Temperaturmessung für Labor- und Wissenschaftsprojekte

Einführung

Jedes Labor (Zuhause, Büro, Schule) benötigt Temperaturmessfunktionen. Die Temperaturmessung für wissenschaftliche Experimente ist schwierig – es können alle Arten von Materialien, Flüssigkeiten und Chemikalien verwendet werden oder ein großer Temperaturbereich muss abgedeckt werden. Der dafür verwendete Sensor (ein Thermoelement) ist nicht einfach anzuschließen und der Sensorverstärker ist nicht trivial, da er in der Lage sein muss, eine extrem kleine Spannung zu messen.

Für Flexibilität bei den wissenschaftlichen Experimenten, für die es verwendet werden kann, ist eine hohe Genauigkeit zusammen mit einer schnellen Reaktion und einer guten Aktualisierungsrate erforderlich. Es versteht sich von selbst, dass Daten in bequemer Form protokolliert und einfach zu handhaben sein sollten.

Der Einfachheit halber gibt es fertige Temperaturmess- und Protokollierungsprodukte, die manchmal aufgrund der Überlastung der Softtasten und einer eingeschränkten Anzeige nicht einfach zu bedienen sind. Darüber hinaus sollten Informationen für den Einsatz in großen Labors oder Klassenzimmern protokolliert und für Menschen leicht abrufbar sein – und möglicherweise den aktuellen Status auf einem großen Bildschirm anzeigen. Es versteht sich von selbst, dass einige Experimente lange dauern können, daher ist es auch nützlich, Ihr Experiment während des Mittagessens mit einem Mobiltelefon zu überprüfen. Eine letzte Anforderung war, dass dies auch für Neulinge in Elektronik und Software einfach zu bauen sein sollte.

Dieses Projekt zeigt, wie man ein Thermoelement-Board an einen Raspberry Pi (RPI) anschließt und es für Temperaturmessungen und -protokollierung mit hoher Leistung und extrem niedrigen Kosten verwendet. Dieses Projekt ist einfach – kein Löten erforderlich, es sei denn, Sie möchten. Dies ist auch ein großartiges Projekt, um mit der Verwendung des Konnektors "DIL (dual-in-line) header" auf dem RPI zu beginnen, falls Sie dies noch nicht getan haben.

Designübersicht

Viele Bastlerprojekte auf Thermoelementbasis verwenden den integrierten Schaltkreis MAX31855, und für den Anschluss an das RPI sind von mehreren Anbietern vorgefertigte "Thermoelementverstärker"-Platinen erhältlich. Dieses Projekt verwendet jedoch den wesentlich höher auflösenden ADS1118 von Texas Instruments. Es kommt in einem SMD-Gehäuse, aber glücklicherweise ist ein fertig gebautes ADS1118-Entwicklungsboard erhältlich, das alle Schaltungen einschließlich eines LCD-Displays und eines Thermoelements enthält – es ist ein extrem gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Wenn Sie keine Lust auf Löten haben, können Sie diese Platine mit dem Raspberry Pi (oder einer anderen Computerplatine - sie verwendet eine auf Standards basierende Kommunikationsmethode namens Serial Peripheral Interface oder SPI) mit acht Steckbrücken (männlich-zu- weibliche Kabel werden benötigt). Wenn Ihnen eine Lötübung nichts ausmacht, kann alternativ eine kleine Adapterplatine gebaut werden. So wurde hier vorgegangen. Zusammenfassend sehen Sie auf dem Foto unten alle Bits, die für dieses Projekt verwendet werden, einschließlich der montierten Adapterplatine.

Das gesamte Projekt kann über einen Webbrowser oder über die Befehlszeile gesteuert werden.

Um die Adapterplatine aufzubauen, verwenden Sie am einfachsten eine Platine; Mit der EAGLE-Software habe ich ein Design erstellt, für das die Dateien diesem Beitrag angehängt sind, um sie an einen PCB-Hersteller zu senden (kostet etwa 30 US-Dollar für zehn Boards).

Alternativ kann ein Prototyping-Board verwendet werden; Ich habe mir ein Perfboard besorgt (der Typ mit isolierten Pads, kein Stripboard) und zurechtgeschnitten. Ein 3 mm Loch wurde gebohrt, um eine Stützsäule (Gewinde-Sechskant-Abstandshalter) zu befestigen. Die Platinen liegen nebeneinander und nicht übereinander, um Temperaturänderungen und Rauschprobleme zu minimieren, die sich beide auf die Thermoelement-Messwerte auswirken würden.

Ich wollte die Möglichkeit haben, das ADS1118-Board auf die Pad-Seite des Perf-Boards zu stecken, daher gibt es hier eine leichte Komplikation. Die Lösung bestand darin, gebogene SIL-Header zu verwenden. Es werden 10-Wege-SIL-Stiftleisten benötigt (das Foto zeigt 8-Wege, die ich zur Hand hatte) - oder verwenden Sie SMD-Stiftleisten, die ähnlich sind, aber die gebogenen Enden abwechselnd auf beiden Seiten haben. Wenn Sie eine Platine und keine Perf-Platine verwenden, werden gerade SIL-Stiftleisten benötigt.

Um sie auszurichten, stecken Sie sie in die ADS1118-Platine, positionieren Sie sie über der Perf-Platine und heften Sie dann einige Stifte mit Lötzinn an. Dann kann das ADS-Board ganz behutsam abgezogen und die SIL-Header dann richtig verlötet werden. Beachten Sie, dass es zu diesem Zeitpunkt ziemlich schwierig ist, den Stecker zu trennen, ohne die Pads von der Platine abzureißen. Halten Sie den gebogenen Teil der SIL-Stiftleisten gegen die Platine, während Sie die ADS1118-Platine abziehen.

Um die SIL-Header sehr sicher zu machen, löten Sie als nächstes jeden Pin an so viele Pads wie möglich (jeder kann an drei Pads gelötet werden).

Um die Anschlüsse zu identifizieren, beziehen Sie sich auf das Foto mit der Pinnummerierung unten und die folgende Tabelle:

+ Quellansichtsebene erweitern

1. * Verbindungen:
2. * TI Board       RPI B+
3. * ————   ——————
4. * P1_1  VCC      1     3,3 V
5. * P1_7  CLK      23    CLK
6. * P1_8  ADS_CS   26    SPI_CE1
7. * P2_8  LCD_CS   24    SPI_CE0
8. * P2_9  LCD_RS   11    GPIO_17_GEN0
9. * P2_1  GND      9     GND
10. * P2_6  SIMO     19    MOSI
11. * P2_7  SOMI     21    MISO

Nach dem Testen der Software und der Board-Funktionalität ist es möglich, etwas Epoxidharzkleber (z. B. Araldite) zu verwenden, um die SIL-Stiftleisten noch sicherer zu machen. Es wurde eine minimale Menge verwendet, damit in Zukunft bei Bedarf noch knapp auf die Pins gelötet werden kann.

Mit dem oben erwähnten PCB-Ansatz können die Header-Pins und die Buchse beim Eintreffen der PCB gelötet werden, und es ist eine einfache Aufgabe (dauert fünf Minuten), sodass die PCB die bevorzugte Methode ist, insbesondere wenn Sie viele davon herstellen müssen (I beabsichtigen, mehrere zu machen). Ich habe DIL-Header-Pins anstelle von SIL verwendet, aber beide funktionieren mit dem PCB-Layout, das diesem Beitrag beigefügt ist.

Software

Das Diagramm hier zeigt die gesamte Lösungsübersicht. Der Großteil des Codes befindet sich in drei Dateien. Der Code, der mit der ADS1118-Platine verbunden ist, wird zuerst besprochen, da dieser Code auf Wunsch eigenständig ausgeführt werden kann. Im Diagramm ist es violett dargestellt.

Um die Software zu erstellen, müssen Sie zunächst ein Logo erstellen:

+ Quellansichtsebene erweitern

1. /******************************************** ************************************************* ***
2. * therm.c
3. * RPI <-> 430BOOST-ADS1118 Thermoelement-/LCD-Platine
4. *
5. *         __                               __     ____   _____
6. *   ____ | | ____   _____   ____   _____/  |_  /_   | /  | |
7. * _/ __ \| | _/ __ \ /     \_/ __ \ /    \   __\  | |/   | |_
8. * \  ___/| |_\  ___/| J J  \  ___/| | \  | | /    ^   /
9. *  \___  >____/\___  >__|_| /\___  >___| /__| |___\____   |
10. *      \/          \/      \/     \/     \/                 |__|
11. *

Der nächste Schritt besteht darin, die Fülle an Code zu nutzen, die TI normalerweise anbietet. In diesem Fall hatte TI bereits hochwertigen ADS1118-Code für das MSP430 Launchpad, der wiederverwendet werden konnte. Es wurde leicht angepasst, um auf dem RPI verwendet werden zu können, wobei einige Eingabe/Ausgabe-(I/O)-Codes von Gert van Loo und Dom verwendet wurden.

Die Temperaturmessung scheint eine einfache Aufgabe zu sein (lesen Sie einen ADC-Wert und wandeln Sie ihn in Temperatur um), aber Thermoelemente erfordern eine „Vergleichsstellenkompensation“, was im Fall des ADS1118 auch das Lesen eines internen Temperatursensors bedeutet. Der Code verschachtelt das Lesen des internen Sensors und des externen Thermoelements. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass ein Thermoelementausgang im Vergleich zur Temperatur nicht linear ist; Thermoelementhersteller veröffentlichen Daten, die verwendet werden können, um eine genauere Umrechnung vom ADC-Wert in die tatsächliche Temperatur zu erhalten. Der TI-Code enthält diese Funktionen bereits für das mitgelieferte Thermoelement.

Der Code wurde angepasst, um Protokollierungsfunktionen hinzuzufügen. Da die Platine von der verrauschten 3,3-V-Versorgung des RPI gespeist werden soll und sich in unmittelbarer Nähe des RPI befindet, müssen einige Schritte unternommen werden, um sicherzustellen, dass die Messung bereinigt wird. Der implementierte Algorithmus liest den internen Temperatursensor einmal im Sekundentakt und das externe Thermoelement zehnmal in einem kurzen Burst (insgesamt einige hundert Millisekunden), sodass die Messwerte gemittelt und schließlich mit einer Auflösung von 0,1 °C ausgegeben werden können. Das Endergebnis war sehr gut; Sehen Sie hier einige Beispielausgaben.

Das LCD hat zwei Zeilen mit 16 Zeichen, daher wurde beschlossen, die untere Zeile zur Anzeige der Uhrzeit und der aktuellen Thermoelementtemperatur zu verwenden. Die oberste Zeile ist benutzerabhängig; es kann auf etwas eingestellt werden, damit die Leute sofort wissen, worum es bei dem Experiment geht. Es kann beispielsweise „Test Nr. 1“ oder „Nicht berühren“ lauten.

Die Verwendung des Codes ist einfach.

Bestätigen Sie zunächst, dass einige Funktionen auf dem RPI aktiviert sind. Wenn das RPI frisch verwendet wird, stellen Sie nach der Installation des Betriebssystems sicher, dass die Option „Erweitert ’-Menüoption ausgewählt ist und dann drei Dinge aktivieren:SSH , SPI und I2C – wir verwenden nicht alle diese für dieses Projekt, aber es handelt sich um standardbasierte Schnittstellen, die immer aktiviert werden sollten, es sei denn, Sie möchten das RPI nie von einem Monitor trennen oder den 40-Wege-DIL-Anschluss am RPI nicht verwenden. Wenn dies nach der Installation des Betriebssystems nicht geschehen ist, geben Sie raspi-config . ein in einem Textfenster (auch bekannt als Befehlsshell) auf dem RPI und wählen Sie dann „Erweitert . ’ im angezeigten Menü.

Angenommen, die drei oben genannten Funktionen sind aktiviert, dann erstellen Sie einen Ordner für Ihre Arbeit außerhalb Ihres Home-Verzeichnisses (z. B. einen Ordner namens Entwicklung . erstellen und dann ein Unterordner namens therm ) und kopiere den Quellcode (angehängt an diesen Beitrag) in diesen Unterordner.

Um den Codetyp zu kompilieren:

+ Quellansichtsebene erweitern

1. gcc -o therm therm.c -lrt

Der Code kann nun ausgeführt werden. Es gibt einige Möglichkeiten, dieses Projekt zu verwenden. Eine Möglichkeit besteht darin, einfach Befehle in die Befehlsshell einzugeben. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines Webbrowsers. Diese beiden Methoden werden als nächstes besprochen.

Befehlsschnittstelle

Der Code kann entweder mit 'sudo . ausgeführt werden ’ oder als Superuser (root) user.

Um Root-Benutzer zu werden, geben Sie zuerst sudo passwd root . ein einmal und erstellen Sie ein Superuser-Passwort (d. h. Root-Benutzer). Wenn Sie jetzt Superuser werden möchten, können Sie einfach "su . eingeben ‘ und geben Sie dieses Passwort ein. Um die Superuser-Berechtigungen jederzeit zu beenden, geben Sie „exit . ein ‘. Manche Leute bevorzugen Sudo, andere empfinden es als unnötige Handschellen.

Für weitere Details:Temperaturmessung für Labor- und Wissenschaftsprojekte