An Arduino Sample Project Based on Temperature Sensor

Jan. 11, 2023

Introduction

本博客学习使用Grove套件的温度传感模块搭建示例项目Grove - Temperature Sensor: With Arduino，该项目采用的温度传感器模块（Grove - Temperature Sensor）：

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该温度传感器模块采用的是TTC3A103-39H热敏电阻（thermistor），这是一个NTC热敏电阻（negative temperature coefficient thermistor），即电阻的阻值随着环境温度的下降而增加。


Project

将温度传感器模块接入到Arduino的模拟A0端口：

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并烧录以下程序：

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#include <math.h>

int B = 3975;                  //B value of the thermistor
int a;
float temperature;
float resistance;

void setup()
{
    Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
    a = analogRead(0); // Read analog A0 output value
    resistance = (float)(1023-a)*10000/a; //get the resistance of the sensor;
    temperature = 1/(log(resistance/10000)/B+1/298.15)-273.15;//convert to temperature via datasheet&nbsp;
    delay(1000);
    Serial.print("Current temperature is ");
    Serial.println(temperature);
}

之后，我们可以打开Serial Monitor监视温度的输出值：

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也可以打开Serial Plotter观看绘制的曲线：

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下面，我们就学习一下上述的代码片段。

Serial.begin(9600)

代码在setup()部分进行了这样的设置：

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Serial.begin(9600);

博客What is Serial.begin(9600)? - Programming Electronics Academy在实践上对这一行代码做出了通俗的解释，下面是我对这篇博客的思想进行简单的学习总结。

Serial.begin(9600);出现在很多的代码中。函数Serial.begin()的作用是在Arduino板和另一台设备之间建立串行通信（serial communication），最常见的场景就是我们使用USB连接线（即Universal Serial Bus cable，通用串行总线电缆）将Arduino与PC连接。当我们在两台设备之间建立了串行通信后，函数Serial.begin()就允许两台设备使用串行协议（serial protocol）进行通信。

（1）我们在什么时候需要使用Serial.begin()函数呢？

使用Serial.begin()函数最常见的原因是：我们想要从Arduino中输出一些信息到我们的电脑屏幕上，也就是说，我们想要打印一些文本。用于将Arduino输出的信息打印到电脑屏幕上展示的函数是Serial.print()，例如

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void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Serial.print("Hello, Arduino!");
}

代码会将信息打印在Serial Monitor窗口中：

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（需要注意，这里是循环打印）

在其他场景下我们也会用到Serial.begin()。例如，我们的计算机上运行着一个程序，该程序期望通过某一端口从Arduino中读取数据，此时我们就需要使用Serial.begin()。

（2）代码Serial.begin()编写在代码中的哪一部分？

在99%的场景下，我们都会将Serial.begin()写在setup()部分，因为我们只需要建立一次串行通信。

（3）Serial.begin(9600)中的数字9600代表什么？

数字9600被称作波特率（baud rate），表示串行通信每秒可以传输9600个二进制位。在实际使用中，关于波特率最重要的事情是：为了成功建立起串行通信，Serial.begin()中的波特率需要与接收设备上设置的波特率匹配。如果两者的波特率是不匹配的，那么我们试图通过串口所发送到的任何东西都是错的。

如果是使用Arduino IDE Serial Monitor窗口从Arduino中读取信息，那么我们可以使用baud rate下拉菜单设置波特率：

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我们可以简单尝试一下不同波特率所传递的的信息：

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From Output Value to Resistance to Temperature

温度传感器模块的输出值实际上并不是温度值，要想获得正确的温度值（并且是摄氏温度），则需要一系列值的转换。实现这一功能的代码片段是loop()中的：

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a = analogRead(0); // Read analog A0 output value
resistance = (float)(1023-a)*10000/a; //get the resistance of the sensor;
temperature = 1/(log(resistance/10000)/B+1/298.15)-273.15;//convert to temperature via datasheet&nbsp;

其中：

  • 变量a是analog A0 output value；
  • 变量resistance是温度传感器的阻值；
  • 变量temperature是环境温度值，单位是摄氏度；

From Resistance to Temperature

我们首先看代码temperature = 1/(log(resistance/10000)/B+1/298.15)-273.15;。这段代码实际上表征了温度传感器的阻值与环境温度之间的关系。

我们前面提到过，温度传感器的主要部分是一个NTC热敏电阻，其特性可以使用B参数方程（或称为$\beta$参数方程）：

\[\dfrac1T=\dfrac1{T_0}+\dfrac1B\ln\dfrac{R}{R_0}\]

其中：

  • 参数B是一个常数，是热敏电阻本身的性质
  • 温度和B参数的单位都是开尔文（kelvins）；
  • $R_0$是电阻在温度$T_0$（$25^\circ\mathrm{C}=298.15\mathrm{K}$）时的阻值

上式等价于：

\[R=R_0\exp\Big\{B(\dfrac1T-\dfrac1{T_0})\Big\}\]

也等价于：

\[R=r_\infty\exp(B/T)\label{eq1}\]

其中：

\[r_\infty=R_0\exp(-B/T_0)\label{eq2}\]

是一个常数。进一步，我们可以得到：

\[T=\dfrac{B}{\ln(R/r_\infty)}\label{eq4}\]

另外，方程$\eqref{eq4}$可以进一步改写为：

\[\ln R=B/T+\ln r_\infty\label{eq5}\]

方程$\eqref{eq5}$表征一条lnR-(1/T)的曲线，我们可以使用这条曲线的斜率估计B参数。

代码：

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temperature = 1/(log(resistance/10000)/B+1/298.15)-273.15;

所表示的二者关系为：

\[\begin{split} T&=\dfrac{1}{\dfrac1B\ln(R/10000)+1/298.15}-273.15\\ &=\dfrac{B}{\ln\dfrac{R}{10000\times\exp(-B/298.15)}}-273.15 \end{split}\]

其中，$-273.15$表示从开氏温度到摄氏温度之间的转换（$绝对温度(开氏温度)=摄氏温度+273.15$，273.15是绝对零度），将剩余部分与式$\eqref{eq1}$与式$\eqref{eq2}$进行对比，可以得到$R_0\vert_{T=T_0}=10000\ \Omega$。

实际上，$R_0$作为一个常数，应该可以通过传感器的datasheet（或者R-T曲线）获得，但是官网中所提供的热敏电阻TTC3A103-39H的R-T曲线很模糊，并且后面的型号也不是39H。后来，我找到NTC Thermistor-Veteng提供了该信号的相关参数：

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可以看到，该型号热敏电阻的Zero Power Resistance at 25 $^\circ \mathrm{C}$是$10\ \mathrm{k\Omega}$，B参数为3975，与我们代码中的设定是一致的。

From Output Value to Resistance

我们可以看到，在将电阻值转换成温度值之前，我们需要首先将Arduino A0端口的输出值转换为电阻值：

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a = analogRead(0); // Read analog A0 output value
resistance = (float)(1023-a)*10000/a; //get the resistance of the sensor;

如果我们进行转换，而直接将端口输出值作为电阻值：

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resistance = a;
temperature = 1/(log(resistance/10000)/B+1/298.15)-273.15;

则输出值的摄氏温度为：

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这些值肯定是不对的，但是我们现在不太清楚转换公式的含义是什么，也不清楚如何在网络上查找资料，因此先搁置在这里。

另一方面，我们可能会问：模拟端口A0的输出值是什么呢？可以简单输出看一下：

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可以看到模拟端口A0的输出值是一个一个整数。再进一步，如果把A0端口的温度传感器拔掉，可以看到电脑屏幕上仍会打印值

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并且也会变化，但是我目前还不清楚它们端口输出值的具体含义。


Serial.printIn() Function

代码在打印温度的时候使用了函数Serial.printIn() ：

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Serial.print("Current temperature is ");
Serial.println(temperature);

我们同样可以使Serial.print()函数进行打印：

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Serial.print("Current temperature is ");
Serial.print(temperature);

但是该函数没有末尾的自动换行功能：

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两个函数差异的详细阐述可以参考博客：Arduino编程之Serial.println()和Serial.print() - 腾讯云开发者社区-腾讯云。