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NTC am Arduino

ArduTemp(2)Nach dem kleinen Projektchen „Arduino mit Matlab“ möchte ich der Vollständigkeit halber den selben Aufbau auch noch ohne Matlab laufen lassen. Dabei soll der Code mit der mitgelieferten Arduino Entwicklungsumgebung „Arduino Software 1.6.7“ erstellt und in den Atmega 328 geladen werden. Damit man in dieser Stand-Alone-Variante auch was sehen kann, soll ein altes vierzeiliges LC-Display angeschlossen werden. Idealerweise gibt es hier eine schöne library namens LiquidCrystal.h, mit der das LCD im 4Bit Betrieb ganz einfach angesteuert werden kann.

Also schnell die benötigten Pins des LCD (übrigens ein JM204A) aus dem Datenblatt herausgesucht und mit Flachbandkabel und Pinheadern versorgt und an den Arduino angeschlossen. (die Belegung des Arduino habe ich im Script angegeben)

 

ArduTemp(1)Der NTC-Spannungsteiler bleibt, wie er ist. Und schon kann’s losgehen. Da wir die vier schönen Zeilen mit 20 Zeichen pro Zeile am LCD zur Verfügung haben, kann auch viel Information angezeigt werden. Ich habe mich entschieden, den Integer Wert des 10Bit ADC anzuzeigen (0-1023), den errechneten Widerstandswert des NTC´s und natürlich die daraus errechnete Temperatur.

Und das hier ist der simple Code 😉 …

 

/* ingmarsretro 2016
* Pinzuordnungen fürs LCDisplay
 * RS to digital 12
 * EN to digital 11
 * D4 to digital 5
 * D5 to digital 4
 * D6 to digital 3
 * D7 to digital 2
 * R/W to ground
 * VSS to ground
*/

// include libraries
#include <LiquidCrystal.h>
#include <math.h>
int analogpin = 0;
int analogvalue = 0;
double a1=3.354016E-03;
double b1=3.2569850E-04;
double c1=2.61013E-06;
double d1=6.38309e-08;
double urt=0;
double rt=0;
double rvsrref=0;
double temp=0;
double tempc=0;
double r=2200;
double rref=2200;
double analog=0;

// interfacepins initialisieren
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

void setup() {
  // setup LCD spalten und reihen
  lcd.begin(20, 4);
  lcd.print("Testprogramm NTC");
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  analogvalue=analogRead(analogpin);
  analog=(0.004882812*analogvalue);
  urt=5-analog;
  rt=((r/analog)*urt);

  rvsrref=rt/rref;
  temp=(1/(a1+(b1*log(rvsrref))+(c1*(log(rvsrref*rvsrref)))+(d1*(log(rvsrref*rvsrref*rvsrref)))));
  tempc=temp-273.15;
 
  //  column 0, line 1
  // (note: line 1 is the second row, since counting begins with 0):
  lcd.setCursor(0,1);lcd.print("ADC-Wert =");
  lcd.setCursor(11,1);
  lcd.print(analogvalue);
 
  lcd.setCursor(0, 2);  
  lcd.print("Widerstd =");
  lcd.setCursor(11, 2);
  lcd.print(rt);

  lcd.setCursor(0, 3);  
  lcd.print("Temp Cels=");
  lcd.setCursor(11, 3);
  lcd.print(tempc);

 

Arduino mit Matlab … Der Sensor

Nachdem ich im letzten Teil die Installation der Arduino-Matlab Packages zum Laufen bekommen habe, kann es nun weitergehen. Ziel dieses kleinen Beispiels ist es ja, an einen Arduino Uno einen NTC-Widerstand anzuschließen. Dieser soll als analoger Temperatursensor dienen (was er ja ist 😀 ) und über einen der A/D – Eingänge des Arduino eingelesen werden. Matlab soll dann schlussendlich die eingelesenen A/D- Werte  in Temperaturwerte umrechnen. Das Ganze soll über eine gewisse Zeit laufen, wobei alle paar n-Sekunden ein Wert eingelesen wird. Am Ende soll ein wunderschöner Temperaturplot mit Temperatur über Zeit erstellt werden.

Doch zuerst zum Sensor. Ich verwende hier einen NTC-Widerstand von dem Hersteller VISHAY mit einem R25 von 2200 Ohm (s.Datenblatt). Das bedeutet, er hat bei 25°C einen ohmschen Widerstand von 2.2kOhm. Je wärmer es nun wird, umso kleiner wird der Widerstand und umgekehrt. Der analoge Eingang des Arduino hat eine Auflösung von 10Bit. Das bedeutet, er kann den Spannungshub am Eingang (eingestellt durch die ADC Referenz) in 210 , also 1024 Teile auflösen (zerlegen). Der Standard beim Arduino ist 0V bis 5V. Also 0V am Eingang bedeutet einen ADC-Wert von 0 und 5V bedeutet einen ADC-Wert von 1024. Die Auflösung, also die kleinste auflösbare Spannungsänderung  ist daher:
formelarduino01 (2)Gibt der ADC beispielsweise einen Wert von 558 aus, so entspricht dies einer Spannung am Eingang von 558*0.00488V = 2.72304V. Doch wie soll der NTC jetzt an den Eingang angeschlossen werden? Ganz einfach. Man nehme einen Spannungsteiler und dimensioniere ihn so, dass der Strom durch die beiden Widerstände nie so groß werden kann, dass er zum einen die Versorgung des Arduino gefährdet und zum anderen auch nie so groß werden kann, dass er den NTC selbst erwärmt. In der Skizze ist nun dargestellt wie der Spannungsteiler aufgebaut und angeschlossen ist. Jetzt gilt es noch herauszufinden, wie aus der Spannung am ADC der gemessene Widerstandswert berechnet werden kann. Hier hilft die Spannungsteilerregel:
formel2
In diesem Beispiel hier besteht der Spannungsteiler aus dem NTC (2k2 @ 25°C) und einem 2k2 Festwiderstand. Wenn der NTC null Ohm haben sollte (nur rein theoretisch), so fließt ein maximaler Strom von 0.002A durch die Widerstände (5V/2200Ohm). Wir lesen jetzt in Matlab den Spannungsabfall am NTC ein und können uns über den Spannungsteiler den Widerstandswert berechnen. Jetzt fehlt nur noch die Formel zur Berechnung der Temperatur. Und die ist, samt den notwendigen Konstanten A1, B1, C1 und D1, im Datenblatt angegeben:formel3Das Ergebnis dieser Berechnung ist die Temperatur in Kelvin. Um die Temperatur aber in °Celsius angezeigt zu bekommen, rechnet man: °C = °K-273,15. Mit all diesen Informationen kann man jetzt ein Matlab-Script schreiben, das dann in etwa so aussieht:
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% Beispielscript um mit ArduinoUno einen Temperaturverlauf aufzuzeichnen
% 02/2016 by I.Bihlo
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
%a = arduino('com5','Uno');
  a = arduino('com5','Uno','TraceOn', true)
  analogpin=0;
  analog=0;
 
  %ein paar konstanten für die weiteren berechnungen
  %
  r=2200;  %Spannungsteilerwiderstand
  rt=0; %das wird der errechnete widerstand des NTC
  urt=0; %das wird der errechnete Spannungsabfall am NTC
 
  % konstanten für berechnung der Temperatur aus NTC Widerstand
  % B25=3977K
  a1=3.354016E-03;
  b1=3.2569850E-04;
  c1=2.61013E-06;
  d1=6.38309e-08;
  rref=2200;
 
 
 
  %Lesen eines Temperaturabhängigen Widerstandes am Analog Eingang A0
  %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
  for x=1:50
  analog(x)=readVoltage(a, analogpin) %Liest den AnalogIn von A0 und gibt in Volt aus
  urt(x)=5-analog(x); %spannungsabfall am NTC
  rt(x)=(r/analog(x))*urt(x); %widerstand des NTC
 
  %berechung der temperatur
  rvsrref(x)=rt(x)/rref;
  temp(x)=1/(a1+(b1*log(rvsrref(x)))+(c1*(log(rvsrref(x)^2)))+(d1*(log(rvsrref(x)^3))));
  tempc(x)=temp(x)-273.15 %Kelin in Celsius umrechnen
  pause(2);
 
  end
 
  clear a;
 
  %plot den mist
  figure(1);
  time=1:50;
  plot(time,analog,'b');
  grid on; hold on;
  plot(time,rt/1000,'r');
  plot(time,urt,'g');
  plot(time,tempc,'m');
  legend('Analogspannung des ADC','Widerstand des NTC in kOhm','Spannung am NTC','Temperatur [°C]'); 
  %ende

 

temperaturgraph
So sieht der Graph mit dem Temperaturlog danach aus…

Arduino mit Matlab … Startschwierigkeiten

arduino01 (4)Heute möchte ich ein Thema vorstellen, mit dem ich mich kurz im Rahmen einer Recherche beschäftigt habe. Viele (Techniker) kennen vielleicht die Software Matlab von der Firma Matworks. Das ist ein extrem umfangreiches Softwarepaket, das bei uns in der Lehre eingesetzt wird, um Studierende in allen möglichen technischen Bereichen zu unterrichten. Sei es Signalverarbeitung, Regelungstechnik, Bildverarbeitung, etc. – Matlab ist das Tool, um all das professionell umzusetzen. Auch wenn es um Messdatenerfassung geht, muß man nicht unbedingt auf Tools zurückgreifen, mit denen ein Projekt oder Programm „gezeichnet“ wird. Das ist zwar toll für den Einstieg, kann (und wird) in späterer Folge aber aufgrund des riesen Overheads und der benötigten PC Resourcen viel zu umständlich, wenn man schnell einmal über eine externe Hardware irgendwelche physikalischen Größen aufzeichnen und verarbeiten will.

In diesem kleinen Projektchen möchte ich nun zeigen, wie einfach man mit Hilfe eines Arduino Uno Boards zusammen mit Matlab eine Temperaturmessung realisieren kann. Der Sensor soll hier ein ganz einfacher NTC Widerstand sein. Das bedeutet, der ohmsche Widerstand des Bauteils ändert sich mit der Temperatur, in dessen Umgebung sich das Bauteil befindet. Die Änderung passiert hier folgendermaßen: wenn die Temperatur steigt, so wird der ohmsche Widerstand kleiner. (Negativer Temperatur Koeffizient) (Coefficient engl. -> NTC). Einziger kleiner Haken – die Änderung passiert nicht linear wie zum Beispiel beim PT100. Das bedeutet der Verlauf  des Widerstands bei Änderung der Temperatur ist keine Gerade mit irgendeiner Steigung, sondern eine e-Funktion. Das wiederum bedeutet, dass, will man aus den gemessenen Widerstandwerten in eine Temperatur zurückrechnen, die Funktionsgleichung zum NTC gefunden werden muss. Glücklicherweise findet man diese aber fix und fertig in den Herstellerdatenblättern 😉 aber dazu später.

Man hat nun einen temperaturabhängigen Widerstand, ein Arduino Uno – Board und einen PC auf dem Matlab läuft. Wie geht´s nun weiter? Nehmen wir als Beispiel an, dass Matlab 2014b installiert ist. Nun gibt es in Matlab unter dem Tab „Home“ eine Rubrik, die sich „Add-Ons“ nennt. Klick man auf  diese, so klappt ein Menue auf, in dem man den Eintrag „Get Hardware Support Packages“ findet. Den klickt man an und es öffnet sich ein Fenster namens „Support Package Installer“.

Unter „Install from Internet“ und „Next>“ kommt man zu einem Auswahlmenue der verfügbaren Packages. Hier sucht man sich „Arduino“ aus und setzt im rechten Bereich des Fensters einen Haken – und zwar bei dem Paket „Aquire inputs and send outputs on Arduino Uno…“. Danach wieder auf „Next>“ klicken und die Installation vollenden.

Ist alles erledigt so kann man den Arduino am USB-Port anstecken. Windows sollte einen Treiber zuordnen. (Unter Systemsteuerung – Gerätemanger – Anschlüsse > sollte ein Arduino Uno (COMx) zu finden sein). Ist das der Fall, dann sollte es klappen 🙂

Jetzt kann in der Matlab Console folgender Befehl eingegeben werden:

arduino()

Folgende Antwort kommt nun zurück:

 arduino with properties:

Port: 'COM5'
Board: 'Uno'
AvailableAnalogPins: [0, 1, 2, 3, 4, 5]
AvailableDigitalPins: [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]
Libraries: {'I2C', 'SPI', 'Servo'}

Der COM-Port unterscheidet sich natürlich und wird meist auf den nächsten freien COM gemappt. Hat das aber geklappt, so ist der erste Teil schon gewonnen. Matlab kommuniziert mit dem Arduinoboard. Es kann aber auch vorkommen, dass Fehlermeldungen auftauchen. Wie bei mir der Fall:

Cannot detect Arduino hardware. Make sure original Arduino hardware is properly plugged in. If
using unofficial(clone) hardware, specify port and board type. For more information, see the
arduino function reference page.

Das war die erste Meldung nach der Installation: Dafür gibt’s aber auch Abhilfe. Man gibt folgendes ein:

a = arduino('com5','Uno')

Wenn auch dann eine Fehlermeldung kommt, so wie natürlich bei mir, dann kann man mit folgendem commando auf Fehlersuche gehen:

 a = arduino('com5','Uno','TraceOn', true)

Jetzt kam bei mir die Meldung : Updating server code on Arduino Uno (COM5). Please wait.  Und danach gleich ein Errorfenster mit einem „avr-gcc.exe
Die Anwendung konnte nicht korrekt gestartet werden (0xc00000142)“ Fehler. Danach habe ich lange in diversen Foren gesucht, Tracelogs verglichen und nach den Fehlermeldungen gegoogelt. Hier gab es Tips von: die make.exe in den Tiefen des SupportPackages Ordner ist nicht kompatibel mit 64bit Systemen, mit Windows8.1 und Windows10 gibt es Zugriffsrechteprobleme und und und. Leider war aber nie ein Lösungsvorschlag dabei der bei mir funktionierte. Also habe ich auf einem zweiten Rechner eine jungfräuliche Installation von Matlab und dem Arduino Matlab Package durchgeführt. Und siehe da – es funktionierte. Aber wie jetzt nach dem Fehler suchen, oder ihn beheben. Also habe ich auf dem funktionierenden Rechner einen Tracelog durchgeführt, indem ich beim Aufrufen der Arduinofunktion einen Port angegeben habe, auf dem ein anderes NICHT Arudino Gerät angeschlossen ist. Und siehe da, der Errortracelog war seeehr lange und ausführlich. Man konnte ansehen was die Funktion alles aufruft. Und irgendwo ganz unten im Log las ich was von avrdude… Da kam mir die Idee. Auf meinem PC sind einige Entwicklungsumgebungen installiert. Unter anderem auch AVR-Studio und der WinAVR20100110 Compiler. Und genau der war das Problem. Den WinAVR gelöscht und schon klappte es.

Also steht dem weiteren Aufbau zur Realisierung des Projektchens nichts mehr im Weg. Aber darüber scheibe ich beim nächsten Mal in Teil 2…