Czujnik temperatury

Do budowy termometru użyjemy czujnika TMP36, który nadaje się do pomiaru temperatur w zakresie od –40 do +150°C. Sam czujnik ma postać ściętego z jednej strony cylindra z trzema wyprowadzeniami; jest to obudowa typu THT TO92.

RypMZ2brXODs9

Zdjęcie przedstawia czujnik temperatury. Składa się on z dwóch części. Pierwsza z nich to ścięty wzdłuż cylinder (lub walec) opisany numerem TMP 36GZ 1513 113598. Z cylindra wychodzą trzy cienkie rurki zamontowane w jednej płaszczyźnie. Lewa opisana jest następująco: +V s, gdzie s jest w indeksie dolnym. W nawiasie 2,7-5,5 V  koniec nawiasu. Środkowa rurka to wyjście analogowe, a prawa to GND.

Podstawowe dane techniczne:

1. napięcie zasilania: od 2,7 V do 5,5 V

2. zakres pomiarowy: od -40°C do +120°C

3. dokładność pomiaru: ±2°C

Opiszmy wyprowadzenia czujnika. Gdy patrzymy na jego płaską stronę, a nóżki są skierowane do dołu (tak jak na zdjęciu wyżej), pierwsze wyprowadzenie od lewej strony jest plusem zasilania. Napięcie zasilające nie może być wyższe niż 5,5 V – zaznaczyliśmy to od razu podając dane techniczne czujnika.

Jeżeli podłączymy element TMP36 bezpośrednio do 9‑woltowej baterii, to czujnik z pewnością zostanie uszkodzony. Podłączenie za pośrednictwem płytki Arduino jest z kolei całkowicie bezpieczne, ponieważ jej napięcie robocze (5 V) mieści się w przedziale akceptowanym przez czujnik.

Drugie wyprowadzenie to wyjście analogowe, z którego odczytujemy napięcie, przeliczane następnie na temperaturę. Wreszcie trzecie wyprowadzenie to minus zasilania, który należy połączyć z masą.

Budowa układu

Elementy potrzebne do wykonania zadania:

1. płytka Arduino Uno

2. płytka stykowa

3. kabel USB typu A‑B

4. czujnik TMP36

5. przewody i zworki połączeniowe

Elementy podłączamy według przedstawionego niżej schematu.

R1QFqqFv5xPHA

Schemat składa się z dwóch prostokątów. Lewy prostokąt jest niewielki i opisano go jako TMP36. Odchodzą od niego trzy połączenia. Prawy prostokąt jest znacznie większy. Na jego środku znajduje się podpis: Arduino UNO. Dolny bok prostokąta ma wybrzuszenie w kształcie trapezu. Na wybrzuszeniu znajdują się dwa niewielkie okręgi – w jego prawej i lewej części na tej samej wysokości. Kolejne dwa identyczne okręgi znajdują się w górnej części prostokąta, również są na tym samym poziomie, jeden po lewo, drogi po prawo. Wzdłuż prawego i lewego boku Arduino UNO znajdują się zamalowane czarne koła z podpisami. Po prawo od góry mamy kolejno: IOREF, RESET, 3.3V, 5V, GND, GND, VIN, przerwa i poniżej kolejno: A0, A1, A2, A3, A4, A5. Po prawo mamy kolejno od góry: AREF, GND, 13, 12, falka 11, falka 10, falka 9, 8, przerwa i poniżej kolejno: 7, falka 6, falka 5, 4, falka 3, 2, TX-1, RX-0. Czujnik połączony jest do: 5V, GND oraz A0.

Realizacja projektu

Wyginamy wyprowadzenia czujnika TMP36 tak, abyśmy mogli je wetknąć w trzy otwory na płytce stykowej. Wpinamy czujnik pionowo – poszczególne wyprowadzenia powinny znajdować się w tej samej kolumnie, lecz w różnych wierszach.

RkvNNLfMqaH9L

Zdjęcie przedstawia płytkę stykową z wpiętym w nią czujnikiem TMP36. Płytka ma wiele kwadratowych małych otworów. Od lewej strony zaczynając, na płytce narysowana jest czerwona pionowa linia. Pierwsza kolumna otworów opisana jest na górze plusem, następna kolumna minusem. Za drugą kolumną narysowana jest pionowa niebieska linia. Dalej znajduje się kolumna z liczbami porządkowymi od jeden po kolei do trzydziestu. Następnie na płytce znajduje się pięć kolumn otworów opisanych w pierwszym i w ostatnim wierszu w porządku alfabetycznym od a do e. Dalej płytka ma wyżłobienie i kolejne pięć kolumn otworów opisanych od f do j. Kolejna kolumna to kolumna liczb porządkowych od 1 do trzydziestu. Po prawej stronie płytki znajduje się tak samo jak po lewej, czerwona pionowa linia, kolumna otworów opisanych plusem oraz dalej kolumna otworów opisanych minusem i pionowa niebieska linia. Na zdjęciu w płytkę stykową wpięty jest pionowo czujnik, to znaczy wyprowadzenia są w różnych wierszach, ale w tej samej kolumnie. Tu czujnik wpięto w otwory znajdujące się w kolumnie e, przy czym w otworze znajdującym się w wierszu ósmym, czyli najwyżej położonym wpięte jest wyprowadzenie +V s, gdzie s jest w indeksie dolnym. W nawiasie 2,7-5,5 V  koniec nawiasu. W otworze znajdującym się w wierszu dziewiątym w kolumnie e wpięte jest wyjście analogowe, a w otworze znajdującym się w wierszu dziesiątym w kolumnie e wpięto GND.

Podłączamy zasilanie czujnika do szyny dodatniej. Jeden styk powinien znaleźć się obok wyprowadzenia czujnika (ważne, aby był to ten sam wiersz, po tej samej stronie płytki stykowej); drugi natomiast można umieścić w dowolnym miejscu szyny zasilającej. Łączymy masę czujnika z masą płytki stykowej.

RZ1lGz8ivPDO9

Zdjęcie przedstawia płytkę stykową z wpiętym w nią czujnikiem TMP36. Płytka ma wiele kwadratowych małych otworów. Od lewej strony zaczynając, na płytce narysowana jest czerwona pionowa linia. Pierwsza kolumna otworów opisana jest na górze plusem, następna kolumna minusem. Za drugą kolumną narysowana jest pionowa niebieska linia. Dalej znajduje się kolumna z liczbami porządkowymi od jeden po kolei do trzydziestu. Następnie na płytce znajduje się pięć kolumn otworów opisanych w pierwszym i w ostatnim wierszu w porządku alfabetycznym od a do e. Dalej płytka ma wyżłobienie i kolejne pięć kolumn otworów opisanych od f do j. Kolejna kolumna to kolumna liczb porządkowych od 1 do trzydziestu. Po prawej stronie płytki znajduje się tak samo jak po lewej, czerwona pionowa linia, kolumna otworów opisanych plusem oraz dalej kolumna otworów opisanych minusem i pionowa niebieska linia. Na zdjęciu w płytkę stykową wpięty jest pionowo czujnik, to znaczy wyprowadzenia są w różnych wierszach, ale w tej samej kolumnie. Tu czujnik wpięto w otwory znajdujące się w kolumnie e, przy czym w otworze znajdującym się w wierszu ósmym, czyli najwyżej położonym wpięte jest wyprowadzenie +V s, gdzie s jest w indeksie dolnym. W nawiasie 2,7-5,5 V  koniec nawiasu. W otworze znajdującym się w wierszu dziewiątym w kolumnie e wpięte jest wyjście analogowe, a w otworze znajdującym się w wierszu dziesiątym w kolumnie e wpięto GND. Dodatkowo wpięto tu dwa przewody. Krótszy podpięty jest zgodnie z wytycznymi obok otworu, w który wpięto wyprowadzenie czujnika. Tutaj jest to otwór w wierszu ósmym w kolumnie d. Drugi koniec kabelka wpięto w szynę dodatnią znajdującą się w lewej części płytki (pierwsza kolumna opisana plusem). Drugi kabelek wpięto obok otworu, w którym wpięto GND. Tutaj jest to otwór w wierszu dziesiątym w kolumnie d. Drugi koniec kabelka wpięto w szynę ujemną (druga kolumna otworów na płytce opisana minusem).

Środkowe wyprowadzenie (wyjście) podłączamy do złącza analogowego (pinu) A0.

R3ALssCTwHJPI

Zdjęcie przedstawia kolejny etap zadania. Do płytki stykowej leżącej po prawej stronie wpięty jest pionowo czujnik TMP36 oraz dwa kabelki. Po lewej stronie znajduje się moduł główny Arduino, do którego podpięto przewód połączeniowy (w pinie A0). Drugi koniec przewodu wpięto w płytkę stykową w otwór w wierszu dziewiątym w kolumnie b (jest on wpięty na poziomie wyjścia analogowego czujnika).

Podłączamy zasilanie i przewód masy.

R1QvNPR9lgy6P

Zdjęcie przedstawia następny etap zadania. Do płytki stykowej leżącej po prawej stronie wpięty jest pionowo czujnik TMP36 oraz dwa kabelki. Po lewej stronie znajduje się moduł główny Arduino, do którego podpięto trzy przewody połączeniowe. Pierwszy przewód połączeniowy wpięto w pin A0. Drugi koniec przewodu wpięto w płytkę stykową w otwór w wierszu dziewiątym w kolumnie b (jest on wpięty na poziomie wyjścia analogowego czujnika). Drugi przewód podłączono w głównym module do 5V i w płytce stykowej do otworu znajdującego się w lewej szynie dodatniej. Trzeci przewód wpięto w głównym module do GND, a w płytce stykowej do otworu znajdującego się w lewej szynie ujemnej.

Układ jest dość prosty. Aby jednak działał, należy uzupełnić go o odpowiedni program. Uruchamiamy aplikację Arduino IDE. Wydajemy polecenie Plik | Nowy. Zapisujemy od razu szkic pod nazwą termometr.

Definiujemy stałą odpowiadającą pinowi, do którego podłączono czujnik (A0), a w ciele funkcji setup() wskazujemy port szeregowy (Serial) łączący płytkę Arduino z komputerem oraz ustalamy szybkość transmisji.

const int sensor = A0;

void setup() {
	Serial.begin(9600);
}

W ciele funkcji loop() umieszczamy kolejną funkcję, pozwalającą na odczytanie napięcia z czujnika. Jest ono proporcjonalne do temperatury otoczenia. Temperaturze 0°C odpowiada napięcie 500 mV. Dzięki takiemu ustaleniu punktu zerowego można zmierzyć także temperatury ujemne. Zmiana temperatury na wyższą o 1°C oznacza zwiększenie napięcia wyjściowego czujnika o 10 mV; zmniejszenie temperatury o tę samą wartość skutkuje zmniejszeniem napięcia o 10 mV.

Ponieważ temperatura się zmienia, wartość reprezentująca ją w szkicu Arduino powinna być przechowywana w postaci zmiennej. Należy rozumieć to następująco: odczytaną z czujnika temperatury wartość napięcia trzeba zapisać jako zmienną odczyt:

void loop() {
	int odczyt = analogRead(sensor);  
}

Wartość zwróconą przez funkcję analogRead() należy przekształcić na rzeczywiste napięcie, które uzyskujemy z czujnika. Obliczamy ją ze wzoru: (odczytana wartość ⋅ 5 V). Wartość 5 V wynika z napięcia dostarczanego z płytki Arduino.

Uzyskany wynik dzielimy przez 1024. Dlaczego dokonujemy dzielenia i dlaczego akurat przez 1024? Otóż wynika to z rozdzielczości, z jaką odczytywany jest sygnał napięciowy z wejść analogowych płytki Arduino: może on osiągnąć jeden z 1024 poziomów (ponumerowanych od 0 do 1023). Wspominaliśmy o tym w poprzedniej lekcji, poświęconej systemowi automatycznego sterowania natężeniem oświetlenia.

Definiujemy kolejną zmienną; tym razem jednak zastosujemy typ floatzmienna typu floatfloat. Ma ona nazwę napiecie.

float napiecie = odczyt * 5.0;
napiecie = napiecie / 1024.0;

Przekształcamy wartość napięcia na temperaturę w skali Celsjusza. Skorzystamy ze wzoru: ((obliczone napięcie [V] – 0.5 V)  ⋅ 100), gdzie 0.5 V (czyli 500 mV) oznacza wartość początkową, odpowiadającą temperaturze 0°C.

float tempC = (napiecie - 0.5) * 100;

Po dokonaniu obliczeń musimy określić sposób prezentacji wyników na ekranie.

Serial.print(tempC);

Następnie wysyłamy szkic do płytki i w prawym górnym rogu okna programu Arduino IDE klikamy przycisk monitora portu szeregowegomonitor portu szeregowegomonitora portu szeregowego. Otrzymujemy następujący ciąg liczb:

RKHQIinDXCka8

Zrzut przedstawia okno dialogowe COM3, w którego górnej części znajduje się jednowierszowe pole. Po jego prawej stronie znajduje się przycisk „wyślij”. Poniżej znajduje się pole zajmujące większą część okna, w którym w jednym wierszu zwrócone zostały liczby. Na zrzucie przedstawiono koniec wiersza. Jest on następujący: 822.2721.7821.7821.2921.7821.7821.7822.2721.7821.7821.7821.7821.7822.2721.7821.7822.2722.2722.2721.7821. 7821. 7821. 7821. Poniżej pola znajduje się pasek przewijania w poziomie. Poniżej znajdują się następujące opcje: po lewo zaznaczony Autoscroll, odznaczone „pokaż znacznik czasu”, po prawo z listy wyboru „Nowa linia”, „9600 baud”, „Wyczyść okno”.

Wyniki pomiaru temperatury wprawdzie się pojawiły, lecz są odświeżane tak szybko, że nie da się ich odczytać. Poza tym nie wiadomo, gdzie kończy się jedna liczba, a gdzie zaczyna następna.

Zmodyfikujmy zatem szkic, nakazując wyświetlanie każdej liczby w nowej linii. Użyjemy również funkcji delay(), dzięki której pokazywana wartość pozostanie na ekranie przez określony czas; dopiero później pojawi się następna liczba. Ponownie przesyłamy szkic do płytki i wywołujemy Monitor portu szeregowego.

Serial.println();
delay(1000);

R1QtWfHHCgRlW

Zrzut przedstawia okno dialogowe COM3, w którego górnej części znajduje się jednowierszowe pole. Po jego prawej stronie znajduje się przycisk „wyślij”. Poniżej znajduje się pole zajmujące większą część okna, w którym w jednej kolumnie została zwrócona sześć razy liczba 21.78. Poniżej pola znajdują się następujące opcje: po lewo zaznaczony Autoscroll, odznaczone „pokaż znacznik czasu”, po prawo z listy wyboru „Nowa linia”, „9600 baud”, „Wyczyść okno”.

Aby termometr wyglądał bardziej profesjonalnie, uzupełnimy szkic o dodatkowe elementy. Przed liczbą oznaczającą temperaturę będzie się pojawiał tekst „Temperatura:”, a za wyświetloną wartością liczbową dodamy frazę „stopni C”. Skorzystamy z tej samej funkcji, której użyliśmy do wyświetlania temperatury, jednak tekst, który w niej umieścimy, powinien zostać ujęty w cudzysłów.

Raz jeszcze przesyłamy szkic do płytki i wywołujemy monitor portu szeregowego. Następnie chwytamy w dwa palce czujnik, żeby odrobinę go podgrzać; zmiana temperatury powinna nastąpić błyskawicznie, a wyniki zobaczymy na ekranie.

Serial.print("Temperatura: ");
Serial.print(tempC);
Serial.print(" stopni C");

RzThDV2pVyioa

Zrzut przedstawia okno dialogowe COM3, w którego górnej części znajduje się jednowierszowe pole. Po jego prawej stronie znajduje się przycisk „wyślij”. Poniżej znajduje się pole zajmujące większą część okna, w którym w jednej kolumnie zostało zwrócone dziesięć wartości temperatury. Pierwszy, drugi i trzeci wiersz kolumny są takie same: „Temperatura: 22.27 stopni C”. Czwarty wiersz kolumny to: „Temperatura: 21.78 stopni C”, a pozostałe są takie same, jak trzy pierwsze, to jest: „Temperatura: 22.27 stopni C”. Poniżej pola znajdują się następujące opcje: po lewo zaznaczony Autoscroll, odznaczone „pokaż znacznik czasu”, po prawo z listy wyboru „Nowa linia”, „9600 baud”, „Wyczyść okno”.

Cały kod programu wygląda następująco:

const int sensor = A0;
void setup() {
	Serial.begin(9600);
}

void loop() {
	int odczyt = analogRead(sensor);  
	float napiecie = odczyt * 5.0;
	napiecie = napiecie / 1024.0;
	float tempC = (napiecie - 0.5) * 100;
    
	Serial.print("Temperatura: ");
	Serial.print(tempC);
	Serial.print(" stopni C");
	Serial.println();
	delay(1000);
}

Tinkercad

Zróbmy symulację termometru, za pomocą środowiska Tinkercad.

R5W6pRURvnflE

Na zrzucie ekranu widoczne jest środowisko Tinkercad.

Na liście komponentów, znajdującej się po prawej stronie okna, znajdź płytkę stykową.

Kliknij na nią i umieść w głównym oknie.

R2l3BxEPXtPDE

Na zrzucie ekranu widoczne jest środowisko Tinkercad.
W oknie głównym znajduje się płytka stykowa.

Znajdź i wstaw na płytkę stykową czujnik temperatury.

RdtTWGFBrBcfU

Na zrzucie ekranu widoczne jest środowisko Tinkercad.
W oknie głównym znajduje się płytka stykowa z czujnikiem temperatury.

Dodaj teraz moduł Arduino Uno do okna symulacji.

RTrqguNhP6rQ8

Na zrzucie ekranu widoczne jest środowisko Tinkercad.
W oknie głównym znajduje się moduł arduino UNO oraz płytka stykowa z czujnikiem temperatury.

Podłączamy pierwszy pin czujnika z pinem 5V Arduino Uno.

RokbWUBEeN2em

Na zrzucie ekranu widoczne jest środowisko Tinkercad.
W oknie głównym znajduje się moduł arduino UNO oraz płytka stykowa z czujnikiem temperatury podłączonym do pinu 5V Arduino.

Drugi pin czujnika podpinamy z pinem A0 Arduino Uno.

RuKKY43XLBB1T

Na zrzucie ekranu widoczne jest środowisko Tinkercad.
W oknie głównym znajduje się moduł arduino UNO oraz płytka stykowa z czujnikiem temperatury podłączonym do pinu 5V Arduino.
Drugi pin czujnika podłączony jest do pinu A0 arduino.

Trzeci pin czujnika temperatury podpinamy z pinem GND Arduino Uno.

R3WZIyNOjvGu0

Na zrzucie ekranu widoczne jest środowisko Tinkercad.
W oknie głównym znajduje się moduł arduino UNO oraz płytka stykowa z czujnikiem temperatury podłączonym do pinu 5V Arduino.
Drugi pin czujnika podłączony jest do pinu A0 arduino, a trzeci pin do GND Arduino.

Przejdźmy teraz do pisania kodu. W tym celu klikamy na przycisk Kod, z listy rozwijanej wybieramy Tekst, potwierdzamy chęć zmiany widoku i czyścimy zawartość.

Przepisz kod termometru.

R1VzWXyUp1Fq7

Na zrzucie ekranu widoczne jest środowisko Tinkercad.
W oknie głównym znajduje się moduł arduino UNO oraz płytka stykowa z czujnikiem temperatury podłączonym do pinu 5V Arduino.
Drugi pin czujnika podłączony jest do pinu A0 arduino, a trzeci pin do GND Arduino.
W zakładce kod znajduje się fragment kodu:

const int sensor=A0;
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop(){ int odczyt = analogRead(sensor);
float napiecie - odczyt *5.0;
napiecie = napiecie/1024.0;
float tempC = (napiecie-0.5)*100;
Serial.print("Temperatura: ");
Serial.print(tempC);
Serial.print(" stopni C");
Serial.println();
delay(1000);

Kliknij belkę z napisem Konsola szeregowa i uruchom symulację.

RXjNyyfIxaxVa

Na zrzucie ekranu widoczne jest środowisko Tinkercad.
W oknie głównym znajduje się moduł arduino UNO oraz płytka stykowa z czujnikiem temperatury podłączonym do pinu 5V Arduino.
Drugi pin czujnika podłączony jest do pinu A0 arduino, a trzeci pin do GND Arduino.
W zakładce kod znajduje się fragment kodu:

const int sensor=A0;
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop(){ int odczyt = analogRead(sensor);
float napiecie - odczyt *5.0;
napiecie = napiecie/1024.0;
float tempC = (napiecie-0.5)*100;
Serial.print("Temperatura: ");
Serial.print(tempC);
Serial.print(" stopni C");
Serial.println();
delay(1000);
W oknie Konsoli szeregowej trzykrotnie wyświetlają się komunikaty o stanie temperatury czujnika.

Aby „podgrzać” kliknij na czujnik, nad nim pojawi się suwak, którym można regulować jego temperaturę.

R1RfRWfQqTo49

Na zrzucie ekranu widoczne jest środowisko Tinkercad.
W oknie głównym znajduje się moduł arduino UNO oraz płytka stykowa z czujnikiem temperatury podłączonym do pinu 5V Arduino.
Drugi pin czujnika podłączony jest do pinu A0 arduino, a trzeci pin do GND Arduino.
W zakładce kod znajduje się fragment kodu:

const int sensor=A0;
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop(){ int odczyt = analogRead(sensor);
float napiecie - odczyt *5.0;
napiecie = napiecie/1024.0;
float tempC = (napiecie-0.5)*100;
Serial.print("Temperatura: ");
Serial.print(tempC);
Serial.print(" stopni C");
Serial.println();
delay(1000);
W oknie Konsoli szeregowej trzykrotnie wyświetlają się komunikaty o stanie temperatury czujnika.

Film z działania programu.

RKonZVA6DGLjl

Film nawiązujący do treści materiału

Film nawiązujący do treści materiału

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RKonZVA6DGLjl

Film nawiązujący do treści materiału

Słownik