Датчик температуры на термисторе MF52

Электросхема
Сборка платы
Тестовый стенд
Что нужно для проекта
Тестовый скетч

Когда говорят о замере температуры в промышленности или судоходстве, как правило имеют в виду термодатчики на базе термосопротивления Pt100 и термопары типа К. Преобразователи к ним довольно сложные и дорогостоящие устройства, рассчитанные на большие диапазоны измерения и высокую точность. Но если нужно произвести замер в относительно узком интервале, например, температуру в помещении, то можно обойтись недорогим термистором. Самым распространенным и дешевым можно назвать MF52. Его пределы измерения : от -30ºС до +110ºС.

Датчик температуры на термисторе MF52

Термистор MF52 представляет из себя резистор, чье сопротивление меняется в зависимости от температуры, что можно использовать для ее замера. Достаточно включить этот компонент в простейшую цепь делителя напряжения, выход с которого подать на вход в Arduino. Далее, с помощью пересчетных формул, полученный сигнал переводится в температуру.

На рисунке ниже представлена электросхема датчика температуры. Еще ниже приведены пояснения, которые помогут лучше понять принцип работы устройства.

Как можно видеть, схема очень простая. Стабильное напряжение 1,1 вольта с пина Arduino UNO AREF подается на делитель напряжения POTI1 - MF52. C общей точки делителя напряжение, проходя через RC-фильтр (резистор R1 и конденсатор С1), поступает на аналоговый вход микроконтроллера, где пересчитывается в температуру.

Электросхема датчика температуры на термисторе MF52

Рассмотрим назначение элементов схемы подробней.

• В данной схеме использовано опорное напряжение 1,1 В, которое нужно активировать в скетче командой analogReference (INTERNAL). Эта команда не только установит опорное напряжение 1,1 В для замеров входных сигналов на аналоговых пинах контроллера, но и подаст 1,1 В на пин AREF, что можно применить в своих целях. Естественно, вы можете задействовать в качестве опорного 5 вольт по умолчанию.
• 1,1 В с пина AREF подается на разъем 1 клеммницы термодатчика.
• Коэффициент усиления (ослабления) определяется потенциометром POTI1. Его рабочую зону нужно подбирать как можно ближе к номиналу термистора. В данном случае при номинале MF52 50K выбран потенциометр 100K, выставленный на 50К. Если вы решите заменить потенциометр на резистор, замерьте его реальное сопротивление перед пайкой, чтобы внести данные в скетч.
• Сигнал с термодатчика (разъем 3 клеммницы) нужно подать на один из аналоговых входов Arduino.
• Землю от микроконтроллера подсоединяем к разъему 2 клеммницы.
• Конденсатор С1 на схеме - керамический. Его номинал 4,7 мкФ.

Немного математики

Ниже приведен пример расчета температуры термистора по результатам замеров.

Во-первых, нам надо рассчитать текущее сопротивление термистора. Для этого воспользуемся формулой делителя напряжения :

Uвых = Uвход * Rmf / (Rpoti + Rmf)

где :
Uвых - напряжение на выходе с делителя (оно идет в Arduino)
Uвход - напряжение на входе в делитель (здесь 1,1 В)
Rmf - искомое сопротивление термистора, Ом
Rpoti - сопротивление потенциометра POTI1, Ом. Его нужно замерить на плате.

Напряжения входа и выхода не обязательно брать в вольтах. Опорное 1,1 В в цифре - 1024, а входящее сразу будет переведено в цифровой вид.

Следующий этап - рассчитать температуру термистора. Есть несколько методов : уравнение Штейнхарта-Харта, табличный, но самый простой и распространенный - модифицированное уравнение Штейнхарта-Харта с использованием константы В.

где :
t - искомая температура в ºС.
To - номинальная температура термистора в ºС (берется из datasheet). Обычно 25ºС.
Ro - сопротивление при номинальной температуре, Ом (берем из datasheet). В данном случае 50000 Ом.
Rmf - посчитанное выше сопротивление термистора, Ом
В - константа (берем из марки или datasheet). Если вы не смогли узнать полную марку термистора, а в datasheet для вашего номинала сопротивлений есть несколько коэффициентов В, то берите самый первый. Если показания датчика неудовлетворительные, попробуйте другие.
273,15 - служит для перевода градусов Цельсия в градусы Кельвина.

Как подобрать термистор

1. Определитесь с типом термистора : NTC или PTC. У NTC (Negative Temperature Coefficient) - сопротивление уменьшается при росте температуры, а у PTC (Positive Temperature Coefficient) - увеличивается. Из-за определенных проблем с характеристикой термисторы типа PTC получили меньшее распространение, лучше взять NTC.
2. Выберите номинальное сопротивление. Обычно это сопротивление термистора при 25ºС. Самый распространенный номинал 10К.
3. Желательно узнать коэффициент В для расчетной формулы. Он есть в марке термистора.
4. Все остальные параметры (точность, покрытие, исполнение), а также коэффициент В, большинство продавцов и сами не знают. Тем не менее, попытайтесь выяснить полную марку MF52 - по ней вы сможете определить все необходимые параметры.

Схема пайки элементов датчика температуры представлена на рисунке ниже. За базу взята макетная плата 35х25 мм. Конечно вы можете расположить элементы по другому и более компактно. Данное устройство выполнено в виде отдельного модуля, естественно, его можно встраивать в готовые изделия.

Схема пайки датчика температуры на макетной плате

Примечания :

1. Все подводы и отводы выполнены в трех вариантах : клеммница, штыревой соединитель "папа" и "мама" для проводов Dupont.
2. Мощность резистора 0,25 ватт.

Для проверки работы датчика температуры вы можете собрать тестовый стенд, схема которого представлена ниже.

Схема подключения датчика температуры

Управлять системой можно с помощью трех кнопок : НАСТРОЙКИ, ВВЕРХ, ВНИЗ. Рассмотрим их функции подробно :

Кнопка НАСТРОЙКИ

При нажатии этой кнопки вы будете циклично переходить по пунктам меню. Изменение параметров осуществляется кнопками ВВЕРХ и ВНИЗ. Изменение цифровых параметров сразу принимается системой, подтверждение не нужно.

Пройдемся по пунктам меню Настройки.

• To=XX.XºС : номинальная температура термистора в ºС (берется из datasheet). Обычно 25ºС.
• Ro=XXXXX.X Om : сопротивление термистора при номинальной температуре, Ом (берем из datasheet).
• B=XXXX.X : константа термистора (берем из марки или datasheet).
• Rdiv=XXXXX.X Om : сопротивление потенциометра POTI1, Ом. Его нужно замерить на плате.
• SaveSet. (UP) : нажав кнопку ВВЕРХ, вы сохраните настройки программы в память контроллера. При перезагрузке контроллера (выключение - включение) именно эти настройки загрузятся в программу.
• ReadSet. (UP) : нажав кнопку ВВЕРХ, вы перенесете настройки из памяти контроллера в программу.
• Default (UP) : загрузка значений по умолчанию. При нажатии кнопки ВВЕРХ параметры, определенные в начале скетча, загрузятся в оперативную память PLC (в текущие настройки). Эта функция может быть полезна, когда вы запутались в регулировках и хотите все вернуть в исходное положение. Но есть и еще одна причина ее использования. Если вы на одну и ту же плату Arduino постоянно записываете скетчи разных проектов, возможна ситуация, когда параметры одного проекта запишутся в настройки другого. Конечно, это можно исправить, но представьте, что в параметре, где должно быть, например, число 10, стоит 32000. Вручную кнопками ВВЕРХ или ВНИЗ корректировать это очень долго, проще сбросить настройки к заводским, а уже затем их подправить.

Кнопки ВВЕРХ-ВНИЗ

Этими кнопками меняются значения параметров.

Индикация LCD

Верхняя строчка
"T=XX.XºС" (XXX) - расчетная температура в ºС. В скобках - входной сигнал с делителя напряжения, переведенный в цифровой вид (0...1023).

Нижняя строчка
Пункты меню настроек.

Датчик температуры

• макетная плата под пайку 35х25 мм - 1 шт
• клеммница тройная - 1 шт
• резистор 10K (0,25 Вт) - 1 шт
• резистор подстроечный многооборотный типа 3296 (datasheet) на 100К - 1 шт
• конденсатор керамический 4,7 мкФ - 1 шт
• термистор MF52 (datasheet) - 1 шт
• провод типа AWG - 5 см
• штыревой соединитель - 6 шт
• разъем PBS - 6 шт

Тестовый стенд

• PLC Arduino UNO (datasheet) - 1 шт
• Sensor Shield v 5.0 (datasheet) - 1 шт
• понижающий DC-DC преобразователь типа LM2596 (не менее 2А) (datasheet) - 1 шт
• LCD-дисплей 1602 (datasheet) + модуль I2C - 1 шт
• кнопка тактовая с колпачком (datasheet) - 3 шт
• макетная плата под пайку 35х50 - 1 шт (для монтажа кнопок)
• резистор 10 кОм (0,25 Вт) - 3 шт
• стойка мама-мама М3х15 - 8 шт (для монтажа LCD-дисплея и самодельного термопреобразователя)
• стойка мама-мама М3х10 - 3 шт (для монтажа модуля термистора)
• гайка М3 - 50 шт и более в зависимости от способа крепления вышеуказанных элементов
• болт М3х15, М3х10 - 20 шт и более
• провод Dupont мама-мама или папа-мама (20 см) - 5 шт и более в зависимости от типа пинов соединяемых элементов
• провод типа AWG - 50 см (соединение штекер - DC-DC преобразователь - Sensor Shield)
• штекер питания DC 2.1 мм с клеммной колодкой папа и мама - 1 пара (для подключения шилда)

Ниже представлен скетч системы управления. В этом окне он неудобочитаем, поэтому скачать его в формате ino вы можете по этой ссылке.

Для работы этого скетча вам понадобятся дополнительные библиотеки :

• EEPROM.h - библиотека работы с памятью (она нужна для чтения и записи наших настроек в энергонезависимую память Arduino). Это стандартная библиотека, она входит в комплект среды программирования Arduino IDE.
• Wire.h - библиотека для работы с протоколом I2C. Это тоже стандартная библиотека, ее устанавливать не нужно.
• math.h - библиотека с математическими формулами. Это стандартная библиотека, ее устанавливать не нужно.
• LiquidCrystal_I2C.h - библиотека для работы с LCD по протоколу I2C. Скачать.

Если есть возможность, проверьте эти библиотеки на наличие обновлений.