حسّاسات درجة الحرارة والرطوبة

נגד תלוי-טמפרטורה (NTC) – المقاومة الحرارية NTC (NTC Thermistor)

الوحدة الشائعة في المختبر مقاومتها 10 kΩ عند 25 °C (قيمة نموذجية حسب ورقة البيانات). العلاقة بين المقاومة ودرجة الحرارة غير خطّية (المنحنى الأيمن). المتحكّم يقيس جهدا لا مقاومة، ولذلك نوصل NTC على التوالي مع مقاومة ثابتة R = 10 kΩ فنحصل على مُجزِّء الجهد (الرسم الأيسر): NTC في الأعلى نحو 5 V ، فيرتفع الجهد في A0 عندما ترتفع الحرارة.

الجدول يبيّن السلسلة كلها: الحرارة ترتفع ← مقاومة الحسّاس تقلّ ← الجهد في A0 يرتفع ← القيمة الخام تزداد.

البرنامج يقرأ القيمة الخام ويحوّلها إلى جهد، ويطبع رسالة خطأ إذا كانت القراءة 0 أو 1023 (سلك مقطوع أو قصر):

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

أمسكنا الحسّاس باليد، فارتفعت القيمة الخام والجهد. التحويل الدقيق إلى درجات نأخذه من جدول ورقة البيانات (المقاومة عند كل درجة) أو من مكتبة جاهزة؛ وكثيرا ما يكفي أن نقارن القيمة الخام بعتبة نحدّدها بالتجربة.

חיישן הטמפרטורה LM35 – حسّاس الحرارة التماثلي LM35 (LM35)

حسب ورقة البيانات (قيم نموذجية): التغذية من 4 V حتى 30 V ، فنغذّيه بـ 5 V حتى مع ESP32؛ في التوصيل الأساسي يقيس من نحو 2 °C حتى 150 °C ؛ والدقّة نحو ±0.5 °C عند 25 °C في الطراز الأدقّ. جهد المخرج عند 150 °C هو 1.5 V فقط، ولذلك يمكن توصيله بطرف ESP32 مباشرة.

البرنامج ينفّذ السلسلة كلها: القيمة الخام ← الجهد ← درجة الحرارة. الجهد بالفولت نضربه في 100 ، لأن 10 mV لكل درجة تعني 100 درجة لكل فولت.

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

ارتفعت درجة الحرارة الحقيقية ببطء من 24 °C إلى 25 °C بخطوات 0.2 °C ، لكن القراءة تقفز قفزات من نحو نصف درجة: لا تتغيّر حتى يتغيّر الجهد بخطوة كاملة من خطوات المحوّل. حجم هذه الخطوة نحسبه الآن.

دقّة التمييز: Uno مقابل ESP32 – רזולוציה: Uno מול ESP32:

المحوّل في Uno له 10 خانات، أي 2¹⁰ = 1024 مستوى، وجهد المرجع 5 V. في ESP32 المحوّل له 12 خانة، أي 2¹² = 4096 مستوى، وجهد المرجع 3.3 V. أصغر تغيّر في الجهد يراه المحوّل هو جهد المرجع مقسوما على عدد المستويات؛ نقسمه على 10 mV/°C فنحصل على أصغر تغيّر في الحرارة:

חיישן הטמפרטורה הספרתי DS18B20 – حسّاس الحرارة الرقمي DS18B20 (DS18B20, 1-Wire)

حسب ورقة البيانات (قيم نموذجية): مدى القياس من −55 °C حتى +125 °C ، والدقّة ±0.5 °C بين −10 °C و +85 °C ، والتغذية من 3.0 V حتى 5.5 V ؛ يُباع أيضا في غلاف معدني مقاوم للماء. دقّة التمييز تصل إلى 0.0625 °C ، وعندها يحتاج الحسّاس حتى 750 ms ليُكمل القياس (زمن التحويل، זמן המרה).

خط البيانات DQ مشترك لكل الحسّاسات، وكل حسّاس يستطيع فقط سحبه إلى 0 V ، ولذلك نضيف مقاومة رفع 4.7 kΩ بين DQ و 5 V (القيمة المقترحة في ورقة البيانات). ترتيب الأطراف في الغلاف TO-92: GND ، DQ ، VDD.

نستعمل المكتبتين OneWire (البروتوكول) و DallasTemperature (أوامر الحسّاس). الأمر requestTemperatures() يبدأ القياس في كل الحسّاسات معا؛ بعده يجد البرنامج عنوان كل حسّاس بالدالة getAddress() ، ويطبعه بالست عشري، ويقرأ حرارته حسب العنوان:

#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

الحسّاس الأول في هواء الغرفة والثاني في ماء ساخن يبرد. كل سطر يبدأ بعنوان الحسّاس (العناوين هنا مثال)، وهكذا نعرف أي قراءة تعود لأي حسّاس.

חיישן טמפרטורה ולחות DHT22 – حسّاس الحرارة والرطوبة DHT22 (DHT22 / AM2302)

DHT22 (ويُسمّى أيضا AM2302) حسّاس رقمي فيه عنصر سعوي للرطوبة، مقاومة حرارية للحرارة، ومعالج صغير يرسل القياسين على خط بيانات واحد ببروتوكول خاص به (ليس ناقل السلك الواحد). يعمل بـ 3.3 V وبـ 5 V. أطرافه الأربعة: VDD ، DATA ، NC (غير موصول) ، GND. على خط DATA نضع مقاومة رفع؛ في الوحدات الجاهزة ذات الأطراف الثلاثة تكون مركّبة على اللوحة.

المكتبة DHT sensor library تتولّى البروتوكول، والدالتان readTemperature() و readHumidity() تُرجعان العددين. مع كل قراءة يرسل الحسّاس بايت فحص، والمكتبة تتحقّق منه؛ عندما تفشل القراءة تُرجع الدالة NaN («ليس عددا»)، ونفحصها بالدالة isnan(). البرنامج يقرأ كل 2.5 s بواسطة millis() بدون delay()، فتبقى الحلقة حرّة لأعمال أخرى:

#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 %

نفخنا على الحسّاس بعد القراءة الأولى: الرطوبة قفزت ثم عادت ببطء، لأن زمن الاستجابة (זמן תגובה) لعنصر الرطوبة أطول بكثير منه لعنصر الحرارة.

חיישן טמפרטורה תעשייתי: PT100 – حسّاس حرارة صناعي: PT100 (Industrial Sensor: PT100)

في المصنع نقيس حرارة أفران، أنابيب بخار وزيوت ساخنة، وغالبا على بعد عشرات الأمتار من لوحة التحكّم. هناك نستعمل غالبا حسّاس المقاومة البلاتينية.

المبدأ بسيط: كلما ارتفعت الحرارة زادت المقاومة، عكس NTC. لكن التغيّر صغير: عند 100 °C تكون المقاومة نحو 138.5 Ω (قيمة نموذجية حسب المواصفة)، أي أقل من نصف أوم لكل درجة. لذلك لا نوصل PT100 بطرف المتحكّم مباشرة، ونوصله بثلاثة أسلاك أو أربعة حتى لا تُضاف مقاومة الأسلاك الطويلة إلى القراءة.

كيف نقرؤه؟ بجانب الحسّاس نركّب مرسِلا (משדר) يحوّل الحرارة إلى تيار في حلقة التيار 4–20 mA (לולאת זרם): مثلا 4 mA عند 0 °C و 20 mA عند 200 °C (المدى يُضبط في المرسِل). التيار لا يتأثّر بطول الأسلاك، والمتحكّم يقرؤه عبر مقاومة قياس. حلقة التيار وتوصيلها بالمتحكّم نتعلّمهما في الفصل 8.

השוואה ובחירת חיישן – مقارنة واختيار الحسّاس (Comparison)

الأرقام نموذجية حسب أوراق البيانات، وتختلف بين الطرازات والصانعين. المزدوج الحراري (צמד תרמי) في السطر الأخير سلكان من معدنين مختلفين ملحومان في طرف واحد؛ يعطي جهدا صغيرا جدا يتعلّق بالحرارة، ولذلك يُقرأ دائما عبر وحدة تحويل أو مرسِل. عند الاختيار نسأل: ما مدى القياس؟ هل نحتاج إلى الرطوبة؟ كم نقطة قياس؟ وهل البيئة صناعية؟

بإيجاز: للحرارة مع الرطوبة في غرفة أو دفيئة — DHT22؛ لعدّة نقاط قياس على كابل واحد أو في الماء — DS18B20؛ لقراءة تماثلية بسيطة بدون مكتبة — LM35؛ للأرخص والأصغر — NTC؛ وللعمليات الصناعية والدرجات العالية — PT100 حتى بضع مئات الدرجات، والمزدوج الحراري للأفران.

ملخّص قوانين الفصل:

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

أسئلة للتمرين: