ESP32 NTP-lämpötila-anturin keittolämpömittari Steinhart-Hart-korjauksella ja lämpötilahälytyksellä: 7 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Vielä matkalla "tulevan projektin" loppuun saattamiseen, "ESP32 NTP -lämpötila-anturin keittolämpömittari Steinhart-Hart-korjauksella ja lämpötilahälytyksellä" on opastettava, joka osoittaa, kuinka voin lisätä NTP-lämpötila-anturin, pietsosummerin ja ohjelmiston kapasitiiviseen kosketukseen. ESP32 -kapasitiivinen kosketussyöttö käyttämällä painikkeiden "metallisia reiätulppia" yksinkertaisen mutta tarkan kypsennyslämpömittarin ja ohjelmoitavan lämpötilahälytyksen luomiseksi.

Kolme kapasitiivista kosketuspainiketta mahdollistaa lämpötilan hälytystason asettamisen. Keskipainikkeen painaminen tuo näkyviin "Aseta hälytyslämpötila" -näytön, jolloin vasen ja oikea painike voivat laskea tai nostaa hälytyslämpötilaa. Vasemman painikkeen painaminen ja vapauttaminen alentaa hälytyslämpötilaa yhden asteen, kun taas vasemman painikkeen painaminen ja pitäminen alhaalla alentaa hälytyslämpötilaa jatkuvasti, kunnes se vapautetaan. Samoin oikeanpuoleisen painikkeen painaminen ja vapauttaminen nostaa hälytyslämpötilaa yhden asteen, kun taas oikeanpuoleisen painikkeen pitäminen painettuna nostaa hälytyslämpötilaa jatkuvasti, kunnes se vapautetaan. Kun olet lopettanut hälytyslämpötilan säätämisen, palaa lämpötilanäyttöön koskettamalla keskipainiketta uudelleen. Pietsosummeri soi milloin tahansa, kun lämpötila on yhtä suuri tai suurempi kuin hälytyslämpötila.

Ja kuten mainittiin, suunnittelussa käytetään NTP-lämpötila-anturia yhdessä Steinhart-Hart-yhtälöiden ja tarkkojen lämpötilalukemien edellyttämien kertoimien kanssa. Olen sisällyttänyt vaiheeseen 1 liian yksityiskohtaisen kuvauksen Steinhart-Hart-yhtälöstä, Steinhart-Hart-kertoimista, jännitteenjakajista ja algebrasta (se saa minut nukkumaan joka kerta, kun luen sen, joten saatat haluta ohita vaihe 1 ja siirry suoraan vaiheeseen 2: Elektroniikan kokoaminen, ellei tietysti tarvitse nukkua).

Jos päätät rakentaa tämän keittolämpömittarin, olen mukauttamista ja 3D -tulostusta varten sisällyttänyt seuraavat tiedostot:

• Arduino -tiedosto "AnalogInput.ino", joka sisältää suunnitteluohjelmiston.
• Autodesk Fusion 360 cad -tiedostot kotelolle, jotka osoittavat, miten kotelo on suunniteltu.
• Cura 3.4.0 STL -tiedostot "Case, Top.stl" ja "Case, Bottom.stl" valmiina 3D -tulostamiseen.

Tarvitset myös perehtymistä Arduino -ympäristöön sekä juotostaitoja ja -laitteita, ja lisäksi saatat tarvita pääsyä tarkkoihin digitaalisiin ohmimittareihin, lämpömittariin ja lämpötilalähteisiin kalibrointia varten.

Ja kuten tavallista, olen todennäköisesti unohtanut tiedoston tai kaksi tai kuka tietää mitä muuta, joten jos sinulla on kysyttävää, älä epäröi kysyä, koska teen paljon virheitä.

Elektroniikka suunniteltiin kynällä, paperilla ja Radio Shack EC-2006a (luettelonro 65-962a) aurinkokäyttöisellä laskimella.

Ohjelmisto on suunniteltu käyttämällä Arduino 1.8.5 -versiota.

Kotelo on suunniteltu käyttäen Autodesk Fusion 360: tä, viipaloitu Cura 3.4.0: lla ja painettu PLA -muodossa Ultimaker 2+ Extended- ja Ultimaker 3 Extended -laitteilla.

Ja viimeinen huomautus, en saa mitään korvausta missään muodossa, mukaan lukien, mutta ei rajoittuen ilmaisiin näytteisiin, mistään tässä mallissa käytetyistä komponenteista

Vaihe 1: Matematiikka, matematiikka ja muut matematiikka: Steinhart – Hart, kertoimet ja vastusjakajat

Aiemmissa malleissani, joissa oli NTC -lämpötila -anturi, käytettiin taulukonhakutekniikkaa tulojännitteen muuttamiseksi vastuksenjakajasta lämpötilaan. Koska ESP32 pystyy syöttämään kaksitoista bittistä analogista tuloa, ja koska suunnittelin suurempaa tarkkuutta, päätin toteuttaa "Steinhart-Hart" -yhtälön jännitteen ja lämpötilan muuntamisen koodissa.

John S. Steinhart ja Stanley R. Hart julkaisivat ensimmäisen kerran vuonna 1968, Steinhart-Hart-yhtälö määrittelee NTC-lämpötila-anturin kestävyyslämpötilan suhteen seuraavasti:

1 / T = A + (B * (log (termistori))) + (C * log (termistori) * log (termistori) * log (termistori))

missä:

• T on Kelvin -astetta.
• A, B, C ovat Steinhart-Hart-kertoimia (lisää siitä hetkessä).
• Ja termistori on lämpötila -anturin termistorin vastusarvo nykyisessä lämpötilassa.

Joten miksi tämä näennäisesti monimutkainen Steinhart-Hart-yhtälö on välttämätön yksinkertaiselle NTC-lämpötila-anturipohjaiselle digitaaliselle lämpömittarille? "Ihanteellinen" NTC -lämpötila -anturi antaisi lineaarisen esityksen todellisesta lämpötilasta, joten yksinkertainen lineaarinen yhtälö, joka sisältää jännitetulon ja skaalauksen, johtaisi tarkkaan lämpötilan esitykseen. NTC-lämpötila-anturit eivät kuitenkaan ole lineaarisia, ja kun ne yhdistetään käytännöllisesti katsoen kaikkien edullisien yksilevyisten prosessorien, kuten WiFi-paketin 32, epälineaariseen analogiatuloon, ne tuottavat epälineaarisia analogituloja ja siten virheellisiä lämpötilalukemia. Käyttämällä Steinhart-Hartin kaltaista yhtälöä ja huolellista kalibrointia voidaan saavuttaa erittäin tarkat lämpötilalukemat käyttämällä NTC-lämpötila-antureita edullisella yhden levyn prosessorilla tuottamalla hyvin lähellä likimääräistä todellista lämpötilaa.

Joten takaisin Steinhart-Hartin yhtälöön. Yhtälö käyttää kolmea kerrointa A, B ja C lämpötilan määrittämiseen termistorin vastuksen funktiona. Mistä nämä kolme kerrointa tulevat? Jotkut valmistajat toimittavat nämä kertoimet NTC -lämpötila -anturiensa kanssa, toiset eivät. Lisäksi valmistajan toimittamat kertoimet voivat olla tai eivät ole täsmälleen ostamaasi lämpötila -anturia, ja ne ovat todennäköisimmin kertoimia, jotka edustavat suurta näytettä kaikista niiden lämpötila -antureista, joita ne valmistavat tietyn ajanjakson aikana. Ja lopuksi, en yksinkertaisesti voinut löytää tässä suunnittelussa käytetyn anturin kertoimia.

Ilman tarvittavia kertoimia loin Steinhart-Hart-laskentataulukon, laskentataulukkoon perustuvan laskimen, joka auttaa muodostamaan tarvittavat kertoimet NTC-lämpötila-anturille (menetin linkin samanlaiseen verkkopohjaiseen laskimeen, jota käytin monta vuotta sitten, joten loin tämän). Lämpötila -anturin kertoimien määrittämiseksi aloitan mittaamalla jännitteenjakajassa käytetyn 33 k: n vastuksen arvon digitaalisella ohmimittarilla ja syöttämällä arvon laskentataulukon keltaiselle alueelle, jossa on merkintä "Resistor". Seuraavaksi asetan lämpötila -anturin kolmeen ympäristöön; ensimmäinen huonelämpötila, toinen jäävesi ja kolmas kiehuva vesi yhdessä tunnetun tarkan digitaalisen lämpömittarin kanssa ja anna ajan lämpömittarin lämpötilan ja WiFi Kit 32 -näytössä näkyvän termistorin tulolukeman vakautumiseen (lisätietoja tästä myöhemmin). Kun sekä lämpötila että termistorin tuloluku on vakiintunut, syötän tunnetun tarkan lämpömittarin osoittaman lämpötilan ja WiFi -sarjan 32 näytössä näkyvän termistorilukeman laskentataulukon keltaiselle alueelle, joka on merkitty "Astetta F lämpömittarista" ja "AD Laske WiFi -paketista 32 "kullekin kolmelle ympäristölle. Kun kaikki mittaukset on syötetty, laskentataulukon vihreä alue tarjoaa Steinhart-Hart-yhtälön edellyttämät A-, B- ja C-kertoimet, jotka sitten yksinkertaisesti kopioidaan ja liitetään lähdekoodiin.

Kuten aiemmin mainittiin, Steinhart-Hart-yhtälön lähtö on Kelvin-asteina, ja tämä malli näyttää Fahrenheit-asteita. Muuntaminen Kelvin -asteista Fahrenheit -asteiksi on seuraava:

Muunna ensin Kelvin-asteet Celsius-asteiksi vähentämällä 273,15 (Kelvin-astetta) Steinhart-Hart-yhtälöstä:

Asteet C = (A + (B * (log (termistori))) + (C * log (termistori) * log (termistori) * log (termistori))) - 273,15

Ja toiseksi, muunna Celsius -astetta Fahrenheit -asteiksi seuraavasti:

Asteet F = ((asteet C * 9) / 5) + 32

Kun Steinhart-Hart-yhtälö ja kertoimet ovat valmiit, tarvitaan toinen yhtälö vastusjakajan lähdön lukemiseksi. Tässä suunnittelussa käytetyn vastuksenjakajan malli on:

vRef <--- Termistori <--- vOut <--- Vastus <--- Maadoitus

missä:

• vRef tässä mallissa on 3.3vdc.
• Termistori on NTC -lämpötila -anturi, jota käytetään vastuksenjakajassa.
• vOut on vastuksenjakajan jännitelähtö.
• Vastus on 33k: n vastus, jota käytetään vastuksenjakajassa.
• Ja maa on, no, maa.

vOn tämän mallin vastuksenjakajasta liitetty WiFi Kit 32 -analogituloon A0 (nasta 36), ja vastuksenjakajan jännitelähtö lasketaan seuraavasti:

vOut = vRef * Vastus / (Vastus + termistori)

Kuitenkin, kuten Steinhart-Hart-yhtälössä todetaan, termistorin vastusarvoa tarvitaan lämpötilan saamiseksi, ei vastuksenjakajan jännitelähtöä. Joten yhtälön järjestäminen uudelleen termistorin arvon tuottamiseksi edellyttää pienen algebran käyttöä seuraavasti:

Kerro molemmat puolet arvolla "(vastus + termistori)", jolloin saadaan:

vOut * (vastus + termistori) = vRef * vastus

Jaa molemmat puolet sanalla "vOut", tuloksena:

Vastus + termistori = (vRef * vastus) / vOut

Vähennä "vastus" molemmilta puolilta, mikä johtaa:

Termistori = (vRef * Vastus / vOut) - Vastus

Ja lopuksi yksinkertaista jakeluominaisuutta käyttämällä:

Termistori = vastus * ((vRef / vOut) - 1)

Korvaamalla WiFi Kit 32 A0-analogitulojen määrä 0–4095 vOut-arvoon ja korvaamalla arvo 4096 vRef-arvoon, vastuksenjakaja-yhtälö, joka tarjoaa Steinhart-Hart-yhtälön edellyttämän termistorin vastusarvon, on:

Termistori = vastus * ((4096 / analogiatulon määrä) - 1)

Joten matematiikan takana, kootaan elektroniikkaa.

Vaihe 2: Elektroniikan kokoaminen

Elektroniikkaa varten olin aiemmin koonnut ESP32 Capacitive Touch -esittelyn https://www.instructables.com/id/ESP32-Capacitive… Tämän kokoonpanon yhteydessä tarvitaan seuraavat lisäkomponentit:

• Viisi, 4 tuuman kappaletta 28awg -lankaa (yksi punainen, yksi musta, yksi keltainen ja kaksi vihreää).
• Yksi, Maverick "ET-72 Temperature Probe" -anturi (https://www.maverickthermometers.com/product/pr-003/).
• Yksi 2,5 mm: n "puhelin" -liitin, paneelikiinnike (https://www.mouser.com/ProductDetail/502-TR-2A).
• Yksi 33 k ohmin 1% 1/8 wattinen vastus.
• Yksi pietsosummeri https://www.adafruit.com/product/160. Jos valitset toisen pietsosummerin, varmista, että se vastaa tämän teknisiä tietoja (neliöaaltokäyttöinen, <= ESP32: n nykyinen lähtö).

Lisäkomponenttien kokoamiseksi tein seuraavat vaiheet:

• Irrotettu ja tinattu jokaisen 4 tuuman langan päät kuvan mukaisesti.
• Juotos keltaisen johdon toinen pää ja 33 k ohmin vastuksen toinen pää puhelimen liittimen "Vihje" -tappiin.
• Juotettiin mustan langan toinen pää 33 k ohmin vastuksen vapaaseen päähän ja leikattiin ylimääräinen vastuslanka pois.
• Johtimien ja vastuksen päälle käytettiin kutisteputkea.
• Juotettu punaisen johdon toinen pää puhelimen liittimen "Sleeve" -nastaan.
• Juotettiin keltaisen langan vapaa pää WiFi -sarjan 32 nastaan 36.
• Juotettiin mustan johdon vapaa pää WiFi -sarjan 32 GND -nastaan.
• Juotettu punaisen johdon vapaa pää WiFi -paketin 32 3V3 -nastaan.
• Juotos yksi vihreä johto pietsosummerin yhteen johtoon.
• Juotettiin jäljellä oleva vihreä lanka pietsosummerin jäljelle jääneeseen johtoon
• Juotos yhden vihreän pietsojohdon vapaa pää WiFi -paketin 32 nastaan 32.
• Juotettiin jäljellä olevien vihreiden pietsojohtojen vapaa pää WiFi -paketin 32 GND -nastaan.
• Liitti lämpöanturin puhelimen liittimeen.

Kun kaikki johdotukset olivat valmiit, tarkistin työni kaksinkertaisesti.

Vaihe 3: Ohjelmiston asentaminen

Tiedosto "AnalogInput.ino" on Arduino -ympäristötiedosto, joka sisältää suunnitteluohjelmiston. Tämän tiedoston lisäksi tarvitset WiFi Kit32 OLED -näytön "U8g2lib" -grafiikkakirjastoa (lisätietoja tästä kirjastosta on osoitteessa

Kun U8g2lib -grafiikkakirjasto on asennettu Arduino -hakemistoosi ja "AnalogInput.ino" on ladattu Arduino -ympäristöön, koota ja lataa ohjelmisto WiFi -pakettiin 32. Kun olet ladannut ja suorittanut, OLED -näytön ylärivi WiFi -paketissa 32 pitäisi lukea "Lämpötila" ja nykyinen lämpötila näytetään suurella tekstillä näytön keskellä.

Kosketa keskipainiketta (T5) näyttääksesi "Aseta hälytyslämpötila" -näyttö. Säädä hälytyksen lämpötila painamalla joko vasenta painiketta (T4) tai oikeaa painiketta (T6) johdannon mukaisesti. Testaa hälytys säätämällä hälytyslämpötila yhtä suureksi tai pienemmäksi kuin nykyinen lämpötila ja hälytyksen pitäisi soida. Kun olet asettanut hälytyslämpötilan, palaa lämpötilanäyttöön koskettamalla keskipainiketta.

Ohjelmiston arvot dProbeA, dProbeB, dProbeC ja dResistor ovat arvoja, jotka määritin tässä mallissa käytetyn anturin kalibroinnin aikana, ja niiden pitäisi tuottaa muutaman asteen tarkkoja lämpötilalukemia. Jos ei, tai jos haluat suurempaa tarkkuutta, kalibrointi on seuraava.

Vaihe 4: NTP -lämpötila -anturin kalibrointi

Lämpötila -anturin kalibrointiin tarvitaan seuraavat asiat:

• Yksi digitaalinen ohmimittari.
• Yksi tunnettu tarkka digitaalinen lämpömittari, joka kykenee 0-250 astetta F.
• Yksi lasi jäävettä.
• Yksi kattila kiehuvaa vettä (ole hyvin, hyvin varovainen!).

Aloita hankkimalla todellinen 33k: n vastuksen arvo:

• Irrota virta WiFi Kit 32 -kortista.
• Irrota lämpömittari puhelimen liittimestä (musta johto saattaa myös olla tarpeen poistaa juotosta WiFi Kit 32 -laitteesta, riippuen digitaalisesta ohmimittarista).
• Avaa Steinhart-Hart-laskentataulukko.
• Mittaa 33 k ohmin vastuksen arvo digitaalisella ohmimittarilla ja syötä se laskentataulukon keltaiseen "Resistor" -ruutuun ja ohjelmiston muuttujaan "dResistor". Vaikka tämä saattaa tuntua liialliselta, 33 k ohmin 1% vastus voi todellakin vaikuttaa lämpötilanäytön tarkkuuteen.
• Kytke lämpömittari puhelimen liittimeen.

Seuraavaksi hanki Steinhart-Hart-kertoimet:

• Käynnistä tunnettu digitaalinen lämpömittari.
• Liitä USB -virtalähde WiFi -pakettiin 32.
• Paina samanaikaisesti vasenta (T4) ja oikeaa (T6) -painiketta, kunnes "Termistorilukemat" -näyttö tulee näkyviin.
• Anna sekä digitaalisen lämpömittarin että termistorin laskunäytön vakautua.
• Syötä lämpötila- ja termistoriluvut keltaisiin "Asteet F lämpömittarista" ja "AD -laskut ESP32: sta" sarakkeeseen "Huone" -rivillä.
• Aseta sekä digitaalinen lämpömittari että termistorianturit jääveteen ja anna molempien näyttöjen vakautua.
• Syötä lämpötila ja termistorilukemat "Kylmä vesi" -rivin keltaisiin sarakkeisiin "Asteet F lämpömittarista" ja "AD -lasku ESP32: sta".
• Aseta sekä digitaalinen lämpömittari että termistorianturit kiehuvaan veteen ja anna molempien näyttöjen vakautua.
• Syötä lämpötila ja termistorilukemat keltaisiin "Astetta F lämpömittarista" ja "AD -lukumäärä ESP32: sta" sarakkeeseen "Kiehuva vesi".
• Kopioi vihreä "A:" -kerroin lähdekoodin muuttujaan "dProbeA".
• Kopioi vihreä "B:" -kerroin lähdekoodin muuttujaan "dProbeB".
• Kopioi vihreä "C:" -kerroin lähdekoodin muuttujaan "dProbeC".

Kokoa ja lataa ohjelmisto WiFi Kit 32: een.

Vaihe 5: Kotelon ja lopullisen kokoonpanon 3D -tulostus

Tulostin sekä "Case, Top.stl" että "Case, Bottom.stl".1 mm: n kerroksen korkeudella, 50% täytteellä, ilman tukia.

Kun kotelo on painettu, koin elektroniikan ja kotelon seuraavasti:

• Irroitin johdot kolmesta reiätulpasta, painoin reiätulpat paikoilleen kohdassa "Case, Top.stl", juotin sitten johdot uudelleen reikätulppiin ja huomasin varovasti vasemmalle (T4), keskelle (T5) ja oikealle (T6) johdot ja vastaavat painikkeet.
• Kiinnitä puhelimen liitin "Case, Bottom.stl" pyöreään reikään mukana toimitetulla mutterilla.
• Sijoita pietsosummeri kotelon alaosaan puhelimen liittimen viereen ja kiinnitetään paikalleen kaksipuolisella teipillä.
• Liu'uta WiFi -pakkaus 32 paikalleen kotelon pohjakokoonpanoon ja varmista, että WiFi -sarjan 32 USB -portti on kohdakkain kotelon pohjassa olevan soikean reiän kanssa (ÄLÄ paina OLED -näyttöä asettaaksesi WiFi -sarjan 32 kotelon pohjaan) kokoonpano, luota minuun tässä, älä vain tee sitä!).
• Puristettiin kotelon yläkokoonpano kotelon pohjakokoonpanoon ja kiinnitettiin paikalleen pienillä pisteillä paksua syanoakrylaattiliimaa kulmissa.

Vaihe 6: Tietoja ohjelmistosta

Tiedosto "AnalogInput.ino" on muokattu tiedosto "Buttons.ino" aiemmasta Instructable-tiedostostani "https://www.instructables.com/id/ESP32-Capacitive-Touch-Buttons/". Olen muokannut kolmea alkuperäistä koodiosaa "setup ()", "loop ()" ja "InterruptService ()" sisältämään ohjelmiston koettimelle ja hälytykselle, ja olen lisännyt kolme muuta koodiosaa "Analog ()", "Painikkeet ()" ja "Näyttö ()" silmukan () "puhdistamiseksi ja tarvittavan ohjelmiston lisäämiseksi mittapäälle ja hälytykselle.

"Analog ()" sisältää koodin, joka on tarpeen termistorilukeman lukemiseksi taulukkoon, laskentataulukon keskiarvon määrittämiseen, termistorin arvon luomiseen jännitejakajan avulla ja lopuksi Steinhart-Hart-yhtälöiden ja lämpötilan muunnosyhtälöiden luomiseen Fahrenheit-asteina.

"Painikkeet ()" sisältää koodin, joka tarvitaan painikkeiden painallusten käsittelyyn ja hälytyslämpötilan muokkaamiseen.

"Näyttö ()" sisältää koodin, joka tarvitaan tietojen esittämiseen OLED -näytössä.

Jos sinulla on kysymyksiä tai kommentteja koodista tai muista tämän ohjeen osista, kysy rohkeasti, ja yritän parhaani mukaan vastata niihin.

Toivottavasti pidit (ja olet edelleen hereillä)!

Vaihe 7: "Tuleva projekti"

Tuleva projekti "Intelligrill® Pro" on kaksoislämpötila -anturinen tupakointimonitori, jossa on:

• Steinhart-Hart-lämpötila-anturin laskelmat (toisin kuin "hakutaulukot") tarkkuuden parantamiseksi, kuten tämä opas sisältää.
• Ennakoiva aika mittauksen 1 loppuun saattamiseen, joka sisältää Steinhart-Hart-laskelmista saadun paremman tarkkuuden.
• Toinen anturi, anturi 2, tupakoitsijan lämpötilan seuraamiseen (rajoitettu 32-399 asteeseen).
• Kapasitiiviset kosketussyötön ohjaimet (kuten edellisessä ohjeessa).
• WIFI -pohjainen etävalvonta (kiinteällä IP -osoitteella mahdollistaa tupakoitsijan edistymisen seurannan missä tahansa Internet -yhteys).
• Laajennettu lämpötila -alue (32-399 astetta).
• Äänimerkintähälytykset sekä Intelligrill® -lähettimessä että useimmissa WiFi -yhteensopivissa valvontalaitteissa.
• Lämpötilanäyttö joko F tai C asteina.
• Aikaformaatti joko HH: MM: SS tai HH: MM. Akun näyttö joko voltteina tai % ladattuna.
• Ja PID -lähtö ruuvipohjaisille tupakoitsijoille.

"Intelligrill® Pro" testaa edelleen, että siitä tulee tarkin, ominaisuuksilla varustettu ja luotettavin HTML -pohjainen Intelligrill®, jonka olen suunnitellut. Se on vielä testissä, mutta aterioiden kanssa, joita se auttaa valmistamaan testauksen aikana, olen saanut enemmän kuin muutaman kilon.

Jälleen toivon, että pidät siitä!