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2.13 Thermometer

In dieser Lektion lernen wir, wie man einen Thermistor mit dem Raspberry Pi Pico 2 zur Temperaturmessung verwendet. Ein Thermistor ist ein Typ von Widerstand, dessen Widerstandswert sich signifikant mit der Temperatur ändert. Speziell werden wir einen NTC-Thermistor verwenden, dessen Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt.

Was Sie benötigen

Für dieses Projekt benötigen wir die folgenden Komponenten.

Es ist definitiv praktisch, ein ganzes Kit zu kaufen, hier ist der Link:

Name	ARTIKEL IN DIESEM KIT	LINK
Newton Lab Kit	450+	Newton Lab Kit

Sie können sie auch einzeln über die unten stehenden Links kaufen.

SN	KOMPONENTE	MENGE	LINK
1	Raspberry Pi Pico 2	1	KAUFEN
2	Micro USB Kabel	1
3	Steckbrett	1	KAUFEN
4	Jumperkabel	Mehrere	KAUFEN
5	Widerstand	1(10KΩ)	KAUFEN
6	Thermistor	1	KAUFEN

Verständnis des Thermistors

Ein NTC-Thermistor ist ein temperatursensitiver Widerstand. Sein Widerstand verringert sich, wenn die Temperatur steigt. Indem wir ihn in einen Spannungsteiler einbauen, können wir die Spannung über ihm messen, die sich mit der Temperatur ändert. Mit dem Analog-Digital-Wandler (ADC) des Raspberry Pi Pico 2 können wir diese Spannung messen und die entsprechende Temperatur berechnen.

Schaltplan

sch_temp

In diesem Schaltkreis bilden ein 10K-Widerstand und ein NTC-Thermistor einen Spannungsteiler, wobei GP28 die Spannung über dem Thermistor misst. Der 10K-Widerstand bietet auch Schutz, indem er den Strom begrenzt.

Hohe Temperatur: Der Widerstand des Thermistors verringert sich, wodurch auch seine Spannung und der GP28-Wert sinken. Bei sehr hohen Temperaturen nähert sich der Widerstand null, und GP28 liest nahezu 0.
Niedrige Temperatur: Der Widerstand des Thermistors steigt, ebenso seine Spannung und der GP28-Wert. Bei extremer Kälte wird der Widerstand fast unendlich, und GP28 liest nahezu 1023.

Der 10K-Widerstand stellt sicher, dass 3,3V und GND nicht direkt verbunden sind, was einen Kurzschluss verhindert.

Verdrahtungsplan

wiring_temp

Schreiben des Codes

Bemerkung

Sie können die Datei 2.13_thermometer.ino aus newton-lab-kit/arduino/2.13_thermometer öffnen.
Oder kopieren Sie diesen Code in Arduino IDE.
Wählen Sie das Raspberry Pi Pico 2 Board und den richtigen Port, dann klicken Sie auf „Upload“.

// Define the pins
const int thermistorPin = 28;  // Thermistor connected to GP28 (ADC2)

// Constants for the thermistor and calculations
const float BETA = 3950;       // Beta value of the thermistor (provided by manufacturer)
const float SERIES_RESISTOR = 10000; // 10KΩ resistor
const float NOMINAL_RESISTANCE = 10000; // Resistance at 25°C (provided by manufacturer)
const float NOMINAL_TEMPERATURE = 25.0; // 25°C in Celsius

void setup() {
  Serial.begin(115200);  // Initialize Serial Monitor
}

void loop() {
  // Read the analog value from the thermistor
  int adcValue = analogRead(thermistorPin);
  // Convert the ADC value to voltage
  float voltage = adcValue * (3.3 / 1023.0);
  // Calculate the resistance of the thermistor
  float resistance = (voltage * SERIES_RESISTOR) / (3.3-voltage);
  // Calculate the temperature in Kelvin using the Beta formula
  float temperatureK = 1 / ( (1 / (NOMINAL_TEMPERATURE + 273.15)) + (1 / BETA) * log(resistance / NOMINAL_RESISTANCE) );
  // Convert Kelvin to Celsius
  float temperatureC = temperatureK - 273.15;
  // Convert Celsius to Fahrenheit
  float temperatureF = (temperatureC * 9.0 / 5.0) + 32.0;

  // Print the temperature readings
  Serial.print("Temperature: ");
  Serial.print(temperatureC);
  Serial.print(" °C, ");
  Serial.print(temperatureF);
  Serial.println(" °F");

  delay(1000);  // Wait a second before the next reading
}

Wenn der Code läuft und der serielle Monitor offen ist:

Sie sollten die Temperaturwerte in Celsius und Fahrenheit sehen.
Halten Sie den Thermistor sanft zwischen Ihren Fingern. Die Temperaturanzeige sollte steigen, da der Thermistor erwärmt wird.
Pusten Sie kalte Luft über den Thermistor oder platzieren Sie ein kaltes Objekt in der Nähe. Die Temperaturanzeige sollte sinken.

Verständnis des Codes

Definition der Pins und Konstanten:

Weist den GPIO-Pin zu, der für das Auslesen des Thermistors verwendet wird.
```
const int thermistorPin = 28;  // Thermistor connected to GP28 (ADC2)
```

Konstanten für Berechnungen:

Diese Konstanten werden in den Berechnungen zur Bestimmung der Temperatur verwendet.

const float BETA = 3950;       // Beta value of the thermistor
const float SERIES_RESISTOR = 10000; // 10KΩ resistor
const float NOMINAL_RESISTANCE = 10000; // Resistance at 25°C
const float NOMINAL_TEMPERATURE = 25.0; // 25°C in Celsius

Auslesen des Analogwerts:

Liest die analoge Spannung am thermistorPin und gibt einen Wert zwischen 0 und 1023 zurück.
```
int adcValue = analogRead(thermistorPin);
```
Berechnung der Spannung:

Wandelt den ADC-Wert in die tatsächliche Spannung um.
```
float voltage = adcValue * (3.3 / 1023.0);
```
Berechnung des Thermistorwiderstands:

Verwendet die Formel des Spannungsteilers, um den Widerstand des Thermistors zu berechnen.
```
float resistance = (voltage * SERIES_RESISTOR) / (3.3-voltage);
```

Berechnung der Temperatur:

float temperatureK = 1 / ( (1 / (NOMINAL_TEMPERATURE + 273.15)) + (1 / BETA) * log(resistance / NOMINAL_RESISTANCE) );
float temperatureC = temperatureK - 273.15;
float temperatureF = (temperatureC * 9.0 / 5.0) + 32.0;

Ausgabe der Temperatur:

Gibt die Temperatur in Celsius und Fahrenheit auf dem seriellen Monitor aus.

Serial.print("Temperature: ");
Serial.print(temperatureC);
Serial.print(" °C, ");
Serial.print(temperatureF);
Serial.println(" °F");

Verzögerung:

Wartet eine Sekunde, bevor die nächste Messung durchgeführt wird.
```
delay(1000);
```

Verständnis der Temperaturberechnung

Steinhart-Hart-Gleichung:

Die Steinhart-Hart-Gleichung liefert ein Modell des Widerstands des Thermistors als Funktion der Temperatur:

T ist die Temperatur des Thermistors in Kelvin.
T0 ist eine Referenztemperatur, üblicherweise bei 25°C (was in Kelvin 273.15 + 25 ist).
B ist der Beta-Parameter des Materials, der Beta-Koeffizient des NTC-Thermistors, der in diesem Kit verwendet wird, ist 3950.
R ist der gemessene Widerstand.
R0 ist der Widerstand bei der Referenztemperatur T0, der Widerstand des NTC-Thermistors in diesem Kit bei 25°C beträgt 10 Kilohm.

Hinweis zur Genauigkeit

Thermistoren sind nichtlineare Geräte, und die Beta-Gleichung liefert eine Annäherung.
Für genauere Temperaturmessungen über einen größeren Bereich kann die Steinhart-Hart-Gleichung verwendet werden.
Eine Kalibrierung kann für präzise Anwendungen notwendig sein.

Weitere Erkundungen

Temperaturanzeige auf einem LCD:

Verbinden Sie ein LCD-Display, um die Temperaturwerte ohne Computer anzuzeigen.
Datenprotokollierung:

Erfassen Sie Temperaturwerte über einen Zeitraum, um Umweltveränderungen zu überwachen.
Temperaturgesteuerte Geräte:

Verwenden Sie die Temperaturwerte, um einen Ventilator oder Heizgerät zu steuern.

Fazit

In dieser Lektion haben Sie gelernt, wie man einen Thermistor mit dem Raspberry Pi Pico zur Temperaturmessung verwendet. Durch das Erstellen eines Spannungsteilers und die Verwendung der Beta-Gleichung konnten Sie analoge Werte auslesen, den Widerstand berechnen und die Temperatur in Celsius und Fahrenheit bestimmen.