Arduino: Temperaturmessung mit NTC und PTC

Abb. 1: Lernset - Einsteiger Kit für Arduino

Autor: Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul: Praxismodul I
Lehrveranstaltung: Mechatronik, Informatikpraktikum 1, 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

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

Vorbereitung

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

1. Bereiten Sie sich anhand der Tutorials und Demos vor.
2. Planen Sie alle Programme als PAP.
3. Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
4. 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

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

Arbeitsergebnisse in SVN: messeNTCTemperatur.ino

Lösungsweg

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

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

Aufgabe 13.3: Temperaturmessung mit einem PTC

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

Arbeitsergebnisse in SVN: messePTCTemperatur.ino

Lösungsweg

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

• Arduino.cc: EEPROM Library
• Arduino.cc: A guide to EEPROM

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

Tutorials

• Arduino.cc: EEPROM Library
• Arduino.cc: A guide to EEPROM
• HSHL-Wiki: PTC Temperatursensor (KTY81-210)
• HSHL-Wiki: NTC Temperatursensor (MF58 3950 B)

Demos

• SVN: DemoEEPROM.ino
• SVN: DemoMessePTCTemperatur.ino

Literatur

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

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