ESP32 NTP Sıcaklık Problu Steinhart-Hart Düzeltmeli ve Sıcaklık Alarmlı Pişirme Termometresi: 7 Adım (Resimli)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:19

Hala "yaklaşan bir projeyi" tamamlama yolculuğunda, "Steinhart-Hart Düzeltme ve Sıcaklık Alarmı ile ESP32 NTP Sıcaklık Probu Pişirme Termometresi", kapasitif dokunuşuma bir NTP sıcaklık probu, piezo buzzer ve yazılımı nasıl eklediğimi gösteren bir Talimattır. ESP32 Kapasitif Dokunmatik Giriş, programlanabilir bir sıcaklık alarmı ile basit ama doğru bir pişirme termometresi oluşturmak için "Düğmeler için "Metalik Delik Tapaları" Kullanır.

Üç kapasitif dokunmatik düğme, sıcaklık alarm seviyesinin ayarlanmasını sağlar. Ortadaki düğmeye basmak, "Alarm Sıcaklığını Ayarla" ekranını görüntüler ve sol ve sağ düğmelerin sırasıyla alarm sıcaklığını düşürmesini veya artırmasını sağlar. Sol düğmeye basmak ve bırakmak, alarm sıcaklığını bir derece düşürürken, sol düğmeyi basılı tutmak, bırakılana kadar alarm sıcaklığını sürekli olarak düşürür. Benzer şekilde, sağ düğmeye basmak ve bırakmak alarm sıcaklığını bir derece artırırken, sağ düğmeyi basılı tutmak, bırakılana kadar alarm sıcaklığını sürekli olarak artıracaktır. Alarm sıcaklığını ayarlamayı bitirdiğinizde, sıcaklık ekranına dönmek için ortadaki düğmeye tekrar dokunmanız yeterlidir. Sıcaklık, alarm sıcaklığına eşit veya daha yüksek olduğunda, piezo buzzer çalacaktır.

Ve belirtildiği gibi, tasarımda Steinhart-Hart denklemleri ve doğru sıcaklık okumaları için gerekli katsayılarla birlikte bir NTP sıcaklık probu kullanılır. Adım 1'de Steinhart-Hart denklemi, Steinhart-Hart katsayıları, voltaj bölücüler ve cebirin aşırı ayrıntılı bir tanımını ekledim (bir bonus olarak, her okuduğumda beni uyutuyor, bu yüzden isteyebilirsiniz). Adım 1'i atlayın ve doğrudan Adım 2: Elektroniğin Montajı'na gidin, tabii biraz kestirmeye ihtiyacınız yoksa).

Bu pişirme termometresini oluşturmaya karar verirseniz, kişiselleştirme ve 3D baskı için aşağıdaki dosyaları ekledim:

• Tasarım için yazılımı içeren Arduino dosyası "AnalogInput.ino".
• Kasanın nasıl tasarlandığını gösteren kasa için Autodesk Fusion 360 cad dosyaları.
• Cura 3.4.0 STL dosyaları "Case, Top.stl" ve "Case, Bottom.stl" 3D baskıya hazır.

Ayrıca lehimleme becerileri ve ekipmanının yanı sıra Arduino ortamına aşina olmanız gerekecek ve ayrıca kalibrasyon için doğru dijital ohmmetrelere, termometrelere ve sıcaklık kaynaklarına erişmeniz gerekebilir.

Ve her zamanki gibi, muhtemelen bir veya iki dosyayı unuttum ya da kim bilir başka neler var, bu yüzden herhangi bir sorunuz varsa, lütfen sormaktan çekinmeyin, çünkü birçok hata yapıyorum.

Elektronik aksam, kalem, kağıt ve bir Radio Shack EC-2006a (Cat. No. 65-962a) güneş enerjili hesap makinesi kullanılarak tasarlandı.

Yazılım Arduino 1.8.5 kullanılarak tasarlanmıştır.

Kasa, Autodesk Fusion 360 kullanılarak tasarlandı, Cura 3.4.0 kullanılarak dilimlendi ve bir Ultimaker 2+ Extended ve bir Ultimaker 3 Extended üzerine PLA olarak basıldı.

Ve son bir not, bu tasarımda kullanılan bileşenlerin herhangi biri için ücretsiz numuneler dahil ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere hiçbir şekilde tazminat almadım.

Adım 1: Matematik, Matematik ve Daha Fazlası Matematik: Steinhart–Hart, Katsayılar ve Direnç Bölücüler

Bir NTC sıcaklık probu içeren önceki tasarımlarım, gelen voltajı bir direnç bölücüden sıcaklığa dönüştürmek için bir tablo arama tekniği kullandı. ESP32 on iki bit analog giriş yapabildiğinden ve daha yüksek doğruluk için tasarım yaptığımdan, voltajdan sıcaklığa dönüştürme kodunda "Steinhart-Hart" denklemini uygulamaya karar verdim.

İlk olarak 1968'de John S. Steinhart ve Stanley R. Hart tarafından yayınlanan Steinhart-Hart denklemi, bir NTC sıcaklık probunun sıcaklığa karşı direncini şu şekilde tanımlar:

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

nerede:

• T derece Kelvin'dir.
• A, B, C, Steinhart-Hart katsayılarıdır (birazdan daha fazlası).
• Ve Termistör, mevcut sıcaklıktaki sıcaklık probu termistör direnci değeridir.

Peki bu görünüşte karmaşık Steinhart-Hart denklemi neden basit bir NTC sıcaklık probu tabanlı dijital termometre için gerekli? "İdeal" bir NTC sıcaklık probu, gerçek sıcaklığın doğrusal bir direnç temsilini sağlayacaktır, bu nedenle voltaj girişi ve ölçeklemeyi içeren basit bir doğrusal denklem, doğru bir sıcaklık sunumu ile sonuçlanacaktır. Bununla birlikte, NTC sıcaklık probları doğrusal değildir ve WiFi Kit 32 gibi neredeyse tüm düşük maliyetli tek kartlı işlemcilerin doğrusal olmayan analog girişi ile birleştirildiğinde, doğrusal olmayan analog girişler ve dolayısıyla hatalı sıcaklık okumaları üretir. Steinhart-Hart gibi bir denklemin dikkatli kalibrasyonla birlikte kullanılmasıyla, gerçek sıcaklığa çok yakın bir yaklaşıklık üretilerek düşük maliyetli tek kartlı işlemcili NTC sıcaklık probları kullanılarak yüksek doğrulukta sıcaklık okumaları elde edilebilir.

Steinhart-Hart denklemine geri dönelim. Denklem, termistör direncinin bir fonksiyonu olarak sıcaklığı belirlemek için üç katsayı A, B ve C'yi kullanır. Bu üç katsayı nereden geliyor? Bazı üreticiler bu katsayıları NTC sıcaklık problarıyla sağlarken diğerleri sağlamaz. Ayrıca, üretici tarafından sağlanan katsayılar, satın alabileceğiniz tam sıcaklık probu için olabilir veya olmayabilir ve büyük olasılıkla katsayılar, belirli bir süre boyunca ürettikleri tüm sıcaklık problarının büyük bir örneğini temsil eder. Ve son olarak, bu tasarımda kullanılan sondanın katsayılarını bulamadım.

Gerekli katsayılar olmadan, bir NTC sıcaklık probu için gerekli katsayıları oluşturmaya yardımcı olan elektronik tablo tabanlı bir hesap makinesi olan Steinhart-Hart Elektronik Tablosunu oluşturdum (yıllar önce kullandığım benzer web tabanlı bir hesap makinesinin bağlantısını kaybettim, bu yüzden bunu oluşturdum). Bir sıcaklık probu için katsayıları belirlemek için, voltaj bölücüde kullanılan 33k direncin değerini dijital bir ohmmetre ile ölçerek başlıyorum ve değeri elektronik tablonun "Direnç" etiketli sarı alanına giriyorum. Ardından, sıcaklık probunu üç ortama yerleştiriyorum; birinci oda sıcaklığı, ikinci buzlu su ve üçüncü kaynar su, doğru olduğu bilinen bir dijital termometre ile birlikte ve termometredeki sıcaklığın ve WiFi Kit 32 ekranında görünen termistör giriş sayısının (bundan sonra daha fazla bahsedilecektir) stabilize olması için zaman tanıyın. Hem sıcaklık hem de termistör giriş sayısı sabitlendiğinde, bilinen doğru termometre ile gösterilen sıcaklığı ve WiFi Kit 32'nin ekranında görünen termistör sayısını, elektronik tablonun "Termometreden F Derecesi" ve "AD" etiketli sarı alanına giriyorum. Üç ortamın her biri için sırasıyla WiFi Kiti 32" den sayın. Tüm ölçümler girildikten sonra, elektronik tablonun yeşil alanı, Steinhart-Hart denkleminin gerektirdiği A, B ve C katsayılarını sağlar ve bunlar daha sonra basitçe kopyalanır ve kaynak koduna yapıştırılır.

Daha önce belirtildiği gibi, Steinhart-Hart denkleminin çıktısı Kelvin derece cinsindendir ve bu tasarım Fahrenhayt derecesini gösterir. Kelvin derecelerinden Fahrenheit derecelerine dönüşüm aşağıdaki gibidir:

İlk olarak, Steinhart-Hart denkleminden 273.15 (derece Kelvin) çıkararak Kelvin derecesini Santigrat derecesine dönüştürün:

Derece C = (A + (B * (log(Termistör))) + (C * log(Termistör) * log(Termistör) * log(Termistör))) - 273.15

İkincisi, Santigrat derecesini Fahrenhayt derecesine aşağıdaki gibi dönüştürün:

Derece F = ((Derece C * 9) / 5) + 32

Steinhart-Hart denklemi ve katsayıları tamamlandığında, direnç bölücü çıktısını okumak için ikinci bir denklem gereklidir. Bu tasarımda kullanılan bir direnç bölücü modeli:

vRef<---Termistör<---vOut<---Direnç<---Toprak

nerede:

• Bu tasarımdaki vRef 3.3vdc'dir.
• Termistör, direnç bölücüde kullanılan NTC sıcaklık probudur.
• vOut, direnç bölücünün voltaj çıkışıdır.
• Direnç, direnç bölücüde kullanılan 33k dirençtir.
• Ve toprak, iyi, toprak.

vBu tasarımdaki direnç bölücünün çıkışı WiFi Kit 32 analog giriş A0'a (pin 36) bağlıdır ve direnç bölücünün voltaj çıkışı aşağıdaki gibi hesaplanır:

vOut = vRef * Direnç / (Direnç + Termistör)

Ancak Steinhart-Hart denkleminde belirtildiği gibi, sıcaklık elde etmek için direnç bölücünün voltaj çıkışı değil, termistör direnç değeri gereklidir. Bu nedenle, termistör değerini çıkarmak için denklemi yeniden düzenlemek, aşağıdaki gibi küçük bir cebir kullanılmasını gerektirir:

Her iki tarafı da "(Direnç + Termistör)" ile çarpın:

vOut * (Direnç + Termistör) = vRef * Direnç

Her iki tarafı da "vOut" ile bölün ve şu sonucu elde edin:

Direnç + Termistör = (vRef * Direnç) / vOut

Her iki taraftan da "Direnç" çıkarın:

Termistör = (vRef * Direnç / vOut) - Direnç

Ve son olarak, dağılma özelliğini kullanarak basitleştirin:

Termistör = Direnç * ((vRef / vOut) - 1)

vOut için WiFi Kit 32 A0 analog giriş sayısı 0 ila 4095 ve vRef için 4096 değeri yerine, Steinhart-Hart denkleminin gerektirdiği termistör direnç değerini sağlayan direnç bölücü denklemi şöyle olur:

Termistör = Direnç * ((4096 / Analog Giriş Sayısı) - 1)

Arkamızda matematik varken, biraz elektroniği bir araya getirelim.

Adım 2: Elektroniğin Montajı

Elektronik için daha önce ESP32 Capacitive Touch göstericisini monte etmiştim https://www.instructables.com/id/ESP32-Capacitive… Bu montaj ile aşağıdaki ek bileşenler gereklidir:

• Beş, 4" adet 28awg tel (bir kırmızı, bir siyah, bir sarı ve iki yeşil).
• Bir, Maverick "ET-72 Sıcaklık Probu" probu (https://www.maverickthermometers.com/product/pr-003/).
• Bir, 2,5 mm "telefon" konektörü, panel montajı (https://www.mouser.com/ProductDetail/502-TR-2A).
• Bir, 33k ohm %1 1/8 watt direnç.
• Bir, piezo buzzer https://www.adafruit.com/product/160. Farklı bir piezo buzzer seçerseniz, bunun spesifikasyonlarla eşleştiğinden emin olun (kare dalga tahrikli, <= ESP32'nin akım çıkışı).

Ek bileşenleri birleştirmek için aşağıdaki adımları gerçekleştirdim:

• Her 4" tel uzunluğunun uçları gösterildiği gibi soyulmuş ve kalaylanmıştır.
• Sarı kablonun bir ucunu ve 33k ohm'luk direncin bir ucunu telefon konektörünün "Uç" pinine lehimleyin.
• Siyah telin bir ucunu 33k ohm'luk direncin serbest ucuna lehimleyin ve fazla direnç telini budayın.
• Teller ve direnç üzerine ısıyla daralan makaron uygulandı.
• Kırmızı kablonun bir ucunu telefon konektöründeki "Kol" pimine lehimleyin.
• Sarı kablonun serbest ucunu WiFi Kit 32'deki pim 36'ya lehimleyin.
• Siyah kablonun serbest ucunu WiFi Kit 32'deki GND pimine lehimleyin.
• Kırmızı kablonun serbest ucunu WiFi Kit 32'deki 3V3 pinine lehimleyin.
• Piezo buzzer'ın bir ucuna bir yeşil kablo lehimlendi.
• Kalan yeşil kabloyu piezo buzzer'ın kalan ucuna lehimleyin
• Yeşil piezo tellerden birinin serbest ucunu WiFi Kit 32'deki 32 pimine lehimleyin.
• Kalan yeşil piezo kabloların serbest ucunu WiFi Kit 32'deki GND pimine lehimleyin.
• Sıcaklık sondasını telefon konektörüne taktı.

Tüm kablolama tamamlandığında, çalışmamı iki kez kontrol ettim.

Adım 3: Yazılımın Kurulması

"AnalogInput.ino" dosyası, tasarım için yazılımı içeren bir Arduino ortam dosyasıdır. Bu dosyaya ek olarak, WiFi Kit32 OLED ekranı için "U8g2lib" grafik kitaplığına ihtiyacınız olacak (bu kitaplık hakkında daha fazla bilgi için bkz.

Arduino dizininizde kurulu U8g2lib grafik kütüphanesi ve Arduino ortamına yüklenen "AnalogInput.ino" ile yazılımı derleyin ve WiFi Kit 32'ye indirin. İndirip çalıştırdıktan sonra, WiFi Kit üzerinde OLED ekranının en üst satırı 32, ekranın ortasında büyük metin olarak görüntülenen mevcut sıcaklık ile "Sıcaklık" yazmalıdır.

"Alarm Sıcaklığını Ayarla" ekranını görüntülemek için ortadaki düğmeye (T5) dokunun. Giriş bölümünde açıklandığı gibi sol tuşa (T4) veya sağ tuşa (T6) basarak alarm sıcaklığını ayarlayın. Alarmı test etmek için, alarm sıcaklığını mevcut sıcaklığa eşit veya daha düşük olacak şekilde ayarlayın ve alarm çalmalıdır. Alarm sıcaklığını ayarlamayı bitirdiğinizde, sıcaklık ekranına dönmek için ortadaki düğmeye dokunun.

Yazılımdaki dProbeA, dProbeB, dProbeC ve dResistor değerleri bu tasarımda kullandığım probun kalibrasyonu sırasında belirlediğim değerlerdir ve birkaç derece hassasiyetinde sıcaklık okumaları üretmelidir. Değilse veya daha yüksek doğruluk isteniyorsa, sıradaki kalibrasyondur.

Adım 4: NTP Sıcaklık Sondasının Kalibre Edilmesi

Sıcaklık probunu kalibre etmek için aşağıdaki öğeler gereklidir:

• Bir dijital ohmmetre.
• 0 ila 250 derece F arasında olabilen bilinen bir doğru dijital termometre.
• Bir bardak buzlu su.
• Bir kap kaynar su (çok, çok dikkatli olun!).

Gerçek 33k direnç değerini alarak başlayın:

• WiFi Kit 32 kartından gücü kesin.
• Sıcaklık probunu telefon konektöründen çıkarın (dijital ohmmetrenize bağlı olarak siyah kabloyu WiFi Kit 32'den lehimlemek de gerekebilir).
• Steinhart-Hart Elektronik Tablosunu açın.
• 33k ohm direncin değerini dijital ohmmetre kullanarak ölçün ve elektronik tablodaki sarı "Direnç" kutusuna ve yazılımdaki "dResistor" değişkenine girin. Bu aşırı gibi görünse de, 33k ohm %1'lik bir direnç gerçekten de sıcaklık göstergesinin doğruluğunu etkileyebilir.
• Sıcaklık probunu telefon konektörüne takın.

Daha sonra Steinhart-Hart katsayılarını elde edin:

• Bilinen doğru dijital termometreyi açın.
• WiFi Kit 32'ye bir USB güç kaynağı takın.
• "Termistör Sayımları" ekranı görünene kadar sol (T4) ve sağ (T6) düğmelerini aynı anda basılı tutun.
• Hem dijital termometre hem de termistör sayısı ekranlarının stabilize olmasına izin verin.
• "Oda" satırındaki sarı "Termometreden F Derecesi" ve "ESP32'den AD Sayımları" sütunlarına sıcaklık ve termistör sayılarını girin.
• Hem dijital termometreyi hem de termistör problarını buzlu suya sokun ve her iki ekranın da dengelenmesini sağlayın.
• "Soğuk Su" satırındaki sarı "Termometreden F dereceleri" ve "ESP32'den AD Sayımları" sütunlarına sıcaklık ve termistör sayılarını girin.
• Hem dijital termometreyi hem de termistör problarını kaynar suya sokun ve her iki ekranın da dengelenmesini sağlayın.
• "Kaynayan Su" satırındaki sarı "Termometreden F dereceleri" ve "ESP32'den AD Sayımları" sütunlarına sıcaklık ve termistör sayılarını girin.
• Yeşil "A:" katsayısını kaynak kodundaki "dProbeA" değişkenine kopyalayın.
• Yeşil "B:" katsayısını kaynak kodundaki "dProbeB" değişkenine kopyalayın.
• Yeşil "C:" katsayısını kaynak kodundaki "dProbeC" değişkenine kopyalayın.

Yazılımı derleyin ve WiFi Kit 32'ye indirin.

Adım 5: Kasayı ve Son Montajı 3B Yazdırma

Hem "Case, Top.stl" hem de "Case, Bottom.stl"yi 0,1 mm katman yüksekliğinde, %50 dolgulu, desteksiz yazdırdım.

Basılı kasa ile elektronik aksamı ve kasayı aşağıdaki gibi bir araya getirdim:

• Üç delik tapadan tellerin lehimini çözdüm, delik tapalarını "Case, Top.stl" konumuna bastırdım, sonra sola (T4), orta (T5) ve sağa dikkatlice dikkat ederek kabloları delik tapalarına yeniden lehimledim (T6) kabloları ve ilgili düğmeler.
• Birlikte verilen somunu kullanarak telefon konektörünü "Case, Bottom.stl" içindeki yuvarlak deliğe sabitleyin.
• Piezo buzzer'ı kasanın alt aksamına telefon konektörünün yanına yerleştirdi ve çift taraflı bantla yerine sabitledi.
• WiFi Kiti 32'yi, WiFi Kiti 32'deki USB bağlantı noktasının kasanın altındaki oval delikle hizalandığından emin olarak kasanın alt aksamındaki yerine kaydırın (WiFi Kiti 32'yi kasanın altına yerleştirmek için OLED ekranına BASMAYIN) montaj, bu konuda bana güven, sadece yapma!).
• Kasanın üst aksamını kasanın alt aksamına bastırın ve köşelerde küçük noktalar halinde kalın siyanoakrilat yapıştırıcı kullanarak yerine sabitleyin.

Adım 6: Yazılım Hakkında

"AnalogInput.ino" dosyası, önceki Instructables "https://www.instructables.com/id/ESP32-Capacitive-Touch-Buttons/"daki "Buttons.ino" dosyasının bir modifikasyonudur. "setup()", "loop()" ve "InterruptService()" orijinal üç kod bölümünü, prob ve alarm için yazılım içerecek şekilde değiştirdim ve "Analog()" ek üç kod bölümü ekledim., "Buttons()" ve "Display()" ile "loop()"u temizlemek ve prob ve alarm için gerekli yazılımları eklemek için.

"Analog()", termistör sayısını bir diziye okumak, sayım dizisinin ortalamasını almak, termistör değerini oluşturmak için voltaj bölücüyü kullanmak ve son olarak Fahrenheit derecesi üretmek için Steinhart-Hart denklemlerini ve sıcaklık dönüştürme denklemlerini kullanmak için gerekli kodu içerir.

"Düğmeler()", düğmeye basışları işlemek ve alarm sıcaklığını düzenlemek için gerekli kodu içerir.

"Display()", bilgileri OLED ekranında sunmak için gerekli kodu içerir.

Kod veya bu Eğitilebilir Yazının başka bir yönü hakkında herhangi bir sorunuz veya yorumunuz varsa, sormaktan çekinmeyin; onlara cevap vermek için elimden geleni yapacağım.

Umarım beğenmişsinizdir (ve hala uyanıksınızdır)!

Adım 7: "Yaklaşan Proje"

Yaklaşan proje "Intelligrill® Pro", aşağıdaki özelliklere sahip çift sıcaklık problu bir sigara içici monitörüdür:

• Steinhart-Hart sıcaklık probu hesaplamaları ("arama" tablolarının aksine), bu Eğitilebilir Tabloya dahil edildiği gibi artan doğruluk için.
• Steinhart-Hart hesaplamalarından elde edilen artırılmış doğruluğu içeren sonda 1'de tahmini tamamlanma süresi.
• Sigara içen sıcaklığını izlemek için ikinci bir sonda, sonda 2 (32 ila 399 derece ile sınırlıdır).
• Kapasitif dokunmatik giriş kontrolleri (önceki Talimatta olduğu gibi).
• WIFI tabanlı uzaktan izleme (sabit bir IP adresiyle, internet bağlantısının olduğu her yerden sigara içen kişinin gelişiminin izlenmesini sağlar).
• Genişletilmiş sıcaklık aralığı (32 ila 399 derece).
• Hem Intelligrill® vericisinde hem de çoğu WiFi özellikli izleme cihazında sesli tamamlama alarmları.
• F veya C derecelerinde sıcaklık göstergesi.
• SS:DD:SS veya SS:DD olarak saat formatı. Pil göstergesi, volt veya şarj yüzdesi olarak.
• Ve burgu tabanlı sigara içenler için PID çıktısı.

"Intelligrill® Pro", tasarladığım en doğru, özellik dolu ve güvenilir HTML tabanlı Intelligrill® olmak için hala test ediyor. Hala test altında, ancak test sırasında hazırlanmasına yardımcı olduğu yemeklerle birkaç kilodan fazla kazandım.

Tekrar, umarım beğenirsiniz!