Pengukuran Suhu untuk Proyek Lab dan Sains

Pengantar

Setiap lab (rumah, kantor, sekolah) membutuhkan kemampuan pengukuran suhu. Mengukur suhu untuk eksperimen sains itu sulit - segala macam bahan, cairan, dan bahan kimia mungkin terlibat atau rentang suhu yang besar mungkin perlu dicakup. Sensor yang digunakan untuk ini (termokopel) tidak mudah dihubungkan, dan penguat sensor tidak sepele karena harus mampu mengukur tegangan yang sangat kecil.

Untuk fleksibilitas dalam eksperimen sains yang dapat digunakan, akurasi tinggi diperlukan bersama dengan respons yang cepat dan tingkat pembaruan yang baik. Tak perlu dikatakan bahwa data harus dicatat dalam bentuk yang nyaman, dan harus mudah digunakan.

Untuk kenyamanan, ada pengukuran suhu dan produk logging siap pakai di luar sana, terkadang tidak mudah digunakan karena kelebihan tombol lunak dan tampilan terbatas. Selain itu untuk lab besar atau informasi penggunaan ruang kelas harus dicatat dan diambil oleh orang-orang dengan mudah – dan mungkin melihat status saat ini di layar besar. Tak perlu dikatakan lagi bahwa beberapa eksperimen mungkin memakan waktu lama, jadi kemampuan untuk memeriksa eksperimen Anda menggunakan ponsel saat makan siang juga berguna. Satu persyaratan terakhir adalah bahwa ini harus mudah dibuat bahkan untuk orang yang baru mengenal elektronik dan perangkat lunak.

Proyek ini menunjukkan cara menghubungkan papan termokopel ke Raspberry Pi (RPI), dan menggunakannya untuk pengukuran suhu dan pencatatan dengan kinerja hebat dan biaya sangat rendah. Proyek ini mudah – tidak perlu menyolder kecuali Anda menginginkannya. Ini juga merupakan proyek yang bagus untuk mulai menggunakan konektor 'header DIL (dual-in-line)'  pada RPI jika Anda belum melakukannya.

Ikhtisar Desain

Banyak proyek hobi berbasis termokopel menggunakan sirkuit terintegrasi MAX31855 dan papan 'penguat termokopel' siap pakai tersedia untuk menghubungkan ke RPI dari beberapa pemasok. Namun proyek ini menggunakan ADS1118 dengan resolusi jauh lebih tinggi dari Texas Instruments. Itu datang dalam paket permukaan-mount tapi untungnya papan pengembangan ADS1118 siap pakai tersedia yang berisi semua sirkuit termasuk layar LCD dan termokopel – ini adalah nilai yang sangat baik untuk uang. Jika Anda tidak suka menyolder maka dimungkinkan untuk menghubungkan papan ini ke Raspberry Pi (atau papan komputer lainnya – ia menggunakan metode komunikasi berbasis standar yang disebut Serial Peripheral Interface atau SPI) menggunakan delapan kabel jumper (male-to- kabel perempuan diperlukan). Atau, jika Anda tidak keberatan dengan latihan menyolder, maka papan adaptor kecil dapat dibuat. Ini adalah pendekatan yang diambil di sini. Singkatnya, Anda dapat melihat pada foto di bawah semua bit yang digunakan untuk proyek ini, termasuk papan adaptor yang telah dirakit.

Seluruh proyek dapat dikontrol melalui browser web atau dari baris perintah.

Untuk membuat papan adaptor, cara paling sederhana adalah dengan menggunakan papan sirkuit; menggunakan perangkat lunak EAGLE, saya membuat desain yang filenya dilampirkan ke pos ini siap dikirim ke produsen PCB (biayanya sekitar $30 untuk sepuluh papan).

Sebagai alternatif, papan prototipe dapat digunakan; Saya memperoleh beberapa papan perf (tipe dengan bantalan terisolasi, bukan papan strip) dan memotongnya sesuai ukuran. Lubang 3mm dibor untuk memasang pilar pendukung (spasir hex berulir). Papan diletakkan bersebelahan, bukan di atas satu sama lain, untuk meminimalkan perubahan suhu dan masalah kebisingan, yang keduanya akan berdampak pada pembacaan termokopel.

Saya ingin kemampuan untuk memasang papan ADS1118 ke sisi pad papan perf, jadi ada sedikit komplikasi di sini. Solusinya adalah menggunakan header SIL yang bengkok. Header SIL 10-arah diperlukan (foto menunjukkan 8-arah yang saya miliki) – atau gunakan mount permukaan yang serupa tetapi dengan ujung bengkok bergantian di kedua sisi. Jika Anda menggunakan papan sirkuit dan bukan papan perf, maka header SIL lurus diperlukan.

Untuk menyelaraskannya, colokkan ke papan ADS1118, dan posisikan di atas papan perf lalu tempelkan beberapa pin dengan solder. Kemudian papan ADS dapat dicabut dengan sangat hati-hati dan header SIL kemudian dapat disolder dengan benar. Perhatikan bahwa pada tahap ini cukup sulit untuk mencabut kabel tanpa merobek bantalan dari papan. Pegang bagian kepala SIL yang bengkok ke papan sambil mencabut papan ADS1118.

Selanjutnya, untuk membuat header SIL sangat aman, solder setiap pin ke sebanyak mungkin bantalan (masing-masing dapat disolder ke tiga bantalan).

Untuk mengidentifikasi koneksi, lihat foto penomoran pin di bawah ini dan tabel berikut:

+ perluas tampilan sumber polos

1. * Koneksi:
2. * Papan TI       RPI B+
4. * P1_1  VCC      1     3.3V
5. * P1_7  CLK      23    CLK
6. * P1_8  ADS_CS   26    SPI_CE1
7. * P2_8  LCD_CS   24    SPI_CE0
8. * P2_9  LCD_RS   11    GPIO_17_GEN0
9. * P2_1  GND      9     GND
10. * P2_6  SIMO     19    MOSI
11. * P2_7  SOMI     21    MISO

Setelah menguji perangkat lunak dan fungsionalitas papan, dimungkinkan untuk menggunakan beberapa lem resin epoksi (misalnya Araldite) untuk membuat header SIL lebih aman. Jumlah minimal digunakan sehingga masih memungkinkan untuk menyolder ke pin jika diperlukan di masa mendatang.

Dengan pendekatan PCB yang disebutkan sebelumnya, ketika PCB tiba, pin header dan wadah dapat disolder, dan ini adalah tugas yang mudah (membutuhkan waktu lima menit) sehingga PCB adalah metode yang disukai terutama jika Anda perlu membuat banyak (saya berniat untuk membuat beberapa). Saya menggunakan pin header DIL alih-alih SIL, tetapi keduanya akan berfungsi dengan tata letak PCB yang dilampirkan pada posting ini.

Perangkat Lunak

Diagram di sini menunjukkan gambaran umum solusi keseluruhan. Sebagian besar kode ada dalam tiga file. Kode yang menghubungkan ke papan ADS1118 dibahas terlebih dahulu, karena kode ini dapat dijalankan secara mandiri jika diinginkan. Itu ditunjukkan dengan warna ungu dalam diagram.

Untuk membuat software, hal pertama yang harus dilakukan adalah membuat logo:

+ perluas tampilan sumber polos

1. /****************************************** ************************************************** ***
2. * therm.c
3. * RPI <-> 430BOOST-ADS1118 Thermocouple/LCD Board
4. *
5. *        __                          __    ____   _____
6. *   ____ | | ____   _____   ____   _____/  |_  /_   | /  | |
7. * _/ __ \| | _/ __ \ /     \_/ __ \ /    \   __\  | |/   | |_
8. * \  ___/| |_\  ___/| Y Y  \  ___/| | \  | | /    ^   /
9. *  \___  >____/\___  >__|_| /\___  >___| /__| |_\____   |
10. *      \/         \/     \/    \/     \/              |__|

Langkah selanjutnya adalah memanfaatkan kekayaan kode yang biasanya ditawarkan TI. Dalam hal ini, TI telah memiliki kode ADS1118 berkualitas tinggi yang ditujukan untuk Launchpad MSP430 yang dapat digunakan kembali. Itu sedikit diadaptasi agar dapat digunakan pada RPI, menggunakan beberapa kode input/output (I/O) dari Gert van Loo dan Dom.

Pengukuran suhu mungkin tampak mudah (membaca nilai ADC dan mengubahnya menjadi suhu) tetapi termokopel memerlukan 'kompensasi sambungan dingin' yang dalam kasus ADS1118 berarti juga membaca sensor suhu internal. Kode menyisipkan membaca sensor internal dan termokopel eksternal. Poin kunci lainnya adalah bahwa keluaran termokopel tidak linier dibandingkan dengan suhu; produsen termokopel mempublikasikan data yang dapat digunakan untuk mendapatkan konversi yang lebih akurat dari nilai ADC ke suhu aktual. Kode TI sudah menyertakan kemampuan ini untuk termokopel yang disertakan.

Kode diadaptasi untuk menambahkan kemampuan logging. Karena papan akan ditenagai oleh pasokan 3.3V yang bising dari RPI, dan berada di dekat RPI, beberapa langkah perlu diambil untuk memastikan bahwa pengukuran dibersihkan. Algoritma yang diterapkan setiap detik membaca sensor suhu internal satu kali, dan termokopel eksternal sepuluh kali dalam waktu singkat (total beberapa ratus milidetik) sehingga pengukuran dapat dirata-ratakan dan akhirnya menghasilkan resolusi 0,1 derajat C. Hasil akhirnya sangat bagus; lihat beberapa contoh keluaran di sini.

LCD memiliki dua baris 16 karakter, jadi diputuskan untuk menggunakan garis bawah untuk menampilkan waktu dan suhu termokopel saat ini. Baris teratas bergantung pada pengguna; itu dapat diatur ke sesuatu sehingga orang segera tahu tentang apa eksperimen itu. Misalnya, ia dapat mengatakan “Uji #1” atau “Jangan sentuh”.

Menggunakan kode itu mudah.

Pertama, konfirmasikan bahwa beberapa fitur diaktifkan pada RPI. Jika RPI baru digunakan, maka setelah penginstalan sistem operasi, pastikan bahwa 'Lanjutan ’ opsi menu dipilih dan kemudian mengaktifkan tiga hal:SSH , SPI dan I2C – kami tidak menggunakan semua ini untuk proyek ini, tetapi mereka adalah antarmuka berbasis standar yang harus selalu diaktifkan kecuali jika Anda tidak pernah ingin mencabut RPI dari monitor atau tidak menggunakan konektor DIL 40 arah pada RPI. Jika ini tidak dilakukan setelah instalasi OS, ketik raspi-config di jendela teks (juga dikenal sebagai shell perintah) pada RPI, lalu pilih ‘Lanjutan ' di menu yang muncul.

Dengan asumsi tiga fitur yang disebutkan di atas diaktifkan, kemudian buat folder untuk pekerjaan Anda dari direktori home Anda (mis. buat folder bernama pengembangan lalu subfolder bernama therm ) dan salin kode sumber (terlampir pada posting ini) ke dalam sub-folder itu.

Untuk mengkompilasi jenis kode:

+ perluas tampilan sumber polos

1. gcc -o therm therm.c -lrt

Kode sekarang siap dijalankan. Ada beberapa cara untuk menggunakan proyek ini. Salah satu caranya adalah dengan mengetikkan perintah ke dalam shell perintah. Cara lain adalah dengan menggunakan browser web. Kedua metode ini akan dibahas selanjutnya.

Antarmuka Perintah

Kode dapat dijalankan baik menggunakan ‘sudo ' atau sebagai pengguna super (root) pengguna.

Untuk yang terakhir, untuk menjadi pengguna root, pertama ketik sudo passwd root satu kali, dan buat kata sandi superuser (yaitu pengguna root). Sekarang, kapan pun Anda ingin menjadi pengguna super, Anda cukup mengetik ‘su ' dan masukkan kata sandi itu. Untuk keluar dari hak pengguna super kapan saja, ketik 'keluar '. Beberapa orang lebih suka sudo, yang lain merasa itu adalah borgol yang tidak perlu.

Untuk detail selengkapnya:Pengukuran Suhu untuk Proyek Lab dan Sains