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Das Arduino-Thermometer

12.08.2014 | 09:46 Uhr |

Ein Temperaturschalter-Experiment aus einem Arduino-Lernpaket regt zur Konstruktion eines Arduino-Thermometers an.

Patrick ist ein Student, der sich schon als Kind für Elektronik und Computer interessierte. Als er sich mit einem Arduino-Lernpaket beschäftigte (die aktuelle Version ist diese ), motivierte ihn eine der dort vorgestellten Schaltungen - ein Temperaturschalter - dazu, noch mehr aus dem Experiment herauszuholen.

Hier zunächst die Skizze der Schaltung:

Skizze der Schaltung
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© Patrick

Der Widerstand hat einen Wert von 47 k und die Diode ist vom Typ 1N4148. Man kann auf etwa 5 Grad Celsius genau messen, wenn man den im Buch beschriebenen Aufbau vorher kalibriert. Zum Messen im wetter-technischen Sinn ist es allerdings nur bedingt geeignet.

Temperatur-Messwerte
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© Patrick

Wenn es allerdings ganz unnütz wäre, würde ich nichts dazu schreiben: In verschiedenen Foren kann man lesen, dass Leute eine solche Schaltung zum Messen ihrer selber gebauten Reflow-Öfen (Methode der Leiterplatten-Herstellung), ihrer umgebauten Laminiergeräte oder der Lötkolben-Temperatur verwenden. Demnach scheint die Diode auch 250 Grad auszuhalten - getestet habe ich das aber nicht. Außerdem könnte die Diode damit wohl auch als Überhitzungsschutz (in kontrollierten Umgebungen!) verwendet werden.

Hier ist eigentlich mehr der Weg als das Ergebnis interessant, denn mit folgender Vorgehensweise kann man auch andere temperaturempfindliche Bauteile (oder sonstige Sensoren) kalibrieren und verwenden:

Zuerst wird die Schaltung aufgebaut - hier nach Experiment 10.27 im Buch. Dabei ist darauf zu achten, dass möglichst wenig Strom durch den Sensor fließt, damit er sich nicht selbst erwärmt und das Ergebnis verfälscht. Dann öffnet man das der Entwicklungsumgebung beiliegende Programm im Menü unter "File->Examples->Analog->AnalogInSerial", lädt es in den Controller und öffnet den "Serial Monitor". Dargestellt wird nun der Digitalwert des Analogeingangs 0, der 0 bis 5 V mit einem Digitalwert im Bereich zwischen 0 und 1023 darstellt. Nun bringt man den Temperatursensor (hier also die Diode) in eine Umgebung, deren Temperatur man kennt und notiert den dargestellten Wert. Gleiches macht man mit einer zweiten Umgebung, deren Temperatur man kennt.

In meinem Fall waren das 99 bei 23,0°C, die ich mit dem Raumthermometer nachweisen konnte.

Temperaturanzeige
Vergrößern Temperaturanzeige
© Patrick

 

Die zweite Temperatur von 0°C habe ich mir erzeugt, indem ich ein Wassereis (aus Mangel an Eiswürfeln) in ein Glas gab und nach kurzer Zeit das Eiswasser (das dann nahe 0°C sein dürfte) gemessen habe. Bei mir wurde 108 als Wert ausgegeben.

 

Mangels Eiswürfeln steckt für die Temperaturmessung ein grünes Wassereis im Glas
Vergrößern Mangels Eiswürfeln steckt für die Temperaturmessung ein grünes Wassereis im Glas
© Patrick

Daran erkennt man schon zwei Dinge:

1. Wenn ein Bereich von 23°C mit (108 - 99 = ) 9 Wert-Punkten angegeben wird, beträgt die theoretische Auflösung (23 / 9 = ) 2,56°C.

2. Wenn das Temperaturschalter-Experiment aus dem Buch sinnvoll verwendet werden soll, muss man wohl die Werte aus dem Buch-Beispiel drastisch ändern oder die Diode unter ein Feuerzeug halten, was sie zerstören könnte. Für die, die das Buch nicht haben:

Es wird der Digitalwert (also noch nicht als Spannung umgerechnet) der Messung in einer Variable Uf gespeichert und abhängig davon eine LED ein- oder ausgeschaltet. Eingeschaltet wird sie, wenn der Wert größer als 40 ist und ausgeschaltet, wenn der Wert kleiner als 20 ist.

Die gemessenen Werte werden oben im Programm eingesetzt:

//Werte wurden mit dem der Entwicklungsumgebung beigelegten
//Beispiel "Examples->Analog->AnalogInSerial" erzeugt
  
//Temperatur muss mit 10 multipliziert und als Ganzzahl
//gegeben werden. Die Reihenfolge ist egal.
  
#define wert1 108
#define temp1 0   //Grad Celsius/10
#define wert2 99
#define temp2 230 //Grad Celsius/10
  
void setup() {
  Serial.begin(9600);
}
  
void loop() {
  // lese Wert vom Analogpin in Variable
  int analogValue = analogRead(0);
  analogValue=map(analogValue,wert1,wert2,temp1,temp2);
  // gebe das Ergebnis mit einer Nachkommastelle aus:
  Serial.print("Temperatur: ");
  Serial.println((analogValue/10.0),1);
  // Warte 1 Sekunde bevor der nächste Wert gelesen wird
  delay(1000);
}

Das Umrechnen der Digitalwerte in Temperaturwerte (oder andere Sensorwerte) übernimmt hier die Funktion map(). Man nennt diesen Vorgang auch mappen. Da die Funktion nur Ganzzahlen verarbeitet, kann man eine Festkomma-Zahl erzeugen, indem man die Eingabewerte mit 10 multipliziert und die Ausgabewerte beim Ausgeben wieder entsprechend dividiert.

Normalerweise sollte man möglichst unterschiedliche Referenz-Messwerte verwenden, um die Auflösung zu verbessern. Problematisch kann das werden, wenn sich der Sensor nicht linear verhält: Die map()-Funktion differenziert nämlich nur zwei Werte und extrahiert daraus eine Gleichung ersten Grades (y = m*x + n(*1)) - siehe https://secure.wikimedia.org/wikipedia/de/wiki/Differentialrechnung .

Kurz: Bei nicht-linearen Sensoren sollte der Sensor in einem kleinen Bereich kalibriert werden, nahe an dem Temperaturbereich, in dem man später auch messen möchte.

Wichtig ist, dass man möglichst nur den Sensor in die Messumgebung bringt, denn in dieser Schaltung ist zum Beispiel der Diode ein Kohlewiderstand vorgeschaltet: Der Widerstand ist ein Kaltleiter (PTC, https://secure.wikimedia.org/wikipedia/de/wiki/Kaltleiter ), die Diode ein Heißleiter (NTC, https://secure.wikimedia.org/wikipedia/de/wiki/NTC ). Würde man beide in die Messumgebung bringen, würden sich die thermo-elektrischen Effekte beider Bauteile gegenseitig abschwächen.

Anmerkung: Im Netz finden sich natürlich auch Mapping-Algorithmen, die auch nicht-linear interpolieren können - dazu benötigt man allerdings genügend Referenzwerte. Da ordentliche Algorithmen recht aufwändig (sie müssen beispielsweise mit Streuungen innerhalb der Referenzwerte umgehen können) und rechenintensiv sind, gehe ich darauf nicht weiter ein.

Weiterhin wäre es möglich, statt der Diode aus dem Beispiel richtige NTC- oder PTC-Widerstände zu benutzen. Wer es noch professioneller haben will, sollte sich aber mit der I²C-Schnittstelle und Bausteinen wie dem DS1621 anfreunden.

Falls Sie einfach nur Temperaturen messen wollen ohne selbst zu programmieren, dann finden Sie hier die passenden Sensoren und Geräte.

Hinweis für alle Bastler:

Wenn auch Sie ein kreatives Projekt entwickelt haben, schreiben Sie uns. Wir würden Ihre Konstruktionen, nützlich oder einfach nur schräg, gern im Hacks-Bereich auf www.pcwelt.de vorstellen. Schreiben Sie an Birgit Götz - bgoetz@pcwelt.de.

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