ESP32 NTP hőmérséklet szonda főzési hőmérő Steinhart-Hart korrekcióval és hőmérséklet riasztással: 7 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Még mindig a "közelgő projekt" befejezésének útján, az "ESP32 NTP hőmérsékletmérő főzőhőmérő Steinhart-Hart korrekcióval és hőmérséklet-riasztással" egy utasítás, amely bemutatja, hogyan adhatok hozzá NTP hőmérséklet-szondát, piezo-zümmereket és szoftvereket a kapacitív érintőképernyőhöz. ESP32 kapacitív érintéses bemenet "Fém lyukas dugók" segítségével a gombokhoz "egyszerű, de pontos főzési hőmérő létrehozásához, programozható hőmérséklet -riasztással.

A három kapacitív érintőgomb lehetővé teszi a hőmérséklet riasztási szint beállítását. A középső gomb megnyomásával megjelenik a "Riasztási hőmérséklet beállítása" kijelző, amely lehetővé teszi, hogy a bal és a jobb gomb csökkentse vagy növelje a riasztási hőmérsékletet. A bal gomb megnyomása és felengedése egy fokkal csökkenti a riasztási hőmérsékletet, míg a bal gomb lenyomva tartása folyamatosan csökkenti a riasztási hőmérsékletet, amíg ki nem engedi. Hasonlóképpen, a jobb gomb megnyomása és felengedése egy fokkal növeli a riasztási hőmérsékletet, míg a jobb gomb lenyomva tartása folyamatosan növeli a riasztási hőmérsékletet, amíg ki nem engedi. Ha befejezte a riasztási hőmérséklet beállítását, egyszerűen érintse meg ismét a középső gombot, hogy visszatérjen a hőmérséklet -kijelzőhöz. A hőmérséklet bármikor megegyezik vagy magasabb, mint a riasztási hőmérséklet, a piezo zümmere megszólal.

És mint említettük, a tervezés során NTP hőmérséklet-szondát használnak a Steinhart-Hart egyenletekkel és a pontos hőmérséklet-leolvasáshoz szükséges együtthatókkal együtt. A Steinhart-Hart-egyenlet, a Steinhart-Hart-együtthatók, a feszültségosztók és az algebra túlzottan részletes leírását beillesztettem az 1. lépésbe (bónuszként elaludt minden alkalommal, amikor elolvastam, ezért érdemes hagyja ki az 1. lépést, és folytassa egyenesen a 2. lépéssel: Az elektronika összeszerelése, kivéve, ha természetesen szüksége van egy alvásra).

Ha úgy dönt, hogy elkészíti ezt a főzési hőmérőt, a testreszabáshoz és a 3D nyomtatáshoz a következő fájlokat mellékeltem:

• Arduino "AnalogInput.ino" fájl, amely tartalmazza a tervezéshez szükséges szoftvert.
• Autodesk Fusion 360 cad fájlok a tokhoz, amelyek bemutatják a ház tervezését.
• Cura 3.4.0 STL fájlok "Case, Top.stl" és "Case, Bottom.stl" 3D nyomtatásra készen.

Ismernie kell az Arduino környezetet, valamint a forrasztási készségeket és a berendezéseket, emellett szükség lehet a pontos digitális ohmmérők, hőmérők és hőmérséklet -források hozzáférésére a kalibráláshoz.

És mint általában, valószínűleg elfelejtettem egy vagy két fájlt, vagy ki tudja még mit, így ha bármilyen kérdése van, kérjük, ne habozzon, kérdezzen, mert rengeteg hibát követek el.

Az elektronikát ceruzával, papírral és Radio Shack EC-2006a (katalógusszám 65-962a) napelemes számológéppel tervezték.

A szoftvert az Arduino 1.8.5 használatával tervezték.

A tokot az Autodesk Fusion 360 segítségével tervezték, a Cura 3.4.0 segítségével szeletelték, és PLA -ban nyomtatták az Ultimaker 2+ Extended és az Ultimaker 3 Extended készülékekre.

És egy utolsó megjegyzés: semmilyen formában nem kapok kártérítést, beleértve, de nem kizárólagosan az ingyenes mintákat, az ebben a kialakításban használt alkatrészekért

1. lépés: Matematika, matematika és még sok más matematika: Steinhart – Hart, együtthatók és ellenállásosztók

Korábbi terveim, amelyek NTC hőmérséklet -szondát tartalmaztak, táblázatkeresési technikát alkalmaztak az ellenállásosztóból érkező feszültség hőmérsékletre való átalakítására. Mivel az ESP32 képes tizenkét bites analóg bemenetre, és mivel a nagyobb pontosság érdekében terveztem, úgy döntöttem, hogy a "Steinhart-Hart" egyenletet a feszültség-hőmérséklet konverzió kódjában valósítom meg.

Először 1968-ban publikálta John S. Steinhart és Stanley R. Hart, a Steinhart-Hart egyenlet az alábbiak szerint határozza meg az NTC hőmérséklet-szonda ellenállását a hőmérséklethez:

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

ahol:

• T Kelvin fok.
• A, B, C a Steinhart-Hart együtthatók (erről bővebben egy pillanat alatt).
• A Thermistor pedig a hőmérséklet -szonda termisztor ellenállási értéke az aktuális hőmérsékleten.

Miért van tehát szükség erre a látszólag bonyolult Steinhart-Hart egyenletre egy egyszerű NTC hőmérséklet-szonda alapú digitális hőmérőhöz? Egy "ideális" NTC hőmérséklet -szonda lineáris ellenállás -ábrázolást biztosítana a tényleges hőmérsékletről, így egy egyszerű lineáris egyenlet, amely magában foglalja a feszültségbemenetet és a skálázást, pontos hőmérséklet -megjelenítést eredményezne. Mindazonáltal az NTC hőmérséklet-érzékelők nem lineárisak, és gyakorlatilag minden alacsony költségű egykártyás processzor, például a WiFi Kit 32 nemlineáris analóg bemenetével kombinálva nemlineáris analóg bemenetet és így pontatlan hőmérséklet-leolvasást eredményeznek. A Steinhart-Harthoz hasonló egyenlet és a gondos kalibrálás használatával rendkívül pontos hőmérséklet-leolvasást lehet elérni az NTC hőmérséklet-szondák használatával, alacsony költségű egylapos processzorral a tényleges hőmérséklet közelítő közelítésének előállításával.

Tehát vissza a Steinhart-Hart egyenlethez. Az egyenlet a három A, B és C együtthatót használja a hőmérséklet meghatározására a termisztor ellenállásának függvényében. Honnan ez a három együttható? Néhány gyártó megadja ezeket az együtthatókat NTC hőmérséklet -szondáival, mások nem. Ezenkívül a gyártó által megadott együtthatók nem vagy nem az Ön által megvásárolt pontos hőmérsékleti szondára vonatkoznak, és valószínűleg együtthatói az összes általuk gyártott hőmérséklet -szonda nagy mintájára. És végül egyszerűen nem tudtam megtalálni az ebben a kialakításban használt szonda együtthatóit.

A szükséges együtthatók nélkül létrehoztam a Steinhart-Hart táblázatot, egy táblázatkezelő alapú számológépet, amely elősegíti a szükséges együtthatók előállítását egy NTC hőmérséklet-szondához (elvesztettem a linket egy hasonló webes számológéphez, amelyet sok évvel ezelőtt használtam, ezért létrehoztam ezt)). A hőmérsékleti szonda együtthatóinak meghatározásához először a feszültségosztóban használt 33k -os ellenállás értékének digitális ohmmérővel történő mérésével kezdem, majd az értéket az "Ellenállás" feliratú táblázat sárga területére írom be. Ezután a környezeti szondát három környezetbe helyezem; az első szobahőmérsékletet, a második jeges vizet és a harmadik forrásban lévő vizet, egy ismert pontos digitális hőmérővel együtt, és hagyjon időt arra, hogy a hőmérő hőmérséklete és a WiFi Kit 32 kijelzőjén megjelenő termisztor bemeneti szám stabilizálódjon (erről később). Mind a hőmérséklet, mind a termisztor bemeneti számának stabilizálódásakor beírom az ismert pontos hőmérő által jelzett hőmérsékletet és a WiFi Kit 32 kijelzőjén megjelenő termisztorszámot a táblázat "F fokok a hőmérőből" és "AD" feliratú sárga területébe. Számolja ki a 32”-os WiFi készletből, mindhárom környezetben. Miután az összes mérést megadta, a táblázat zöld területe biztosítja a Steinhart-Hart egyenlet által előírt A, B és C együtthatókat, amelyeket egyszerűen másol és beilleszt a forráskódba.

Amint korábban említettük, a Steinhart-Hart egyenlet kimenete Kelvin fokban van megadva, és ez a kialakítás Fahrenheit fokot jelenít meg. A Kelvin fokról Fahrenheit fokra való átváltás a következő:

Először alakítsa át a Kelvin-fokokat Celsius-fokra úgy, hogy a Steinhart-Hart-egyenletből kivonja a 273,15-öt (Kelvin-fok):

Fok C = (A + (B * (log (termisztor)))) + (C * log (termisztor) * log (termisztor) * log (termisztor))) - 273,15

Másodszor, alakítsa át a Celsius -fokokat Fahrenheit -fokra az alábbiak szerint:

F fokok F = ((C * 9 fok) / 5) + 32

A Steinhart-Hart egyenlet és az együtthatók teljesítésével egy második egyenletre van szükség az ellenállásosztó kimenetének leolvasásához. Az ebben a kialakításban használt ellenállásosztó modellje:

vRef <--- Termisztor <--- vOut <--- Ellenállás <--- Földelés

ahol:

• A vRef ebben a kialakításban 3.3vdc.
• A termisztor az ellenállásosztóban használt NTC hőmérséklet -szonda.
• vOut az ellenállásosztó feszültségkimenete.
• Az ellenállás az ellenállásosztóban használt 33 k -os ellenállás.
• És a föld az, hát a föld.

vAz ellenállásosztó kimenete ebben a kivitelben a WiFi Kit 32 analóg A0 bemenetéhez (36. tű) van csatlakoztatva, és az ellenállásosztó kimeneti feszültségét a következőképpen kell kiszámítani:

vOut = vRef * Ellenállás / (ellenállás + termisztor)

Azonban, amint azt a Steinhart-Hart egyenlet is megjegyezte, a termisztor ellenállási értéke szükséges a hőmérséklet eléréséhez, nem pedig az ellenállásosztó feszültségkimenete. Tehát az egyenlet átrendezése a termisztor értékének kiadásához egy kis algebra használatát igényli az alábbiak szerint:

Szorozzuk meg mindkét oldalt "(ellenállás + termisztor)" -al, így kapjuk:

vOut * (ellenállás + termisztor) = vRef * ellenállás

Oszd el mindkét oldalt "vOut" -al, így kapod:

Ellenállás + termisztor = (vRef * ellenállás) / vOut

Vonja le az "ellenállást" mindkét oldalról, ami a következőket eredményezi:

Termisztor = (vRef * Ellenállás / vOut) - Ellenállás

És végül, az elosztó tulajdonság használatával egyszerűsítse:

Termisztor = ellenállás * ((vRef / vOut) - 1)

Ha a WiFi Kit 32 A0 analóg bemeneti számát 0-tól 4095-ig helyettesíti a vOut-tal, és a 4096-os értéket a vRef-vel, akkor a Steinhart-Hart-egyenlet által előírt termisztor-ellenállást biztosító ellenállásosztó egyenlet a következő lesz:

Termisztor = ellenállás * ((4096 / analóg bemenet száma) - 1)

Tehát ha a matematika mögöttünk van, szereljünk össze néhány elektronikát.

2. lépés: Az elektronika összeszerelése

Az elektronika számára korábban összeszereltem az ESP32 Capacitive Touch demonstrátort https://www.instructables.com/id/ESP32-Capacitive… Ezzel az összeállítással a következő kiegészítő alkatrészekre van szükség:

• Öt, 4 hüvelykes 28awg drót (egy piros, egy fekete, egy sárga és két zöld).
• Az egyik a Maverick "ET-72 Temperature Probe" szonda (https://www.maverickthermometers.com/product/pr-003/).
• Egy, 2,5 mm-es "telefon" csatlakozó, panelre szerelhető (https://www.mouser.com/ProductDetail/502-TR-2A).
• Egy, 33 k ohmos 1% 1/8 wattos ellenállás.
• Egy, piezo zümmögő https://www.adafruit.com/product/160. Ha másik piezo zümmeret választ, győződjön meg arról, hogy az megfelel a specifikációnak (négyzethullámú hajtás, <= az ESP32 áramkimenete).

A további alkatrészek összeszereléséhez a következő lépéseket hajtottam végre:

• Lecsupaszította és ónozta a 4 hüvelykes huzalok végét az ábrán látható módon.
• Forrasztotta a sárga vezeték egyik végét és a 33 k ohmos ellenállás egyik végét a telefoncsatlakozó „Tip” tűjéhez.
• Forrasztotta a fekete vezeték egyik végét a 33 k ohmos ellenállás szabad végéhez, és levágta a felesleges ellenállás vezetéket.
• Hőzsugorcsövet alkalmaztak a vezetékek és az ellenállás felett.
• A piros vezeték egyik végét a telefoncsatlakozó "hüvely" tűjéhez forrasztotta.
• Forrasztotta a sárga vezeték szabad végét a WiFi 32 -es készlet 36 -os tűjére.
• Forrasztotta a fekete vezeték szabad végét a WiFi Kit 32 GND csapjára.
• Forrasztotta a piros vezeték szabad végét a WiFi Kit 32 3V3 -as érintkezőjére.
• Forrasztott egy zöld vezetéket a piezo zümmere egyik vezetékéhez.
• A maradék zöld vezetéket forrasztotta a piezo zümmer fennmaradó vezetékéhez
• Forrasztotta az egyik zöld piezo vezeték szabad végét a WiFi 32 -es 32 -es tűre.
• A fennmaradó zöld piezo vezetékek szabad végét a GND csaphoz forrasztotta a WiFi Kit 32 -en.
• A hőmérséklet -érzékelőt a telefon csatlakozójába dugta.

Miután minden kábelezés befejeződött, kétszer ellenőriztem a munkámat.

3. lépés: A szoftver telepítése

Az "AnalogInput.ino" fájl egy Arduino környezeti fájl, amely tartalmazza a tervezéshez szükséges szoftvert. Ezen a fájlon kívül szüksége lesz a WiFi Kit32 OLED kijelző "U8g2lib" grafikus könyvtárára is (erről a könyvtárról további információt a https://github.com/olikraus/u8g2/wiki oldalon talál).

Ha az U8g2lib grafikus könyvtár telepítve van az Arduino könyvtárába, és az "AnalogInput.ino" betöltődik az Arduino környezetbe, fordítsa le és töltse le a szoftvert a WiFi Kit 32 -be. Letöltés és futtatás után a WiFi Kit OLED kijelzőjének felső sora 32 -nek a "Hőmérséklet" feliratot kell olvasnia, és az aktuális hőmérsékletet nagy szöveggel kell megjeleníteni a kijelző közepén.

Érintse meg a középső gombot (T5) a "Riasztási hőmérséklet beállítása" kijelző megjelenítéséhez. Állítsa be a riasztás hőmérsékletét a bal vagy a jobb gomb (T4) megnyomásával a bevezetőben leírtak szerint. A riasztás teszteléséhez állítsa a riasztás hőmérsékletét az aktuális hőmérsékletre vagy alacsonyabbra, és a riasztásnak szólnia kell. Ha befejezte a riasztási hőmérséklet beállítását, érintse meg a középső gombot a hőmérséklet kijelzéshez való visszatéréshez.

A szoftverben a dProbeA, dProbeB, dProbeC és dResistor értékek azok az értékek, amelyeket az ebben a konstrukcióban használt szonda kalibrálása során határoztam meg, és néhány fokos pontosságú hőmérséklet -leolvasást kell generálniuk. Ha nem, vagy ha nagyobb pontosságra van szükség, akkor a kalibrálás következik.

4. lépés: Az NTP hőmérséklet szonda kalibrálása

A hőmérsékletmérő kalibrálásához a következő elemekre van szükség:

• Egy digitális ohmmérő.
• Egy ismert, pontos digitális hőmérő, amely 0 és 250 fok közötti hőmérsékletre képes.
• Egy pohár jeges víz.
• Egy edény forrásban lévő víz (nagyon, nagyon óvatosan!).

Kezdje a tényleges 33 k -es ellenállás értékének meghatározásával:

• Húzza ki az áramellátást a WiFi Kit 32 kártyából.
• Távolítsa el a hőmérséklet-érzékelőt a telefon csatlakozójából (szükség lehet a fekete vezeték forrasztására a WiFi Kit 32-ből, a digitális ohmmérőtől függően).
• Nyissa meg a Steinhart-Hart táblázatot.
• Mérje meg a 33k ohmos ellenállás értékét a digitális ohmmérő segítségével, és írja be a táblázat sárga "Ellenállás" mezőjébe, és a szoftver "dResistor" változójába. Bár ez túlzásnak tűnhet, a 33 k ohmos 1% -os ellenállás valóban befolyásolhatja a hőmérséklet kijelzés pontosságát.
• Csatlakoztassa a hőmérséklet -érzékelőt a telefon csatlakozójához.

Ezután szerezze be a Steinhart-Hart együtthatókat:

• Kapcsolja be az ismert pontos digitális hőmérőt.
• Csatlakoztasson egy USB áramforrást a WiFi Kit 32 -hez.
• Egyidejűleg nyomja meg és tartsa lenyomva a bal (T4) és a jobb (T6) gombot, amíg meg nem jelenik a "Termisztor számláló" kijelző.
• Hagyja stabilizálódni mind a digitális hőmérő, mind a termisztorszámláló kijelzőit.
• Írja be a hőmérsékletet és a termisztor számát a "Szoba" sor sárga "F fok a hőmérőből" és az "AD számok az ESP32" oszlopaiba.
• Helyezze a digitális hőmérőt és a termisztor szondákat jeges vízbe, és hagyja, hogy mindkét kijelző stabilizálódjon.
• Írja be a hőmérsékletet és a termisztor számát a "Hideg víz" sor sárga "F fok a hőmérőből" és az "AD számok az ESP32 -ből" oszlopaiba.
• Helyezze a digitális hőmérőt és a termisztor szondákat forró vízbe, és hagyja, hogy mindkét kijelző stabilizálódjon.
• Írja be a hőmérsékletet és a termisztor számát a "Forró víz" sor sárga "F fok a hőmérőből" és az "AD számok az ESP32 -ből" oszlopaiba.
• Másolja a zöld "A:" együtthatót a forráskód "dProbeA" változójába.
• Másolja a zöld "B:" együtthatót a forráskód "dProbeB" változójába.
• Másolja a zöld "C:" együtthatót a forráskód "dProbeC" változójába.

Fordítsa össze és töltse le a szoftvert a WiFi Kit 32 -be.

5. lépés: A tok és a végső szerelvény 3D nyomtatása

A "Case, Top.stl" és a "Case, Bottom.stl" -t egyaránt kinyomtattam.1 mm rétegmagasságban, 50% -os kitöltéssel, támaszok nélkül.

A tok kinyomtatásával a következőképpen szereltem össze az elektronikát és a tokot:

• Leszereltem a vezetékeket a három lyukú dugóról, a lyukas dugókat a helyükre nyomtam a "Case, Top.stl" -ben, majd újra forrasztottam a vezetékeket a lyukas dugókhoz, figyelve a balra (T4), középre (T5) és jobbra (T6) vezetékek és a megfelelő gombok.
• Rögzítse a telefoncsatlakozót a "Case, Bottom.stl" kerek lyukhoz a mellékelt anyával.
• Helyezze a piezo zümmögőt a tok alsó részébe a telefoncsatlakozó mellé, és rögzítse a helyére kétoldalas szalaggal.
• Csúsztassa a 32 -es WiFi -készletet a tok alsó részébe, ügyelve arra, hogy a 32 -es WiFi -készlet USB -portja illeszkedjen a tok alján lévő ovális lyukhoz (NE nyomja meg az OLED -kijelzőt, hogy a 32 -es WiFi -készletet a tok alján helyezze el) összeszerelés, bízz bennem ebben, csak ne tedd!).
• A tok felső részét ráhelyezték a ház alsó szerelvényére, és a sarkokon kis pontok vastag cianoakrilát ragasztóval rögzítették.

6. lépés: A szoftverről

Az "AnalogInput.ino" fájl a korábbi "Instructable" https://www.instructables.com/id/ESP32-Capacitive-Touch-Buttons/ "" Buttons.ino "fájl módosítása. Módosítottam az eredeti három kódrészletet "setup ()", "loop ()" és "InterruptService ()", hogy tartalmazzák a szonda és a riasztó szoftvereit, és hozzáadtam további három "Analog ()" kódrészletet, "Gombok ()" és "Kijelző ()" a "hurok ()" tisztításához, valamint a szonda és a riasztáshoz szükséges szoftver hozzáadásához.

Az "Analog ()" tartalmazza a termisztor-szám tömbbe való beolvasásához szükséges kódot, a számlálók tömbjének átlagolását, a feszültségosztó segítségével a termisztor értékének előállítását, végül a Steinhart-Hart-egyenletek és a hőmérséklet-konverziós egyenletek felhasználását Fahrenheit-fokok előállításához.

A "Gombok ()" tartalmazza a gombnyomások feldolgozásához és a riasztási hőmérséklet szerkesztéséhez szükséges kódot.

A "Kijelző ()" tartalmazza az információk OLED kijelzőn való megjelenítéséhez szükséges kódot.

Ha bármilyen kérdése vagy megjegyzése van a kóddal vagy az útmutató más részével kapcsolatban, kérdezzen bátran, és mindent megteszek, hogy válaszoljak rájuk.

Remélem tetszett (és még mindig ébren vagy)!

7. lépés: A "Közelgő projekt"

A közelgő projekt, az "Intelligrill® Pro" egy kettős hőmérsékletű szonda dohányos monitor, amely a következőket tartalmazza:

• Steinhart-Hart hőmérsékleti szonda számítások (szemben a "look-up" táblázatokkal) a nagyobb pontosság érdekében, ahogy ezt az utasítás tartalmazza.
• Előrejelzési idő a befejezésig az 1. szondán, amely magában foglalja a Steinhart-Hart számításokból származó nagyobb pontosságot.
• Egy második szonda, a 2. szonda, a dohányos hőmérsékletének ellenőrzésére (32-399 fok között).
• Kapacitív érintéses beviteli vezérlők (mint az előző utasításban).
• WIFI -alapú távfelügyelet (rögzített IP -címmel, lehetővé teszi a dohányos haladásának nyomon követését bárhonnan, ahol elérhető internetkapcsolat).
• Bővített hőmérsékleti tartomány (32-399 fok).
• Hangos befejezési riasztások mind az Intelligrill® távadón belül, mind a legtöbb WiFi -képes felügyeleti eszközön.
• A hőmérséklet kijelzése F vagy C fokokban.
• Az időformátum vagy ÓÓ: HH: SS vagy ÓÓ: HH. Az akkumulátor kijelzője voltban vagy % -ban feltöltve.
• És PID kimenet csiga alapú dohányosoknak.

Az "Intelligrill® Pro" még tesztelés alatt áll, hogy az általam tervezett legpontosabb, funkciókkal teli és legmegbízhatóbb HTML alapú Intelligrill® legyen. Ez még tesztelés alatt áll, de az étkezésekkel, amelyek elősegítik a tesztelés során való felkészülést, több mint néhány kilót híztam.

Még egyszer remélem, hogy élvezni fogja!