実験室および科学プロジェクトの温度測定

はじめに

すべてのラボ（自宅、オフィス、学校）には温度測定機能が必要です。科学実験の温度測定は困難です。あらゆる種類の材料、液体、化学物質が関係している場合や、広い温度範囲をカバーする必要がある場合があります。これに使用されるセンサー（熱電対）はインターフェースが容易ではなく、センサーアンプは非常に小さな電圧を測定できる必要があるため、重要です。

使用できる科学実験の柔軟性を高めるには、高速応答と優れた更新レートに加えて、高精度が必要です。言うまでもなく、データは便利な形式で記録され、使いやすいものでなければなりません。

便利なように、すぐに使える温度測定およびロギング製品がありますが、ソフトボタンの過負荷と限られた表示のために使いにくい場合があります。さらに、大規模なラボや教室での使用情報は、ログに記録して、人々が簡単に取得できるようにする必要があります。おそらく、現在のステータスを大画面で表示する必要があります。また、実験に時間がかかる場合もあるので、昼食時に携帯電話で実験を確認できるのも便利です。最後の要件の1つは、電子機器やソフトウェアを初めて使用する人でも、これを簡単に構築できるようにすることでした。

このプロジェクトでは、熱電対ボードをRaspberry Pi（RPI）に接続し、それを優れたパフォーマンスと超低コストで温度測定とロギングに使用する方法を示します。このプロジェクトは簡単です。必要な場合を除いて、はんだ付けは必要ありません。これは、RPIで「DIL（デュアルインライン）ヘッダー」コネクタをまだ使用していない場合は、使用を開始するための優れたプロジェクトでもあります。

設計の概要

多くの熱電対ベースの趣味のプロジェクトはMAX31855集積回路を使用しており、いくつかのサプライヤからRPIに接続するための既製の「熱電対増幅器」ボードが利用可能です。ただし、このプロジェクトでは、TexasInstrumentsのはるかに高解像度のADS1118を使用しています。表面実装パッケージで提供されますが、幸いなことに、LCDディスプレイや熱電対を含むすべての回路を含む既製のADS1118開発ボードが利用可能です。これは非常にコストパフォーマンスに優れています。はんだ付けが苦手な場合は、このボードをRaspberry Pi（または他のコンピューターボード–シリアルペリフェラルインターフェイスまたはSPIと呼ばれる標準ベースの通信方式を使用）に8本のジャンパー線（オスからメスケーブルが必要です）。または、はんだ付けを気にしない場合は、小さなアダプタボードを作成できます。これがここで採用されたアプローチでした。要約すると、下の写真で、組み立てられたアダプタボードを含む、このプロジェクトに使用されるすべてのビットを見ることができます。

プロジェクト全体は、Webブラウザまたはコマンドラインから制御できます。

アダプタボードを作成する最も簡単な方法は、回路基板を使用することです。 EAGLEソフトウェアを使用して、ファイルがこの投稿に添付され、PCBメーカーに送る準備ができているデザインを作成しました（10枚のボードで約30ドルかかります）。

あるいは、プロトタイピングボードを使用することもできます。いくつかのパフォーマンスボード（ストリップボードではなく、孤立したパッドを備えたタイプ）を入手し、サイズにカットしました。支柱（ネジ付き六角スペーサー）を取り付けるために3mmの穴を開けました。ボードは、温度変化とノイズの問題を最小限に抑えるために、互いに重なり合うのではなく、隣り合っています。これらは両方とも、熱電対の読み取りに影響を及ぼします。

ADS1118ボードをパフォーマンスボードのパッド側に接続できるようにしたかったので、ここで少し複雑になります。解決策は、曲がったSILヘッダーを使用することでした。 10ウェイSILヘッダーが必要です（写真は私が手元に持っていたものである8ウェイを示しています）–または、類似しているが曲がった端が両側で交互になっている表面実装ヘッダーを使用します。パフォーマンスボードではなく回路基板を使用している場合は、ストレートSILヘッダーが必要です。

それらを整列させるには、それらをADS1118ボードに接続し、パフォーマンスボード上に配置してから、いくつかのピンをはんだで固定します。次に、ADSボードのプラグを非常に静かに外し、SILヘッダーを適切にはんだ付けできます。この段階では、ボードからパッドを引き裂かずにプラグを抜くことは非常に難しいことに注意してください。 ADS1118ボードのプラグを抜くときは、SILヘッダーの曲がった部分をボードに押し付けてください。

次に、SILヘッダーを非常に安全にするために、各ピンをできるだけ多くのパッドにはんだ付けします（各ピンは3つのパッドにはんだ付けできます）。

接続を特定するには、下のピン番号の写真と次の表を参照してください。

1. *接続：
2. * TIボードRPIB +
3. * ———— ——————
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

ソフトウェアとボードの機能をテストした後、エポキシ樹脂接着剤（Aralditeなど）を使用して、SILヘッダーをさらに安全にすることができます。最小限の量が使用されたため、将来必要になった場合でも、ピンにほぼはんだ付けすることができました。

前述のPCBアプローチでは、PCBが到着したときに、ヘッダーピンとレセプタクルをはんだ付けできます。これは簡単な作業（5分かかります）であるため、特にそれらの多くを作成する必要がある場合は、PCBが推奨される方法です（Iいくつか作るつもりです）。 SILの代わりにDILヘッダーピンを使用しましたが、どちらもこの投稿に添付されているPCBレイアウトで機能します。

ソフトウェア

この図は、ソリューション全体の概要を示しています。コードの大部分は3つのファイルにあります。必要に応じてこのコードをスタンドアロンで実行できるため、ADS1118ボードに接続するコードについて最初に説明します。図では紫色で示されています。

ソフトウェアを作成するために最初に行うことの1つは、ロゴを作成することです。

1. / ***************************************** ************************************************** ***
2. * thermo.c
3. * RPI <-> 430BOOST-ADS1118熱電対/ LCDボード
4. *
5. * __ __ __ ____ _____
6. * ____ | | ____ _____ ____ _____ / | _ / _ | / | |
7. * _ / __ \ | | _ / __ \ / \ _ / __ \ / \ __ \ | | / | | _
8. * \ ___ / | | _ \ ___ / | Y Y \ ___ / | | \ | | / ^ /
9. * \ ___> ____ / \ ___> __ | _ | / \ ___> ___ | / __ | | ___ \ ____ |
10. * \ / \ / \ / \ / \ / \ / | __ |
11. *

次のステップは、TIが通常提供する豊富なコードを利用することです。この場合、TIには、再利用可能なMSP430Launchpad向けの高品質のADS1118コードがすでにあります。 Gert van LooとDomの入出力（I / O）コードを使用して、RPIで使用できるようにわずかに調整されました。

温度測定は簡単な作業のように思われるかもしれませんが（ADC値を読み取って温度に変換する）、熱電対には「冷接点補償」が必要です。これは、ADS1118の場合は内部温度センサーも読み取ることを意味します。コードは、内部センサーと外部熱電対の読み取りをインターリーブします。もう1つの重要なポイントは、熱電対の出力が温度に対して線形ではないことです。熱電対メーカーは、ADC値から実際の温度へのより正確な変換を取得するために使用できるデータを公開しています。 TIコードには、付属の熱電対用のこれらの機能がすでに含まれています。

コードは、ロギング機能を追加するように適合されました。ボードはRPIからのノイズの多い3.3V電源から電力を供給され、RPIに近接しているため、測定を確実にクリーンアップするためにいくつかの手順を実行する必要があります。実装されたアルゴリズムは、毎秒内部温度センサーを1回読み取り、外部熱電対を短いバースト（合計数百ミリ秒）で10回読み取るため、測定値を平均して、最終的に0.1℃の分解能で出力できます。最終結果は非常に良かった。ここで出力例を参照してください。

LCDには16文字の2行があるため、一番下の行を使用して時間と現在の熱電対温度を表示することにしました。一番上の行はユーザーによって異なります。何かに設定して、実験の内容をすぐに理解できるようにすることができます。たとえば、「テスト＃1」や「触れないでください」などと言うことができます。

コードの使用は簡単です。

まず、RPIでいくつかの機能が有効になっていることを確認します。 RPIを新しく使用している場合は、オペレーティングシステムをインストールした後、「詳細」を確認してください。 ’メニューオプションを選択し、次の3つを有効にします： SSH 、 SPI および I2C –このプロジェクトではこれらすべてを使用するわけではありませんが、RPIをモニターから取り外したり、RPIの40ウェイDILコネクタを使用したりしない場合を除いて、常に有効にする必要がある標準ベースのインターフェイスです。 OSのインストール後にこれが行われなかった場合は、 raspi-config と入力します。 RPIのテキストウィンドウ（コマンドシェルとも呼ばれます）で、[詳細]を選択します 表示されるメニューの ’。