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2.13 Thermometer

In dieser Lektion lernen wir, wie man einen Thermistor mit dem Raspberry Pi Pico 2 verwendet, um die Temperatur zu messen. Ein Thermistor ist ein Widerstand, dessen Widerstandswert sich stark mit der Temperatur verändert. Konkret nutzen wir einen NTC-Thermistor (Negative Temperature Coefficient), dessen Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt.

Benötigte Komponenten

Für dieses Projekt werden folgende Komponenten benötigt.

Ein komplettes Kit ist besonders praktisch. Hier ist der Link:

Name	ENTHALTENE TEILE	LINK
Newton Lab Kit	450+	Newton Lab Kit

Alternativ können die Komponenten auch einzeln über die folgenden Links erworben werden.

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

Funktionsweise des Thermistors

Ein NTC-Thermistor ist ein temperaturabhängiger Widerstand. Sein Widerstand sinkt mit steigender Temperatur. Durch die Integration in einen Spannungsteiler können wir die Spannung über dem Thermistor messen, die sich mit der Temperatur ändert. Mit dem Analog-Digital-Wandler (ADC) des Raspberry Pi Pico 2 können wir diese Spannung auslesen und die entsprechende Temperatur berechnen.

Schaltplan

sch_temp

In dieser Schaltung bilden ein 10KΩ-Widerstand und ein NTC-Thermistor einen Spannungsteiler. GP28 misst die Spannung über dem Thermistor. Der 10KΩ-Widerstand dient zudem als Schutzwiderstand zur Begrenzung des Stroms.

Hohe Temperatur: Der Widerstand des Thermistors sinkt, wodurch die gemessene Spannung an GP28 niedriger wird. Bei sehr hohen Temperaturen nähert sich der Widerstand null, und GP28 liest nahezu 0.
Niedrige Temperatur: Der Widerstand des Thermistors steigt, wodurch die Spannung an GP28 erhöht wird. In extrem kalten Umgebungen steigt der Widerstand nahezu ins Unendliche, und GP28 liest einen Wert nahe 65535.

Der 10KΩ-Widerstand verhindert eine direkte Verbindung zwischen 3.3V und GND, wodurch ein Kurzschluss vermieden wird.

Verdrahtungsdiagramm

wiring_temp

Code schreiben

Wir schreiben ein MicroPython-Programm, das den Analogwert des Thermistors ausliest, die Temperatur in Celsius und Fahrenheit berechnet und diese ausgibt.

Bemerkung

Öffne 2.13_thermometer.py aus newton-lab-kit/micropython oder kopiere den Code in Thonny, dann klicke auf „Run“ oder drücke F5.
Stelle sicher, dass der richtige Interpreter ausgewählt ist: MicroPython (Raspberry Pi Pico).COMxx.

import machine
import utime
import math

# Konstanten
BETA = 3950  # Beta-Koeffizient des Thermistors
T0 = 298.15  # Referenztemperatur (25°C in Kelvin)
R0 = 10000   # Widerstand bei T0 (10 kΩ)

# Initialisierung des ADC auf GP28
thermistor = machine.ADC(28)

while True:
    # Lese den Analogwert (0-65535)
    analog_value = thermistor.read_u16()

    # Wandle den Analogwert in eine Spannung um
    voltage = analog_value * 3.3 / 65535

    # Berechne den Widerstand des Thermistors
    Rt = (voltage * R0) / (3.3 - voltage)

    # Berechne die Temperatur in Kelvin mit der Beta-Formel
    tempK = 1 / ((1 / T0) + (1 / BETA) * math.log(Rt / R0))

    # Wandle Kelvin in Celsius um
    tempC = tempK - 273.15

    # Wandle Celsius in Fahrenheit um
    tempF = tempC * 9 / 5 + 32

    # Ausgabe der Temperaturwerte
    print('Temperature: {:.2f}°C  {:.2f}°F'.format(tempC, tempF))

    # Warte 2 Sekunden vor der nächsten Messung
    utime.sleep(2)

Wenn der Code läuft, wird die Temperatur in Celsius und Fahrenheit in der Konsole angezeigt.

Berühre den Thermistor mit den Fingern, um zu sehen, wie die Temperatur steigt.
Kühle ihn mit Eis oder einem kalten Objekt ab, um die Temperatur sinken zu sehen.

Den Code verstehen

Module importieren:
- machine: Zugriff auf Hardware-Funktionen.
- utime: Nutzung von Zeitfunktionen wie sleep.
- math: Enthält mathematische Funktionen wie log.
Konstanten setzen:
- BETA: Beta-Koeffizient des Thermistors (aus dem Datenblatt, meist 3950).
- T0: Referenztemperatur in Kelvin (25°C + 273.15).
- R0: Widerstand des Thermistors bei T0 (10 kΩ).
ADC-Pin initialisieren:
- thermistor = machine.ADC(28): Setzt GP28 als analogen Eingang.
Hauptschleife:
- analog_value = thermistor.read_u16(): Liest den rohen Analogwert aus.
- voltage = analog_value * 3.3 / 65535: Wandelt den Rohwert in eine Spannung um.
- Rt = (voltage * R0) / (3.3 - voltage): Verwendet die Spannungsteilerformel zur Berechnung des Thermistor-Widerstands.
- tempK = 1 / ( (1 / T0) + (1 / BETA) * math.log(Rt / R0) ): Nutzt die vereinfachte Steinhart-Hart-Gleichung für einen einzelnen Beta-Wert.
- Umrechnung von Kelvin in Celsius und Fahrenheit:
```
tempC = tempK - 273.15
tempF = tempC * 9 / 5 + 32
```
- print('Temperatur: {:.2f}°C {:.2f}°F'.format(tempC, tempF)): Gibt die Temperaturwerte aus.
- utime.sleep(2): Wartet 2 Sekunden vor der nächsten Messung.

Die Temperaturberechnung verstehen

Steinhart-Hart-Gleichung:

Die Steinhart-Hart-Gleichung beschreibt den Widerstand eines Thermistors in Abhängigkeit von der Temperatur:

T ist die Temperatur des Thermistors in Kelvin.
T0 ist eine Referenztemperatur, üblicherweise 25°C (entspricht 273.15 + 25 in Kelvin).
B ist der Beta-Koeffizient des Materials. Der in diesem Kit verwendete NTC-Thermistor hat einen Beta-Wert von 3950.
R ist der gemessene Widerstand.
R0 ist der Widerstand bei der Referenztemperatur T0 (bei 25°C beträgt der Widerstand des Thermistors in diesem Kit 10 Kiloohm).

Sicherheitshinweis

Sei vorsichtig beim Erhitzen des Thermistors. Setze ihn keinen hohen Temperaturen aus, die ihn oder den Raspberry Pi Pico 2 beschädigen könnten.

Weitere Experimente

Datenaufzeichnung: Ändere den Code so, dass Temperaturwerte in einer Datei auf dem Pico gespeichert werden.
Temperaturschwellen definieren: Füge Bedingungen hinzu, um Aktionen auszulösen, wenn die Temperatur bestimmte Grenzwerte über- oder unterschreitet (z. B. eine LED einschalten oder einen Summer aktivieren).
Anzeige der Werte: Verbinde ein LCD- oder OLED-Display, um die Temperaturmesswerte anzuzeigen.

Fazit

Durch die Verwendung eines Thermistors mit dem Raspberry Pi Pico 2 hast du ein grundlegendes Thermometer erstellt, das Temperaturänderungen messen kann. Dieses Projekt zeigt, wie analoge Eingaben ausgelesen, Berechnungen durchgeführt und Sensordaten interpretiert werden, um nützliche Informationen zu gewinnen.