ESP32 NTP temperatūros zondo virimo termometras su Steinhart-Hart korekcija ir temperatūros aliarmu: 7 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:47

Vis dar ruošiantis užbaigti „artėjantį projektą“, „ESP32 NTP temperatūros zondo virimo termometras su Steinhart-Hart korekcija ir temperatūros aliarmu“yra instrukcija, rodanti, kaip pridėti talpinį jutiklinį NTP temperatūros zondą, pjezo garsinį signalą ir programinę įrangą. ESP32 talpinis jutiklinis įvestis naudojant „metalinius skylių kištukus“mygtukams “, kad būtų sukurtas paprastas, bet tikslus virimo termometras su programuojamu temperatūros aliarmu.

Trys talpiniai jutikliniai mygtukai leidžia nustatyti temperatūros aliarmo lygį. Paspaudus centrinį mygtuką, rodomas ekranas „Nustatyti aliarmo temperatūrą“, leidžiantis kairiuoju ir dešiniuoju mygtukais atitinkamai sumažinti arba padidinti aliarmo temperatūrą. Paspaudus ir atleidus kairįjį mygtuką, žadintuvo temperatūra sumažės vienu laipsniu, o paspaudus ir laikant kairįjį mygtuką, žadintuvo temperatūra bus nuolat mažinama, kol bus atleista. Panašiai, paspaudus ir atleidus dešinįjį mygtuką, žadintuvo temperatūra pakils vienu laipsniu, o paspaudus ir laikant dešinįjį mygtuką nuolatos padidės aliarmo temperatūra, kol ji bus atleista. Baigę reguliuoti aliarmo temperatūrą, tiesiog dar kartą palieskite centrinį mygtuką, kad grįžtumėte į temperatūros rodinį. Bet kuriuo metu, kai temperatūra yra lygi ar didesnė nei aliarmo temperatūra, skambės pjezo garsinis signalas.

Ir kaip minėta, projektuojant naudojamas NTP temperatūros zondas kartu su Steinhart-Hart lygtimis ir koeficientais, reikalingais tiksliam temperatūros rodmeniui. Į 1 veiksmą įtraukiau pernelyg daugžodžiavusį Steinhart-Hart lygties aprašymą, Steinhart-Hart koeficientus, įtampos skirstytuvus ir algebrą (kaip premiją tai mane užmigdo kiekvieną kartą, kai ją skaitau, todėl galbūt norėsite praleiskite 1 veiksmą ir eikite tiesiai į 2 veiksmą: elektronikos surinkimas, nebent, žinoma, jums reikia miego).

Jei nuspręsite sukurti šį maisto gaminimo termometrą, pritaikymui ir 3D spausdinimui įtraukiau šiuos failus:

• „Arduino“failas „AnalogInput.ino“, kuriame yra projektavimo programinė įranga.
• „Autodesk Fusion 360“korpuso failai, parodantys, kaip buvo sukurtas dėklas.
• „Cura 3.4.0“STL failai „Case, Top.stl“ir „Case, Bottom.stl“paruošti 3D spausdinimui.

Jums taip pat reikės susipažinimo su „Arduino“aplinka, taip pat litavimo įgūdžių ir įrangos, be to, gali prireikti prieigos prie tikslių skaitmeninių ommetrų, termometrų ir temperatūros šaltinių kalibravimui.

Ir kaip įprasta, aš tikriausiai pamiršau vieną ar du failus arba kas dar žino, todėl jei turite klausimų, nedvejodami klauskite, nes aš darau daug klaidų.

Elektronika buvo sukurta naudojant pieštuką, popierių ir „Radio Shack EC-2006a“(kat. Nr. 65-962a) saulės energiją naudojančią skaičiuoklę.

Programinė įranga buvo sukurta naudojant „Arduino 1.8.5“.

Dėklas buvo sukurtas naudojant „Autodesk Fusion 360“, supjaustytas griežinėliais naudojant „Cura 3.4.0“ir atspausdintas PLA formatu „Ultimaker 2+ Extended“ir „Ultimaker 3 Extended“.

Ir paskutinė pastaba: aš negaunu jokios formos kompensacijos, įskaitant, bet neapsiribojant nemokamais pavyzdžiais, už bet kokius šio dizaino komponentus

1 žingsnis: matematika, matematika ir dar daugiau matematika: Steinhartas – Hartas, koeficientai ir rezistorių dalikliai

Mano ankstesniuose projektuose, kuriuose buvo NTC temperatūros zondas, buvo naudojama stalo paieškos technika, skirta konvertuoti gaunamą įtampą iš rezistoriaus daliklio į temperatūrą. Kadangi ESP32 gali įvesti dvylikos bitų analoginį įvestį, ir kadangi aš kuriau didesnį tikslumą, nusprendžiau įtampos ir temperatūros keitimo kode įdiegti „Steinhart-Hart“lygtį.

Pirmą kartą 1968 m. Paskelbta John S. Steinhart ir Stanley R. Hart, Steinhart-Hart lygtis apibrėžia NTC temperatūros zondo atsparumą temperatūrai taip:

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

kur:

• T yra Kelvino laipsniai.
• A, B, C yra Steinhart-Hart koeficientai (daugiau apie tai akimirksniu).
• O termistorius yra temperatūros zondo termistoriaus varžos vertė esant dabartinei temperatūrai.

Taigi kodėl ši iš pažiūros sudėtinga Steinharto-Harto lygtis reikalinga paprastam NTC temperatūros zondo skaitmeniniam termometrui? „Idealus“NTC temperatūros zondas suteiktų linijinį faktinės temperatūros pasipriešinimą, taigi paprasta linijinė lygtis, apimanti įtampos įvestį ir mastelį, leistų tiksliai pateikti temperatūrą. Tačiau NTC temperatūros zondai nėra tiesiniai ir, derinami su praktiškai visų nebrangių vienos plokštės procesorių, pvz., „WiFi Kit 32“, nelinijiniu analoginiu įėjimu, sukuria netiesinius analoginius įėjimus ir todėl netikslius temperatūros rodmenis. Naudojant tokią lygtį kaip Steinhartas-Hartas ir kruopštus kalibravimas, labai tikslius temperatūros rodmenis naudojant NTC temperatūros zondus su nebrangiu vienos plokštės procesoriumi galima pasiekti sukuriant labai artimą faktinės temperatūros apytikslę vertę.

Taigi grįžkime prie Steinharto-Harto lygties. Ši lygtis naudoja tris koeficientus A, B ir C, kad nustatytų temperatūrą kaip termistoriaus varžos funkciją. Iš kur šie trys koeficientai? Kai kurie gamintojai pateikia šiuos koeficientus savo NTC temperatūros zondams, o kiti - ne. Be to, gamintojas pateikė tikslius temperatūros zondo koeficientus, kuriuos galite įsigyti, arba ne, ir greičiausiai yra koeficientai, reprezentuojantys didelį visų jų pagamintų temperatūros zondų mėginį per tam tikrą laikotarpį. Ir galiausiai, aš tiesiog negalėjau rasti zondo, naudojamo šioje konstrukcijoje, koeficientų.

Neturėdamas reikiamų koeficientų, sukūriau skaičiuoklę, pagrįstą skaičiuokle „Steinhart-Hart“, kuri padeda sukurti reikiamus NTC temperatūros zondo koeficientus (praradau nuorodą į panašią internetinę skaičiuoklę, kurią naudoju prieš daugelį metų, todėl sukūriau šią). Norėdami nustatyti temperatūros zondo koeficientus, pirmiausia išmatuosiu 33k rezistoriaus, naudojamo įtampos skirstytuve, vertę skaitmeniniu ommetru, ir įveskite vertę į geltoną skaičiuoklės sritį, pažymėtą „Rezistorius“. Toliau aš patalpinu temperatūros zondą į tris aplinkas; pirmą kambario temperatūrą, antrą ledinį vandenį ir trečią verdantį vandenį kartu su žinomu tiksliu skaitmeniniu termometru ir palaukite, kol termometro temperatūra ir „WiFi Kit 32“ekrane rodomas termistoriaus įvesties skaičius stabilizuosis (daugiau apie tai vėliau). Kai temperatūra ir termistoriaus įvesties skaičius stabilizuojasi, įvedu žinomo tikslaus termometro nurodytą temperatūrą ir termistorių skaičių, rodomą „WiFi Kit 32“ekrane, į geltoną skaičiuoklės sritį, pažymėtą „Degrees F from thermometer“ir „AD Skaičiuokite iš „WiFi Kit 32“atitinkamai kiekvienoje iš trijų aplinkų. Įvedus visus matavimus, žaliojoje skaičiuoklės zonoje pateikiami A, B ir C koeficientai, kurių reikalaujama pagal Steinhart-Hart lygtį ir kurie tiesiog nukopijuojami ir įklijuojami į šaltinio kodą.

Kaip minėta anksčiau, Steinhart-Hart lygties išvestis yra Kelvino laipsniais, o ši konstrukcija rodo Farenheito laipsnius. Konvertavimas iš Kelvino laipsnių į Farenheito laipsnius yra toks:

Pirma, konvertuokite Kelvino laipsnius į Celsijaus laipsnius, atimdami 273,15 (Kelvino laipsnius) iš Steinharto-Harto lygties:

Laipsniai C = (A + (B * (log (termistorius)))) + (C * log (termistorius) * log (termistorius) * log (termistorius))) - 273.15

Antra, konvertuokite Celsijaus laipsnius į Farenheito laipsnius taip:

Laipsniai F = ((laipsniai C * 9) / 5) + 32

Užbaigus Steinharto-Harto lygtį ir atlikus koeficientus, rezistoriaus daliklio išėjimui nuskaityti reikalinga antroji lygtis. Šioje konstrukcijoje naudojamas rezistoriaus skirstytuvo modelis yra:

vRef <--- termistorius <--- vOut <--- rezistorius <--- įžeminimas

kur:

• Šio dizaino „vRef“yra 3.3vdc.
• Termistorius yra NTC temperatūros zondas, naudojamas rezistoriaus daliklyje.
• vOut yra rezistoriaus daliklio įtampa.
• Rezistorius yra 33k rezistorius, naudojamas rezistorių daliklyje.
• Ir žemė yra gerai.

vŠios konstrukcijos rezistorių skirstytuvas yra prijungtas prie „WiFi Kit 32“analoginio įėjimo A0 (36 kaištis), o rezistoriaus skirstytuvo išėjimo įtampa apskaičiuojama taip:

vOut = vRef * Rezistorius / (rezistorius + termistorius)

Tačiau, kaip pažymėta Steinharto-Harto lygtyje, norint gauti temperatūrą, reikia ne termistoriaus varžos vertės, o ne rezistoriaus daliklio išėjimo įtampos. Taigi, norint pertvarkyti lygtį, kad būtų gauta termistoriaus vertė, reikia naudoti mažą algebrą taip:

Padauginkite abi puses iš „(rezistorius + termistorius)“ir gaukite:

vOut * (rezistorius + termistorius) = vRef * rezistorius

Padalinkite abi puses iš „vOut“ir gaukite:

Rezistorius + termistorius = (vRef * rezistorius) / vOut

Iš abiejų pusių atimkite „rezistorių“, todėl:

Termistorius = (vRef * rezistorius / vOut) - rezistorius

Galiausiai, naudodami paskirstymo ypatybę, supaprastinkite:

Termistorius = rezistorius * ((vRef / vOut) - 1)

Pakeitus „WiFi Kit 32 A0“analoginių įėjimų skaičių nuo 0 iki 4095 „vOut“ir pakeitus 4096 reikšmę į „vRef“, rezistorių daliklio lygtis, suteikianti termistoriaus varžos vertę, reikalaujamą Steinhart-Hart lygtyje, tampa tokia:

Termistorius = rezistorius * ((4096 / analoginės įvesties skaičius) - 1)

Taigi, kai matematika už nugaros, surinksime šiek tiek elektronikos.

2 žingsnis: Elektronikos surinkimas

Dėl elektronikos anksčiau buvau surinkęs „ESP32 Capacitive Touch“demonstratorių https://www.instructables.com/id/ESP32-Capacitive… Su šiuo surinkimu reikalingi šie papildomi komponentai:

• Penki, 4 colių 28awg vielos gabalai (vienas raudonas, vienas juodas, vienas geltonas ir du žali).
• Vienas, „Maverick“zondas „ET-72 Temperature Probe“(https://www.maverickthermometers.com/product/pr-003/).
• Viena, 2,5 mm „telefono“jungtis, skydo laikiklis (https://www.mouser.com/ProductDetail/502-TR-2A).
• Vienas, 33k omų 1% 1/8 vatų rezistorius.
• Vienas, pjezo garsinis signalas https://www.adafruit.com/product/160. Jei pasirinksite kitą pjezo signalizatorių, įsitikinkite, kad jis atitinka šio specifikacijas (varomas kvadratinėmis bangomis, <= dabartinė ESP32 išvestis).

Norėdami surinkti papildomus komponentus, atlikiau šiuos veiksmus:

• Nuplėšti ir alavuoti kiekvieno 4 colių vielos ilgio galai, kaip parodyta.
• Lituotas vienas geltonos vielos galas ir vienas 33k omų rezistoriaus galas prie telefono jungties kaiščio „Patarimas“.
• Lituokite vieną juodos vielos galą prie laisvo 33 k ohm rezistoriaus galo ir nukirpkite perteklinį rezistoriaus laidą.
• Ant laidų ir rezistoriaus uždėti termiškai susitraukiantys vamzdeliai.
• Lituokite vieną raudono laido galą prie telefono jungties kaiščio „Sleeve“.
• Laisvą geltonos vielos galą litavome prie „WiFi Kit 32“36 kaiščio.
• Laisvą juodos vielos galą litavome prie „WiFi Kit 32“GND kaiščio.
• Laisvą raudonojo laido galą litavome prie „WiFi Kit 32“3V3 kaiščio.
• Lituota viena žalia viela prie vieno pjezo garsinio signalo laido.
• Likusį žalią laidą litavome prie likusio pjezo garsinio signalo laido
• Laisvą vieno žaliojo pjezo laido galą litavome prie „WiFi Kit 32“32 kaiščio.
• Laisvą likusių žalių pjezo laidų galą litavome prie „WiFi Kit 32“GND kaiščio.
• Prijunkite temperatūros zondą prie telefono jungties.

Kai visi laidai baigti, aš dar kartą patikrinau savo darbą.

3 žingsnis: Įdiekite programinę įrangą

Failas „AnalogInput.ino“yra „Arduino“aplinkos failas, kuriame yra projektavimo programinė įranga. Be šio failo, jums reikės „U8g2lib“grafikos bibliotekos, skirtos „WiFi Kit32 OLED“ekranui (daugiau informacijos apie šią biblioteką rasite

Kai „Arduino“kataloge įdiegta „U8g2lib“grafikos biblioteka, o „Arduino“aplinkoje įkelta „AnalogInput.ino“, sukompiliuokite ir atsisiųskite programinę įrangą į „WiFi Kit 32“. Atsisiuntus ir paleidus, viršutinė „WiFi“rinkinio OLED ekrano eilutė 32 turėtų būti parašyta „Temperatūra“, o dabartinė temperatūra rodoma dideliu tekstu ekrano centre.

Palieskite centrinį mygtuką (T5), kad būtų rodomas ekranas „Nustatyti aliarmo temperatūrą“. Nustatykite aliarmo temperatūrą paspausdami kairįjį mygtuką (T4) arba dešinįjį mygtuką (T6), kaip aprašyta įvade. Norėdami išbandyti aliarmą, sureguliuokite aliarmo temperatūrą, kad ji būtų lygi arba žemesnė už esamą, ir signalas turėtų skambėti. Baigę nustatyti žadintuvo temperatūrą, palieskite centrinį mygtuką, kad grįžtumėte į temperatūros rodinį.

Programinės įrangos vertės „dProbeA“, „dProbeB“, „dProbeC“ir „dResistor“yra vertės, kurias nustatiau kalibruodamas zondą, kurį naudoju šioje konstrukcijoje, ir turėtų sugeneruoti kelių laipsnių tikslumo temperatūros rodmenis. Jei ne, arba jei norima didesnio tikslumo, kalibravimas yra kitas.

4 žingsnis: NTP temperatūros zondo kalibravimas

Norint sukalibruoti temperatūros zondą, reikalingi šie elementai:

• Vienas skaitmeninis ommetras.
• Vienas žinomas tikslus skaitmeninis termometras, galintis nuo 0 iki 250 laipsnių F.
• Viena stiklinė ledinio vandens.
• Vienas puodas verdančio vandens (būkite labai, labai atsargūs!).

Pradėkite nuo faktinės 33k rezistoriaus vertės:

• Išjunkite maitinimą iš „WiFi Kit 32“plokštės.
• Išimkite temperatūros zondą iš telefono jungties (taip pat gali tekti lituoti juodąjį laidą iš „WiFi Kit 32“, priklausomai nuo jūsų skaitmeninio ommetro).
• Atidarykite „Steinhart-Hart“skaičiuoklę.
• Išmatuokite 33 kΩ rezistoriaus vertę naudodami skaitmeninį ommetrą ir įveskite jį į skaičiuoklės geltoną langelį „Rezistorius“ir į programinės įrangos kintamąjį „dResistor“. Nors tai gali atrodyti per daug, 33k omų 1% rezistorius iš tikrųjų gali paveikti temperatūros rodymo tikslumą.
• Įjunkite temperatūros jutiklį į telefono jungtį.

Toliau gaukite Steinhart-Hart koeficientus:

• Įjunkite žinomą tikslų skaitmeninį termometrą.
• Prijunkite USB maitinimo šaltinį prie „WiFi Kit 32“.
• Vienu metu paspauskite ir palaikykite kairįjį (T4) ir dešinįjį (T6) mygtukus, kol pasirodys ekranas „Termistorių skaičius“.
• Leiskite stabilizuotis tiek skaitmeninio termometro, tiek termistorių skaičiavimo ekranams.
• Įveskite temperatūrą ir termistorių skaičių į geltonus stulpelius „F laipsniai iš termometro“ir „AD skaičius iš ESP32“eilutėje „Kambarys“.
• Įdėkite tiek skaitmeninį termometrą, tiek termistoriaus zondus į ledinį vandenį ir leiskite abiems ekranams stabilizuotis.
• Įveskite temperatūrą ir termistorių skaičių į geltonus stulpelius „Šalčio vandens“eilutės stulpeliuose „F laipsniai iš termometro“ir „AD skaičius iš ESP32“.
• Įdėkite tiek skaitmeninį termometrą, tiek termistoriaus zondus į verdantį vandenį ir leiskite abiems ekranams stabilizuotis.
• Įveskite temperatūrą ir termistoriaus skaičių į geltonus stulpelius „Degrees F from termometras“ir „AD skaičius iš ESP32“eilutėje „Verdantis vanduo“.
• Nukopijuokite žalią „A:“koeficientą į šaltinio kodo kintamąjį „dProbeA“.
• Nukopijuokite žalią „B:“koeficientą į šaltinio kodo kintamąjį „dProbeB“.
• Nukopijuokite žalią „C:“koeficientą į šaltinio kodo kintamąjį „dProbeC“.

Sudarykite ir atsisiųskite programinę įrangą į „WiFi Kit 32“.

5 veiksmas: korpuso ir galutinio surinkimo 3D spausdinimas

Aš atspausdinau ir „Case, Top.stl“, ir „Case, Bottom.stl“.1 mm sluoksnio aukštyje, 50% užpildu, be atramų.

Atspausdinus dėklą, aš surinkau elektroniką ir korpusą taip:

• Išardžiau laidus iš trijų skylių kištukų, įspaudžiau skylių kištukus į padėtį „Case, Top.stl“, tada vėl prilituodavau laidus prie skylių kamščių, atsargiai atkreipdamas dėmesį į kairę (T4), centrą (T5) ir dešinę (T6) laidai ir atitinkami mygtukai.
• Naudodami pridedamą veržlę, telefono jungtį pritvirtinkite prie apvalios skylės „Case, Bottom.stl“.
• Pjezo garsinį signalizatorių įdėkite į korpuso apatinį mazgą šalia telefono jungties ir pritvirtinkite dvipuse juosta.
• Įstumkite „WiFi“rinkinį 32 į vietą į korpuso dugno mazgą ir įsitikinkite, kad „WiFi“rinkinio 32 USB prievadas yra sulygiuotas su ovalia anga korpuso apačioje (nespauskite OLED ekrano, kad padėtumėte „WiFi“rinkinį 32 korpuso apačioje) asamblėja, patikėkite manimi šiuo klausimu, tik nedarykite to!).
• Korpuso viršutinį mazgą prispaudė prie korpuso apačios ir pritvirtino, naudodami kampuose esančius mažus taškus storo cianakrilato klijų.

6 žingsnis: Apie programinę įrangą

Failas „AnalogInput.ino“yra failo „Buttons.ino“modifikacija iš ankstesnės instrukcijos „https://www.instructables.com/id/ESP32-Capacitive-Touch-Buttons/“. Aš pakeičiau pradines tris kodų sekcijas „setup ()“, „loop ()“ir „InterruptService ()“, kad į jas būtų įtraukta zondo ir aliarmo programinė įranga, ir pridėjau dar tris kodų skyrius „Analog ()“, „Mygtukai ()“ir „Rodymas ()“, kad išvalytumėte „kilpą ()“ir pridėtumėte reikiamą programinę įrangą zondui ir aliarmui.

„Analog ()“yra kodas, reikalingas termistorių skaičiui perskaityti į masyvą, skaičiavimų masyvui apskaičiuoti vidutiniškai, naudoti įtampos daliklį termistoriaus vertei generuoti ir galiausiai naudoti Steinhart-Hart lygtis ir temperatūros konvertavimo lygtis Farenheito laipsniams generuoti.

„Mygtukai ()“yra kodas, reikalingas mygtukų paspaudimams apdoroti ir aliarmo temperatūrai redaguoti.

„Ekranas ()“yra kodas, būtinas informacijai pateikti OLED ekrane.

Jei turite klausimų ar komentarų apie kodą ar bet kurį kitą šios instrukcijos aspektą, nedvejodami klauskite ir aš padarysiu viską, kad į juos atsakyčiau.

Tikiuosi, kad jums patiko (ir vis dar esate budrus)!

7 žingsnis: „Būsimas projektas“

Būsimas projektas „Intelligrill® Pro“yra dvigubos temperatūros zondo rūkalių monitorius, kuriame yra:

• Steinhart-Hart temperatūros zondo skaičiavimai (priešingai nei „paieškos“lentelės), siekiant didesnio tikslumo, kaip įtraukta į šią instrukciją.
• Numatomas laikas iki 1 zondo užbaigimo, įskaitant didesnį tikslumą, gautą iš Steinhart-Hart skaičiavimų.
• Antrasis zondas, 2 zondas, skirtas rūkančiojo temperatūrai stebėti (ribojama iki 32–399 laipsnių).
• Talpūs jutiklinio įvesties valdikliai (kaip ir ankstesnėje instrukcijoje).
• WIFI pagrįstas nuotolinis stebėjimas (su fiksuotu IP adresu leidžia stebėti rūkančiojo pažangą iš bet kur, kur yra interneto ryšys).
• Išplėstas temperatūros diapazonas (nuo 32 iki 399 laipsnių).
• Garsiniai užbaigimo aliarmai tiek „Intelligrill®“siųstuve, tiek daugumoje „Wi -Fi“palaikančių stebėjimo įrenginių.
• Temperatūra rodoma F arba C laipsniais.
• Laiko formatas HH: MM: SS arba HH: MM. Baterijos ekranas įkrautas voltais arba %.
• Ir PID išvestis sraigtams rūkantiems.

„Intelligrill® Pro“vis dar bando tapti tiksliausiu, funkcijomis supakuotu ir patikimiausiu mano sukurtu HTML pagrindu sukurtu „Intelligrill®“. Tai vis dar bandoma, tačiau su maistu, kurį padeda paruošti bandymų metu, priaugau daugiau nei kelis kilogramus.

Dar kartą tikiuosi, kad jums patiks!