树莓派基础实验17：温度传感器实验 |
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树莓派基础实验17：温度传感器实验
| 一、介绍 温度传感器是检测温度并将其转换为输出信号的组件。根据材料和部件的特点，温度传感器可分为热电阻和热电偶两种，热敏电阻是前者的一种，他由半导体材料制成。大多数热敏电阻是负温度系数（NTC），其电阻随温度升高而降低，由于它们的电阻随温度变化剧烈变化，所以热敏电阻是最敏感的温度传感器。 模拟温度传感器模块使用NTC热敏电阻，因此可以对温度进行敏感测量。它还有一个内置比较器LM393，它可以使模块同时输出数字和模拟信号。该模块可用于温度报警和温度测量。 二、组件★Raspberry Pi主板*1 ★树莓派电源*1 ★40P软排线*1 ★PCF8591模数转换器模块*1 ★温度传感器模块*1 ★面包板*1 ★跳线若干 三、实验原理 温度传感器  温度传感器模块原理图 该模块基于热敏电阻的原理，其电阻随环境温度变化很大，当环境温度升高时热敏电阻的电阻降低，当环境温度降低时它的电阻增加。它可以实时检测周围的温度变化。 在本实验中，我们使用模数转换器PCF8591将模拟信号转换为数字信号。但是在编程中，我们要通过数字信号值计算出热敏电阻的实时阻值，再来计算对应的温度值。 计算热敏电阻实时阻值：1.通过函数 ADC.read(0) 取得传感器模拟输出A/D转化后的数字值： analogVal = ADC.read(0) 2.利用上面的值计算热敏电阻的原始模拟电压值Vr ： Vr= 5 * float(analogVal) / 255 3.串联电路电流值相同，所以电流值相等： 热敏电阻电压 / 热敏电阻值=(5V-热敏电阻电压) / 另外一个分压电阻阻值 从上面的电路图可知，另外一个分压电阻阻值为10K，即10000，所以热敏电阻值: Rt = 10000 * Vr / (5 - Vr) 热敏电阻公式：NTC 热敏电阻温度计算公式，Steinhart-Hart公式，即温度-阻值关系等式，他是一个经验公式，是用来描述NTC 热敏电阻的阻值与温度关系的最好的数学表达式： Rt = R*EXP(B*(1/T1-1/T2)) 其中，T1和T2指的是K度，即开尔文温度。 Rt 是热敏电阻在T1温度下的阻值。 R是热敏电阻在T2常温下的标称阻值。10K的热敏电阻25℃的值为10K（即R=10000）。T2=(273.15+25) EXP是e的n次方 B值是热敏电阻的重要参数，B=3950 通过转换可以得到温度T1与电阻Rt的关系T1=1/（ln（Rt/R）/B+1/T2） 对应的摄氏温度t=T1-273.15，同时+0.5的误差矫正。 四、实验步骤第1步：连接电路。 树莓派 T型转接板 PCF8591模块 SDA SDA SDA SCL SCL SCL 5V 5V VCC GND GND GND 温度传感器模块 T型转接板 PCF8591模块 AO * AIN0 DO G17 * VCC 5V VCC GND GND GND  温度传感器实验原理图  温度传感器实验实物接线图 第2步：PCF8591模块采用的是I2C（IIC）总线进行通信的，但是在树莓派的镜像中默认是关闭的，在使用该传感器的时候，我们必须首先允许IIC总线通信。  打开I2C总线通信 第3步：开始编程。这里先编写一个PCF8591.py库文件，后面再编写一个python程序引入这个库文件。 PCF8591.py库文件就是PCF8591模块的程序，单独编写是为了便于重用。在这个脚本中，我们使用了一个放大器用于模拟输入和一个LED灯用于模拟输出，模拟输入不能超过3.3V！ 该程序也可以单独运行，用于测试3个电阻模块的功能。需用短路帽连接AIN0和INPUT0（电位计模块），连接AIN1和INPUT1（光敏电阻模块），以及连接AIN2和INPUT2（热敏电阻模块）。 连接LED灯，AIN0（模拟输入0）端口用于接收来自电位计模块的模拟信号，AOUT（模拟输出）用于将模拟信号输出到双色LED模块，以便改变LED的亮度。 PCF8591的详细内容请查看树莓派基础实验12：PCF8591模数转换器实验。 代码语言：javascript复制#!/usr/bin/env python #------------------------------------------------------ # # 您可以使用下面语句将此脚本导入另一个脚本： # “import PCF8591 as ADC” # # ADC.Setup(Address) # 查询PCF8591的地址：“sudo i2cdetect -y 1” # i2cdetect is a userspace program to scan an I2C bus for devices. # It outputs a table with the list of detected devices on the specified bus. # ADC.read(channal) # Channal范围从0到3 # ADC.write(Value) # Value范围从0到255 # #------------------------------------------------------ #SMBus (System Management Bus,系统管理总线) import smbus #在程序中导入“smbus”模块 import time # for RPI version 1, use "bus = smbus.SMBus(1)" # 0 代表 /dev/i2c-0， 1 代表 /dev/i2c-1 ,具体看使用的树莓派那个I2C来决定 bus = smbus.SMBus(1) #创建一个smbus实例 #在树莓派上查询PCF8591的地址：“sudo i2cdetect -y 1” def setup(Addr): global address address = Addr def read(chn): #channel if chn == 0: bus.write_byte(address,0x40) #发送一个控制字节到设备 if chn == 1: bus.write_byte(address,0x41) if chn == 2: bus.write_byte(address,0x42) if chn == 3: bus.write_byte(address,0x43) bus.read_byte(address) # 从设备读取单个字节，而不指定设备寄存器。 return bus.read_byte(address) #返回某通道输入的模拟值A/D转换后的数字值 def write(val): temp = val # 将字符串值移动到temp temp = int(temp) # 将字符串改为整数类型 # print temp to see on terminal else comment out bus.write_byte_data(address, 0x40, temp) #写入字节数据，将数字值转化成模拟值从AOUT输出 if __name__ == "__main__": setup(0x48) #在树莓派终端上使用命令“sudo i2cdetect -y 1”，查询出PCF8591的地址为0x48 while True: print '电位计 AIN0 = ', read(0) #电位计模拟信号转化的数字值 print '光敏电阻 AIN1 = ', read(1) #光敏电阻模拟信号转化的数字 print '热敏电阻 AIN2 = ', read(2) #热敏电阻模拟信号转化的数字值 tmp = read(0) tmp = tmp*(255-125)/255+125 # 125以下LED不会亮，所以将“0-255”转换为“125-255”，调节亮度时灯不会熄灭 write(tmp) time.sleep(2)第4步：编写控制程序。屏幕不断打印输出实时温度的值。若温度大于33°，打印“Too Hot!”；如果温度小于31°，打印“Better~” 。31和33要根据实验时，实测温度范围调整。 代码语言：javascript复制#!/usr/bin/env python import PCF8591 as ADC import RPi.GPIO as GPIO import time import math DO = 17 GPIO.setmode(GPIO.BCM) def setup(): ADC.setup(0x48) GPIO.setup(DO, GPIO.IN) def Print(x): if x == 1: print '' print '***********' print '* Better~ *' print '***********' print '' if x == 0: print '' print '************' print '* Too Hot! *' print '************' print '' def loop(): status = 1 tmp = 1 while True: analogVal = ADC.read(0) #温度传感器模拟输出A/D转化后的数字值 Vr = 5 * float(analogVal) / 255 #Vr为数字值转化为热敏电阻的原始模拟电压值 Rt = 10000 * Vr / (5 - Vr) #Rt是热敏电阻在T1温度下的阻值,10000=10k为与热敏电阻串联的电阻的阻值 #查阅传感器电路图知，因为是串联，所以电流值相等 Vr/Rt=(5-Vr)/10000 temp = 1/(((math.log(Rt / 10000)) / 3950) + (1 / (273.15+25))) # T1=1/（ln（Rt/R）/B+1/T2） 对应的摄氏温度t=T1-273.15 # R=10k=10000 B=3950 T2=(273.15+25) temp = temp - 273.15 print 'temperature = ', temp, 'C' if temp > 33: tmp = 0; elif temp < 31: tmp = 1; if tmp != status: Print(tmp) status = tmp time.sleep(0.2) if __name__ == '__main__': try: setup() loop() except KeyboardInterrupt: pass |
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