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。

#!/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)

若想深入学习模/数转换等模电知识，强烈推荐以下书籍，国外大学最经典模电教程，比国内教程生动有趣更易懂。扫码购买或者点击下面的链接。

模拟电子基础

《模拟电子基础》点击购买：https://u.dangdang.com/OIVk

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。

#!/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