Präzise Thermoelement-Messung & Logging für Labor & Wissenschaftsexperimente

Einführung

Genaues Temperaturmonitoring ist essenziell für jedes Labor – ob Heimwerkstatt, Schul-Science-Class oder Forschungseinrichtung. Thermoelement-Sensoren sind der Standard für weite Temperaturbereiche, aber ihre Anbindung an kostengünstige Single-Board-Computer kann herausfordernd sein. Dieser Guide demonstriert, wie man einen hochauflösenden ADS1118 Thermoelement-Verstärker an einen Raspberry Pi anschließt, um präzises, schnelles und zuverlässiges Temperaturlogging zu einem Bruchteil der Kosten kommerzieller Systeme zu ermöglichen.

Design-Überblick

Viele Hobbyisten greifen standardmäßig zum MAX31855, aber der Texas Instruments ADS1118 bietet 16-Bit-Auflösung, duale Analogeingänge und eingebaute Kaltstellenkompensation. Ein fertiges ADS1118 Development Board – inklusive LCD-Display und Thermoelement-Anschluss – ist für unter 20 $ erhältlich und kann direkt via SPI auf einem Raspberry Pi montiert werden. Für Custom-Builds kann ein kleiner Adapter-Board oder Lochraster-PCB mit standard 10-poligen SIL-Headern gefertigt werden; die Board-Layout-Dateien sind im Projektarchiv enthalten.

Hardware-Setup

1. ADS1118 Board an Pi's 40-Pin-Header anschließen:

• VCC (ADS1118) → 3,3 V (Pin 1)
• GND → GND (Pin 9)
• CLK → SPI SCLK (Pin 23)
• ADS_CS → SPI CE1 (Pin 26)
• LCD_CS → SPI CE0 (Pin 24)
• LCD_RS → GPIO 17 (Pin 11)
• SIMO → MOSI (Pin 19)
• SOMI → MISO (Pin 21)

2. Pi's SPI, I²C und SSH Interfaces via raspi-config oder Raspberry Pi Imager aktivieren.

3. Optional: Board mit leichtem Epoxid wie Araldite sichern, dabei genug Platz für zukünftiges Nachlöten lassen.

Software-Überblick

Die Firmware ist in drei Hauptdateien aufgeteilt: therm.c (Kern-Treiber), lcd.c (LCD-Handling) und main.c (Applikationslogik). Der Treiber nutzt TIs ADS1118 Library, adaptiert für Pi's SPI-Implementierung. Kaltstellenkompensation wird automatisch durch Auslesen des internen Temperatursensors gehandhabt; der rohe ADC-Wert wird dann mithilfe der vom Hersteller bereitgestellten Thermoelement-Lookup-Tabellen in Grad Celsius umgerechnet.

Kompilieren und Ausführen

mkdir -p ~/development/therm
cd ~/development/therm
cp ~/Downloads/therm.zip .
unzip therm.zip
gcc -o therm therm.c -lrt
sudo ./therm

Programm mit sudo oder als Root-User ausführen. Die Applikation sampelt den internen Sensor einmal pro Sekunde und das Thermoelement zehnmal in schneller Folge, mittelt die Messwerte und gibt eine 0,1 °C Auflösung aus. Das LCD zeigt die aktuelle Temperatur in der unteren Zeile und ein benutzerdefiniertes Experiment-Label in der oberen Zeile.

Web-Interface

Das Projekt beinhaltet auch einen leichten HTTP-Server, der Echtzeit-Temperaturdaten serviert und Remote-Monitoring via jedem Webbrowser ermöglicht. Besuchen Sie https://pi-adresse:8000 für Live-Messwerte, historische Logs und Konfigurationsoptionen.

Best Practices & Troubleshooting

• Dedizierten 3,3V-Regler nutzen, falls hoher Strombedarf erwartet wird, um Sensor vom rauschenden Pi-Power-Rail zu isolieren.
• Thermoelement-Leitungen kurz und abgeschirmt halten; längere Leitungen führen zu Rauschen und thermischem Lag.
• Verifizieren, dass Pi's SPI-Taktgeschwindigkeit auf 1 MHz oder niedriger gesetzt ist für optimale ADS1118-Performance.
• Bei Perfboard-Aufbau ADS1118 und Pi-Adapter nebeneinander statt übereinander platzieren, um thermisches Cross-Talk zu reduzieren.

Fazit

Dieses System liefert hochgenaues, kostengünstiges Temperaturlogging geeignet für Bildungslabore, Hobbyprojekte und Forschungsexperimente. Sein modulares Design, Open-Source-Code und unkomplizierte Hardware machen es zum idealen Startpunkt für alle, die präzise Thermoelement-Messungen in eine Raspberry Pi Plattform integrieren möchten.