Mesure de la température pour les projets en laboratoire et scientifiques

Présentation

Chaque laboratoire (maison, bureau, école) a besoin de capacités de mesure de la température. Mesurer la température pour les expériences scientifiques est difficile – toutes sortes de matériaux, liquides et produits chimiques peuvent être impliqués ou une large plage de températures peut devoir être couverte. Le capteur utilisé pour cela (un thermocouple) n'est pas facile à interfacer, et l'amplificateur du capteur n'est pas trivial puisqu'il doit pouvoir mesurer une tension extrêmement faible.

Pour plus de flexibilité dans les expériences scientifiques pour lesquelles il peut être utilisé, une grande précision est nécessaire, ainsi qu'une réponse rapide et un bon taux de mise à jour. Il va sans dire que les données doivent être enregistrées sous une forme pratique et qu'elles doivent être faciles à utiliser.

Pour plus de commodité, il existe des produits de mesure et d'enregistrement de la température prêts à l'emploi, parfois ils ne sont pas faciles à utiliser en raison de la surcharge des boutons programmables et d'un affichage limité. De plus, pour une utilisation à grande échelle en laboratoire ou en classe, les informations doivent être enregistrées et facilement accessibles par les personnes - et peut-être afficher l'état actuel sur un grand écran. Il va sans dire que certaines expériences peuvent prendre beaucoup de temps, donc la possibilité de vérifier votre expérience à l'aide d'un téléphone portable pendant le déjeuner est également utile. Une dernière exigence était que cela devrait être facile à construire, même pour les personnes novices en électronique et en logiciels.

Ce projet montre comment connecter une carte de thermocouple à un Raspberry Pi (RPI) et l'utiliser pour la mesure et l'enregistrement de la température avec d'excellentes performances et un coût ultra-faible. Ce projet est facile - aucune soudure n'est requise, sauf si vous le souhaitez. C'est également un excellent projet pour commencer à utiliser le connecteur "DIL (dual-in-line)" sur le RPI si vous ne l'avez pas déjà fait.

Présentation de la conception

De nombreux projets d'amateurs basés sur des thermocouples utilisent le circuit intégré MAX31855 et des cartes « amplificateurs de thermocouple » prêtes à l'emploi sont disponibles pour la connexion au RPI de plusieurs fournisseurs. Ce projet utilise cependant l'ADS1118 à résolution beaucoup plus élevée de Texas Instruments. Il est livré dans un boîtier à montage en surface, mais heureusement, une carte de développement ADS1118 prête à l'emploi est disponible et contient tous les circuits, y compris un écran LCD et un thermocouple - c'est un très bon rapport qualité-prix. Si vous n'avez pas envie de souder, il est possible de connecter cette carte au Raspberry Pi (ou à toute autre carte d'ordinateur - elle utilise une méthode de communication basée sur des normes appelée Serial Peripheral Interface ou SPI) à l'aide de huit fils de liaison (mâle à - des câbles femelles sont nécessaires). Alternativement, si un exercice de soudure ne vous dérange pas, une petite carte adaptateur peut être construite. C'est l'approche adoptée ici. En résumé, vous pouvez voir sur la photo ci-dessous tous les bits qui sont utilisés pour ce projet, y compris la carte adaptateur assemblée.

L'ensemble du projet peut être contrôlé via un navigateur Web ou depuis la ligne de commande.

Pour construire la carte adaptatrice, le moyen le plus simple est d'utiliser une carte de circuit imprimé; à l'aide du logiciel EAGLE, j'ai élaboré un design dont les fichiers sont joints à cet article prêt à être envoyé à un fabricant de PCB (il coûte environ 30 $ pour dix cartes).

Alternativement, une carte de prototypage peut être utilisée ; J'ai obtenu du perf-board (du type avec des tampons isolés, pas du stripboard) et je l'ai coupé à la bonne taille. Un trou de 3 mm a été percé pour la fixation d'un pilier de support (entretoise filetée hexagonale). Les cartes sont côte à côte, et non l'une sur l'autre, pour minimiser les changements de température et les problèmes de bruit, qui auraient tous deux un effet sur la lecture du thermocouple.

Je voulais avoir la possibilité de brancher la carte ADS1118 sur le côté pad de la carte de perforation, il y a donc une légère complication ici. La solution consistait à utiliser des en-têtes SIL pliés. Des en-têtes SIL à 10 voies sont nécessaires (la photo montre 8 voies, ce que j'avais sous la main) - ou utilisez des en-têtes à montage en surface similaires mais avec les extrémités pliées alternées de chaque côté. Si vous utilisez une carte de circuit imprimé et non une carte de perf, des en-têtes SIL droits sont nécessaires.

Pour les aligner, branchez-les sur la carte ADS1118 et positionnez-la sur la carte perforée, puis clouez quelques broches avec de la soudure. Ensuite, la carte ADS peut être débranchée très doucement et les en-têtes SIL peuvent ensuite être soudés correctement. A noter qu'à ce stade il est assez difficile de débrancher sans arracher les pads de la carte. Tenez la partie pliée des en-têtes SIL contre la carte tout en débranchant la carte ADS1118.

Ensuite, pour sécuriser les en-têtes SIL, soudez chaque broche à autant de pastilles que possible (chacune peut être soudée à trois pastilles).

Pour identifier les connexions, reportez-vous à la photo de numérotation des broches ci-dessous et au tableau suivant :

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1. * Connexions :
2. * Carte TI       RPI B+
3. * ————   ——————
4. * P1_1  VCC      1     3,3 V
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

Après avoir testé les fonctionnalités du logiciel et de la carte, il est possible d'utiliser de la colle à base de résine époxy (par exemple Araldite) pour sécuriser encore plus les en-têtes SIL. Une quantité minimale a été utilisée afin qu'il soit possible de souder encore à peu près sur les broches si nécessaire à l'avenir.

Avec l'approche PCB mentionnée plus haut, lorsque le PCB arrive, les broches d'en-tête et le réceptacle peuvent être soudés, et c'est une tâche facile (prend cinq minutes) donc le PCB est la méthode préférée surtout si vous devez en faire beaucoup (je l'intention d'en faire plusieurs). J'ai utilisé des broches d'en-tête DIL au lieu de SIL, mais l'une ou l'autre fonctionnera avec la disposition PCB attachée à ce message.

Logiciel

Le diagramme ci-dessous montre l'ensemble de la vue d'ensemble de la solution. La majorité du code est dans trois fichiers. Le code qui s'interface avec la carte ADS1118 est abordé en premier, car il est possible d'exécuter ce code de manière autonome si vous le souhaitez. Il est représenté en violet sur le schéma.

Pour créer le logiciel, la première chose à faire est de créer un logo :

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1. /************************************************ ******************************************************** ***
2. * therm.c
3. * RPI <-> 430BOOST-ADS1118 Thermocouple/Carte LCD
4. *
5. *         __                               __     ____   _____
6. *   ____ | | ____   _____   ____   _____/  |_  /_   | /  | |
7. * _/ __ \| | _/ __ \ /     \_/ __ \ /    \   __\  | |/   | |_
8. * \  ___/| |__\  ___/| A A  \  ___/| | \  | | /    ^   /
9. *  \___  >____/\___  >__|_| /\___  >___| /__| |___\____   |
10. *      \/          \/      \/     \/     \/                 |__|
11. *

L'étape suivante consiste à utiliser la richesse du code que TI propose habituellement. Dans ce cas, TI disposait déjà d'un code ADS1118 de haute qualité destiné au Launchpad MSP430 qui pouvait être réutilisé. Il a été légèrement adapté pour être utilisable sur le RPI, en utilisant du code d'entrée/sortie (E/S) de Gert van Loo et Dom.

La mesure de la température peut sembler être une tâche facile (lire une valeur ADC et la convertir en température), mais les thermocouples nécessitent une « compensation de soudure froide », ce qui, dans le cas de l'ADS1118, signifie également la lecture d'un capteur de température interne. Le code entrelace la lecture du capteur interne et du thermocouple externe. Un autre point clé est qu'une sortie de thermocouple n'est pas linéaire par rapport à la température; Les fabricants de thermocouples publient des données qui peuvent être utilisées pour obtenir une conversion plus précise de la valeur ADC en température réelle. Le code TI inclut déjà ces capacités pour le thermocouple fourni.

Le code a été adapté pour ajouter une capacité de journalisation. Étant donné que la carte doit être alimentée par l'alimentation bruyante de 3,3 V du RPI et qu'elle se trouve à proximité du RPI, certaines mesures doivent être prises pour s'assurer que la mesure est nettoyée. L'algorithme mis en œuvre toutes les secondes lit le capteur de température interne une fois et le thermocouple externe dix fois en une courte rafale (quelques centaines de millisecondes au total) afin que les mesures puissent être moyennées et finalement sorties à une résolution de 0,1 °C. Le résultat final était très bon; voir quelques exemples de sortie ici.

L'écran LCD a deux lignes de 16 caractères, il a donc été décidé d'utiliser la ligne du bas pour afficher l'heure et la température actuelle du thermocouple. La ligne supérieure dépend de l'utilisateur; il peut être défini sur quelque chose pour que les gens sachent immédiatement de quoi parle l'expérience. Par exemple, il peut dire « Test 1 » ou « Ne touchez pas ».

L'utilisation du code est simple.

Tout d'abord, vérifiez que certaines fonctionnalités sont activées sur le RPI. Si le RPI est utilisé frais, alors après l'installation du système d'exploitation, assurez-vous que le « Avancé ' est sélectionnée, puis activez trois éléments :SSH , SPI et I2C - nous n'utilisons pas tout cela pour ce projet, mais ce sont des interfaces basées sur des normes qui doivent toujours être activées, à moins que vous ne vouliez jamais débrancher le RPI d'un moniteur ou ne pas utiliser le connecteur DIL à 40 voies sur le RPI. Si cela n'a pas été fait après l'installation du système d'exploitation, tapez raspi-config dans une fenêtre de texte (également appelée shell de commande) sur le RPI, puis sélectionnez « Avancé ’ dans le menu qui apparaît.

En supposant que les trois fonctionnalités mentionnées ci-dessus soient activées, créez un dossier pour votre travail à partir de votre répertoire personnel (par exemple, créez un dossier appelé développement puis un sous-dossier appelé therm ) et copiez le code source (joint à cet article) dans ce sous-dossier.

Pour compiler le code tapez :

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1. gcc -o therm therm.c -lrt

Le code est maintenant prêt à être exécuté. Il y a plusieurs façons d'utiliser ce projet. Une façon consiste simplement à taper des commandes dans le shell de commande. Une autre façon est d'utiliser un navigateur Web. Ces deux méthodes sont discutées ci-après.

Interface de commande

Le code peut être exécuté soit en utilisant 'sudo ' ou en tant qu'utilisateur superutilisateur (root).

Pour ce dernier, pour devenir utilisateur root, tapez d'abord sudo passwd root une fois, et créez un mot de passe de superutilisateur (c'est-à-dire l'utilisateur root). Désormais, chaque fois que vous souhaitez devenir superutilisateur, vous pouvez simplement taper « su " et entrez ce mot de passe. Pour quitter les privilèges de superutilisateur à tout moment, tapez « exit '. Certaines personnes préfèrent le sudo, d'autres pensent que c'est une menotte inutile.

Pour plus de détails :Mesure de la température pour les projets en laboratoire et scientifiques