Correction and Supplement for Blog “An Arduino Sample Project Based on Temperature Sensor”

Jan. 24, 2023

Introduction

之前在学习温度传感器模块的时候（博客An Arduino Sample Project Based on Temperature Sensor - What a starry night~，后简称为“博客”），有一个问题没有解决，没有搞清楚Arduino端口的输出值与电阻值之间的转换关系。但其实问题不止于此，我忽略了很多重要的东西，因此这篇博客意在对上一篇博客进行纠正和补充。


The Different Versions of Temperature Sonsors

首先，在博客的学习中，我参考的文档以及所采用的代码都来自文档：Grove - Temperature Sensor，但实际上这篇文档介绍的是V1.0版本的温度模块，而我购买的是V1.2版本，应当参考文档Grove - Temperature Sensor V1.2（这篇wiki同样适用于V1.1版本）。V1.2版本的温度模块实际运行的代码应该是这样的：

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// Demo code for Grove - Temperature Sensor V1.1/1.2
// Loovee @ 2015-8-26
 
#include <math.h>
 
const int B = 4275;               // B value of the thermistor
const int R0 = 100000;            // R0 = 100k
const int pinTempSensor = A0;     // Grove - Temperature Sensor connect to A0
 
#if defined(ARDUINO_ARCH_AVR)
#define debug  Serial
#elif defined(ARDUINO_ARCH_SAMD) ||  defined(ARDUINO_ARCH_SAM)
#define debug  SerialUSB
#else
#define debug  Serial
#endif
 
void setup()
{
    Serial.begin(9600);
}
 
void loop()
{
    int a = analogRead(pinTempSensor);
 
    float R = 1023.0/a-1.0;
    R = R0*R;
 
    float temperature = 1.0/(log(R/R0)/B+1/298.15)-273.15; // convert to temperature via datasheet
 
    Serial.print("temperature = ");
    Serial.println(temperature);
 
    delay(100);
}


From Arduino Output Value to Resistance

上述代码中：

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float R = 1023.0/a-1.0;
R = R0*R;

实现Arduino输出值与电阻值之间的转换

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float temperature = 1.0/(log(R/R0)/B+1/298.15)-273.15;

实现电阻值与温度值之间的转换。

后者（即NTC电阻的RT特性）可以完全按照博客中所述进行理解，没有问题；重点还是理解Arduino输出值与电阻值的转换。

实际上，该模块中集成了一个voltage divider（Lesson 11 : Temperature sensor Grove module. - YouTube）：（选用100k电阻是因为NTC在25摄氏度时的电阻值就是100k）

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因此端口的输出电压$V$与工作电压$V_{CC}$之间存在比例关系：

\[V = V_{CC}\dfrac{R_0}{R_0+NTC}\notag\] \[\dfrac{V}{V_{CC}} = \dfrac{R_0}{R_0+NTC}\notag\] \[NTC=V_{CC}\dfrac{R_0}{V}-R_0\notag\] \[NTC=(\dfrac{V_{CC}}{V}-1)R_0\notag\]

具体而言，NTC与输出电压的转换关系应该是：

\[NTC=(\dfrac{5}{V}-1)R_0\label{eq1}\]

但是，Arduino端口的输出值a并不是电压值。根据Arduino官方关于ananologRead()函数的文档（analogRead() - Arduino Reference），Arduino板实际上包含了一个10-bit模数转换器（10-bit analog to digital converter），这意味着Arduino会将工作电压（即5V，下文中将再次强调这一电压值）范围内的值映射为0~1023之间的整数输出：

Reads the value from the specified analog pin. Arduino boards contain a multichannel, 10-bit analog to digital converter. This means that it will map input voltages between 0 and the operating voltage(5V or 3.3V) into integer values between 0 and 1023.

注：这也意味着resolution为 5 volts / 1024 units，即0.0049 volts (4.9 mV) per unit.

因此，式$\eqref{eq1}$中的电压（模拟量）比值$\dfrac5V$可以改为实际输出（数字量）比值$\dfrac{1023}{a}$：

\[NTC=(\dfrac{1023}{a}-1)R_0\]

这就是上面代码计算的原理。

此时再观察博客中使用的转换代码：

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

可以发现它与本文所采用的代码：

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float R = 1023.0/a-1.0;
R = R0*R;

完全是等效的，只是两个版本热敏电阻的Zero Power Resistance at 25 $^\circ \mathrm{C}$是不同的而已！！！更进一步地讲，博客中运行的代码与本博客中的代码在实现原理上是一致的，差别就在于NTC电阻的$B$值和$R_0$值不同


Operating Voltage

第二个问题是Arduino工作电压的问题。我所使用的扩展板上Grove Base Shield V2有一个调整工作电压的开关（可选3.3V或5.0V）：

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我之前并不在意这个开关，但这个工作很重要。仍然是ananologRead()函数的文档（analogRead() - Arduino Reference）：

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这里明确指出Arduino Uno的工作电压是5 Volts，因此需要始终把它调整到5 V的位置。如果将其调整到3.3V的位置，就会出现错误。对于LED灯而言，它的亮度会变暗；而对于本文所使用的温度传感器，则会导致明显的输出错误。

工作电压为5 V时打印的环境温度值：

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工作电压为3.3 V时打印的环境温度值：

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