居家实验：使用DS18B20&Arduino探究热传导规律
居家实验：使用DS18B20&Arduino探究热传导规律
1.DS18B20温度传感器
DS18B20温度传感器常见的数字温度传感器，不贵，4元到10元之间，淘宝上常见两种封装，一种是直插式，如图1；另一种是带防水探头，长得很严肃的样子。还有一些已经封装在模块上了，不要买，学不到东西。
图1 温度传感器DS18B20直插式封装
图2 温度传感器DS18B20防水型
DS18B20测量范围为-55℃ 至+125℃ ，在-10至+85℃ 范围内，精度为±0.5℃。
2.接线图和实物图
DS18B20就3只脚，平面朝向自己，由左至右的GND、DQ、VCC，分别连接Arduino的GND、D2和5V。一般在VCC和DQ之间连接一个4.7K至10K电阻，起上拉作用，以提高I/O口驱动能力。
接线图直接网上找了一个，如图3。
图3 直插DS18B20接线图
实物连接如图4。其实连接非常简单，看一眼实物连接图的目的，是未来在代码里面会申明bus总线时，要和数字口对应上。
图4 直插DS18B20实物连接图
3.测量用手指捏住元件时温度T(K)与t(s)的关系。
实验时，位于房间门空气流通处的煤油温度计指示温度大约23℃，笔记本附近大约26℃，用手指捏住元件后，每1秒钟采集1次温度数值。当采集到的连续变化范围非常小、且本身值也很小的温度，应该视为环境温度；连续变化范围非常小、但本身值却很大的温度，应该视为最终温度。实际采集，环境温度26.44℃，最终温度32.88℃。串口数据采集，如图5。
图5 串口采集DS18B20测量的温度数据
当手指始终捏住DS18B20塑料封装时，采集的温度数据与时间数据，如表1。
表1 直插DS18B20实物连接图
对表1数据作图，猜想及建模，如图6。事实上，按照理想的一维热传导模型看，手指捏住塑料封装时可视为手指温度不变，二者温差不断减小，由傅里叶导热定律，温度T与时间t的函数关系是可以推导出来的。图6给出拟合方程
我想这个方程，应该能刺激脑神经，想起来电容器充电、汽车恒功率启动、一类单杆电磁感应、另类匀变速直线运动，它们有相类似的数学规律。
图6 温度T和时间t的指数关系拟合
4.逃不开的技术补充
实质上我们之所以能够把这个实验居家化，还是因为我们使用了Arduino；虽然Arduino很简单，但它也毕竟是单片机。仍需补充说明Arduino相关的内容。
一个是DS18B20需要的两个库，OneWire和DallasTemperature，分别是单总线库和对DS18B20的封装库。直接在IDE里面安装即可。
另一个则是代码，复制之后，稍稍理解即可。我也这么做的。
#include<OneWire.h>
#include<DallasTemperature.h>
#define BUS 2
OneWire onewire(BUS);
DallasTemperature sensors(&onewire);
void setup() {
Serial.begin(9600);
sensors.begin();
}
void loop() {
sensors.requestTemperatures();
Serial.println(sensors.getTempCByIndex(0));
delay(1000);
}
烧写，采集串口，到Logger Pro里面做图即可。顺带，好象不能用Excel，它不能拟合型曲线。