и при этом держит ток малым: когда линия в LOW, по закону Ома I = 5 V / 4700 Ω ≈ 1,06 mA. Четырёхполосный резистор 4,7 kΩ маркируется жёлтым, фиолетовым, красным и золотым; для уверенности воспользуйся утилитой цветового кода. На некоторых модулях DS18B20 (датчик на маленькой плате с резистором и светодиодом) этот резистор уже распаян, и тогда добавлять его не нужно.

Установка библиотек

1. В Arduino IDE открой «Инструменты › Управлять библиотеками» (Tools › Manage Libraries).
2. Введи в поиске DallasTemperature и установи библиотеку от Miles Burton.
3. Когда IDE спросит о зависимостях, выбери «Установить все» (Install all), чтобы заодно установилась библиотека OneWire от Paul Stoffregen. Если вопроса не было, найди OneWire и установи её отдельно.
4. При желании открой «Файл › Примеры › DallasTemperature › Simple», поменяй номер пина под свою схему и попробуй.

Первый скетч: чтение одного DS18B20

1#include <OneWire.h>
2#include <DallasTemperature.h>
3
4#define ONE_WIRE_BUS 2                    // DS18B20 veri pini (DQ) / data pin (DQ)
5
6OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);            // 1-Wire hattı / 1-Wire bus
7DallasTemperature sensors(&oneWire);      // sensör kütüphanesi / sensor library
8
9void setup() {
10  Serial.begin(9600);
11  sensors.begin();                        // hattaki sensörleri bul / find sensors on the bus
12  Serial.print(F("Sensor sayisi / Sensor count: "));
13  Serial.println(sensors.getDeviceCount());
14}
15
16void loop() {
17  sensors.requestTemperatures();          // ölçümü başlat, bitmesini bekle / start conversion and wait
18  float tempC = sensors.getTempCByIndex(0);  // ilk sensörün sıcaklığı / first sensor's temperature
19
20  if (tempC == DEVICE_DISCONNECTED_C) {   // -127: sensör yanıt vermedi / sensor did not respond
21    Serial.println(F("Hata: sensor yok / Error: no sensor"));
22  } else {
23    Serial.print(F("Sicaklik / Temperature: "));
24    Serial.print(tempC, 2);
25    Serial.println(F(" C"));
26  }
27  delay(1000);
28}

В мониторе порта на скорости 9600 бод каждую секунду будет появляться строка вроде «Sicaklik / Temperature: 23.44 C». Заметно, что последние цифры меняются с шагом 0,0625 — это шаг 12-битного разрешения. Зажми датчик между пальцами, и через несколько секунд температура должна вырасти. Если монитор порта показывает −127, датчик вообще не находится; если 85, датчик найден, но прочитан раньше, чем закончилось преобразование. Решение обеих проблем — в таблице в конце статьи.

Несколько DS18B20 на одном пине

Чтобы подключить несколько датчиков, просто соедини параллельно все их пины VDD, GND и DQ; на всю шину нужен один подтягивающий резистор 4,7 kΩ. Читать через getTempCByIndex() легко, но порядок задают адреса датчиков, а не порядок подключения. Заменишь один датчик — порядок может измениться. Поэтому в постоянных проектах каждый датчик лучше читать по его собственному адресу. Скетч ниже находит все датчики на шине, выводит их адреса и читает температуру каждого по адресу:

1#include <OneWire.h>
2#include <DallasTemperature.h>
3
4#define ONE_WIRE_BUS 2                    // tüm sensörler aynı pinde / all sensors on the same pin
5
6OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
7DallasTemperature sensors(&oneWire);
8DeviceAddress addr;                       // 8 baytlık sensör adresi / 8-byte sensor address
9int count = 0;
10
11void printAddress(const DeviceAddress a) {
12  for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
13    Serial.print(F("0x"));
14    if (a[i] < 0x10) Serial.print('0');   // tek haneyi sıfırla tamamla / pad single digit
15    Serial.print(a[i], HEX);
16    if (i < 7) Serial.print(F(", "));
17  }
18}
19
20void setup() {
21  Serial.begin(9600);
22  sensors.begin();
23  count = sensors.getDeviceCount();       // hatta kaç sensör var? / how many sensors on the bus?
24  Serial.print(F("Sensor sayisi / Sensor count: "));
25  Serial.println(count);
26  sensors.setResolution(12);              // hepsi 12 bit (0,0625 C) / all 12-bit (0.0625 C)
27}
28
29void loop() {
30  sensors.requestTemperatures();          // tüm sensörler aynı anda ölçer / all sensors convert at once
31  for (int i = 0; i < count; i++) {
32    if (!sensors.getAddress(addr, i)) continue;   // adresi al / get the address
33    Serial.print(F("Sensor "));
34    Serial.print(i);
35    Serial.print(F(" { "));
36    printAddress(addr);
37    Serial.print(F(" }: "));
38    Serial.print(sensors.getTempC(addr), 2);      // adrese göre oku / read by address
39    Serial.println(F(" C"));
40  }
41  Serial.println();
42  delay(2000);
43}

Запусти скетч один раз и по очереди нагрей каждый датчик (например, зажав в руке), чтобы понять, какой адрес к какой точке относится. Затем впиши в код адрес, который показал монитор порта: добавь строку вроде DeviceAddress waterSensor = {0x28, 0xFF, 0x64, 0x1E, 0x0F, 0x16, 0x03, 0x90}; и читай датчик через sensors.getTempC(waterSensor). У DS18B20 первый байт адреса всегда 0x28, а последний — CRC, по которому проверяется, что адрес корректен. Так значения «вода», «улица» или «котёл» всегда будут браться из нужного места, в каком бы порядке ни стояли датчики.

DS18B20 с ESP32: неблокирующее чтение

На ESP32 DS18B20 работает с теми же библиотеками OneWire и DallasTemperature. Для линии данных хорошо подходит GPIO 4. Не используй GPIO 34–39: эти пины работают только на вход и не могут прижать линию 1-Wire к LOW; также избегай GPIO 0, 2, 12 и 15, уровень которых важен при старте. Датчик и подтягивающий резистор всегда подключай к 3V3: если подтянуть линию к 5 V, на пин ESP32 попадёт 5 V.

По умолчанию requestTemperatures() при 12 битах ждёт 750 мс. Всё это время плата больше ничего не делает: веб-сервер, кнопки или дисплей замирают. Решение — отключить ожидание через setWaitForConversion(false) и прочитать результат через 750 мс с помощью millis(). В скетче для ESP32 ниже светодиод продолжает ровно мигать, даже пока идёт измерение температуры:

1#include <OneWire.h>
2#include <DallasTemperature.h>
3
4const int ONE_WIRE_PIN = 4;               // ESP32 GPIO 4 (DQ)
5const int LED_PIN = 2;                    // dahili LED (çoğu kartta) / onboard LED (most boards)
6
7OneWire oneWire(ONE_WIRE_PIN);
8DallasTemperature sensors(&oneWire);
9
10unsigned long requestTime = 0;
11unsigned long lastBlink = 0;
12bool converting = false;
13
14void setup() {
15  Serial.begin(115200);
16  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
17  sensors.begin();
18  sensors.setResolution(12);
19  sensors.setWaitForConversion(false);    // requestTemperatures() beklemesin / do not block
20}
21
22void loop() {
23  unsigned long now = millis();
24
25  if (!converting) {
26    sensors.requestTemperatures();        // ölçümü başlat, hemen dön / start and return at once
27    requestTime = now;
28    converting = true;
29  }
30
31  if (converting && now - requestTime >= 750) {   // 12 bit için 750 ms / 750 ms for 12-bit
32    float t = sensors.getTempCByIndex(0);
33    if (t == DEVICE_DISCONNECTED_C) {
34      Serial.println("Sensor yok / No sensor");
35    } else {
36      Serial.printf("Sicaklik / Temperature: %.2f C\n", t);
37    }
38    converting = false;                   // bir sonraki ölçüme geç / move to the next reading
39  }
40
41  if (now - lastBlink >= 250) {           // bu arada LED yanıp söner / meanwhile the LED blinks
42    lastBlink = now;
43    digitalWrite(LED_PIN, !digitalRead(LED_PIN));
44  }
45}

Этот приём особенно важен в проектах с Wi-Fi: ESP32 может мерить температуру, одновременно отдавая веб-страницу, отправляя данные в интернет или обновляя дисплей. Если ESP32 для тебя в новинку, про выбор пинов и настройку читай в статье Что такое ESP32?; карту пинов своей платы можно найти в утилите распиновки.

DS18B20 с Raspberry Pi Pico и MicroPython

Модули onewire и ds18x20 уже встроены в MicroPython на Raspberry Pi Pico, так что загружать дополнительные файлы не нужно. Подключи датчик к 3V3(OUT) и GND, линию данных к GP22 и не забудь подтяжку 4,7 kΩ между DQ и 3V3. Встроенные подтягивающие резисторы Pico для 1-Wire слишком слабые.

1from machine import Pin
2import onewire, ds18x20, time, binascii
3
4ds_pin = Pin(22)                                   # DQ -> GP22 (fiziksel pin 29 / physical pin 29)
5sensor = ds18x20.DS18X20(onewire.OneWire(ds_pin))
6
7roms = sensor.scan()                               # hattaki sensör adresleri / sensor addresses on the bus
8print("Sensor sayisi / Sensor count:", len(roms))
9
10while True:
11    sensor.convert_temp()                          # hepsi aynı anda ölçer / all sensors convert at once
12    time.sleep_ms(750)                             # 12 bit dönüşüm süresi / 12-bit conversion time
13    for rom in roms:
14        t = sensor.read_temp(rom)                  # adrese göre oku / read by address
15        print(binascii.hexlify(rom).decode(), "{:.2f} C".format(t))
16    time.sleep(2)

scan() возвращает список 8-байтовых адресов всех датчиков на шине. convert_temp() отправляет команду преобразования сразу всем датчикам, поэтому после неё нужно подождать 750 мс. read_temp(rom) читает температуру датчика с этим адресом в градусах Цельсия. Если список пустой, сначала проверь подтягивающий резистор и номер пина. Если Pico для тебя в новинку, про установку MicroPython читай в статье Что такое Raspberry Pi Pico?.

Водонепроницаемый зонд DS18B20

Самая популярная форма DS18B20 — водонепроницаемый зонд: чип помещён в трубку из нержавеющей стали и залит смолой. Обычно это наконечник диаметром 6 мм и длиной 50 мм и трёхжильный кабель длиной 1 метр (бывают версии на 2, 3 и 5 метров). Он идеально подходит для аквариумов, баков с водой, бойлеров, почвы, холодильников и морозилок. Стальной наконечник можно ненадолго опустить в кипяток, но кабель обычно из ПВХ, поэтому не держи кабель и место соединения долго выше 85–100 °C. Корпус зонда замедляет передачу тепла к датчику, так что после резкой смены температуры показание может устанавливаться от нескольких секунд до нескольких десятков секунд.

На рынке много клонов DS18B20. Некоторые не дотягивают до заявленной точности или не работают в режиме паразитного питания. Опусти два датчика в один стакан воды и сравни показания — это простой способ понять, можно ли доверять твоим. Если разница больше 0,5 °C, в коде можно ввести небольшую поправку (offset).

Идеи проектов с DS18B20

• Термостат для аквариума: включай и выключай нагреватель с помощью водонепроницаемого зонда и модуля реле; с гистерезисом вода будет держаться между 25 и 26 °C.
• Контроль температуры в нескольких точках: подключи пять датчиков к одному пину и следи одновременно за комнатой, улицей, холодильником, подачей и обраткой котла.
• Термометр на OLED: выводи температуру крупными цифрами на OLED-дисплей вместе с минимумом и максимумом за день.
• Температура на LCD: выводи показания двух датчиков на две строки I2C LCD-дисплея.
• Страница температуры по Wi-Fi: смотри температуру, измеренную ESP32, вживую на веб-странице, открытой с телефона.
• Управление теплицей: мерь температуру почвы с DS18B20, а влажность почвы — датчиком влажности почвы, чтобы решать, когда поливать.

Частые проблемы и их решения

Благодаря надёжности, водонепроницаемому зонду и возможности повесить много датчиков на один пин DS18B20 — один из самых полезных датчиков температуры в любительской электронике. Температуру можно вывести на дисплей, через реле управлять нагревателем или вентилятором, а с ESP32 — отправить в интернет. В приложении BlueGrays есть проекты с температурой на DHT11 и NTC, I2C LCD-дисплеи, регистратор температуры на ESP32 и умный полив для Arduino и ESP32 — с пошаговыми схемами подключения и кодом.