Medição de temperatura para projetos de laboratório e ciências

Introdução

Cada laboratório (casa, escritório, escola) precisa de recursos de medição de temperatura. Medir a temperatura para experimentos científicos é difícil - todos os tipos de materiais, líquidos e produtos químicos podem estar envolvidos ou uma grande faixa de temperatura pode precisar ser coberta. O sensor usado para isso (um termopar) não é de fácil interface, e o amplificador do sensor não é trivial, pois deve ser capaz de medir uma tensão extremamente pequena.

Para flexibilidade nos experimentos científicos para os quais ele pode ser usado, uma alta precisão é necessária junto com uma resposta rápida e uma boa taxa de atualização. Nem é preciso dizer que os dados devem ser registrados de forma conveniente e fácil de usar.

Por conveniência, existem produtos de medição e registro de temperatura prontos para uso, às vezes eles não são fáceis de usar devido à sobrecarga dos botões programáveis ​​e um display limitado. Além disso, para grandes laboratórios ou salas de aula, as informações devem ser registradas e recuperadas facilmente pelas pessoas - e talvez visualizar o status atual em uma tela grande. Também não é preciso dizer que alguns experimentos podem demorar muito, portanto, a capacidade de verificar seu experimento usando um telefone celular durante o almoço também é útil. Um último requisito era que fosse fácil de construir, mesmo para iniciantes em eletrônica e software.

Este projeto mostra como conectar uma placa de termopar a um Raspberry Pi (RPI) e usá-la para medição de temperatura e perfilagem com ótimo desempenho e custo ultrabaixo. Este projeto é fácil - nenhuma solda necessária, a menos que você queira. Este também é um ótimo projeto para começar a usar o conector de cabeçalho 'DIL (dual-in-line)' no RPI, caso ainda não tenha feito isso.

Visão geral do design

Muitos projetos amadores baseados em termopar usam o circuito integrado MAX31855 e placas de 'amplificador de termopar' prontas estão disponíveis para conexão ao RPI de vários fornecedores. Este projeto, entretanto, usa o ADS1118 de resolução muito mais alta da Texas Instruments. Ele vem em um pacote de montagem em superfície, mas felizmente uma placa de desenvolvimento ADS1118 pronta está disponível, que contém todos os circuitos, incluindo um display LCD e termopar - é um valor extremamente bom para o dinheiro. Se você não gosta de soldar, é possível conectar esta placa ao Raspberry Pi (ou qualquer outra placa de computador - ela usa um método de comunicação baseado em padrões chamado Interface Periférica Serial ou SPI) usando oito fios de jumper (macho para cabos fêmeas são necessários). Alternativamente, se você não se importar com um exercício de solda, uma pequena placa adaptadora pode ser construída. Esta foi a abordagem adotada aqui. Resumindo você pode ver na foto abaixo todos os bits que são usados ​​para este projeto, incluindo a placa adaptadora montada.

Todo o projeto pode ser controlado por meio de um navegador da web ou da linha de comando.

Para construir a placa adaptadora, a maneira mais simples é usar uma placa de circuito; usando o software EAGLE, fiz um projeto cujos arquivos estão anexados a este post, prontos para serem enviados a um fabricante de placas de circuito impresso (custa cerca de US $ 30 por dez placas).

Alternativamente, a placa de prototipagem pode ser usada; Eu obtive um pouco de perf-board (o tipo com almofadas isoladas, não stripboard) e cortei no tamanho certo. Um orifício de 3 mm foi perfurado para fixação de um pilar de suporte (espaçador hexagonal roscado). As placas estão próximas uma da outra, não uma em cima da outra, para minimizar a mudança de temperatura e os problemas de ruído, que afetariam a leitura do termopar.

Eu queria a capacidade de conectar a placa ADS1118 no lado do pad da perf-board, então há uma pequena complicação aqui. A solução foi usar cabeçalhos SIL dobrados. São necessários cabeçalhos SIL de 10 vias (a foto mostra 8 vias, que é o que eu tinha em mãos) - ou use os de montagem em superfície que são semelhantes, mas com as extremidades dobradas alternando em ambos os lados. Se você estiver usando uma placa de circuito e não uma placa de desempenho, serão necessários cabeçalhos SIL diretos.

Para alinhá-los, conecte-os à placa ADS1118 e posicione-a sobre a perf-board e, em seguida, prenda alguns pinos com solda. Em seguida, a placa ADS pode ser desconectada com muito cuidado e os conectores SIL podem ser soldados de forma adequada. Observe que, neste estágio, é bastante difícil desconectar sem arrancar as almofadas da placa. Segure a parte dobrada dos conectores SIL contra a placa enquanto desconecta a placa ADS1118.

Em seguida, para tornar os conectores SIL muito seguros, solde cada pino no maior número de pastilhas possível (cada um pode ser soldado a três pastilhas).

Para identificar as conexões, consulte a foto de numeração dos pinos abaixo e a tabela a seguir:
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1. * Conexões:
2. * placa TI RPI B +
3. * ———— ——————
4. * P1_1 VCC 1 3,3V
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

Depois de testar o software e a funcionalidade da placa, é possível usar um pouco de cola de resina epóxi (por exemplo, Araldite) para tornar os cabeçalhos SIL ainda mais seguros. Uma quantidade mínima foi usada para que fosse possível ainda soldar nos pinos, se necessário no futuro.

Com a abordagem de PCB mencionada anteriormente, quando a PCB chega, os pinos do cabeçote e o receptáculo podem ser soldados, e é uma tarefa fácil (leva cinco minutos), portanto, a PCB é o método preferido, especialmente se você precisar fazer muitos deles (I pretendo fazer vários). Usei pinos de cabeçalho DIL em vez de SIL, mas qualquer um dos dois funcionará com o layout de PCB anexado a esta postagem.

Software

O diagrama aqui mostra toda a visão geral da solução. A maior parte do código está em três arquivos. O código que faz interface com a placa ADS1118 é discutido primeiro, porque é possível executar esse código autônomo, se desejado. Ele é mostrado em roxo no diagrama.

Para criar o software, a primeira coisa a fazer é criar um logotipo:
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1. / ***************************************** *************************************************** ***
2. * therm.c
3. * RPI <-> 430BOOST-ADS1118 Termopar / Placa LCD
4. *
5. * __ __ ____ _____
6. * ____ | | ____ _____ ____ _____ / | _ / _ | / | |
7. * _ / __ \ | | _ / __ \ / \ _ / __ \ / \ __ \ | | / | | _
8. * \ ___ / | | _ \ ___ / | S S \ ___ / | | \ | | / ^ /
9. * \ ___> ____ / \ ___> __ | _ | / \ ___> ___ | / __ | | ___ \ ____ |
10. * \ / \ / \ / \ / \ / | __ |
11. *

A próxima etapa é fazer uso da riqueza de código que a TI geralmente oferece. Neste caso, a TI já tinha um código ADS1118 de alta qualidade destinado ao Launchpad MSP430 que poderia ser reutilizado. Ele foi ligeiramente adaptado para ser usado no RPI, usando algum código de entrada / saída (I / O) de Gert van Loo e Dom.

A medição de temperatura pode parecer uma tarefa fácil (ler um valor ADC e converter em temperatura), mas os termopares requerem "compensação de junta fria" que, no caso do ADS1118, também significa a leitura de um sensor de temperatura interno. O código intercala a leitura do sensor interno e do termopar externo. Outro ponto importante é que a saída de um termopar não é linear em comparação com a temperatura; fabricantes de termopares publicam dados que podem ser usados ​​para obter uma conversão mais precisa do valor ADC para a temperatura real. O código TI já inclui esses recursos para o termopar fornecido.

O código foi adaptado para adicionar capacidade de registro. Uma vez que a placa deve ser alimentada pela fonte ruidosa de 3,3 V do RPI e está próxima ao RPI, algumas etapas precisam ser executadas para garantir que a medição seja limpa. O algoritmo implementado a cada segundo lê o sensor de temperatura interno uma vez, e o termopar externo dez vezes em uma curta rajada (algumas centenas de milissegundos no total) para que as medições possam ser calculadas e, finalmente, a saída para uma resolução de 0,1 grau C. O resultado final foi muito bom; veja algum exemplo de saída aqui.

O LCD tem duas linhas de 16 caracteres, então foi decidido usar a linha inferior para exibir a hora e a temperatura atual do termopar. A linha superior depende do usuário; pode ser definido como algo para que as pessoas saibam imediatamente do que se trata o experimento. Por exemplo, pode dizer "Teste # 1" ou "Não toque".

Usar o código é fácil.

Primeiro, confirme se alguns recursos estão habilitados no RPI. Se o RPI estiver sendo usado novo, após a instalação do sistema operacional, certifique-se de que o parâmetro ‘ Avançado 'A opção de menu é selecionada e, em seguida, habilita três coisas: SSH , SPI e I2C - não usamos tudo isso para este projeto, mas são interfaces baseadas em padrões que devem sempre estar habilitadas, a menos que você nunca queira desconectar o RPI de um monitor ou não faça uso do conector DIL de 40 vias no RPI. Se isso não foi feito após a instalação do sistema operacional, digite raspi-config em uma janela de texto (também conhecido como shell de comando) no RPI e selecione ‘ Avançado ’No menu que aparece.

Supondo que os três recursos mencionados acima estejam ativados, crie uma pasta para seu trabalho a partir de seu diretório inicial (por exemplo, crie uma pasta chamada desenvolvimento e, em seguida, uma subpasta chamada therm ) e copie o código-fonte (anexado a esta postagem) para essa subpasta.

Para compilar o tipo de código:
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1. gcc -o therm therm.c -lrt

O código agora está pronto para ser executado. Existem algumas maneiras de usar este projeto. Uma maneira é simplesmente digitar comandos no shell de comando. Outra maneira é usar um navegador da web. Esses dois métodos são discutidos a seguir.

Interface de Comando

O código pode ser executado usando ‘ sudo 'Ou como usuário superusuário (root).

Para o último, para se tornar usuário root, primeiro digite sudo passwd root uma vez e crie uma senha de superusuário (ou seja, usuário root). Agora, sempre que quiser se tornar superusuário, basta digitar ‘ su ‘E digite essa senha. Para sair dos privilégios de superusuário a qualquer momento, digite ‘ exit ‘. Algumas pessoas preferem o sudo, outras acham que é uma algema desnecessária.



Para mais detalhes:Medição de temperatura para projetos de laboratório e ciências