ESP32 NTP temperatūras zondes gatavošanas termometrs ar Steinhart-Hart korekciju un temperatūras trauksmi: 7 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:56

Joprojām ceļā uz "gaidāmā projekta" pabeigšanu, "ESP32 NTP temperatūras zondes vārīšanas termometrs ar Šteinharta-Harta korekciju un temperatūras trauksmi" ir pamācība, kas parāda, kā es savam kapacitatīvajam pieskārienam pievienoju NTP temperatūras zondi, pjezo skaņas signālu un programmatūru. ESP32 ietilpīga pieskāriena ievade, izmantojot pogas "Metāla caurumu aizbāžņi", lai izveidotu vienkāršu, bet precīzu gatavošanas termometru ar programmējamu temperatūras trauksmi.

Trīs kapacitatīvās skārienjutīgās pogas ļauj iestatīt temperatūras trauksmes līmeni. Nospiežot centrālo pogu, tiek parādīts displejs "Iestatīt trauksmes temperatūru", ļaujot kreisajai un labajai pogai attiecīgi samazināt vai paaugstināt trauksmes temperatūru. Nospiežot un atlaižot kreiso pogu, trauksmes temperatūra samazināsies par vienu grādu, savukārt kreisās pogas nospiešana un turēšana nepārtraukti pazeminās trauksmes temperatūru, līdz tā tiek atlaista. Līdzīgi, nospiežot un atlaižot labo pogu, trauksmes temperatūra tiks paaugstināta par vienu grādu, bet labās pogas nospiešana un turēšana nepārtraukti paaugstinās trauksmes temperatūru, līdz tā tiek atlaista. Pabeidzot trauksmes temperatūras regulēšanu, vienkārši vēlreiz pieskarieties centrālajai pogai, lai atgrieztos temperatūras displejā. Jebkurā laikā temperatūra ir vienāda vai augstāka par trauksmes temperatūru, atskan pjezo skaņas signāls.

Un, kā minēts, projektēšanā tiek izmantota NTP temperatūras zonde kopā ar Šteinharta-Hārtas vienādojumiem un koeficientiem, kas nepieciešami precīziem temperatūras rādījumiem. 1. solī esmu iekļāvis pārāk detalizētu Šteinharta-Hārta vienādojuma aprakstu, Šteinharta-Hārta koeficientus, sprieguma dalītājus un algebru (kā prēmiju tas liek man iemigt katru reizi, kad to izlasu, tāpēc, iespējams, vēlēsities izlaidiet 1. darbību un dodieties tieši uz 2. darbību: elektronikas montāža, ja vien, protams, jums nav nepieciešams snaudiens).

Ja jūs nolemjat izveidot šo gatavošanas termometru, pielāgošanai un 3D drukāšanai esmu iekļāvis šādus failus:

• Arduino fails "AnalogInput.ino", kas satur dizaina programmatūru.
• Autodesk Fusion 360 cad faili lietā, kas parāda, kā korpuss tika izstrādāts.
• Cura 3.4.0 STL faili "Case, Top.stl" un "Case, Bottom.stl" ir gatavi 3D drukāšanai.

Jums būs nepieciešama arī Arduino vides pārzināšana, kā arī lodēšanas prasmes un aprīkojums, turklāt kalibrēšanai var būt nepieciešama piekļuve precīziem digitālajiem ommetriem, termometriem un temperatūras avotiem.

Un kā parasti, es, iespējams, aizmirsu vienu vai divus failus vai kas zina, kas vēl, tāpēc, ja jums ir kādi jautājumi, lūdzu, nevilcinieties jautāt, jo es pieļauju daudz kļūdu.

Elektronika tika veidota, izmantojot zīmuli, papīru un Radio Shack EC-2006a (kat. Nr. 65-962a) ar saules enerģiju darbināmu kalkulatoru.

Programmatūra tika izstrādāta, izmantojot Arduino 1.8.5.

Korpuss tika izstrādāts, izmantojot Autodesk Fusion 360, sagriezts šķēlēs, izmantojot Cura 3.4.0, un iespiests PLA formātā uz Ultimaker 2+ Extended un Ultimaker 3 Extended.

Un viena pēdējā piezīme: es nesaņemu nekādu kompensāciju, ieskaitot, bet neaprobežojoties ar bezmaksas paraugiem, par nevienu šajā dizainā izmantoto sastāvdaļu.

1. solis: matemātika, matemātika un vēl citi matemātika: Šteinharts – Hārts, koeficienti un rezistoru dalītāji

Manos iepriekšējos projektos, kuros bija iekļauta NTC temperatūras zonde, tika izmantota tabulas uzmeklēšanas tehnika, lai ienākošo spriegumu no rezistoru dalītāja pārveidotu par temperatūru. Tā kā ESP32 spēj ievadīt divpadsmit bitu analogo ieeju un, tā kā es projektēju, lai palielinātu precizitāti, es nolēmu ieviest "Steinhart-Hart" vienādojumu sprieguma un temperatūras pārveidošanas kodā.

Pirmo reizi 1968. gadā publicēja Džons S. Šteinharts un Stenlijs R. Hārts, Steinhart-Hart vienādojums nosaka NTC temperatūras zondes pretestības un temperatūras attiecību šādi:

1 / T = A + (B * (žurnāls (termistors)))) + (C * žurnāls (termistors) * žurnāls (termistors) * žurnāls (termistors))

kur:

• T ir Kelvina grādi.
• A, B, C ir Steinhart-Hart koeficienti (vairāk par to pēc brīža).
• Un termistors ir temperatūras zondes termistora pretestības vērtība pašreizējā temperatūrā.

Tātad, kāpēc šis šķietami sarežģītais Steinhart-Hart vienādojums ir nepieciešams vienkāršam digitālajam termometram, kura pamatā ir NTC temperatūras zonde? "Ideāla" NTC temperatūras zonde sniegtu faktiskās temperatūras lineāro pretestību, tādējādi vienkāršs lineārs vienādojums, kas ietver sprieguma ievadi un mērogošanu, radītu precīzu temperatūras attēlojumu. Tomēr NTC temperatūras zondes nav lineāras un, apvienojumā ar praktiski visu zemo izmaksu vienas plates procesoru, piemēram, WiFi komplekta 32, nelineāro analogo ieeju, rada nelineāras analogās ieejas un tādējādi neprecīzus temperatūras rādījumus. Izmantojot tādu vienādojumu kā Steinhart-Hart kopā ar rūpīgu kalibrēšanu, var iegūt ļoti precīzus temperatūras rādījumus, izmantojot NTC temperatūras zondes ar zemu izmaksu vienas plates procesoru, ģenerējot ļoti tuvu faktiskās temperatūras tuvinājumu.

Tātad, atgriežoties pie Šteinharta-Hārtas vienādojuma. Vienādojumā tiek izmantoti trīs koeficienti A, B un C, lai noteiktu temperatūru kā termistora pretestības funkciju. No kurienes nāk šie trīs koeficienti? Daži ražotāji nodrošina šos koeficientus ar savām NTC temperatūras zondēm, bet citi to nedara. Turklāt ražotājs sniedza koeficientus, kas var būt vai nebūt precīzi precīzai temperatūras zondei, kuru jūs varat iegādāties, un tie, visticamāk, ir koeficienti, kas reprezentē lielu paraugu no visām temperatūras zondēm, ko tie ražo noteiktā laika periodā. Un visbeidzot, es vienkārši nevarēju atrast šajā dizainā izmantotās zondes koeficientus.

Bez nepieciešamajiem koeficientiem es izveidoju Steinhart-Hart izklājlapu, uz izklājlapu balstītu kalkulatoru, kas palīdz ģenerēt nepieciešamos koeficientus NTC temperatūras zondei (es pazaudēju saiti uz līdzīgu tīmekļa kalkulatoru, kuru izmantoju pirms daudziem gadiem, tāpēc izveidoju šo). Lai noteiktu temperatūras zondes koeficientus, vispirms es izmērīšu sprieguma dalītājā izmantotā 33k rezistora vērtību ar digitālo ommetru un ievadu vērtību izklājlapas dzeltenajā zonā ar apzīmējumu "Rezistors". Tālāk es ievietoju temperatūras zondi trīs vidēs; pirmā istabas temperatūra, otrais ledus ūdens un trešais verdošais ūdens kopā ar zināmu precīzu digitālo termometru, un ļaujiet laikam, lai termometra temperatūra un WiFi komplekta 32 displejā redzamā termistora ieejas skaitlis stabilizētos (vairāk par to vēlāk). Stabilizējoties gan temperatūrai, gan termistoru ievades skaitam, es ievadu temperatūru, ko norāda zināmais precīzais termometrs, un termistoru skaitu, kas parādās WiFi komplekta 32 displejā, izklājlapas dzeltenajā zonā ar uzrakstu "Grādi F no termometra" un "AD Skaitiet attiecīgi no 32”WiFi komplekta katrai no trim vidēm. Kad visi mērījumi ir ievadīti, izklājlapas zaļā zona nodrošina A, B un C koeficientus, kas nepieciešami Šteinharta-Hārta vienādojumā, un pēc tam tos vienkārši nokopē un ielīmē avota kodā.

Kā minēts iepriekš, Steinhart-Hart vienādojuma izvade ir Kelvina grādos, un šis dizains parāda Fārenheita grādus. Pārrēķins no Kelvina grādiem uz Fārenheita grādiem ir šāds:

Vispirms konvertējiet Kelvina grādus par Celsija grādiem, no Šteinharta-Hārtas vienādojuma atņemot 273,15 (Kelvina grādi):

Grādi C = (A + (B * (log (termistors)))) + (C * log (termistors) * log (termistors) * log (termistors))) - 273,15

Otrkārt, pārvēršiet Celsija grādus par Fārenheita grādiem šādi:

Grādi F = ((grādi C * 9) / 5) + 32

Kad Steinhart-Hart vienādojums ir pabeigts un koeficienti ir pabeigti, ir nepieciešams otrs vienādojums, lai nolasītu rezistora dalītāja izeju. Šajā dizainā izmantotais rezistoru dalītāja modelis ir šāds:

vRef <--- termistors <--- vOut <--- rezistors <--- zemējums

kur:

• vRef šajā dizainā ir 3.3vdc.
• Termistors ir NTC temperatūras zonde, ko izmanto rezistoru dalītājā.
• vOut ir rezistora dalītāja sprieguma izeja.
• Rezistors ir 33k rezistors, ko izmanto rezistoru dalītājā.
• Un zeme ir labi.

vŠis konstrukcijas rezistoru dalītājs ir piestiprināts pie WiFi Kit 32 analogās ieejas A0 (36. tapa), un rezistora dalītāja sprieguma izeju aprēķina šādi:

vOut = vRef * Rezistors / (rezistors + termistors)

Tomēr, kā norādīts Steinhart-Hart vienādojumā, lai iegūtu temperatūru, ir nepieciešama termistora pretestības vērtība, nevis rezistora dalītāja spriegums. Tātad, lai pārkārtotu vienādojumu, lai izvadītu termistora vērtību, ir jāizmanto neliela algebra šādi:

Reiziniet abas puses ar "(rezistors + termistors)", iegūstot:

vOut * (rezistors + termistors) = vRef * rezistors

Sadaliet abas puses ar "vOut", iegūstot:

Rezistors + termistors = (vRef * rezistors) / vOut

No abām pusēm atņemiet "rezistoru", kā rezultātā:

Termistors = (vRef * Rezistors / vOut) - Rezistors

Visbeidzot, izmantojot izplatīšanas īpašību, vienkāršojiet:

Termistors = rezistors * ((vRef / vOut) - 1)

Aizstājot WiFi Kit 32 A0 analogo ieeju skaitu no 0 līdz 4095 vOut un aizstājot vērtību 4096 ar vRef, rezistoru dalītāja vienādojums, kas nodrošina Šteinharta-Hārta vienādojumā pieprasīto termistora pretestības vērtību, kļūst par:

Termistors = rezistors * ((4096 / analogās ievades skaits) - 1)

Tā kā matemātika ir aiz muguras, apkoposim kādu elektroniku.

2. solis: elektronikas salikšana

Attiecībā uz elektroniku es iepriekš biju samontējis ESP32 Capacitive Touch demonstrētāju https://www.instructables.com/id/ESP32-Capacitive… Ar šo montāžu ir nepieciešami šādi papildu komponenti:

• Pieci, 4 collu 28wg stieples gabali (viens sarkans, viens melns, viens dzeltens un divi zaļi).
• Viens, Maverick "ET-72 Temperature Probe" zonde (https://www.maverickthermometers.com/product/pr-003/).
• Viens 2,5 mm "tālruņa" savienotājs, paneļa stiprinājums (https://www.mouser.com/ProductDetail/502-TR-2A).
• Viens, 33k omu 1% 1/8 vatu rezistors.
• Viens, pjezo skaņas signāls https://www.adafruit.com/product/160. Ja izvēlaties citu pjezo skaņas signālu, pārliecinieties, vai tas atbilst šī specifikācijām (kvadrātveida viļņu vadīts, <= ESP32 strāvas izeja).

Lai saliktu papildu komponentus, es veicu šādas darbības:

• Katra 4 collu stieples gala galus noņem un alvo, kā parādīts attēlā.
• Lodēts viens dzeltenā stieples gals un viens 33k omu rezistora gals pie tālruņa savienotāja tapas "Tip".
• Lodēja vienu melnā stieples galu līdz 33k omu rezistora brīvajam galam un nogrieza lieko rezistora vadu.
• Virs vadiem un rezistora tika uzlikta termiski saraušanās caurule.
• Sarkanā stieples vienu galu pielodēja pie tālruņa savienotāja tapas "Uzmava".
• Dzeltenā stieples brīvo galu pielodēja pie Wi -Fi komplekta 32 tapas 36.
• Melnā stieples brīvo galu pielodēja pie WiFi komplekta 32 GND tapas.
• Sarkanā stieples brīvo galu pielodēja pie WiFi komplekta 32 3V3 tapas.
• Lodēja vienu zaļo vadu pie viena pjezo skaņas signāla vada.
• Atlikušo zaļo vadu pielodēja pie pjezo skaņas signāla atlikušā vada
• Viena lodziņa zaļo pjezo vadu brīvo galu pielodēja pie Wi -Fi komplekta 32 tapas 32.
• Atlikušo zaļo pjezo vadu brīvo galu pielodēja pie WiFi komplekta 32 GND tapas.
• Iesprauda temperatūras zondi tālruņa savienotājā.

Kad visas elektroinstalācijas ir pabeigtas, es vēlreiz pārbaudīju savu darbu.

3. darbība: programmatūras instalēšana

Fails "AnalogInput.ino" ir Arduino vides fails, kas satur dizaina programmatūru. Papildus šim failam jums būs nepieciešama WiFi Kit32 OLED displeja grafiskā bibliotēka "U8g2lib" (sīkāku informāciju par šo bibliotēku skatiet vietnē

Ja jūsu Arduino direktorijā ir instalēta grafikas bibliotēka U8g2lib un Arduino vidē ir ielādēts "AnalogInput.ino", apkopojiet un lejupielādējiet programmatūru WiFi komplektā 32. Pēc lejupielādes un palaišanas OLED displeja augšējā rinda WiFi komplektā 32 vajadzētu lasīt "Temperatūra", un pašreizējā temperatūra displeja centrā tiek parādīta lielā tekstā.

Pieskarieties centrālajai pogai (T5), lai parādītu displeju "Iestatīt trauksmes temperatūru". Pielāgojiet trauksmes temperatūru, nospiežot kreiso pogu (T4) vai labo pogu (T6), kā aprakstīts ievadā. Lai pārbaudītu modinātāju, noregulējiet trauksmes temperatūru, lai tā būtu vienāda ar pašreizējo temperatūru vai zemāka, un modinātājam vajadzētu atskanēt. Kad esat pabeidzis trauksmes temperatūras iestatīšanu, pieskarieties centrālajai pogai, lai atgrieztos temperatūras displejā.

Programmatūras vērtības dProbeA, dProbeB, dProbeC un dResistor ir vērtības, kuras es noteicu šajā projektā izmantotās zondes kalibrēšanas laikā, un tām jārada temperatūras rādījumi ar precizitāti līdz dažiem grādiem. Ja nē vai ja ir nepieciešama lielāka precizitāte, tad nākamā ir kalibrēšana.

4. solis: NTP temperatūras zondes kalibrēšana

Lai kalibrētu temperatūras zondi, ir nepieciešami šādi elementi:

• Viens digitālais ommetrs.
• Viens zināms precīzs digitālais termometrs, kas spēj no 0 līdz 250 grādiem F.
• Viena glāze ledus ūdens.
• Viens katls verdoša ūdens (esiet ļoti, ļoti uzmanīgs!).

Sāciet, iegūstot faktisko 33k rezistora vērtību:

• Izņemiet barošanu no WiFi komplekta 32 plates.
• Noņemiet temperatūras zondi no tālruņa savienotāja (atkarībā no jūsu digitālā ommetra var būt nepieciešams atkausēt melno vadu no WiFi komplekta 32).
• Atveriet Steinhart-Hart izklājlapu.
• Izmēriet 33k omu rezistora vērtību, izmantojot digitālo ommetru, un ievadiet to izklājlapas dzeltenajā lodziņā "Rezistors" un programmatūras mainīgajā lielumā "dResistor". Lai gan tas var šķist pārmērīgi, 33k omu 1% rezistors patiešām var ietekmēt temperatūras displeja precizitāti.
• Pievienojiet temperatūras zondi tālruņa savienotājam.

Tālāk iegūstiet Steinhart-Hart koeficientus:

• Ieslēdziet zināmo precīzo digitālo termometru.
• Pievienojiet USB barošanas avotu WiFi komplektam 32.
• Vienlaicīgi nospiediet un turiet kreiso (T4) un labo (T6) pogu, līdz parādās displejs "Termistoru skaits".
• Ļaujiet stabilizēties gan digitālā termometra, gan termistora skaitītāju displejiem.
• Ievadiet temperatūras un termistora skaitļus rindas "Istaba" dzeltenās kolonnās "F grādi no termometra" un "AD skaitļi no ESP32".
• Ievietojiet gan digitālo termometru, gan termistora zondes ledus ūdenī un ļaujiet abiem displejiem stabilizēties.
• Ievadiet temperatūru un termistora skaitļus rindas "Auksts ūdens" dzeltenās kolonnās "F grādi no termometra" un "AD skaitļi no ESP32".
• Ievietojiet gan digitālo termometru, gan termistora zondes verdošā ūdenī un ļaujiet abiem displejiem stabilizēties.
• Ievadiet temperatūru un termistora skaitļus rindas "Verdošs ūdens" dzeltenās kolonnās "F grādi no termometra" un "AD skaitļi no ESP32".
• Kopējiet zaļo "A:" koeficientu avota koda mainīgajā "dProbeA".
• Kopējiet zaļo "B:" koeficientu avota koda mainīgajā "dProbeB".
• Kopējiet zaļo "C:" koeficientu avota koda mainīgajā "dProbeC".

Apkopojiet un lejupielādējiet programmatūru WiFi komplektā 32.

5. darbība: korpusa un gala montāžas 3D drukāšana

Es drukāju gan "Case, Top.stl", gan "Case, Bottom.stl" pie 1 mm slāņa augstuma, 50% aizpildījuma, bez balstiem.

Kad korpuss ir izdrukāts, es saliku elektroniku un korpusu šādi:

• Es atdalīju vadus no trim caurumu aizbāžņiem, iespiedu caurumu kontaktdakšas pozīcijā "Case, Top.stl", pēc tam atkārtoti lodēju vadus pie caurumu aizbāžņiem, uzmanīgi atzīmējot kreiso (T4), centru (T5) un labo (T6) vadus un attiecīgās pogas.
• Piestipriniet tālruņa savienotāju pie apaļā cauruma sadaļā “Korpuss, apakšā.stl”, izmantojot komplektā iekļauto uzgriezni.
• Novietojiet pjezo skaņas signālu korpusa apakšējā daļā blakus tālruņa savienotājam un nostipriniet ar divpusēju lenti.
• Ievietojiet WiFi komplektu 32 vietā korpusa apakšējā komplektā, pārliecinoties, ka WiFi komplekta 32 USB ports ir izlīdzināts ar korpusa apakšā esošo ovālo caurumu (NESPIEDIET OLED displeju, lai novietotu WiFi komplektu 32 korpusa apakšā montāža, uzticieties man šajā jautājumā, tikai nedariet to!).
• Nospieda korpusa augšējo bloku uz korpusa apakšējās daļas un nostiprināja vietā, izmantojot stūros mazus biezas ciānakrilāta līmes punktus.

6. darbība. Par programmatūru

Fails "AnalogInput.ino" ir faila "Buttons.ino" modifikācija no manas iepriekšējās instrukcijas "https://www.instructables.com/id/ESP32-Capacitive-Touch-Buttons/". Esmu mainījis sākotnējās trīs koda sadaļas "setup ()", "loop ()" un "InterruptService ()", lai iekļautu programmatūru zondei un trauksmei, un esmu pievienojis vēl trīs koda sadaļas "Analog ()", "Pogas ()" un "Displejs ()", lai notīrītu "cilpu ()" un pievienotu zondei un trauksmei nepieciešamo programmatūru.

"Analog ()" satur kodu, kas nepieciešams, lai nolasītu masīvā termistoru skaitu, aprēķinātu vidējo skaitļu masīvu, izmantotu sprieguma dalītāju, lai ģenerētu termistora vērtību un visbeidzot izmantotu Šteinharta-Hārta vienādojumus un temperatūras pārveidošanas vienādojumus, lai ģenerētu Fārenheita grādus.

"Pogas ()" satur kodu, kas nepieciešams, lai apstrādātu pogu nospiešanu un rediģētu trauksmes temperatūru.

"Displejs ()" satur kodu, kas nepieciešams informācijas parādīšanai OLED displejā.

Ja jums ir kādi jautājumi vai komentāri par kodu vai jebkuru citu šīs pamācības aspektu, jautājiet, un es darīšu visu iespējamo, lai uz tiem atbildētu.

Es ceru, ka jums patika (un joprojām esat nomodā)!

7. solis: gaidāmais projekts

Gaidāmais projekts "Intelligrill® Pro" ir divkāršas temperatūras zondes smēķētāju monitors, kas ietver:

• Steinhart-Hart temperatūras zondes aprēķini (pretstatā "uzmeklēšanas" tabulām), lai iegūtu lielāku precizitāti, kā tas iekļauts šajā instrukcijā.
• Prognozējamais laiks līdz 1. zondes pabeigšanai, ietverot lielāku precizitāti, kas iegūta no Šteinharta-Hārta aprēķiniem.
• Otra zonde, zonde 2, smēķētāja temperatūras kontrolei (ierobežota līdz 32–399 grādiem).
• Kapacitatīvas skārienievades vadīklas (tāpat kā iepriekšējā instrukcijā).
• Uz WIFI balstīta attālināta uzraudzība (ar fiksētu IP adresi, ļauj uzraudzīt smēķētāja progresu no jebkuras vietas, kur ir pieejams interneta savienojums).
• Paplašināts temperatūras diapazons (no 32 līdz 399 grādiem).
• Skaņas pabeigšanas trauksmes signāli gan Intelligrill® raidītājā, gan lielākajā daļā WiFi nodrošinošu uzraudzības ierīču.
• Temperatūras displejs F vai C grādos.
• Laika formāts HH: MM: SS vai HH: MM. Akumulatora displejs vai nu voltos, vai % uzlādēts.
• Un PID izeja smēķētājiem, kuru pamatā ir gliemeži.

"Intelligrill® Pro" joprojām pārbauda, lai kļūtu par visprecīzāko, ar funkcijām iepakoto un uzticamāko uz Inteliigrill® izstrādāto HTML. Tas joprojām tiek pārbaudīts, bet ar ēdienreizēm, kuras tas palīdz sagatavoties pārbaudes laikā, esmu ieguvis vairāk nekā dažas mārciņas.

Vēlreiz ceru, ka jums patiks!