Главная  /  On-line руководство  /  Подключение терморезисторов (термисторов, термосопротивлений) к WiFi-контроллеру SC120

Подключение терморезисторов (термисторов, термосопротивлений) к WiFi-контроллеру SC120


Содержание

Терморезисторы (термисторы, термосопротивления)
Схема подключения
Конфигурирование модуля для работы с датчиками температуры LM35
Работа через приложение "Smacont RC03"
Заключение
Дополнительная информация о терморезисторах



Терморезисторы (термисторы, термосопротивления)

Smacont. Терморезисторы (термисторы, термосопротивления)

Терморезистор (термистор, термосопротивление) — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры.

Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году. Терморезисторы изготавливаются из материалов с высоким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который обычно на порядки выше, чем ТКС металлов и металлических сплавов.

По типу зависимости сопротивления от температуры различают терморезисторы с отрицательным (NTC-термисторы, от слов «Negative Temperature Coefficient») и положительным (PTC-термисторы, от слов «Positive Temperature Coefficient» или позисторы) температурным коэффициентом сопротивления (или ТКС). Для позисторов — с ростом температуры растёт их сопротивление; для NTC-термисторов увеличение температуры приводит к падению их сопротивления.

Описание терморезистора MF52 (datasheet): на английском языке, на русском языке.

Характеристики терморезистора MF52

- Температурный диапазон: от -55 до +125˚С;
- Погрешность измерения: ±0,25˚С;
- Допуск: ±1%(F); ±2%(G); ±3%(H); ±5%(J); ±10%(K);

Cхемы включения терморезисторов


Smacont. Схема 1 включения терморезисторов

Smacont. Схема 1 включения терморезисторов к WiFi-модулю SC120

Наиболее распространненым вариантом подключения является схема 1. При выборе номинала резистора R1 примерно равным сопротивлению термистора в районе измеряемых температур, значения Uout будут изменяться ближе к линейным, что обеспечит большую точность.

Выбирая номиналы R1 и терморезистора, следует учесть, что протекающий через терморезистор измерительный ток. Если его величина будет более 100 мкА или же сопротивление термистора будет иметь небольшую величину, то результат измерений искажается. Это явление называется саморазогревом и, зависит не только от нагрузки, но и от применяемых материалов и конструкции датчика. Желательно чтобы мощность на термисторе не превышала 1 мВт, а значит, что при напряжении U = 3.3В, R1 должен быть не менее, 10 кОм. Сопротивление терморезистора в измеряемом диапазоне должно иметь примерно тот же порядок.


Smacont. Схема 2 включения терморезисторов

Smacont. Схема 2 включения терморезисторов к WiFi-модулю SC120

Схема 2 используется для режима линеаризации сопротивления (включение обычного резистора параллельно термистору). Если значение резистора равно сопротивлению термистора при комнатной температуре, область линеаризации будет симметрична относительно точки комнатной температуры. При использовании включения по схеме 2, за счет резистора R3 также ограничивается рассеиваемая мощность на терморезисторе, что положительно сказывается на точности измерений температуры.

Этот подход хорош, если микропроцессор не может вычислять выражения с плавающей запятой, поскольку он упрощает реакцию в некотором диапазоне температур до линейного характера. Это также упрощает проектирование схемы, в которой нет микропроцессора.


Smacont. Схема 3 и 4 включения терморезисторов

Smacont. Схема 3 и 4 включения терморезисторов к WiFi-модулю SC120

Схемы 3 и 4 являются обратными к 1 и 2. Их имеет смысл использовать, когда значение опорного напряжения АЦП (Uref) ниже U.



Схема подключения

В схеме используется четыре термистора MF52, два из которых (R3, R4) выполнены в герметичном исполнении.


Smacont. Схема подключения термисторов MF52 к WiFi-контроллеру SC120

Схема подключения термисторов MF52 к WiFi-модулю SC120

Контроллер SC120 и термисторы установлены на макетной плате для проектирования (Breadboard), позволяющей собирать проекты без пайки.


Smacont. Внешний вид макетной платы с модулем SC120 и термисторами MF52

Smacont. Внешний вид макетной платы с WiFi-модулем SC120 и подключенными термисторами MF52


Smacont. Внешний вид макетной платы с модулем SC120 и термисторами MF52

Smacont. Внешний вид макетной платы с WiFi-модулем SC120 и подключенными термисторами MF52

В качестве внешнего источника используется адаптер питания для зарядки сотовых телефонов, смартфонов, планшетов, с выходным током не менее 500мА. Для автономного питания контроллера можно использовать портативные аккумуляторы (Power Bank) емкостью от 2000мА*ч и выше. В качестве соединительного кабеля между макетной платой (Breadboard) и адаптером используется кабель для зарядки сотовых телефонов.



Конфигурирование модуля для работы с термисторами MF52

Выводы «1», «2», «3», «25», «24» (вход «IN0» … «IN4» соответственно) WiFi-модуля SC120 могут быть сконфигурированы как 12-тиразрядные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) В данном примере используются только выводы «1», «2», «3», «25» (входы «IN0»...«IN3» соответственно). Настройка входов «IN0»...«IN3» производится при помощи "Программы Конфигурирования".

Перед началом работы с "Программой Конфигурирования" необходимо выполнить настройку сетевого соединения с WiFi-модулем (для Windows, для Android). После настройки сетевого соединения необходимо запустить "Программу Конфигурирования". Далее необходимо выполнить процедуру выбора IP-адреса контроллера SC120 и ввода пароля. При этом, необходимо вводить пароль "Администратора". При изготовлении модуля, для «Администратора» установлен следующий пароль «admin».

Для конфигурирования входов WiFi-модуля SC120 необходимо выбрать вкладку "Входы".


Smacont. Программа Конфигурирования. Входы

Smacont. Программа Конфигурирования. Входы

Следующим шагом конфигурирования входов «IN0»...«IN3» является задания им типа "Аналоговый".


Smacont. Программа Конфигурирования. Входы

Smacont. Программа Конфигурирования. Входы

Каждый вход, тип которого установлен как "Аналоговый", имеет следующие настройки:
- «Период опроса» - промежуток времени, через который происходит оцифровка значения входа.
- «Фильтр» - цифровая фильтрация результатов АЦП методом скользящего среднего: «Откл.» - отключена; «Вкл.» - включена.



Работа через приложение "Smacont RC03"

При соединении с WiFi-модулем, на вкладке "Входы" отображаются цифровые значения входов. Для перевода цифровых значений входов «IN0»...«IN3», к которым подключены термисторы, в значение температуры необходимо воспользоваться следующей формулой: Значение температуры для термисторов рассчитывается по формуле (подробное описание формулы см. выше):
T = 1/((1/3950)*Math.log((val*3.3/4096)/(3.3-val*3.3/4096))+1/298.15)-273.15
где:
T - значение температуры в градусах Цельсия;
val – цифровое значений входов «IN0»...«IN3», к которому подключен термистор.

Для того, чтобы приложение "Smacont RC03" автоматически пересчитывало цифровые значения входов «IN0»...«IN1» в значения температуры, необходимо выполнить инструкции, указанные на рисунках ниже.


Smacont. Приложение Smacont RC03

1. Нажать кнопку выбора меню "≡".

2. Выбрать пункт меню "Конфигурация".

3. В окне "Конфигурация" выбрать раздел "2".


Smacont. Приложение Smacont RC03

4. В поле "IP-адрес": для устройства "У0" задать 185.251.223.223.

5. Выбрать раздел "3".

6. В поле "Входы. Описание", для входов "У0.0"..."У0.3" задать название входов как показано на рисунке (где <br> - перенос строки).

7. Выбрать раздел "3".

8. В поле "Входы. Формулы", для входов "У0.0"..."У0.1" задать формулы 1/((1/3950)*Math.log((val*3.3/4096)/(3.3-val*3.3/4096))+1/298.15)-273.15.

9. Нажать кнопку "<" для выхода из окна "Конфигурация".


Smacont. Приложение Smacont RC03

10. Нажать кнопку выбора меню "≡".

11. Выбрать пункт меню "Настройка контроля".

12. В окне "Настройки контроля" поставить на контроль "Устройство 0", нажав на соответствующий переключатель.


Smacont. Приложение Smacont RC03

13. Нажать кнопку "<" для выхода из окна "Настройка контроля".



Заключение

Применение термисторов с отрицательным ТКС в качестве датчиков температуры имеет определенные ограничения, связанные с точностью и погрешностью измерений, но при использовании предложенного в рамках данной статьи метода такое применение возможно.

Терморезисторы в виде бусинки отличаются быстротой реакции на изменение тмпературы.

Термисторы-бусинки (DA1, DA2) отличаются меньшей инерционностью при изменении температуры окружающей среды (быстрее нагреваются/остывают), чем датчики в герметичном исполнении (DA3, DA4).



Дополнительная информация о терморезисторах

Условно терморезисторы классифицируют как низкотемпературные (предназначенные для работы при температурах ниже 170 К), среднетемпературные (от 170 до 510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Выпускаются терморезисторы, предназначенные для работы при температурах от 900 до 1300 К. Терморезисторы способны работать в различных климатических условиях и при значительных механических нагрузках. Однако, с течением времени, при жёстких условиях его эксплуатации, например, термоциклировании, происходит изменение его исходных термоэлектрических характеристик, таких как:
- номинального (при 25 °C) электрического сопротивления;
- температурного коэффициента сопротивления.

Одним из существенных недостатков «бусинковых» термисторов, как температурных датчиков, является то, что они не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки. Не существует стандартов, регламентирующих их номинальную характеристику сопротивление — температура. «Дисковые» термисторы могут быть взаимозаменяемыми, однако при этом лучшая допускаемая погрешность не менее 0,05 °С в диапазоне от 0 до 70 °С. Типичный 10-килоомный термистор в диапазоне 0—100 °С имеет коэффициенты, близкие к следующим значениям:
- A=1,03*10^(-3)
- B=2,93*10^(-4)
- C=1,57*10^(-7)

Режим работы терморезисторов зависит от выбранной рабочей точки на вольт-амперной характеристике (или ВАХ) такого прибора. В свою очередь ВАХ зависит от приложенной к прибору температуры и конструктивных особенностей терморезистора.

Терморезисторы с рабочей точкой, выставленной на линейном участке ВАХ, используются для контроля за изменением температуры и компенсации параметров (электрическое напряжение или электрический ток) электрических цепей, возникших вследствие изменения температуры. Терморезисторы с рабочей точкой, выставленной на нисходящем участке ВАХ (с «отрицательным сопротивлением») применяются в качестве пусковых реле, реле времени, в системах измерения и контроля мощности электромагнитного излучения на сверхвысоких частотах (или СВЧ), системах теплового контроля и пожарной сигнализации, в установках регулирования расхода жидких и сыпучих сред.

Наиболее широко используются среднетемпературные терморезисторы (с температурным ТКС от −2,4 до −8,4 %/К), работающие в широком диапазоне сопротивлений (от 1 до 106 Ом).

Также существуют терморезисторы с небольшим положительным температурным коэффициентом сопротивления (или ТКС) (от 0,5 до 0,7 %/К) выполненные на основе кремния, сопротивление которых изменяется по закону близкому к линейному. Такие терморезисторы находят применение в системах охлаждения и температурной стабилизации режимов работы транзисторов в различных радиоэлектронных системах.

Так же терморезисторы с положительным ТКС применяются в качестве саморегулирующихся нагревательных элементов, сопротивление которых растет по мере роста собственной температуры (PTC нагреватель). Такой нагревательный элемент никогда не перегреется и будет выдавать примерно одинаковую тепловую мощность в широком диапазоне напряжений.


Вычисление значения температуры

Зависимость сопротивления термистора от температуры обычно указывается в характеристиках конкретной модели термистора. Но всегда она представляет из себя логарифмическую кривую, где, если откладывать температуру по оси X, а сопротивление по оси Y, то при температуре 25 ºC, мы по оси Y имеем номинальное значение сопротивление термистора, т.е. в нашем случае 10кОм. А далее, при повышении температуры, сопротивление либо убывает, как в нашем случае NTC-термистора, либо возрастает, в случае PTC-термистора.


Уравнение Штейнхарта-Харта

Наилучшим приближением, известным на сегодняшний день, является формула Штейнхарта-Харта. Уравнение Стейнхарта — Харта — математическая модель, описывающая сопротивление полупроводниковых терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом электрического сопротивления в зависимости от температуры. Уравнение названо в честь Джона Стейнхарта (John S. Steinhart) и Стэнли Харта (Stanley R. Hart), впервые опубликовавших его в 1968 г.

Уравнение Штейнхарта для точного приближения:
1/T=A+B*(ln(R))+C*(ln(R))^3
Где:
ln R — логарифм сопротивления при температуре T в Кельвине,
A, B и C — коэффициенты, полученные из экспериментальных измерений.

Коэффициенты A, B и C обычно публикуются поставщиками термисторов в составе таблицы данных.

Также константы можно определить с помощью данного калькулятора, введя в нем значения сопротивления терморезистора при трех значениях температуры или вы их можете непосредственно узнать из даташита на ваш терморезистор.

Формула Штейнхарта-Харта, как правило, составляет около ±0,15°С в диапазоне от -50°С до +150°С, что является достаточной для большинства применений. Если требуется высокая точность, диапазон температур должен быть уменьшен, а точность около ±0,01°C может быть получена в диапазоне от 0°C до +100°C.


Табличный метод

Термисторы обладают высокой степенью нелинейности параметров, и термисторы различных моделей могут по разному изменять сопротивление в зависимости от температуры. Поэтому Уравнение Стейнхарта — Харта может лишь приблизительно оценить температуру. Кроме того, такая формула подразумевает сложные вычисления, которые требуют много процессорного времени, что часто является неприемлемым. Более простым и эффективным подходом является хранение таблицы, в которую заносятся предварительно рассчитанные значения, возвращаемые АЦП при тех, или иных температурах.

Для работы с модулем SC120 табличный метод не используется.


Использование константы «B»

Каждый материал термистора имеет различную материальную константу и, следовательно, индивидуальную кривую отношения сопротивления и температуры.

Так, константа «B» определяет одно резистивное значение при базовой T1 (25ºС), и другое значение при Т2 (например, при 50ºC или 100ºC).

Следовательно, значение «B» определит постоянную константу материала термистора, ограниченную диапазоном T1 и T2.

B = (T2 * T1 / T2 – T1) * ln(R1/R2)
где: T1, T2 – температуры в градусах Кельвина; R1, R2 – сопротивления при соответствующих температурах в Омах.



Программы

Скачать программы (zip)

Скачать "Smacont RC03" (zip)



Новости


25.09.2020

Терморегулятор на четыре канала


22.09.2020

Термометр для измерения температуры воздуха на базе светодиодной ленты ws2811, ws2812b (sk6812)


13.09.2020

Контроллер управления сервоприводами и светодиодной подсветкой для полноростовых крыльев


25.08.2020

Сравнение датчиков температуры при работе с WiFi-модулем SC120


24.08.2020

Подключение терморезисторов (термисторов, термосопротивлений) к WiFi-модулю SC120


22.08.2020

Подключение датчиков температуры LM35 (TMP35, TMP36, TMP37) к WiFi-контроллеру SC120


16.08.2020

Подключение датчика температуры и влажности DHT11/DHT22 к WiFi-модулю SC120


все новости



Продукция     Программы     Применения     Справочник         Контакты     SMACONT. Напишите нам smacont@ya.ru