Temperaturmessung im Mini-Format: DS18B20 am Pro Mini

Temperaturmessung im Mini-Format mit dem DS18B20 am Pro Mini ist eine der beliebtesten Kombinationen, wenn Sie zuverlässige Messwerte in einem sehr kompakten Aufbau benötigen. Der Arduino Pro Mini eignet sich besonders gut für fest verbaute Sensor-Knoten, Datenlogger oder batteriebetriebene Messgeräte, weil er ohne USB-Buchse auskommt und wenig Platz beansprucht. Der DS18B20 ergänzt dieses Konzept ideal: Er liefert digitale Messwerte über den 1-Wire-Bus, benötigt nur einen Datenpin und kann in vielen Projekten sogar parasitär (also ohne separate Versorgung am Sensor) betrieben werden. Genau hier liegen aber auch die typischen Stolpersteine: falsche Pull-up-Widerstände, zu lange Leitungen, ungeeignete Topologien, Spannungspegel-Probleme bei 3,3V-Pro-Minis oder instabile Messungen durch Störungen auf der Datenleitung. Dieser Artikel erklärt praxisnah, wie Sie den DS18B20 am Pro Mini korrekt anschließen, welche Betriebsarten es gibt, wie Sie mehrere Sensoren sauber betreiben und worauf Sie bei Genauigkeit, Kabelwegen und Low-Power-Anwendungen achten sollten. Als verlässliche Grundlagen dienen die offizielle Board-Einführung (Arduino Guide: Arduino Pro Mini) sowie die Produkt- und Datenblattinformationen zum Sensor (DS18B20 Produktseite bei Analog Devices).

DS18B20-Grundlagen: Was den Sensor so praktisch macht

Der DS18B20 ist ein digitaler Temperatursensor mit 1-Wire-Schnittstelle. Im Gegensatz zu analogen Temperaturfühlern (NTC, LM35 & Co.) müssen Sie keine ADC-Kalibrierung durchführen und sind weniger anfällig für Spannungsrauschen auf einer analogen Messleitung. Stattdessen überträgt der Sensor die Temperatur als digitalen Wert, und jeder DS18B20 besitzt eine eindeutige 64-Bit-ID. Dadurch können Sie mehrere Sensoren parallel an einer einzigen Datenleitung betreiben (Multi-Drop). Das ist besonders für kompakte Pro-Mini-Projekte attraktiv, in denen jeder Pin zählt.

• Messbereich: typischerweise -55 °C bis +125 °C
• Genauigkeit: im üblichen Komfortbereich oft sehr gut, abhängig vom Temperaturbereich und Aufbau
• Auflösung: 9 bis 12 Bit (einstellbar)
• 1-Wire: mehrere Sensoren an einem Pin möglich
• Parasitär möglich: Betrieb ohne separate VCC-Leitung am Sensor (unter Bedingungen)

Detailinformationen zur internen Struktur, Konfiguration (TH/TL-Register, Konfigurationsregister) und zum Busverhalten finden Sie im Datenblatt (DS18B20 Datenblatt (PDF)).

Pro Mini auswählen: 3,3V oder 5V und warum das eine Rolle spielt

Der Arduino Pro Mini existiert typischerweise in zwei Varianten: 5 V/16 MHz und 3,3 V/8 MHz. Für den DS18B20 funktionieren grundsätzlich beide, doch die Systemspannung beeinflusst die Signalpegel und die mögliche Kabellänge. Bei kurzen Leitungen und sauberem Pull-up sind beide Varianten unkritisch. Sobald Kabel länger werden oder mehrere Sensoren am Bus hängen, lohnt ein bewusstes Design.

• 5V Pro Mini: robust gegenüber Störungen, größere Signalspannungsreserve; häufig in „Werkstatt“-Setups.
• 3,3V Pro Mini: ideal für Batteriebetrieb und Low-Power, kompatibel mit vielen 3,3V-Sensoren; die 1-Wire-Pegel sind niedriger, daher ist saubere Verkabelung noch wichtiger.

Wenn Sie sich unsicher sind, welche Variante Sie haben und wie sie typischerweise eingesetzt wird, hilft der offizielle Pro-Mini-Guide beim Abgleich (Getting Started mit dem Arduino Pro Mini).

Verdrahtung: DS18B20 am Pro Mini korrekt anschließen

Der DS18B20 hat in der gängigen TO-92-Bauform drei Anschlüsse: GND, DQ (Data) und VDD (VCC). Für den Normalbetrieb („powered mode“) verbinden Sie VDD mit der Versorgung (3,3 V oder 5 V, passend zum Pro Mini), GND mit Masse und DQ mit einem digitalen Pin. Entscheidend ist der Pull-up-Widerstand zwischen DQ und VDD. In vielen Standardaufbauten sind 4,7 kΩ ein guter Ausgangspunkt, wie auch in der Praxisdokumentation der Arduino-Temperaturbibliothek erwähnt wird (Arduino Temperature Control Library (DallasTemperature)).

• GND: an GND des Pro Mini
• VDD: an VCC (3,3 V oder 5 V je nach Aufbau)
• DQ: an einen digitalen Pin (z. B. D2, D3, D4 – frei wählbar)
• Pull-up: 4,7 kΩ von DQ nach VDD (Startwert)

Warum der Pull-up so wichtig ist

1-Wire ist ein „Open-Drain“-ähnliches Konzept: Die Leitung wird aktiv auf Low gezogen, High entsteht über den Pull-up. Ist der Pull-up zu groß (z. B. 20 kΩ), steigt die Flanke zu langsam, besonders bei längeren Kabeln. Ist er zu klein (z. B. 1 kΩ), steigt der Strom im Low-Zustand unnötig und kann bei Batteriebetrieb schaden. Als grobe Orientierung kann der Low-Strom über den Pull-up mit folgender Beziehung abgeschätzt werden:

$I=\frac{V}{R}$

Bei 5 V und 4,7 kΩ ergibt sich näherungsweise ein Strom von etwa 1,06 mA, wenn die Leitung Low ist. Bei 3,3 V sind es ungefähr 0,70 mA. Das ist für einzelne Sensoren in vielen Anwendungen völlig in Ordnung, sollte bei extremen Low-Power-Designs aber bewusst eingeplant werden.

Parasitärer Betrieb: DS18B20 ohne separate VCC-Leitung

Der DS18B20 kann parasitär betrieben werden, also nur über DQ und GND. Die Energie wird dabei aus der Datenleitung gewonnen, wenn sie High ist. Das ist verlockend, weil Sie eine Leitung sparen und besonders bei sehr kleinen Aufbauten weniger Kabel benötigen. In der Praxis hat diese Betriebsart Grenzen: Während einer Temperaturumwandlung (Conversion) benötigt der Sensor mehr Energie. Das Datenblatt beschreibt dafür das Konzept eines „strong pull-up“, weil der normale Pull-up nicht in jeder Situation genügend Strom liefern kann (DS18B20 Datenblatt (PDF)).

• Geeignet: kurze Leitungen, wenige Sensoren, stabile Versorgung, geringe Störlast
• Riskant: lange Leitungen, viele Sensoren, „raue“ Umgebungen, batteriebetriebene Systeme mit Spannungseinbrüchen
• Praxis-Tipp: Für robuste Logger und Sensor-Netze ist der Normalbetrieb mit VDD meist die bessere Wahl.

Mehrere DS18B20 an einem Pin: Multi-Drop sauber umsetzen

Ein großer Vorteil des DS18B20 ist die Multi-Drop-Fähigkeit: Sie können mehrere Sensoren parallel an DQ hängen. Jeder Sensor wird über seine eindeutige ROM-ID adressiert. Das spart Pins und macht den Pro Mini zum sehr kompakten Messknoten für mehrere Messstellen (z. B. Vorlauf/Rücklauf, Innen/Außen, mehrere Räume).

• Sternverkabelung vermeiden: Viele Abzweige führen zu Reflexionen und instabilen Pegeln.
• Besser: Busförmig („Daisy Chain“) mit kurzen Abzweigen.
• Pull-up an zentraler Stelle: nahe am Pro Mini, nicht irgendwo am Ende des Kabels.
• Sensoren identifizieren: ID einmalig auslesen und fest zuordnen (z. B. per Aufkleber am Kabel).

Bei längeren Leitungen lohnt es sich, die Verdrahtung als „Bus“ zu denken und nicht wie eine lose Sammlung von Drähten. Das reduziert Ausfälle, die sonst nur sporadisch auftreten und schwer zu debuggen sind.

Software-Setup: OneWire und DallasTemperature sinnvoll kombinieren

In der Arduino-Welt hat sich für DS18B20-Projekte eine Kombination aus zwei Bibliotheken etabliert: Eine 1-Wire-Basisbibliothek und eine temperaturbezogene Komfortbibliothek. Die OneWire-Library von Paul Stoffregen ist eine sehr verbreitete Grundlage für Dallas/Maxim-1-Wire-Chips (OneWire Library (GitHub)). Darauf aufbauend bietet die DallasTemperature-/Arduino-Temperature-Control-Library eine praktische API für Messanforderung, Auflösung, Adressierung und Umrechnung (DallasTemperature Library (GitHub)).

• OneWire: kümmert sich um das 1-Wire-Protokoll (Timing, ROM-Kommandos, Buszugriff)
• DallasTemperature: bietet komfortable Funktionen zum Auslesen, zur Auflösungswahl und zur Behandlung mehrerer Sensoren
• Installation: im Arduino IDE Library Manager nach „OneWire“ und „DallasTemperature“ suchen oder von GitHub beziehen

Die Arduino-Library-Übersicht ist hilfreich, um Versionen und Einbindung zu prüfen (DallasTemperature in der Arduino-Library-Übersicht).

Auflösung und Messdauer: Warum 12 Bit nicht immer die beste Wahl ist

Der DS18B20 unterstützt 9-, 10-, 11- und 12-Bit-Auflösung. Höhere Auflösung bedeutet feinere Schritte, aber auch längere Konversionszeit. In einem batteriebetriebenen Pro-Mini-Logger kann das relevant sein, weil die Aktivzeit den Durchschnittsverbrauch bestimmt. Außerdem braucht nicht jede Anwendung 0,0625 °C Schrittweite (12 Bit) – für viele Umgebungs- oder Gehäusetemperaturen sind 0,25 °C (10 Bit) oder 0,125 °C (11 Bit) ausreichend.

Quantisierungsschritt in Abhängigkeit von der Auflösung (MathML)

Vereinfacht lässt sich die Schrittweite (LSB) in Grad Celsius als Potenz von zwei ausdrücken:

$\mathrm{LSB}=2^{–n–8} \mathrm{°C}$

Dabei ist n die Auflösung in Bit (9 bis 12). In der Praxis bedeutet das: 9 Bit ≈ 0,5 °C, 10 Bit ≈ 0,25 °C, 11 Bit ≈ 0,125 °C, 12 Bit ≈ 0,0625 °C. Welche Konversionszeiten daraus folgen und wie die Register aufgebaut sind, ist im Datenblatt beschrieben (DS18B20 Datenblatt (PDF)).

Genauigkeit in der Praxis: Sensor, Einbauort und Selbstheizung

Für viele Projekte ist nicht die theoretische Auflösung entscheidend, sondern die praktische Genauigkeit. Diese hängt stark davon ab, wie der Sensor montiert ist und wie gut er thermisch gekoppelt ist. Ein DS18B20, der „in der Luft hängt“, misst eher die Umgebungsluft und reagiert träge. Ein Sensor, der direkt an einem Metallteil befestigt ist, misst eher dessen Oberflächentemperatur. Bei wasserdichten DS18B20-Kabelsensoren ist zusätzlich das Gehäusematerial und die Vergussmasse relevant.

• Thermische Kopplung: Wärmeleitpaste oder geeignete Klemmen verbessern Kontaktmessungen.
• Isolation: Bei Rohrmessungen kann eine Isolierung über dem Sensor die Messung stabilisieren.
• Selbstheizung vermeiden: Nicht unnötig oft messen; bei sehr häufigen Konversionen kann sich der Sensor minimal erwärmen.
• Kalibrierung: Für präzisere Anwendungen ist ein Vergleich mit Referenzthermometer sinnvoll.

Gerade beim Pro Mini werden DS18B20 häufig in Datenloggern genutzt. Wenn Sie Messwerte langfristig vergleichen wollen, ist eine konsistente Montage oft wichtiger als die maximale digitale Auflösung.

Kabellänge und Störsicherheit: So bleibt 1-Wire stabil

1-Wire ist robust, aber nicht beliebig tolerant. Bei längeren Leitungen steigt die Buskapazität, und Störungen (EMI) wirken stärker auf die Datenleitung. Typische Fehler sind sporadische CRC-Fehler, „85 °C“-Ausgaben (Standardwert nach Power-up, wenn keine gültige Messung vorliegt) oder „-127 °C“ (häufig ein Fehlercode der Bibliothek, wenn der Sensor nicht erreicht wird).

• Kabelwahl: Twisted Pair (z. B. Netzwerkleitung) hilft, Störungen zu reduzieren.
• Topologie: Busförmig, kurze Abzweige, keine große Sternstruktur.
• Pull-up optimieren: 4,7 kΩ ist Startwert; bei langen Bussen kann Anpassung nötig sein.
• Gemeinsame Masse: Stabiler GND-Bezug ist Pflicht, sonst „schwimmt“ die Signalleitung.

Wenn Sie mehrere Sensoren über Meter hinweg betreiben, lohnt es sich, Messwerte mit Plausibilitätschecks zu versehen und Fehlerfälle sauber zu behandeln (z. B. Messung wiederholen, Sensor als „offline“ markieren), statt blind zu loggen.

Low-Power-Datenlogger mit DS18B20: Messen, schlafen, nur bei Bedarf aktiv sein

Der Pro Mini wird oft in batteriebetriebenen Projekten eingesetzt. Der DS18B20 passt dazu, wenn Sie die Messstrategie anpassen: Statt permanent zu messen, ist ein Zyklus aus Aufwachen, Konversion starten, Ergebnis lesen, wieder schlafen meist effizienter. Die Sleep-Modi für AVR lassen sich gut nachvollziehen, wenn man die Grundlagen aus avr-libc kennt (avr-libc Sleep Modes). In vielen Loggern ist nicht der DS18B20 der Hauptverbraucher, sondern die Aktivzeit der MCU, zusätzliche Sensoren oder Funkmodule.

• Messintervall erhöhen: Jede Konversion kostet Zeit und Energie; nur so oft messen wie nötig.
• Auflösung passend wählen: 10 oder 11 Bit sind oft ein guter Kompromiss.
• Peripherie abschalten: ADC und unnötige Module deaktivieren, wenn sie nicht gebraucht werden.
• Anzeige/Debug reduzieren: Serielle Ausgaben sind praktisch, aber kosten Aktivzeit und Strom.

Typische Fehlerbilder und schnelle Diagnose

Wenn der DS18B20 am Pro Mini nicht wie erwartet funktioniert, helfen diese Diagnosepunkte, die Ursache systematisch einzugrenzen:

• Immer 85 °C: Sensor wurde zwar erkannt, aber keine gültige Konversion abgeschlossen oder Ergebnis nicht aktualisiert.
• -127 °C (oder sehr unplausible Werte): Sensor nicht erreichbar, Busproblem, falscher Pin, Unterbrechung im Kabel.
• Messwerte springen: Störungen auf der Leitung, schlechte Masse, zu lange Abzweige, Versorgung instabil.
• Nur ein Sensor funktioniert bei mehreren: Adressierung/ROM-ID nicht korrekt zugeordnet oder Bus-Topologie problematisch.
• Probleme im parasitären Betrieb: „Strong pull-up“ fehlt oder Pull-up ist zu groß, Sensor bekommt zu wenig Energie während Konversion.

In der Praxisdokumentation der DallasTemperature-Bibliothek finden Sie außerdem Installations- und Troubleshooting-Hinweise, die sich für typische Arduino-Setups bewährt haben (Dallas Temperature Control Library (Hintergrund & Troubleshooting)).

Platzsparender Aufbau: Sensor-Module, wasserdichte Fühler und Montageoptionen

„Mini-Format“ bedeutet beim Pro Mini häufig: wenig Platz, wenig Kabelsalat, robuste Mechanik. Beim DS18B20 gibt es verschiedene Bauformen, die sich je nach Projekt unterscheiden:

• TO-92 (klassisch): ideal fürs Breadboard und kompakte Platinen; empfindlicher gegen mechanische Belastung.
• SMD-Varianten: gut für sehr flache Platinenlayouts; eher für fortgeschrittene Fertigung.
• Wasserdichte Kabelsensoren: praktisch für Außenmessungen, Flüssigkeiten oder Rohrmessungen; Qualität und Verguss variieren.

Für sehr kompakte Geräte lohnt es sich, den Sensor nicht direkt am Pro Mini „baumeln“ zu lassen, sondern gezielt über eine kleine, mechanisch entlastete Verbindung zu führen. Das verhindert Kabelbrüche und reduziert sporadische Kontaktprobleme, die sonst als „Busfehler“ fehlinterpretiert werden.

Best Practices für saubere Messwerte: von Filterung bis Plausibilitätschecks

Auch wenn der DS18B20 digital misst, sind Datenlogger in der Praxis selten perfekt. Temperatur ist träge, Umgebungsbedingungen ändern sich, und gelegentliche Kommunikationsfehler sind bei langen Leitungen möglich. Daher lohnt eine einfache Qualitätssicherung der Messwerte:

• Plausibilitätsfenster: Werte außerhalb eines realistischen Bereichs (z. B. -40 bis +85 °C) als Fehler markieren, wenn das Projektumfeld das hergibt.
• Sprungbegrenzung: Unphysikalische Sprünge (z. B. +20 °C in einer Sekunde) nur akzeptieren, wenn das Szenario plausibel ist.
• Mehrfachmessung: Bei kritischen Messungen zwei Konversionen durchführen und vergleichen.
• Gleitender Mittelwert: Für Anzeigen oder ruhige Logs kann ein Mittelwert über wenige Messpunkte sinnvoll sein.

Diese Maßnahmen machen den Logger nicht „schöner“, sondern zuverlässiger: Sie verhindern, dass ein einzelner Busfehler eine Zeitreihe unbrauchbar macht.

Checkliste: DS18B20 am Pro Mini zuverlässig betreiben

• Board-Variante klären: 3,3V oder 5V Pro Mini passend zum Projekt (Arduino Pro Mini Guide).
• Pull-up setzen: Startwert 4,7 kΩ von DQ nach VDD; bei langen Leitungen prüfen und ggf. anpassen.
• Saubere Masse: GND durchgängig, keine wackeligen Steckverbindungen, kurze Rückleiter.
• Betriebsart wählen: Normalbetrieb mit VDD ist meist robuster als parasitär; parasitär nur mit Verständnis der Grenzen (Datenblatt: DS18B20 PDF).
• Libraries passend: OneWire (GitHub) + DallasTemperature (GitHub).
• Auflösung sinnvoll: 10/11 Bit oft ausreichend; 12 Bit nur, wenn wirklich nötig.
• Topologie beachten: Busförmig, kurze Abzweige; lange Sternstrukturen vermeiden.
• Low-Power denken: Messintervalle, Sleep-Modi und Aktivzeit optimieren (avr-libc Sleep Modes).

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