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2.2.2 Termistore

Nota

A seconda della versione del kit, identifica se hai ADC0834 o MCP3008 e procedi con la sezione corrispondente.

Introduzione

Come il fotoresistore è sensibile alla luce, il termistore è un dispositivo elettronico sensibile alla temperatura, che può essere utilizzato per realizzare funzioni di controllo della temperatura, come un allarme di calore.

Componenti

Principio

Un termistore è una resistenza termicamente sensibile che presenta un cambiamento preciso e prevedibile nella resistenza proporzionale a piccole variazioni di temperatura. La sua variazione di resistenza dipende dalla sua composizione unica. I termistori appartengono al gruppo dei componenti passivi. A differenza dei loro omologhi attivi, i dispositivi passivi non possono fornire guadagno di potenza o amplificazione a un circuito.

Esistono due tipi di termistori: coefficiente di temperatura negativo (NTC) e coefficiente di temperatura positivo (PTC), noti anche come NTC e PTC. La resistenza di un termistore PTC aumenta con la temperatura, mentre per l’NTC è il contrario. In questo esperimento utilizziamo un termistore NTC.

Il principio è che la resistenza del termistore NTC varia con la temperatura dell’ambiente esterno. Quando la temperatura aumenta, la resistenza del termistore diminuisce. I dati di tensione vengono poi convertiti in valori digitali tramite l’adattatore A/D, e la temperatura in gradi Celsius o Fahrenheit viene mostrata tramite programmazione.

In questo esperimento, si utilizza un termistore e una resistenza di pull-up da 10k. Ogni termistore ha una resistenza normale, qui pari a 10k ohm, misurata a 25 gradi Celsius.

La relazione tra resistenza e temperatura è la seguente:

R_T =R_N exp^{B(1/TK – 1/TN)}

RT è la resistenza del termistore NTC alla temperatura TK.

RN è la resistenza del termistore NTC alla temperatura nominale TN. Qui, il valore numerico di RN è 10k.

TK è una temperatura Kelvin e l’unità è K. Qui, il valore numerico di TKè 273,15 + gradi Celsius.

TN è una temperatura Kelvin nominale; anche l’unità è K. Qui, il valore numerico di TN è 273,15+25.

B (beta), la costante di materiale del termistore NTC, è chiamata anche indice di sensibilità termica e ha un valore numerico di 3950.

exp è l’abbreviazione di esponenziale, e la base è il numero naturale e, che è approssimativamente uguale a 2,7.

Converti questa formula T_K=1/(ln(R_T/R_N)/B+1/T_N) per ottenere la temperatura Kelvin e sottraendo 273,15 ottieni la temperatura in gradi Celsius.

Questa relazione è una formula empirica, accurata solo quando la temperatura e la resistenza sono entro il range efficace.

Schema elettrico

Procedure sperimentali

Passo 1: Costruisci il circuito.

Per gli Utenti del Linguaggio C

Passo 2: Vai alla cartella del codice.

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

Passo 3: Compila il codice.

gcc 2.2.2_Thermistor.c -lwiringPi -lm

Nota

-lm serve per caricare la libreria matematica. Non ometterlo, altrimenti comparirà un errore.

Passo 4: Esegui il file eseguibile.

sudo ./a.out

Con il codice in esecuzione, il termistore rileva la temperatura ambientale che verrà visualizzata sullo schermo una volta completato il calcolo.

Nota

Se il programma non funziona dopo l’esecuzione, o compare un errore del tipo: "wiringPi.h: Nessun file o directory", consulta Il codice C non funziona?.

Codice

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

typedef unsigned char uchar;
typedef unsigned int uint;

#define     ADC_CS    0
#define     ADC_CLK   1
#define     ADC_DIO   2

uchar get_ADC_Result(uint channel)
{
    uchar i;
    uchar dat1=0, dat2=0;
    int sel = channel > 1 & 1;
    int odd = channel & 1;

    digitalWrite(ADC_CLK, 1);
    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(ADC_CLK, 0);
    delayMicroseconds(2);

    pinMode(ADC_DIO, OUTPUT);
    digitalWrite(ADC_CS, 0);
    // Bit di avvio
    digitalWrite(ADC_CLK,0);
    digitalWrite(ADC_DIO,1);    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(ADC_CLK,1);    delayMicroseconds(2);
    // Modalità single-end
    digitalWrite(ADC_CLK,0);
    digitalWrite(ADC_DIO,1);    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(ADC_CLK,1);    delayMicroseconds(2);
    // ODD
    digitalWrite(ADC_CLK,0);
    digitalWrite(ADC_DIO,odd);  delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(ADC_CLK,1);    delayMicroseconds(2);
    // Selezione
    digitalWrite(ADC_CLK,0);
    digitalWrite(ADC_DIO,sel);    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(ADC_CLK,1);

    digitalWrite(ADC_DIO,1);    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(ADC_CLK,0);
    digitalWrite(ADC_DIO,1);    delayMicroseconds(2);

    for(i=0;i<8;i++)
    {
        digitalWrite(ADC_CLK,1);    delayMicroseconds(2);
        digitalWrite(ADC_CLK,0);    delayMicroseconds(2);

        pinMode(ADC_DIO, INPUT);
        dat1=dat1<<1 | digitalRead(ADC_DIO);
    }

    for(i=0;i<8;i++)
    {
        dat2 = dat2 | ((uchar)(digitalRead(ADC_DIO))<<i);
        digitalWrite(ADC_CLK,1);    delayMicroseconds(2);
        digitalWrite(ADC_CLK,0);    delayMicroseconds(2);
    }

    digitalWrite(ADC_CS,1);
    pinMode(ADC_DIO, OUTPUT);
    return(dat1==dat2) ? dat1 : 0;
}

int main(void)
{
    unsigned char analogVal;
    double Vr, Rt, temp, cel, Fah;
    if(wiringPiSetup() == -1){ // se l'inizializzazione di wiring fallisce, stampa un messaggio a schermo
        printf("setup wiringPi failed !");
        return 1;
    }
    pinMode(ADC_CS,  OUTPUT);
    pinMode(ADC_CLK, OUTPUT);

    while(1){
        analogVal = get_ADC_Result(0);
        Vr = 5 * (double)(analogVal) / 255;
        Rt = 10000 * (double)(Vr) / (5 - (double)(Vr));
        temp = 1 / (((log(Rt/10000)) / 3950)+(1 / (273.15 + 25)));
        cel = temp - 273.15;
        Fah = cel * 1.8 +32;
        printf("Celsius: %.2f C  Fahrenheit: %.2f F\n", cel, Fah);
        delay(100);
    }
    return 0;
}

Spiegazione del Codice

#include <math.h>

Questa è una libreria numerica di C che dichiara una serie di funzioni per calcolare operazioni matematiche e trasformazioni comuni.

analogVal = get_ADC_Result(0);

Questa funzione viene utilizzata per leggere il valore del termistore.

Vr = 5 * (double)(analogVal) / 255;
Rt = 10000 * (double)(Vr) / (5 - (double)(Vr));
temp = 1 / (((log(Rt/10000)) / 3950)+(1 / (273.15 + 25)));
cel = temp - 273.15;
Fah = cel * 1.8 +32;
printf("Celsius: %.2f C  Fahrenheit: %.2f F\n", cel, Fah);

Questi calcoli convertono i valori del termistore in gradi Celsius.

Vr = 5 * (double)(analogVal) / 255;
Rt = 10000 * (double)(Vr) / (5 - (double)(Vr));

Queste due righe di codice calcolano la distribuzione della tensione con il valore letto da analog per ottenere Rt (resistenza del termistore).

temp = 1 / (((log(Rt/10000)) / 3950)+(1 / (273.15 + 25)));

Questo codice si riferisce alla sostituzione di Rt nella formula TK=1/(ln(RT/RN)/B+1/TN) per ottenere la temperatura in Kelvin.

temp = temp - 273.15;

Converte la temperatura in Kelvin in gradi Celsius.

Fah = cel * 1.8 +32;

Converte i gradi Celsius in Fahrenheit.

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

Stampa i gradi centigradi, i gradi Fahrenheit e le loro unità sul display.

Per gli Utenti di Linguaggio Python

Passo 2: Vai alla cartella del codice.

cd ~/davinci-kit-for-raspberry-pi/python/

Passo 3: Esegui il file eseguibile

sudo python3 2.2.2_Thermistor.py

Una volta eseguito il codice, il termistore rileverà la temperatura ambientale che verrà stampata sullo schermo al termine del calcolo del programma.

Codice

Nota

Puoi Modificare/Reimpostare/Copiare/Eseguire/Interrompere il codice qui sotto. Prima di fare ciò, però, devi accedere al percorso del codice sorgente come davinci-kit-for-raspberry-pi/python.

import RPi.GPIO as GPIO
import ADC0834
import time
import math

def init():
    ADC0834.setup()

def loop():
    while True:
        analogVal = ADC0834.getResult()
        Vr = 5 * float(analogVal) / 255
        Rt = 10000 * Vr / (5 - Vr)
        temp = 1/(((math.log(Rt / 10000)) / 3950) + (1 / (273.15+25)))
        Cel = temp - 273.15
        Fah = Cel * 1.8 + 32
        print ('Celsius: %.2f C  Fahrenheit: %.2f F' % (Cel, Fah))
        time.sleep(0.2)

if __name__ == '__main__':
    init()
    try:
        loop()
    except KeyboardInterrupt:
        ADC0834.destroy()

Spiegazione del Codice

import math

Una libreria numerica che dichiara una serie di funzioni per calcolare operazioni matematiche comuni e trasformazioni.

analogVal = ADC0834.getResult()

Questa funzione viene utilizzata per leggere il valore del termistore.

Vr = 5 * float(analogVal) / 255
Rt = 10000 * Vr / (5 - Vr)
temp = 1/(((math.log(Rt / 10000)) / 3950) + (1 / (273.15+25)))
Cel = temp - 273.15
Fah = Cel * 1.8 + 32
print ('Celsius: %.2f °C  Fahrenheit: %.2f ℉' % (Cel, Fah))

Questi calcoli convertono i valori del termistore in gradi Celsius e Fahrenheit.

Vr = 5 * float(analogVal) / 255
Rt = 10000 * Vr / (5 - Vr)

Queste due righe di codice calcolano la distribuzione della tensione con il valore letto da analog per ottenere Rt (resistenza del termistore).

temp = 1/(((math.log(Rt / 10000)) / 3950) + (1 / (273.15+25)))

Questo codice inserisce Rt nella formula TK=1/(ln(RT/RN)/B+1/TN) per ottenere la temperatura in Kelvin.

temp = temp - 273.15

Converte la temperatura in Kelvin in gradi Celsius.

Fah = Cel * 1.8 + 32

Converte i gradi Celsius in gradi Fahrenheit.

print ('Celsius: %.2f °C  Fahrenheit: %.2f ℉' % (Cel, Fah))

Stampa i gradi Celsius e Fahrenheit con le relative unità sul display.

2.2.2 Termistore

Introduzione

Componenti

Principio

Schema elettrico

Procedure sperimentali

Per gli Utenti del Linguaggio C

Per gli Utenti di Linguaggio Python

Immagine del Fenomeno