חיישני טמפרטורה ולחות

נגד תלוי-טמפרטורה (NTC) (NTC Thermistor)

למודול הנפוץ במעבדה התנגדות של 10 kΩ ב-25 °C (ערך טיפוסי לפי דף הנתונים). הקשר בין ההתנגדות לטמפרטורה אינו לינארי (העקומה מימין). הבקר מודד מתח ולא התנגדות, ולכן נחבר את ה-NTC בטור עם נגד קבוע R = 10 kΩ ונקבל מחלק מתח (הסרטוט משמאל): ה-NTC למעלה, לכיוון 5 V, ולכן המתח ב-A0 עולה כשהטמפרטורה עולה.

הטבלה מראה את השרשרת כולה: הטמפרטורה עולה ← התנגדות החיישן קטנה ← המתח ב-A0 עולה ← הערך הגולמי גדל.

הסקיצה קוראת את הערך הגולמי, ממירה אותו למתח, ומדפיסה הודעת שגיאה אם הקריאה היא 0 או 1023 (תיל קטוע או קצר):

const int NTC_PIN = A0;          // NTC to 5V, 10k to GND

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

void loop() {
  int n = analogRead(NTC_PIN);
  float v = n * 5.0 / 1023.0;    // raw value -> volts
  if (n > 0 && n < 1023) {       // 0 or 1023: open or short
    Serial.print("N = "); Serial.print(n);
    Serial.print("  V = "); Serial.print(v, 2);
    Serial.println(" V");
  } else {
    Serial.println("NTC error");
  }
  delay(1000);
}

N = 475  V = 2.32 V
N = 510  V = 2.49 V
N = 537  V = 2.62 V
N = 580  V = 2.83 V

החזקנו את החיישן ביד, והערך הגולמי והמתח עלו. את ההמרה המדויקת למעלות לוקחים מהטבלה שבדף הנתונים (ההתנגדות בכל טמפרטורה) או מספרייה מוכנה; ולעיתים קרובות מספיק להשוות את הערך הגולמי לסף שנקבע בניסוי.

חיישן הטמפרטורה LM35 (LM35)

לפי דף הנתונים (ערכים טיפוסיים): מתח ההזנה מ-4 V עד 30 V, ולכן נזין אותו ב-5 V גם כשעובדים עם ESP32; בחיבור הבסיסי הוא מודד מכ-2 °C עד 150 °C; והדיוק כ-±0.5 °C ב-25 °C בדגם המדויק ביותר. מתח המוצא ב-150 °C הוא 1.5 V בלבד, ולכן אפשר לחבר אותו ישירות להדק של ESP32.

הסקיצה מבצעת את השרשרת כולה: הערך הגולמי ← המתח ← הטמפרטורה. את המתח בוולט כופלים ב-100, כי 10 mV לכל מעלה פירושם 100 מעלות לכל וולט.

const int LM35_PIN = A1;
const float VREF = 5.0;          // Uno: 5 V reference, 10 bits

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

void loop() {
  int n = analogRead(LM35_PIN);
  float v = n * VREF / 1023.0;   // volts
  float t = v * 100.0;           // 10 mV per degree C
  Serial.print("N = "); Serial.print(n);
  Serial.print("  V = "); Serial.print(v * 1000.0, 1);
  Serial.print(" mV  T = "); Serial.print(t, 2);
  Serial.println(" C");
  delay(1000);
}

N = 49  V = 239.5 mV  T = 23.95 C
N = 50  V = 244.4 mV  T = 24.44 C
N = 50  V = 244.4 mV  T = 24.44 C
N = 50  V = 244.4 mV  T = 24.44 C
N = 51  V = 249.3 mV  T = 24.93 C
N = 51  V = 249.3 mV  T = 24.93 C

הטמפרטורה האמיתית עלתה לאט מ-24 °C ל-25 °C בצעדים של 0.2 °C, אבל הקריאה קופצת בקפיצות של כחצי מעלה: היא אינה משתנה עד שהמתח משתנה בצעד שלם של הממיר. את גודל הצעד הזה נחשב עכשיו.

רזולוציה: Uno מול ESP32:

לממיר של Uno יש 10 סיביות, כלומר 2¹⁰ = 1024 רמות, ומתח הייחוס 5 V. לממיר של ESP32 יש 12 סיביות, כלומר 2¹² = 4096 רמות, ומתח הייחוס 3.3 V. השינוי הקטן ביותר במתח שהממיר מבחין בו הוא מתח הייחוס חלקי מספר הרמות; נחלק אותו ב-10 mV/°C ונקבל את השינוי הקטן ביותר בטמפרטורה:

חיישן הטמפרטורה הספרתי DS18B20 (DS18B20, 1-Wire)

לפי דף הנתונים (ערכים טיפוסיים): תחום המדידה מ-−55 °C עד +125 °C, הדיוק ±0.5 °C בין −10 °C ל-+85 °C, ומתח ההזנה מ-3.0 V עד 5.5 V; הוא נמכר גם במארז מתכת עמיד במים. הרזולוציה מגיעה עד 0.0625 °C, ואז החיישן זקוק לעד 750 ms כדי להשלים את המדידה (זמן ההמרה).

קו הנתונים DQ משותף לכל החיישנים, וכל חיישן יכול רק למשוך אותו ל-0 V, ולכן נוסיף נגד משיכה למעלה של 4.7 kΩ בין DQ לבין 5 V (הערך המומלץ בדף הנתונים). סדר ההדקים במארז TO-92: GND, DQ, VDD.

נשתמש בשתי ספריות: OneWire (הפרוטוקול) ו-DallasTemperature (פקודות החיישן). הפקודה requestTemperatures() מתחילה את המדידה בכל החיישנים יחד; אחריה הסקיצה מוצאת את הכתובת של כל חיישן בעזרת הפונקציה getAddress(), מדפיסה אותה בבסיס הקסדצימלי, וקוראת את הטמפרטורה שלו לפי הכתובת:

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
const int BUS_PIN = 2;           // 1-Wire bus, 4.7k pull-up to 5V
OneWire bus(BUS_PIN);
DallasTemperature sensors(&bus);
DeviceAddress addr;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  sensors.begin();
  sensors.setResolution(12);     // 0.0625 C, up to 750 ms
}

void loop() {
  sensors.requestTemperatures(); // all sensors convert together
  for (int i = 0; i < sensors.getDeviceCount(); i++) {
    sensors.getAddress(addr, i);
    for (int j = 0; j < 8; j++) {
      if (addr[j] < 16) Serial.print("0");
      Serial.print(addr[j], HEX);
    }
    Serial.print("  T = "); Serial.print(sensors.getTempC(addr), 2);
    Serial.println(" C");
  }
  delay(2000);
}

283A7F460C00006C  T = 21.37 C
28912B580B000015  T = 48.94 C
283A7F460C00006C  T = 21.44 C
28912B580B000015  T = 46.50 C

החיישן הראשון נמצא באוויר החדר, והשני במים חמים שמתקררים. כל שורה מתחילה בכתובת החיישן (הכתובות כאן הן דוגמה), וכך יודעים איזו קריאה שייכת לאיזה חיישן.

חיישן טמפרטורה ולחות DHT22 (DHT22 / AM2302)

DHT22 (נקרא גם AM2302) הוא חיישן ספרתי שיש בו רכיב קיבולי ללחות, נגד תלוי-טמפרטורה לטמפרטורה, ומעבד קטן ששולח את שתי המדידות על קו נתונים אחד, בפרוטוקול משלו (לא אפיק ‎1-Wire). הוא פועל ב-3.3 V וב-5 V. ארבעת ההדקים שלו: VDD, DATA, NC (לא מחובר), GND. על הקו DATA נשים נגד משיכה למעלה; במודולים המוכנים בעלי שלושה הדקים הוא כבר מורכב על הלוח.

הספרייה DHT sensor library מטפלת בפרוטוקול, ושתי הפונקציות שלה, readTemperature() ו-readHumidity(), מחזירות את שני המספרים. עם כל קריאה החיישן שולח בית בדיקה, והספרייה בודקת אותו; כשהקריאה נכשלת הפונקציה מחזירה NaN ("לא מספר"), ונבדוק זאת בעזרת הפונקציה isnan(). הסקיצה קוראת כל 2.5 s בעזרת millis() בלי delay(), וכך הלולאה נשארת פנויה למשימות אחרות:

#include <DHT.h>

const int DHT_PIN = 4;
const unsigned long PERIOD = 2500;   // datasheet: at least 2 s
DHT dht(DHT_PIN, DHT22);
unsigned long last = 0;

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

void loop() {
  if (millis() - last < PERIOD) return;
  last = millis();
  float h = dht.readHumidity();
  float t = dht.readTemperature();   // degrees C
  Serial.print("t = "); Serial.print(last / 1000.0, 1);
  if (isnan(h) || isnan(t)) {
    Serial.println(" s  DHT22 read error");
    return;
  }
  Serial.print(" s  T = "); Serial.print(t, 1);
  Serial.print(" C  RH = "); Serial.print(h, 1);
  Serial.println(" %");
}

t = 2.5 s  T = 23.4 C  RH = 48.7 %
t = 5.0 s  T = 23.6 C  RH = 61.2 %
t = 7.5 s  T = 23.9 C  RH = 74.8 %
t = 10.0 s  T = 23.8 C  RH = 66.0 %
t = 12.5 s  T = 23.6 C  RH = 57.3 %

נשפנו על החיישן אחרי הקריאה הראשונה: הלחות קפצה ואחר כך חזרה לאט, כי זמן התגובה של רכיב הלחות ארוך בהרבה מזה של רכיב הטמפרטורה.

חיישן טמפרטורה תעשייתי: PT100 (Industrial Sensor: PT100)

במפעל מודדים טמפרטורה של תנורים, של צינורות קיטור ושל שמנים חמים, ולעיתים קרובות במרחק עשרות מטרים מלוח הבקרה. שם משתמשים בדרך כלל בגשש התנגדות.

העיקרון פשוט: ככל שהטמפרטורה עולה, ההתנגדות גדלה, הפוך מ-NTC. אבל השינוי קטן: ב-100 °C ההתנגדות היא כ-138.5 Ω (ערך טיפוסי לפי התקן), כלומר פחות מחצי אוהם לכל מעלה. לכן לא נחבר PT100 ישירות להדק של הבקר, ונחבר אותו בשלושה או בארבעה מוליכים, כדי שהתנגדות המוליכים הארוכים לא תתווסף לקריאה.

איך קוראים אותו? ליד החיישן מרכיבים משדר שממיר את הטמפרטורה לזרם בלולאת זרם 4–20 mA: למשל 4 mA ב-0 °C ו-20 mA ב-200 °C (התחום נקבע במשדר). הזרם אינו מושפע מאורך המוליכים, והבקר קורא אותו דרך נגד מדידה. את לולאת הזרם ואת חיבורה לבקר נלמד בפרק 8.

השוואה ובחירת חיישן (Comparison)

המספרים טיפוסיים לפי דפי הנתונים, והם משתנים בין דגמים ובין יצרנים. הצמד התרמי שבשורה האחרונה הוא שני תילים משתי מתכות שונות, המולחמים זה לזה בקצה אחד; הוא נותן מתח קטן מאוד שתלוי בטמפרטורה, ולכן קוראים אותו תמיד דרך מודול המרה או משדר. בבחירה נשאל: מהו תחום המדידה? האם צריך גם לחות? כמה נקודות מדידה יש? והאם הסביבה תעשייתית?

בקצרה: לטמפרטורה עם לחות בחדר או בחממה — DHT22; לכמה נקודות מדידה על כבל אחד או במים — DS18B20; לקריאה תקבילית פשוטה בלי ספרייה — LM35; לזול ולקטן ביותר — NTC; ולתהליכים תעשייתיים ולטמפרטורות גבוהות — PT100 עד כמה מאות מעלות, וצמד תרמי לתנורים.

סיכום נוסחאות הפרק:

מילון מונחים:

שאלות לתרגול: