Термометр DS3231: встроенный датчик температуры

В журнале моего гаражного логгера однажды появилась лишняя колонка. Я не добавлял датчик — колонку писала сама DS3231: вызов getTemperature() стоил одну строку кода, и в файл рядом со временем пошла температура чипа. Первую неделю я ей не доверял: уличный DS18B20 показывал, скажем, плюс восемь, а чип — плюс одиннадцать. Разница в три градуса держалась стабильно, и я уже грешал на бракованный модуль, пока не понял: чип не врёт, он просто измеряет не воздух, а сам себя. Под питанием кремний греется, корпус чуть тёплый на ощупь — и термометр честно это показывает.

С тех пор эта колонка живёт в каждом моём журнале с часами. Бесплатный источник данных, за который не нужен ни второй провод, ни отдельная библиотека — значение отдаёт тот же объект, из которого мы берём время. Подумайте об этом как о смене приоритетов: отдельный термометр стоит денег, занимает пин и тянет за собой библиотеку, а этот уже сидит на шине и ждёт вызова. Но у бесплатного сыра понятные границы: точность плюс-минус три градуса, шаг в четверть градуса, самонагрев и фиктивный регистр у MEMS-версии. Ниже разберём, где чип выручит, где соврёт, и как за сутки откалибровать его до сносного комнатного термометра.

Столбец тот обнаружился, когда я принёс журнал с карты на ноутбук: колонка температуры росла и падала в такт солнцу на подоконнике — утром плавно вверх, к вечеру вниз, ночью плато. Корреляция с реальной погодой была, но со сдвигом вверх, будто ко всей кривой приложили константу. Это и есть типичный портрет датчика: динамику он показывает отлично, абсолютные значения — с поправкой на ваш экземпляр. Дальше в уроке: откуда берётся число, чем оно полезно в быту проекта и почему для вентилятора в щитке оно оказалось удобнее уличного датчика.

Термометр в DS3231 появился не для пользователей, а для самого чипа: раз в 64 секунды он меряет свою температуру и подстраивает кварц, чтобы ход часов не плыл от жары и мороза. Значит, и «свежесть» показания ограничена этим циклом: читать чаще, чем раз в минуту, бессмысленно — регистры между замерами не меняются, вы будете получать одно и то же число. В журнале это видно как ступеньки: при опросе раз в две секунды идут тридцать два подряд одинаковых значения, потом скачок на четверть градуса. Не путайте такие плато с зависанием — так выглядит честный темп обновления регистра. Механику компенсации и адреса регистров 0x11 и 0x12 я разбирал в уроке про точность DS3231 — там же про шаг 0,25 градуса, который библиотека переводит в дробную часть float. На уровне API всё просто: метод getTemperature() возвращает float, под капотом — два байта по шине, на 100 кГц это доли миллисекунды, описанные в уроке про I2C.

Точность по даташиту — плюс-минус три градуса, и это честно отражает назначение: датчик создан следить за температурой кристалла, а не за погодой. Для вывода «в щитке стало жарко» этого достаточно, для метеожурнала — нет. Отдельная ловушка — модули с маркировкой DS3231M: у них MEMS-ядро вместо кварца, регистр температуры читается, но числа в нём фиктивные; как отличить такие чипы на прилавке — в сравнении DS1307 и DS3231.

В скетче — гистерезис: порог включения 35 градусов, порог выключения 33. Разрыв в два градуса нужен, чтобы реле не защёлкало у границы: без него вентилятор включался бы и выключался каждые пару минут, а реле такого режима не прощает. Механику вилки я разбирал в уроке про термостат с гистерезисом — здесь та же схема, только датчик другой. Выходом может быть светодиод на пине 12 для макетки или модуль реле для настоящей вертушки — реле ставьте через транзисторный ключ или готовый модуль, катушку напрямую с пина не кормят. Проверка раз в две секунды избыточна для датчика с циклом 64 секунды, но почти бесплатна и даёт живой поток в Serial для отладки.

Три практических применения, проверенных на своих устройствах. Первое — колонка в журнале из урока про логгер со штампами: график температуры чипа рядом с графиком хода часов мгновенно показывает, насколько вашему модулю страшна жара. Второе — охрана корпуса: логгер в герметичном щитке на солнце нагревается незаметно, и вентилятор по порогу дешевле сгоревшей платы. Третье — калибровка самого датчика: снимите сутки показаний чипа и параллельного DHT22, посчитайте среднее разницы — это и есть смещение вашего экземпляра, которое можно вычитать в скетче. Один замер для этого не годится: шум и шаг 0,25 градуса требуют усреднения.

Калибровка — протоколом, а не на глазок. Рядом ставится эталон: DHT22 на своём пине данных или DS18B20 на проводе 1-Wire — и пары значений снимаются весь день: утро, полдень, вечер, ночь. Не меньше двадцати пар, иначе один шумный замер перекосит среднее. Среднее разницы — смещение экземпляра; после вычитания одной строкой в скетче чип выдаёт сносную комнатную температуру с погрешностью порядка градуса — остаток от заявленных плюс-минус трёх. Если разница в течение дня гуляет — утром плюс один, вечером плюс три, — это признак сквозняка или соседства с греющейся платой, и тоже диагностический сигнал. А если встал вопрос, какой термометр вообще брать в проект, — расклад NTC, DHT и DS18B20 по точности и возне с калибровкой сделан в отдельном сравнении термометров.

Про обработку пар: среднее чувствительно к выбросам, поэтому надёжнее медиана двадцати значений — она не поедет от одного странного замера во время возни с проводами. Смещение оформите именованной константой рядом с объектом часов и вычитайте одной строкой — без магии по всему скетчу. Проверка после калибровки простая: оба датчика рядом на сутки, и разница должна гулять в пределах полградуса-градуса, а не дрейфовать в сторону. Ушло в сторону — значит, менялись условия, а не датчик: посмотрите, что рядом стояло.

Здесь нужна полная честность: движок симулятора всегда отвечает на getTemperature() числом 23,5 — он не греет и не охлаждает виртуальный чип. Зато рядом подключён живой DHT22 на пине 2: ползунок температуры под вашим контролем, и скетч печатает обе величины и разницу. На настоящей плате оба числа живые, а разница между ними — то самое смещение вашего экземпляра: один-три градуса самонагрева, зависящие от корпуса и потока воздуха. В симе разница отражает только ваши движения ползунка — но сам формат наблюдения «два термометра рядом» отрабатывается именно так.

Ещё одна деталь, которую в симе не увидеть, — ступеньки 0,25 градуса и знак. Значение t_rtc здесь стоит на месте, а на плате за полчаса вы поймаете два-три скачка на четверть — это нормальный темп обновления регистра, а не заикание. Минусовые значения getTemperature() отдаёт честно: зимой в гараже я снял минус двенадцать против минус четырнадцати у уличного DS18B20 — и оба были правы, каждый про своё место. Если хочется увидеть срабатывание охраны прямо в симуляторе, опустите порог в строке if (trtc > 35.0) до двадцати: светодиод загорится, и вся логика гистерезиса пройдёт на ваших глазах.