Medición de temperatura para proyectos científicos y de laboratorio

Introducción

Cada laboratorio (hogar, oficina, escuela) necesita capacidades de medición de temperatura. Medir la temperatura para experimentos científicos es difícil:pueden estar involucrados todo tipo de materiales, líquidos y productos químicos o puede ser necesario cubrir un amplio rango de temperatura. El sensor utilizado para esto (un termopar) no es fácil de conectar, y el amplificador del sensor no es trivial ya que tiene que poder medir un voltaje extremadamente pequeño.

Para lograr flexibilidad en los experimentos científicos en los que se puede utilizar, se necesita una alta precisión junto con una respuesta rápida y una buena tasa de actualización. No hace falta decir que los datos deben registrarse en una forma conveniente y debe ser fácil de usar.

Para mayor comodidad, existen productos de registro y medición de temperatura listos para usar, a veces no son fáciles de usar debido a la sobrecarga de los botones programables y una pantalla limitada. Además, para el uso en aulas o laboratorios de gran tamaño, la información debe registrarse y ser recuperada por las personas fácilmente, y tal vez ver el estado actual en una pantalla grande. También es evidente que algunos experimentos pueden llevar mucho tiempo, por lo que la capacidad de comprobar su experimento con un teléfono móvil durante el almuerzo también es útil. Un último requisito era que esto debería ser fácil de construir incluso para personas nuevas en electrónica y software.

Este proyecto muestra cómo conectar una placa de termopar a una Raspberry Pi (RPI) y utilizarla para medir y registrar la temperatura con un gran rendimiento y un coste ultrabajo. Este proyecto es fácil:no se requiere soldadura a menos que lo desee. Este también es un gran proyecto para comenzar a usar el conector "DIL (dual-in-line) header" en el RPI si aún no lo ha hecho.

Descripción general del diseño

Muchos proyectos de aficionados basados ​​en termopares utilizan el circuito integrado MAX31855 y hay placas de amplificador de termopar ya construidas disponibles para conectarse al RPI de varios proveedores. Sin embargo, este proyecto utiliza el ADS1118 de mayor resolución de Texas Instruments. Viene en un paquete de montaje en superficie, pero afortunadamente está disponible una placa de desarrollo ADS1118 lista para usar que contiene todos los circuitos, incluida una pantalla LCD y un termopar; tiene una excelente relación calidad-precio. Si no le apetece soldar, entonces es posible conectar esta placa a la Raspberry Pi (o cualquier otra placa de computadora; utiliza un método de comunicación basado en estándares llamado Interfaz periférica en serie o SPI) utilizando ocho cables de puente (macho a se necesitan cables hembra). Alternativamente, si no le importa un ejercicio de soldadura, se puede construir una pequeña placa adaptadora. Este fue el enfoque adoptado aquí. En resumen, puede ver en la foto a continuación todos los bits que se utilizan para este proyecto, incluida la placa adaptadora ensamblada.

Todo el proyecto se puede controlar a través de un navegador web o desde la línea de comandos.

Para construir la placa adaptadora, la forma más sencilla es utilizar una placa de circuito; usando el software EAGLE elaboré un diseño para el cual los archivos se adjuntan a esta publicación listos para enviar a un fabricante de PCB (cuesta alrededor de $ 30 por diez placas).

Alternativamente, se puede utilizar una placa de creación de prototipos; Conseguí un tablero de perforación (del tipo con almohadillas aisladas, no tablero de tiras) y lo corté a la medida. Se taladró un orificio de 3 mm para fijar un pilar de soporte (espaciador hexagonal roscado). Las placas están una al lado de la otra, no una encima de la otra, para minimizar los cambios de temperatura y los problemas de ruido, los cuales tendrían un efecto en la lectura del termopar.

Quería poder conectar la placa ADS1118 en el lado de la almohadilla de la placa de perforación, por lo que hay una ligera complicación aquí. La solución fue utilizar encabezados SIL doblados. Se necesitan encabezados SIL de 10 vías (la foto muestra 8 vías, que es lo que tenía a mano), o use los de montaje en superficie que son similares pero con los extremos doblados alternando a ambos lados. Si está utilizando una placa de circuito y no una placa perf, entonces se necesitan encabezados SIL rectos.

Para alinearlos, conéctelos a la placa ADS1118, colóquelo sobre la placa de perforación y luego fije algunos pines con soldadura. Luego, la placa ADS se puede desenchufar muy suavemente y los encabezados SIL se pueden soldar correctamente. Tenga en cuenta que en esta etapa es bastante difícil desenchufar sin romper las almohadillas de la placa. Sostenga la parte doblada de los encabezados SIL contra la placa mientras desenchufa la placa ADS1118.

A continuación, para que los encabezados SIL sean muy seguros, suelde cada pin a tantas almohadillas como sea posible (cada una se puede soldar a tres almohadillas).

Para identificar las conexiones, consulte la foto de numeración de pines a continuación y la siguiente tabla:

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1. * Conexiones:
2. * Tablero 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

Después de probar el software y la funcionalidad de la placa, es posible usar un poco de pegamento de resina epoxi (por ejemplo, Araldite) para hacer que los encabezados SIL sean aún más seguros. Se utilizó una cantidad mínima para que fuera posible soldar los pines si fuera necesario en el futuro.

Con el enfoque de PCB mencionado anteriormente, cuando llega el PCB, los pines del cabezal y el receptáculo se pueden soldar, y es una tarea fácil (toma cinco minutos) por lo que el PCB es el método preferido, especialmente si necesita hacer muchos de ellos (I tiene la intención de hacer varios). Usé pines de encabezado DIL en lugar de SIL, pero cualquiera funcionará con el diseño de PCB adjunto a esta publicación.

Software

El diagrama aquí muestra la descripción general completa de la solución. La mayor parte del código está en tres archivos. El código que interactúa con la placa ADS1118 se analiza primero, porque es posible ejecutar este código de forma independiente si se desea. Se muestra en violeta en el diagrama.

Para crear el software, lo primero que debe hacer es crear un logotipo:

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1. / *************************************** *********************************************** ***
2. * therm.c
3. * RPI <-> Placa de termopar / LCD 430BOOST-ADS1118
4. *
5. * __ __ ____ _____
6. * ____ | | ____ _____ ____ _____ / | _ / _ | / | |
7. * _ / __ \ | | _ / __ \ / \ _ / __ \ / \ __ \ | | / | | _
8. * \ ___ / | | _ \ ___ / | Y Y \ ___ / | | \ | | / ^ /
9. * \ ___> ____ / \ ___> __ | _ | / \ ___> ___ | / __ | | ___ \ ____ |
10. * \ / \ / \ / \ / \ / | __ |
11. *

El siguiente paso es hacer uso de la gran cantidad de código que generalmente ofrece TI. En este caso, TI ya tenía un código ADS1118 de alta calidad destinado al Launchpad MSP430 que podía reutilizarse. Se adaptó ligeramente para que se pueda usar en el RPI, usando algún código de entrada / salida (E / S) de Gert van Loo y Dom.

La medición de temperatura puede parecer una tarea fácil (leer un valor de ADC y convertir a temperatura) pero los termopares requieren "compensación de unión fría" que en el caso del ADS1118 significa leer también un sensor de temperatura interno. El código intercala la lectura del sensor interno y el termopar externo. Otro punto clave es que la salida de un termopar no es lineal en comparación con la temperatura; Los fabricantes de termopares publican datos que pueden usarse para obtener una conversión más precisa del valor ADC a la temperatura real. El código TI ya incluye estas capacidades para el termopar suministrado.

El código se adaptó para agregar capacidad de registro. Dado que la placa debe ser alimentada por el ruidoso suministro de 3.3V del RPI, y está muy cerca del RPI, se deben tomar algunos pasos para garantizar que la medición se limpie. El algoritmo implementado lee cada segundo el sensor de temperatura interno una vez, y el termopar externo diez veces en una ráfaga corta (unos pocos cientos de milisegundos en total) para que las mediciones se puedan promediar y finalmente dar salida a una resolución de 0,1 grados C. El resultado final fue muy bueno; vea un ejemplo de salida aquí.

La pantalla LCD tiene dos líneas de 16 caracteres, por lo que se decidió utilizar la línea inferior para mostrar la hora y la temperatura actual del termopar. La línea superior depende del usuario; se puede configurar en algo para que la gente sepa inmediatamente de qué se trata el experimento. Por ejemplo, puede decir "Prueba n. ° 1" o "No tocar".

Usar el código es fácil.

En primer lugar, confirme que algunas funciones están habilitadas en el RPI. Si el RPI se está utilizando nuevo, luego de la instalación del sistema operativo, asegúrese de que el " Avanzado "Opción de menú está seleccionada y luego habilita tres cosas: SSH , SPI y I2C - No usamos todos estos para este proyecto, pero son interfaces basadas en estándares que siempre deben estar habilitadas a menos que nunca desee desconectar el RPI de un monitor o no haga uso del conector DIL de 40 vías en el RPI. Si esto no se hizo después de la instalación del sistema operativo, escriba raspi-config en una ventana de texto (también conocida como shell de comandos) en el RPI y luego seleccione " Avanzado "En el menú que aparece.

Suponiendo que las tres funciones mencionadas anteriormente estén habilitadas, cree una carpeta para su trabajo fuera de su directorio de inicio (por ejemplo, cree una carpeta llamada desarrollo y luego una subcarpeta llamada therm ) y copie el código fuente (adjunto a esta publicación) en esa subcarpeta.

Para compilar el tipo de código:

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1. gcc -o therm therm.c -lrt

El código ahora está listo para ejecutarse. Hay algunas formas de utilizar este proyecto. Una forma es simplemente escribir comandos en el shell de comandos. Otra forma es utilizar un navegador web. Estos dos métodos se analizan a continuación.

Interfaz de comando

El código se puede ejecutar usando " sudo "O como superusuario (root).

Para este último, para convertirse en usuario root, primero escriba sudo passwd root una vez y cree una contraseña de superusuario (es decir, usuario root). Ahora, cuando quiera convertirse en superusuario, simplemente escriba " su 'E ingrese esa contraseña. Para salir de los privilegios de superusuario en cualquier momento, escriba " salir ". Algunas personas prefieren el sudo, otras sienten que es una esposa innecesaria.

Para más detalles:Medición de temperatura para proyectos científicos y de laboratorio