Термометр на ATmega8 та датчику температури DS18B20. Зроби сам: електронний термометр своїми руками Вимірювання температури термопарою на atmega8
Серія статей про вимірювання температури контролерами Ардуїно була б неповною, без розповіді про термопари. Тим більше що вимірювати високі температури більше нема чим.
Термопари (термоелектричні перетворювачі).
Усі термодатчики з попередніх уроків дозволяли вимірювати температуру в діапазоні не ширше – 55…+150 °C. Для вимірювання вищих температур найпоширенішими датчиками є термопари. Вони:
- мають вкрай широкий діапазон вимірювання температури -250...+2500 °C;
- можуть бути відкалібровані на високу точність вимірювання до похибки не більше 0,01 °C;
- зазвичай мають низьку ціну;
- вважаються надійними датчиками температури.
Головний недолік термопар – це необхідність у досить складному прецизійному вимірнику, який повинен забезпечувати:
- вимір низьких значень термо-ЕРС з верхнім значенням діапазону десятки, а іноді і одиниці мВ;
- компенсацію термо-ЕРС холодного спаю;
- лінеаризацію характеристики термопари
Принцип дії термопар.
Принцип дії датчиків такого типу заснований на термоелектричному ефекті (ефект Зеєбека). Тому інша назва термопари – термоелектричний перетворювач.
У ланцюзі між з'єднаними різнорідними металами утворюється різниця потенціалів. Її величина залежить від температури. Тому вона називається термо-ЕРС. У різних матеріалів величина термо-ЕРС різна.
Якщо ланцюги стики (спаї) різнорідних провідників пов'язані в кільце і мають однакову температуру, то сума термо-ЕРС дорівнює нулю. Якщо ж спаї проводів знаходяться за різних температур, то загальна різниця потенціалів між ними залежить від різниці температур. В результаті ми приходимо до конструкції термопари.
Два різнорідні метали 1 і 2 в одній точці утворюють робочий спай. Робочий спай поміщають у точку, температуру якої потрібно виміряти.
Холодні спаї - це точки підключення металів термопари до іншого металу, як правило, до міді. Це можуть бути клемні колодки вимірювального приладу або мідні дроти зв'язку з термопарою. У будь-якому випадку необхідно вимірювати температуру холодного спаю та враховувати її у обчисленнях виміряної температури.
Основні типи термопар.
Найбільшого поширення набули термопари ХК (хромель – копель) і ХА (хромель – алюмель).
| Назва | Позначення НСХ | Матеріали | Діапазон вимірювання, °C | Чутливість, мкВ/°C, (при температурі, °C) | Термо-ЕРС, мВ, при 100 °C |
| ТХК (хромель-копелі) | L | Хромель, крапель | - 200 … + 800 | 64 (0) | 6,86 |
| ТХА (хромель-алюмель) | K | Хромель, алюмель | - 270 … +1372 | 35 (0) | 4,10 |
| ТПР (платино-родієві) | B | Платинородій, платина | 100 … 1820 | 8 (1000) | 0, 03 |
| ТВР (вольфрам-ренієві) | A | Вольфрам-реній, вольфрам-реній | 0 … 2500 | 14 (1300) | 1,34 |
Як практично вимірювати температуру за допомогою термопари? Методика виміру.
Номінальна статична характеристика (НСХ) термопари задана у вигляді таблиці із двома стовпцями: температура робочого спаю та термо-ЕРС. ДЕРЖСТАНДАРТ Р 8.585-2001 містить НСХ термопар різних типів, задані для кожного градуса. Можна завантажити у PDF форматі за цим посиланням.
Для вимірювання температури за допомогою термопари необхідно виконати такі дії:
- виміряти термо-ЕРС термопари (E заг.);
- виміряти температуру холодного спаю (T хол. спаю);
- по таблиці НСХ термопари визначити термо-ЕРС холодного спаю, використовуючи температуру холодного спаю (E хол. спаю);
- визначити термо-ЕРС робочого спаю, тобто. додати ЕРС холодного спаю до загальної термо-ЕРС (E раб. спаю = E заг. + E хол. спаю);
- за таблицею НСХ визначити температуру робочого спаю, використовуючи термо-ЕРС робочого спаю.
Ось приклад, як я заміряв за допомогою термопар типу ТХА температуру жала паяльника.
- Доторкнувся робочим спаєм до жалу паяльника, завмер напруги на висновках термопари. Вийшло 10,6 мВ.
- Температура довкілля, тобто. температура холодного спаю – приблизно 25 °C. ЕРС холодного спаю з таблиці ГОСТ Р 8.585-2001 для термопар типу K при 25 ° C дорівнює 1 мВ.
- Термо-ЕРС робочого спаю дорівнює 10,6 + 1 = 11,6 мВ.
- Температура тієї ж таблиці для 11,6 мВ дорівнює 285 °C. І це виміряне значення.
Таку послідовність дій нам треба реалізувати у програмі Ардуїно термометра.
Ардуїно термометр для вимірювання високих температур за допомогою термопар типу ТХА.
У мене знайшлася термопара TP-01A. Типова, поширена ТХА термопара від тестера. Її я і використовуватиму в термометрі.
На упаковці вказані параметри:
- тип K;
- діапазон виміру – 60 … + 400 °C;
- точність ±2,5 % у діапазоні до 400 °C.
Діапазон вимірювання вказаний для кабелю зі скловолокна. Існує схожа термопара TP-02, але із зондом довжиною 10 см.
TP-02 має верхню межу вимірювання 700 °C . Отже, розроблятимемо термометр:
- для термопар типу ТХА;
- з діапазоном виміру – 60 … + 700 °C.
Розібравшись у програмі та схемі пристрою, Ви зможете створити вимірювач для термопар будь-яких типів з будь-яким діапазоном вимірювання.
Інші функціональні можливості термометра такі ж, як у пристроїв із трьох попередніх уроків, включаючи функцію реєстрації зміни температури.
Рубрика: . Ви можете додати до закладок.Термопари широко застосовуються там, де необхідно точно поміряти високі температури.температурі аж до 2500°C. Тобто там, де цифрові датчики відразу здохли б від перегріву, застосовуються термопари. Різновидів термопар існує досить багато, але найбільшого поширення набули хромель-алюмелеві (тип К) термопари, через свою дешевизну і практично лінійну зміну термоедс. Цей вид термопар ставляться водонагрівачі та інші побутові прилади з контролем температури, їх повсюдно використовують для контролю температури при плавці металу, за допомогою цих термопар контролюється нагрівання жала в паяльній станції. Тому буде корисно познайомитися з ними ближче.
Термопара це два провідники з різних металів і мають спільну точку контакту (спай). У точці цього контакту виникає різниця потенціалів. Ця різниця потенціалів називається термоедс і безпосередньо залежить від температури, в якій знаходиться спай. Метали підбираються таким чином, щоб залежність термоедс від температури нагрівання була найбільш лінійною. Це спрощує розрахунок температури та скорочує похибку вимірювань.
Так хромель-алюмелеві термопари, що широко застосовуються, мають досить високу лінійність і стабільність показань на всьому діапазоні вимірюваних температур.
Нижче наведено графік для хромель-алюмелевих термопар (тип К) показує, залежність термоедс, що виникає, від температури спаю (наприкінці статті буде посилання на графік з великим розрядженням):
Таким чином, значення термоедс досить помножити на потрібний коефіцієнт і отримати температуру, не морочаючись з табличними значеннями і апроксимацією - один коефіцієнт на весь діапазон вимірювань. Дуже просто та зрозуміло.
Але постає питання про підключення термопари до мікроконтролера. Зрозуміло, що якщо на виході термопари напруга, тоді задіємо АЦП, але різниця потенціалів на виході термопари занадто мала, щоб вловити хоч щось. Тому насамперед його потрібно збільшити, наприклад, застосувавши операційний підсилювач.
Беремо стандартну схему неінвертованого включення операційного підсилювача:
Відношення вхідної та вихідної напруги описується простою формулою:
V out/ Vin = 1 + (R2/R1)
Від значень резисторів зворотного зв'язку R1 та R2 залежить коефіцієнт посилення сигналу. Величину посилення сигналу потрібно підбирати з урахуванням того, що буде використовуватися як опорна напруга.
Допустимо опорним буде напруга живлення мікроконтролера 5V. Тепер необхідно визначитися з діапазоном температур, які збираємося вимірювати. Я взяв межею виміру 1000 °C. При цьому значення температури на виході термопари буде потенціал приблизно 41,3мВ. Це значення має відповідати напрузі 5 вольт на вході АЦП. Тому операційник повинен мати коефіцієнт посилення не менше ніж 120. У результаті народилася така схема:
У загашнику у мене знайшлася давно зібрана плата з цим операційником, збирав як підсилювач для мікрофона, її я застосував.
Зібрав на бредборді таку схему підключення дворядкового дисплея до мікроконтролера:
Термопара теж валялася без діла довгий час – вона йшла в комплекті з моїм мультиметром. Спай закритий у металеву гільзу.
Код Bascom-AVR для роботи з термопарою:
$regfile
= "m8def.dat"
$crystal
=
8000000
Dim
W AsInteger
"підключення дворядкового дисплея
Config
Lcdpin = Pin, Rs = Portb. 0, E = Portd. 7, Db4 = Portd. 6, Db5 = Portd. 5, Db6 = Portb. 7, Db7 = Portb. 6
Config
Lcd=
16
*
2
Cursor
Off
Cls
"зчитування значення з АЦП щодо переривання від таймера
Config
Timer1=
Timer, Prescale = 64
On
Timer1 Acp
"конфігурація АЦП
Config
Adc = Single, Prescaler = Auto , Reference = Avcc
Enable
Interrupts
Enable
Timer1
Do
Cls
Rem Температура:
Lcd
"Teјѕepaїypa:"
Lowerline
Lcd
W
Waitms
200
Loop
"робота з АЦП
Acp:
Start
Adc "запуск АЦП
W=
Getadc(1
)
W= W/1. 28 "підганяємо виміри під дією. температуру
Return
End
Термопара - це один із видів температурних датчиків, який може застосовуватися у вимірювальних пристроях та системах автоматизації. Їй притаманні певні переваги: дешевизна, висока точність, широкий у порівнянні з термісторами та мікросхемами цифрових датчиків температури діапазон вимірювання, простота та надійність. Однак вихідна напруга термопари мало і відносно, а схема вимірювача на термопарі складна, так як пред'являються жорсткі вимоги до посилення сигналу прецизійного з термопари і до схеми компенсації. Для розробки таких пристроїв існують спеціалізовані мікросхеми, що інтегрують схему перетворення та обробки аналогового сигналу. За допомогою цих мікросхем можна побудувати досить компактний вимірювач температури з термопарою як датчик (Малюнок 1).
Принципи
Вікіпедія визначає принцип дії термопари таким чином:
Принцип дії ґрунтується на ефекті Зеєбека або, інакше, на термоелектричному ефекті. Між з'єднаними провідниками є контактна різниця потенціалів. Якщо стики пов'язаних у кільце провідників перебувають за однакової температури, сума таких різниць потенціалів дорівнює нулю. Коли ж стики знаходяться за різних температур, різниця потенціалів між ними залежить від різниці температур. Коефіцієнт пропорційності у цій залежності називають коефіцієнтом термо-ЕРС. У різних металів коефіцієнт термо-ЕРС різний і, відповідно, різниця потенціалів, що виникає між кінцями різних провідників, буде різною. Поміщаючи спай з металів з відмінними коефіцієнтами термо-ЕРС у середу з температурою Т1, ми отримаємо напругу між протилежними контактами, що знаходяться при іншій температурі Т2, яка буде пропорційна різниці температур Т1 і Т2 (Малюнок 2).
|
|
|
| Малюнок 2. | |
Існує кілька типів термопар, залежно від пари матеріалів (чистий метал або сплав). У нашому проекті ми використовуємо термопару K-типу (хромель-алюмель), яка часто застосовується у промислових інструментах та приладах. Вихідна напруга термопари K-типу становить приблизно 40 мкВ/°С, отже, знадобиться схема посилення сигналу з невеликим зміщенням напруги на вході.
Як згадувалося вище, термо-ЕРС пропорційна різниці температур між холодним та гарячим спаєм. Це означає, що температура холодного спаю має бути відома для обчислення фактичного значення температури гарячого спаю. Для цього буде потрібна схема компенсації холодного спаю, яка автоматично вводитиме поправку до виміряної термо-ЕРС (Малюнок 3).
Щоб отримати значення температури за допомогою термопари потрібно аналогова схема, наприклад, прецизійний операційний підсилювач і схема компенсації холодного спаю. Однак, існує кілька видів спеціалізованих мікросхем із вбудованим інтерфейсом термопари. Ці мікросхеми інтегрують зазначені вище аналогові схеми значно спрощують проект. У нашому випадку ми вибрали мікросхему MAX31855 компанії. Вона містить аналогову схему та аналого-цифровий перетворювач, отже, на виході мікросхеми ми отримаємо цифрові дані. Перед покупкою мікросхеми необхідно заздалегідь визначити тип термопари, яка використовуватиметься у пристрої.
Основні характеристики мікросхеми MAX31855:
- Діапазон вимірювання температури: від -270 ° С до +1800 ° С;
- Роздільна здатність: 14 біт, крок 0.25 ° С;
- Простий SPI-сумісний інтерфейс (режим читання даних);
- Схема компенсації опорного спаю термопар;
- Схема детектування замикання проводів термопари на шину живлення та загальну шину;
- Схема детектування розриву вимірювального ланцюга;
- Виконання для термопар типів K, J, N, T та E;
- 8-ми вивідний корпус.
Компенсація холодного спаю реалізується за допомогою інтегрованого в мікросхему датчика температури, тому однією з важливих умов при складанні вимірювача є розміщення мікросхеми безпосередньо біля конектора підключення термопари. Важливою умовою є ізоляція даного вузла від зовнішнього нагріву. Для підключення ми використовували конектор, зображений на малюнку 4. Можна використовувати конектори інших типів.
Принципову схему вимірювача температури зображено на Рисунку 5.
Серцем приладу є мікроконтролер AVR. Мікросхема MAX31855 підключається до мікроконтролера за інтерфейсом SPI.
В якості джерела живлення використовується батарея типорозміру LR1 з напругою 1.5 В. Для живлення мікроконтролера і мікросхеми інтерфейсу термопари використовується схема підвищує DC/DC перетворювача, виконаного на мікросхемі серії XC9111, що забезпечує вихідну напругу від 3.0 В. Мікроконтролер здійснює керування живленням і керування живленням.
Так як для живлення використовується елемент живлення 1.5, для відображення даних оптимально використовувати сегментний статичний РК індикатор TWV1302W, який застосовується в цифрових пристроях вимірювання температури (Малюнок 6). Робоча напруга цього індикатора 3 В. При використанні індикатора з робочою напругою 5 В буде потрібна додаткова схема перетворювача напруги (Малюнок 7). Функції керування індикатором виконує мікроконтролер. При такому рішенні струм, що споживається пристроєм, складе 4 мА, а батарея прослужить, як мінімум, 100 годин.
|
|
Термометр на мікроконтролері PIC16F628A і DS18B20 (DS18S20) - стаття з докладним описом схеми запам'ятовуючого термометра і, до того ж, - логічне продовження раніше опублікованої мною статті на сайті сайту pichobbi.narod.ru. Цей термометр досить непогано зарекомендував себе, і було прийнято рішення трохи його модернізувати. У цій статті розповім, які зміни внесено до схеми та робочої програми, опишу нові функції. Стаття буде корисна новачкам. Пізніше переробив поточну версію термометра.
Термометр на мікроконтролері PIC16F628A та DS18B20(DS18S20) вміє:
- вимірювати та відображати температуру в діапазоні:
-55...-10 та +100...+125 з точністю 1 градус(ds18b20 та ds18s20)
-в діапазоні -9,9 ... +99,9 з точністю 0,1 градус (ds18b20)
-в діапазоні -9,5 ... +99,5 з точністю 0,5 градус (ds18s20); - Автоматично визначати датчик DS18B20 чи DS18S20;
- Автоматично перевіряти датчик на аварію;
- Запам'ятовувати максимальну та мінімальну виміряні температури.
Також у термометрі передбачено легку заміну 7 сегментного індикатора з ОК на індикатор з ОА. Організована щадна процедура запису в EEPROM пам'ять мікроконтролера. Вольтметр, який непогано себе зарекомендував, описаний у цій статті.
Принципова схема цифрового термометра на мікроконтролері розроблялася для надійного та тривалого використання. Усі деталі, що застосовуються у схемі, не дефіцитні. Схема проста у повторенні, відмінно підійде для початківців.
Принципова схема термометра показана малюнку 1
Малюнок 1 - Принципова схема термометра на PIC16F628A + ds18b20/ds18s20
Описувати всю важливу схему термометра не стану, тому що вона досить проста, зупинюся тільки на особливостях.
Як мікроконтролер застосовується PIC16F628Aфірми Microchip. Це недорогий контролер і, до того ж, не дефіцитний.
Для вимірювання температури використовуються цифрові датчики. DS18B20або DS18S20фірми Maxim. Ці датчики не дорогі, малі за розміром та інформація про виміряну температуру передається у цифровому вигляді. Таке рішення дозволяє, не турбуватися про переріз проводів, про їх довжину та інше. Датчики DS18B20,DS18S20здатні працювати в діапазоні температур від -55 ... +125 °С.
Температура виводиться на 7-ми сегментний 3-розрядний LED індикатор із загальним катодом (ОК) або з (ОА).
Для виведення на індикатор максимальної та мінімальної виміряної температури потрібна кнопка SB1. Для скидання пам'яті також потрібна кнопка SB1
Кнопкою SA1 можна оперативно перемикати датчики (вулиця, будинок).
Jamper необхідний для перемикання загального дроту LED індикатора. ВАЖЛИВО!Якщо індикатор з ОК - то ставимо jamper на нижнє за схемою положення, а транзистори VT1-VT3 впаюємо p-n-p провідності. Якщо LED індикатор з ОА, то jamper переводимо у верхнє за схемою положення, а транзистори VT1-VT3 впаюємо n-p-n провідності.
У таблиці 1 можна ознайомитися з усім переліком деталей та можливою їх заміною на аналог.
| Позиційне позначення | Найменування | Аналог/заміна |
| С1, С2 | Конденсатор керамічний - 0,1мкФх50В | - |
| С3 | Конденсатор електролітичний - 220мкФх10В | |
| DD1 | Мікроконтролер PIC16F628A | PIC16F648A |
| DD2,DD3 | Датчик температури DS18B20 або DS18S20 | |
| GB1 | Три пальчикові батареї 1,5В | |
| HG1 | 7-ми сегментний LED індикатор KEM-5631-ASR (OK) | Будь-який інший малопотужний для динамічної індикації та відповідний для підключення. |
| R1, R3, R14, R15 | Резистор 0,125Вт 5,1 Ом | SMD типорозмір 0805 |
| R2, R16 | Резистор 0,125Вт 5,1 ком | SMD типорозмір 0805 |
| R4, R13 | Резистор 0,125Вт 4,7 ком | SMD типорозмір 0805 |
| R17-R19 | Резистор 0,125Вт 4,3 ком | SMD типорозмір 0805 |
| R5-R12 | Резистор 0,125Вт 330 Ом | SMD типорозмір 0805 |
| SA1 | Будь-який відповідний перемикач | |
| SB1 | Кнопка тактова | |
| VT1-VT3 | Транзистор BC556B для індикатора із ОК/ транзистор BC546B для індикатора з ОА | KT3107/КТ3102 |
| XT1 | Клемник на 3 контакти. |
Для початкового налагодження цифрового термометра застосовувалася віртуальна модель, побудована в протеусі. На малюнку 2 можна побачити спрощену модель у протеусі
Малюнок 2 – Модель термометра на мікроконтролері PIC16F628A у Proteus'e
На малюнку 3-4 показано друковану плату цифрового термометра
Рисунок 3 – Друкована плата термометра на мікроконтролері PIC16F628A(низ) не в масштабі.
Рисунок 4 – Друкована плата термометра на мікроконтролері PIC16F628A(верх) не в масштабі.
Термометр, зібраний робочих деталей починає працювати відразу і налагодження не потребує.
Результат роботи малюнки 5-7.
Малюнок 5 - Зовнішній вигляд термометра
Малюнок 6 - Зовнішній вигляд термометра
Малюнок 7 - Зовнішній вигляд термометра
ВАЖЛИВО!У прошивку термометра не вшитареклама можна користуватися на втіху.
Поправки, внесені до робочої програми:
1 автоматичне визначення датчика DS18B20 чи DS18S20;
2. знижений час перезапису в EEPROM (якщо виконалося умова для перезапису) з 5 хвилин до 1 хвилини.
3. збільшено частоту мерехтіння точки;
Більш детальний опис роботи термометра можна переглянути в документі, який можна завантажити наприкінці цієї статті. Якщо завантажувати немає бажання, то на сайті www.pichobbi.narod.ruтакож добре розписана робота пристрою.
Готова плата добре помістилася в китайський будильник (малюнки 8, 9).
Малюнок 8 – Вся начинка у китайському будильнику
Малюнок 9 - Вся начинка в китайському будильнику
Відео - Робота термометра на PIC16F628A
Але можна зібрати самому вдвічі дешевше.
Кому цікаво – ласкаво просимо під кат.
Почнемо по порядку.
Термопара... як термопара. Метр рівно, типу, 0-800C
Можна врізати в корпус, є різьбова частина, яка вільно обертається. Діаметр 5,8 мм, крок - 0,9 ~ 1.0 мм, схоже на М6 x 1,0 мм. Під ключ на 10 
Це все добре, що далі робити? Необхідно перетворити сигнал (термоедс) на цифровий чи аналоговий сигнал, щоб читати ардуїною. У цьому нам допоможе. Це перетворювач сигналу термопари K-типу на цифру, що має інтерфейс, що нас влаштовує.
А ось і наш герой - ($4.20) 
Коштував $4.10, але того лота більше немає (продавець той самий).
Підключатимемо до ардуїни, можна взяти просту ($5.25, можна знайти дешевше, тут Ви бачите саме цю) 
Дані будемо писати на карту пам'яті (і заразом надсилати в порт) за допомогою $1.25. 
Інтерфейс, теж, до речі, SPI. Тільки не всі його картки підтримують. Не завелося – спробуйте спочатку іншу.
Теоретично всі лінії SPI пристроїв (MOSI чи SI, MISO чи SO, SCLK чи SCK), крім CS (CS чи SS - вибір мікросхеми), можна підключити до одним контактам ардуїни, але тоді MAX6675 працює неадекватно. Тому я все розніс по різних пінах.
В основу скетчу ліг приклад по роботі з картами пам'яті.
Бібліотека та скетч для MAX6675 . Схема підключення MAX6675: 
#include
#include
Int units = 1; // Units до readout temp (0 = F, 1 = C)
float error = 0.0; // Temperature compensation error
float temp_out = 0.0; // Temperature output varible
MAX6675 temp0(9,8,7,units,error);
Void setup()
{
Serial.begin(9600);
Serial.print(«Initializing SD card...»);
PinMode(10, OUTPUT);
if (!SD.begin(10)) (
Serial.println(«initalization failed!»);
return;
}
Serial.println(«initialization done.»);
// Перевіряємо, чи існує на карті файл data.csv, якщо існує, видаляємо його.
if(SD.exists(«temp.csv»)) (
SD.remove(«temp.csv»);
}
// Відкриваємо файл. Зауважте, що тільки один файл може бути відкритий за один раз,
// тому ви повинні закрити це, щоб відкрити інший.
myFile = SD.open("temp.csv", FILE_WRITE); // Відкрити на запис
if (myFile) (
Serial.print(«Writing to temp.csv...»);
// закриваємо файл:
myFile.close();
Serial.println("done.");
}
else (
}
}
void loop()
{
Temp_out = temp0.read_temp(5); // Read the temp 5 times and return the average value to the var
Time = time + 1; // Збільшуємо час на 1
MyFile = SD.open("temp.csv", FILE_WRITE);
// якщо файл нормально відкрився, запишемо до нього:
if (myFile) (
// записуємо час
myFile.print(time);
Serial.print(time);
// додаємо крапку з комою
myFile.print(";");
Serial.print(";");
// пишемо температуру та переклад рядка
myFile.println(temp_out);
Serial.println(temp_out);
// закриваємо файл:
myFile.close();
}
else (
// а якщо він не відкрився, то друкуємо повідомлення про помилку:
Serial.println("error opening temp.csv");
}
delay(1000); // Чекаємо на секунду
}
Завантажити:
