Arduino: Temperaturmessung mit NTC und PTC: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 12. September 2024, 14:33 Uhr

Autor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul:	Praxismodul I
Lektion 13:	Mechatronik, Informatikpraktikum, 1. Semester, Wintersemester

Inhalt

Temperaturkennlinie von NTC und PTC
Temperaturmessung mit NTC und PTC
Datenspeicherung im EEPROM

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion

können Sie mittels NTC und PTC Temperaturen messen.
können die Funktion und die Kennlinien eines NTC und PTC beschreiben.
können Sie Messwerte im EEPROM ablegen und auswerten.

Lernzielkontrolle

Was ist ein NTC? Wie funktioniert er?
Mit welcher Schaltung kann man mit einem NTC die Temperatur messen?
Wie lautet der Zusammenhang $T = f(R_{NTC})$ ?
Setzen Sie die Formel in C um und testen Sie diese mit den Messwerten aus dem NTC-Datenblatt.
Was ist ein PTC? Wie funktioniert er?
Mit welcher Schaltung kann man mit einem PTC die Temperatur messen?
Wie lautet der Zusammenhang $T = f(R_{PTC})$ ?
Setzen Sie die Formel in C um und testen Sie diese mit den Messwerten aus dem PTC-Datenblatt.
Unter welchen Bedingungen nutzen Sie einen NTC oder PTC?
Was bedeutet EEPROM?
Wie groß ist das EEPROM vom Arduino Uno R3?
Wo auf der Platine vom Arduino Uno R3 befindet sich das EEPROM?
Wie häufig können Sie das EEPROM beschreiben?
Welche Daten würden Sie im EEPROM ablegen?
Beschreiben Sie alle Methoden der Klasse EEPROM.h (crc, get, put, read, update, write).
Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
Wurde auf magic numbers verzichtet?
Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?

Tutorials

Demos

Vorbereitung

Bereiten Sie sich anhand der nachfolgenden Aufgaben auf den Praktikumstermin vor.

Bereiten Sie sich anhand der Tutorials und Demos vor.
Planen Sie alle Programme als PAP.
Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
Arbeiten Sie nachhaltig in SVN.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_12.pdf

Versuchsdurchführung

Aufgabe 13.1: Lernzielkontrolle

Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_13.pdf

Aufgabe 13.2: Temperaturmessung mit einem NTC

Bauen Sie die Grundschaltung für eine Temperaturmessung mit NTC auf.
Lesen Sie die Spannung am Analogpin A0 ein.
Berechnen Sie aus dem Digitalwort den Widerstand $R(T)$ in Ω.
Formen Sie die Formel $R(T)$ nach $T$ um.
Berechnen Sie mit Ihrer Formel die Temperatur in °C.
Visualisieren Sie die Temperatur in °C im seriellen Plotter.

Arbeitsergebnisse in SVN: messeNTCTemperatur.ino

Lösungsweg

#include <math.h>
Messwert=analogRead(A0);
Widerstand über den Spannungsteiler berechnen: R = 10000*(1024/Messwert-1)
Formel nach T umformen.
R0, T0, B dem Datenblatt entnehmen und in die Formel einsetzen.
$T=f(R_{NTC})$ in K berechnen.
K in °C umrechnen und im seriellen Plotter anzeigen.

Die Lösung finden Sie in [1, S. 144ff.].

Aufgabe 13.3: Temperaturmessung mit einem PTC

Bauen Sie die Grundschaltung für eine Temperaturmessung mit NTC auf.
Lesen Sie die Spannung am Analogpin A0 ein.
Berechnen Sie aus dem Digitalwort den Widerstand $R(T)$ in Ω.
Formen Sie die Formel $R(T)$ nach $T$ um.
Berechnen Sie mit Ihrer Formel die Temperatur in °C.
Visualisieren Sie die Temperatur in °C im Seriellen Plotter.

Arbeitsergebnisse in SVN: messePTCTemperatur.ino

Lösungsweg

#include <math.h>
Messwert=analogRead(A0);
Widerstand über den Spannungsteiler berechnen: R = 10000*(1024/Messwert-1)
Formel nach T umformen.
R0, T0, A dem Datenblatt entnehmen und in die Formel einsetzen.
$T=f(R_{NTC})$ in °C berechnen und im seriellen Plotter anzeigen.

Die Lösung finden Sie in [1, S. 144ff.].

Demo: SVN: DemoMessePTCTemperatur.ino

Aufgabe 13.4: Datensicherung im EEPROM

Betreiben Sie den Arduino mit einem 9 V Batterieblock.
Lesen Sie einen entprellten Taster ein.
Sichern Sie bei Tastendruck folgende Daten im EEPROM
- die Namen der Teammitglieder als string.
- die Anzahl der Teammitglieder als byte.
- die Baudrate als int.
- die Zeit mit millis() als long.
- die gemessene Temperatur in °C als float.
Messen Sie im Labor bei ca. 20 °C und im Freien bei ca. 0 °C.
Trennen Sie den Arduino kurz von der Spannungsversorgung.
Lesen Sie die im EEPROM gespeicherten Daten aus und visualisieren Sie diese im seriellen Monitor.

Arbeitsergebnisse in SVN: speichereDatenimEEPROM.ino, leseDatenausEEPROM.ino

Demo: SVN: DemoEEPROM.ino

Tutorials

Video 1: So funktioniert der Arduino EEPROM

Aufgabe 13.5: Nachhaltige Doku

Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (message) in SVN.
Wurden die Regeln für den Umgang mit SVN eingehalten?
Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?
Wurde nachhaltig dokumentiert?
Haben die Programme einen Header?
Wurden der Quelltext umfangreich kommentiert?
Wurden die PAPs erstellt und abgelegt? Passen die PAPs 100% zum Programm?

Arbeitsergebnis in SVN: SVN Log

Literatur

Brühlmann, T.: Arduino Praxiseinstieg. Heidelberg: mitp, 4. Auflage 2019. ISBN 978-3-7475-0056-9. URL: HSHL-Bib, O'Reilly-URL
Brühlmann, T.: Sensoren im Einsatz mit Arduino. Frechen: mitp Verlag, 1. Auflage 2017. ISBN: 9783958451520. URL: HSHL-Bib, O'Reilly
Snieders, R.: ARDUINO lernen. Nordhorn: 8. Auflage 2022. URL: https://funduino.de/vorwort
Schneider, U.: Programmierrichtlinie für für die Erstellung von Software in C. Lippstadt: 1. Auflage 2022. PDF-Dokument (212 kb)

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 [[Kategorie:Arduino]]
-[[Datei:Lernset - Einsteiger Kit für Arduino.jpg|thumb|rigth|450px|Abb. 1: Lernset - Einsteiger Kit für Arduino]]
+[[Datei:NTC.jpg|thumb|rigth|300px|Abb. 1: NTC Temperatursensor]]
-'''Autor:''' [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Dr.-Ing. Schneider]]<br>
+{|
-'''Modul:''' Praxismodul I<br>
+|-
-'''Lehrveranstaltung:''' Mechatronik, Informatikpraktikum 1, 1. Semester, Wintersemester
+| '''Autor:'''  || [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Dr.-Ing. Schneider]]
+|-
+| '''Modul:''' || Praxismodul I
+|-
+| '''Lektion 13:'''  || Mechatronik, Informatikpraktikum, 1. Semester, Wintersemester
+|}
 == Inhalt ==
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 # Wie lautet der Zusammenhang <math>T = f(R_{PTC})</math>?
 # Setzen Sie die Formel in C um und testen Sie diese mit den Messwerten aus dem PTC-Datenblatt.
-# Was bedeutet EEPROM?
+# Unter welchen Bedingungen nutzen Sie einen NTC oder PTC?
+# Was bedeutet [https://de.wikipedia.org/wiki/Electrically_Erasable_Programmable_Read-Only_Memory EEPROM]?
+# Wie groß ist das EEPROM vom [[Arduino_UNO:_Board_Anatomie|Arduino Uno R3]]?
+# Wo auf der Platine vom [[Arduino_UNO:_Board_Anatomie|Arduino Uno R3]] befindet sich das EEPROM?
 # Wie häufig können Sie das EEPROM beschreiben?
+# Welche Daten würden Sie im EEPROM ablegen?
 # Beschreiben Sie alle Methoden der Klasse <code>EEPROM.h</code> (<code>crc, get, put, read, update, write</code>).
 # Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
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 # Wurde auf <code>magic numbers</code> verzichtet?
 # Wurde die [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|Programmierrichtlinie]] eingehalten?
+== Tutorials ==
+* [https://docs.arduino.cc/learn/built-in-libraries/eeprom Arduino.cc: EEPROM Library]
+* [https://docs.arduino.cc/learn/programming/eeprom-guide Arduino.cc: A guide to EEPROM]
+* [[PTC_Temperatursensor_KTY_81-210| HSHL-Wiki: PTC Temperatursensor (KTY81-210)]]
+* [[Temperatursensor_NTC_MF58_3950_B| HSHL-Wiki: NTC Temperatursensor (MF58 3950 B)]]
+== Demos ==
+*[https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Arduino/ArduinoLibOrdner/ArduinoUnoR3/examples/DemoEEPROM/DemoEEPROM.ino SVN: DemoEEPROM.ino]
+*[https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Arduino/ArduinoLibOrdner/ArduinoUnoR3/examples/DemoMessePTCTemperatur/DemoMessePTCTemperatur.ino SVN: DemoMessePTCTemperatur.ino]
 == Vorbereitung ==
 Bereiten Sie sich anhand der nachfolgenden Aufgaben auf den Praktikumstermin vor.
-# Bereiten Sie sich anhand der [[Arduino:_Temperaturmessung_mit_NTC_und_PTC#Tutorials|Tutorials]] vor.
+# Bereiten Sie sich anhand der [[Arduino:_Temperaturmessung_mit_NTC_und_PTC#Tutorials|Tutorials]] und [[Arduino:_Temperaturmessung_mit_NTC_und_PTC#Demos|Demos]] vor.
-# Planen Sie alle Programme mit PAP.
+# Planen Sie alle Programme als PAP.
 # Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
 # Arbeiten Sie nachhaltig in SVN.
-'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>PAP, charakterisiereUltraschaschallsensor.ino, USMessung.txt, charakterisiereUltraschallSensor.m, Lernzielkontrolle_Termin_11.pdf, GleitendesMittelwertFilter(), TiefpasstFilter()</code>
+'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_12.pdf</code>
 == Versuchsdurchführung ==
-=== Aufgabe 12.1: Lernzielkontrolle ===
+=== Aufgabe 13.1: Lernzielkontrolle ===
 Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.
-'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_10.pdf</code>
+'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_13.pdf</code>
+----
+=== Aufgabe 13.2: Temperaturmessung mit einem NTC ===
+# Bauen Sie die [[Temperatursensor_NTC_MF58_3950_B#Messschaltung|Grundschaltung]] für eine Temperaturmessung mit NTC auf.
+# Lesen Sie die Spannung am Analogpin <code>A0</code> ein.
+# Berechnen Sie aus dem Digitalwort den Widerstand <math>R(T)</math> in Ω.
+# Formen Sie die [[Temperatursensor_NTC_MF58_3950_B#Kennlinie|Formel]] <math>R(T)</math> nach <math>T</math> um.
+# Berechnen Sie mit Ihrer Formel die Temperatur in °C.
+# Visualisieren Sie die Temperatur in °C im seriellen Plotter.
-=== Aufgabe 12.2: Temperaturmessung mit einem NTC ===
+'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>messeNTCTemperatur.ino</code>
-# Lesen Sie die Messwerte des Ultraschall-Sensors auf statische Ziele im gesamten Messbereich aus (10 cm, 20 cm, 50 cm, 1 m, 2 m, 3 m, 4 m). Schreiben Sie hierzu ein Arduino-Programm <code>statische Messunsicherheit.ino</code>. Jeder Messsatz sollte >100 Messwerte umfassen.
-# Nutzen Sie das Programm <code>Putty</code>, um die Daten der seriellen Schnittstelle in der ASCII-Datei <code>Ultraschallmessung.txt</code> zu speichern.
-# Schreiben Sie einmalig als Header die Bezeichnung der Messwerte Zeit in ms und Strecke in cm in die Textdatei.
-# Laden und visualisieren Sie die Messdaten in Ultraschallmessung.txt mit MATLAB®.
-# Stellen Sie die Messdaten in einem Diagramm in cm über der Zeit dar.
-# Berechnen Sie Mittelwert und Standardabweichung und stellen Sie diese dar,
-# Beschriften Sie die Graphen.
-'''Nützlich MATLAB®-Befehle:''' <code>mean, std, xline</code>
+<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
+'''Lösungsweg'''<br>
+# <code>#include <math.h></code>
+# <code>Messwert=analogRead(A0);</code>
+# Widerstand über den Spannungsteiler berechnen: <code>R = 10000*(1024/Messwert-1)</code>
+# [[Temperatursensor_NTC_MF58_3950_B#Kennlinie|Formel]] nach T umformen.
+# <code>R0, T0, B</code> dem Datenblatt entnehmen und in die Formel einsetzen.
+# <math>T=f(R_{NTC})</math> in K berechnen.
+# K in °C umrechnen und im seriellen Plotter anzeigen.
-'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>statische Messunsicherheit.ino, Ultraschallmessung.txt, zeigeUltraschallMessung.m</code>
+Die Lösung finden Sie in [1, S. 144ff.].
+</div>
+----
+=== Aufgabe 13.3: Temperaturmessung mit einem PTC ===
+# Bauen Sie die [[PTC_Temperatursensor_KTY_81-210#Messschaltung|Grundschaltung]] für eine Temperaturmessung mit NTC auf.
+# Lesen Sie die Spannung am Analogpin <code>A0</code> ein.
+# Berechnen Sie aus dem Digitalwort den Widerstand <math>R(T)</math> in Ω.
+# Formen Sie die [[PTC_Temperatursensor_KTY_81-210#Kennlinie|Formel]] <math>R(T)</math> nach <math>T</math> um.
+# Berechnen Sie mit Ihrer Formel die Temperatur in °C.
+# Visualisieren Sie die Temperatur in °C im Seriellen Plotter.
-=== Aufgabe 12.3: Temperaturmessung mit einem PTC ===
+'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>messePTCTemperatur.ino</code>
-Ein gleitendes Mittlwertfilter bildet einen Mittelwert über k Messwerte mittels FIFO.
-# Schreiben Sie die Funktion <code>GleitendesMittelwertFilter()</code>, welches die Eingangswerte zyklisch filtert. Hier bei wird der Mittelwert über die letzten k Messwerte gebildet.
-# Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit statischen Zielen.
-# Visualisieren Sie Messwerte und Filterergebnis im seriellen Plotter.
-# Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit dynamischen Zielen.
-# Wählen Sie k anhand der Messwerte und diskutieren Sie Ihre Wahl mit Prof. Schneider.
-'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>testeGleitendesMittelwert.ino</code>
-'''Hinweis:'''
-* Nutzen Sie das FIFO aus Aufgabe 6.4.
-* Die Formel für das gleitende Mittelwertfilter lautet: <math>\bar{x}(k)=\frac{x(1)+x(2)+\ldots+x(k)}{k}</math> für <math>k</math> Messwerte
 <div class="mw-collapsible mw-collapsed">
+'''Lösungsweg'''<br>
+# <code>#include <math.h></code>
+# <code>Messwert=analogRead(A0);</code>
+# Widerstand über den Spannungsteiler berechnen: <code>R = 10000*(1024/Messwert-1)</code>
+# [[PTC_Temperatursensor_KTY_81-210#Kennlinie|Formel]] nach T umformen.
+# <code>R0, T0, A</code> dem Datenblatt entnehmen und in die Formel einsetzen.
+# <math>T=f(R_{NTC})</math> in °C berechnen und im seriellen Plotter anzeigen.
-Eine Einführung zu rekursiven Filtern finden Sie in folgendem Video.<br>
+Die Lösung finden Sie in [1, S. 144ff.].
-* Gleitendes Mittelwertfilter: 19&thinsp;m 52&thinsp;s
-* Tiefpasfilter: 29&thinsp;m
-<iframe key="panopto" path="/Panopto/Pages/Viewer.aspx?id=fce4a806-dcbf-4e92-b10d-ac69013d7cb1&autoplay=false&offerviewer=true&showtitle=true&showbrand=true&captions=false&interactivity=all" height="405" width="720" style="border: 1px solid #464646;" allowfullscreen allow="autoplay"></iframe>
+'''Demo:''' [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoMessePTCTemperatur/DemoMessePTCTemperatur.ino SVN: DemoMessePTCTemperatur.ino]
-'''Demo:''' [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoGleitenderMittelwert SVN: DemoGleitenderMittelwert]
 </div>
+----
-=== Aufgabe 12.4: Datensicherung im EEPROM ===
+=== Aufgabe 13.4: Datensicherung im EEPROM ===
-* Sichern Sie folgende Daten im EEPROM
+* Betreiben Sie den Arduino mit einem 9&thinsp;V Batterieblock.
+* Lesen Sie einen entprellten Taster ein.
+* Sichern Sie bei Tastendruck folgende Daten im EEPROM
 ** die Namen der Teammitglieder als <code>string</code>.
 ** die Anzahl der Teammitglieder als <code>byte</code>.
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 ** die Zeit mit <code>millis()</code> als <code>long</code>.
 ** die gemessene Temperatur in °C als <code>float</code>.
-* Trennen Sie den Arduino von der Spannungsversorgung.
+* Messen Sie im Labor bei ca. 20&thinsp;°C und im Freien bei ca. 0&thinsp;°C.
+* Trennen Sie den Arduino kurz von der Spannungsversorgung.
 * Lesen Sie die im EEPROM gespeicherten Daten aus und visualisieren Sie diese im seriellen Monitor.
-'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>speichereDateninEEPROM.ino, leseDatenausEEPROM.ino</code>
+'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>speichereDatenimEEPROM.ino, leseDatenausEEPROM.ino</code>
 <div class="mw-collapsible mw-collapsed">
@@ Zeile 103: / Zeile 134: @@
 '''Tutorials'''
-* [https://docs.arduino.cc/learn/built-in-libraries/eeprom Arduino: EEPROM Library]
+* [https://docs.arduino.cc/learn/built-in-libraries/eeprom Arduino.cc: EEPROM Library]
-* [https://docs.arduino.cc/learn/programming/eeprom-guide Anrduino.cc: A guide to EEPROM]
+* [https://docs.arduino.cc/learn/programming/eeprom-guide Arduino.cc: A guide to EEPROM]
 {{#ev:youtube|https://https://youtu.be/bVH4_tet_Eo| 600 | | Video 1: So funktioniert der Arduino EEPROM|frame}}
 </div>
+----
-=== Aufgabe 12.5: Nachhaltige Doku ===
+=== Aufgabe 13.5: Nachhaltige Doku ===
 * Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (<code>message</code>) in SVN.
 * Wurden die Regeln für den Umgang mit SVN eingehalten?
@@ Zeile 120: / Zeile 151: @@
 '''Arbeitsergebnis''' in SVN: <code>SVN Log</code></code>
-== Bewertung ==
-{| class="wikitable"
-|-
-| '''Aufgabe'''|| '''Punkte'''
-|-
-| 12.1|| 2
-|-
-| 12.2|| 2
-|-
-| 12.3|| 2
-|-
-| 12.4|| 2
-|-
-| 12.5|| 2
-|-
-|}
-== Tutorials ==
-* [https://docs.arduino.cc/learn/built-in-libraries/eeprom Arduino: EEPROM Library]
-* [https://docs.arduino.cc/learn/programming/eeprom-guide Anrduino.cc: A guide to EEPROM]
-* [[PTC_Temperatursensor_KTY_81-210| HSHL-Wiki: PTC Temperatursensor (KTY81-210)]]
-* [[Temperatursensor_NTC_MF58_3950_B| HSHL-Wiki: NTC Temperatursensor (MF58 3950 B)]]
-== Demos ==
-* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoEEPROM/DemoEEPROM.ino SVN: DemoEEPROM.ino]
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+→ Termine [[Einführungsveranstaltung Informatikpraktikum 1|0]] [[Einarbeitung_in_die_Versionsverwaltung_SVN|1]] [[Einstieg_in_die_Welt_des_Arduino|2]]  [[Arduino: Taster auswerten und LEDs ansteuern|3]] [[Arduino:_Sensoren_einlesen|4]]  [[Arduino:_Infrarotsensor_einlesen|5]] [[Arduino:_Infrarotsensor_entstören|6]] [[Arduino:_Programmier-Challenge_I_WS_WS_24/25|7]] [[Arduino:_IR-Theremin|8]] [[Arduino:_Aktoren|9]] [[Arduino:_LCD_Display_mit_I2C_Schnittstelle|10]] [[Arduino:_Ultraschall_Entfernungsmessung|11]] [[Arduino:_Ultraschallsensor_entstören|12]] [[Arduino:_Temperaturmessung_mit_NTC_und_PTC|13]] [[Arduino:_Programmier-Challenge_II_WS_WS_24/25|14]]<br>
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