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2.2.2 Thermistor (MCP3008)

Bemerkung

../_images/mcp3008_and_adc0834.jpg

Je nach deiner Kit-Version überprüfe bitte, ob du ADC0834 oder MCP3008 hast, und fahre mit dem entsprechenden Abschnitt fort.

Einführung

Genau wie ein Fotowiderstand Licht erfassen kann, ist ein Thermistor ein temperatur­empfindliches elektronisches Bauteil, das für Temperaturregelungsfunktionen verwendet werden kann – zum Beispiel für einen Hitzealarm.

Benötigte Komponenten

In diesem Projekt benötigen wir die folgenden Komponenten.

../_images/list2_2.2.2_thermistor.png

Prinzip

Ein Thermistor ist ein thermisch empfindlicher Widerstand, der eine präzise und vorhersehbare Widerstandsänderung proportional zu kleinen Temperaturänderungen aufweist. Wie stark sich sein Widerstand ändert, hängt von seiner spezifischen Zusammensetzung ab.

Thermistoren gehören zur Gruppe der passiven Bauelemente. Anders als aktive Bauelemente können passive Bauelemente keine Leistungsverstärkung oder Signalverstärkung liefern.

Thermistoren gibt es in zwei Typen: NTC (Negative Temperature Coefficient) und PTC (Positive Temperature Coefficient). - Beim PTC steigt der Widerstand mit zunehmender Temperatur. - Beim NTC (in diesem Experiment verwendet) ist es umgekehrt: Der Widerstand sinkt mit steigender Temperatur.

../_images/image3251.png

Das Prinzip: Der Widerstand des NTC-Thermistors ändert sich mit der Umgebungstemperatur. Er erfasst die aktuelle Temperatur; steigt diese, sinkt der Widerstand. Die Spannung wird dann vom A/D-Wandler in digitale Werte umgewandelt. Über die Programmierung wird die Temperatur in Grad Celsius oder Fahrenheit ausgegeben.

In diesem Experiment verwenden wir einen Thermistor und einen 10k-Pull-up-Widerstand. Der normale Widerstand des Thermistors beträgt hier 10 kΩ bei 25 °C.

Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur:

RT = RN expB(1/TK – 1/TN)

  • RT: Widerstand bei Temperatur TK

  • RN: Widerstand bei Nenn­temperatur TN (hier 10 kΩ)

  • TK: Temperatur in Kelvin (K = 273,15 + °C)

  • TN: Nenn­temperatur in Kelvin (= 273,15 + 25)

  • B: Materialkonstante (Wärmeempfindlichkeitsindex), hier 3950

  • exp: Exponentialfunktion, Basis e ≈ 2,7

Umgestellt für Kelvin-Temperatur:

TK= 1 / ( ln(RT / RN) / B + 1 / TN )

Kelvin-Temperatur − 273,15 = Grad Celsius.

Diese Beziehung ist empirisch und nur innerhalb des effektiven Temperatur- und Widerstandsbereichs genau.

Schaltplan

T-Board-Name

Physical

WiringPi

BCM

SPICE0

pin24

10

8

SPIMOSI

pin19

12

10

SPIMISO

pin21

13

9

SPISCLK

pin23

14

11
../_images/schematic_2.2.2_thermistor_mcp3008.png

Experimentelle Schritte

Schritt 1: Baue die Schaltung auf.

../_images/july24_2.2.2_thermistor_mcp3008.png

Schritt 2: Wechsle in den Code-Ordner.

cd ~/davinci-kit-for-raspberry-pi/c/2.2.2-2/

Schritt 3: Kompiliere den Code.

gcc 2.2.2_Thermistor.c -o Thermistor -lwiringPi -lm

Bemerkung

-lm bindet die Mathematikbibliothek ein. Nicht weglassen, sonst tritt ein Fehler auf.

Schritt 4: Führe die ausführbare Datei aus.

./Thermistor

Während der Code läuft, erfasst der Thermistor die Umgebungstemperatur. Nach der Berechnung wird sie auf dem Bildschirm in °C und °F ausgegeben.

Bemerkung

Falls es nach dem Ausführen nicht funktioniert oder die Fehlermeldung „wiringPi.h: No such file or directory“ erscheint, siehe Installieren und Überprüfen von WiringPi.

Code

#include <wiringPi.h>
#include <wiringPiSPI.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>

#define SPI_CHANNEL 0  // CE0
#define SPI_SPEED   1000000  // 1MHz

int read_ADC(int channel) {
    if (channel < 0 || channel > 7) return -1;

    unsigned char buffer[3];
    buffer[0] = 1;  // Startbit
    buffer[1] = (8 + channel) << 4;  // Single-Ended-Modus + Kanal
    buffer[2] = 0;

    wiringPiSPIDataRW(SPI_CHANNEL, buffer, 3);

    int value = ((buffer[1] & 3) << 8) | buffer[2];
    return value;
}

int main(void) {
    int analogVal;
    double Vr, Rt, temp, cel, Fah;

    if (wiringPiSetup() == -1) {
        printf("WiringPi-Setup fehlgeschlagen!\n");
        return 1;
    }

    if (wiringPiSPISetup(SPI_CHANNEL, SPI_SPEED) == -1) {
        printf("SPI-Setup fehlgeschlagen!\n");
        return 1;
    }

    while (1) {
        analogVal = read_ADC(0);  // Von CH0 lesen

        // MCP3008 ist ein 10-Bit-ADC (0–1023)
        Vr = 3.3 * analogVal / 1023.0;  // Vref = 3,3 V
        Rt = 10000.0 * Vr / (3.3 - Vr); // Spannungsteiler, 10k-Widerstand
        temp = 1 / ((log(Rt / 10000.0) / 3950.0) + (1 / (273.15 + 25.0)));
        cel = temp - 273.15;
        Fah = cel * 1.8 + 32;

        printf("Celsius: %.2f C  Fahrenheit: %.2f F\n", cel, Fah);
        delay(1000);
    }

    return 0;
}

Code-Erklärung

#include <wiringPi.h>
#include <wiringPiSPI.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>

Diese Header-Dateien binden Bibliotheken für GPIO-Steuerung (wiringPi.h), SPI-Kommunikation (wiringPiSPI.h), Standard-E/A-Operationen (stdio.h) und mathematische Funktionen (math.h) in C ein.

#define SPI_CHANNEL 0
#define SPI_SPEED   1000000

Definiert Konstanten für den SPI-Kanal und die SPI-Taktrate. Hier: Kanal 0 (CE0) und 1 MHz.

int read_ADC(int channel)

Funktion zum Auslesen analoger Daten von einem bestimmten Kanal (0–7) des MCP3008.

buffer[0] = 1;
buffer[1] = (8 + channel) << 4;
buffer[2] = 0;

Formatiert den SPI-Befehl gemäß MCP3008-Protokoll: Startbit, Single-Ended-Modus, Kanalnummer.

wiringPiSPIDataRW(SPI_CHANNEL, buffer, 3);

Sendet den SPI-Befehl und empfängt die 10-Bit-ADC-Daten.

int value = ((buffer[1] & 3) << 8) | buffer[2];

Extrahiert und kombiniert das 10-Bit-ADC-Ergebnis aus dem SPI-Puffer.

if (wiringPiSetup() == -1) { ... }
if (wiringPiSPISetup(SPI_CHANNEL, SPI_SPEED) == -1) { ... }

Initialisiert WiringPi und konfiguriert SPI. Bei Fehlschlag wird das Programm beendet.

analogVal = read_ADC(0);

Liest das analoge Signal von MCP3008-Kanal 0, an dem der Thermistor-Spannungsteiler angeschlossen ist.

Vr = 3.3 * analogVal / 1023.0;

Wandelt den digitalen ADC-Wert in eine analoge Spannung um (Bereich 0–3,3 V).

Rt = 10000.0 * Vr / (3.3 - Vr);

Berechnet den Widerstand des Thermistors mithilfe der Spannungsteilerformel (10 kΩ in Serie).

temp = 1 / ((log(Rt / 10000.0) / 3950.0) + (1 / (273.15 + 25.0)));

Wandelt den Widerstand mit der B-Parameter-Gleichung in Temperatur (Kelvin) um. Formel: T(K) = 1 / [ ln(Rt/R₀)/B + 1/T₀ ], mit R₀ = 10 kΩ, B = 3950, T₀ = 25 °C = 298,15 K.

cel = temp - 273.15;

Umrechnung von Kelvin in Grad Celsius.

Fah = cel * 1.8 + 32;

Umrechnung von Celsius in Fahrenheit.

printf("Celsius: %.2f C  Fahrenheit: %.2f F\n", cel, Fah);

Gibt die Temperatur mit zwei Nachkommastellen in Celsius und Fahrenheit aus.