Týden 6 - Senzory

Datum: 25.3.2025

O projektu

Cílem tohot týdne bylo seznámit se s použitím senzorů a jejich zapojením. Jako projekt jsem si vybral práci na čtyřvodičovém měřiči odporu s použitím pro měření PT100 snímače teploty.

Zapojení

Nejdříve bylo třeba propojit měřící obvod s mikrokontrolerem. Z počátku jsem se snažil použít nucleo, ale vzheledem ke složitosti debugování jsem přešel na arduino (Mbed podpora končí, Keil neumní sledovat sériovou linku...). Po celém dnu snahy zporovznit nucleo jsem se rozhodl, že to nemá cenu a přešel jsem na arduino. Propojil jsem arduino s měřícím obvodem MAX 31865. K propojení bylo třeba otevřít v Kicadu schéma PCB desky.

Kicad schéma

Po propojení vypadalo zapojení takto:

Zapojení

Program

Zde nastal nevjětší kámen úrazu. Výstupy z měřícího obvodu jsem se snažil přečíst pomocí knihovny MAX31865. Bohužel jsem narazil na problém s připojením. Zatím senzor posílá LSB a MSB, ale nic jiného. Nejspíše knihovna uvnitř arduinoIDE nefunguje správně. Zatím jsem se snažil použít knihovnu Adafruit MAX31865, ale ani ta nefunguje. Zatím jsem se dostal k tomu, že mi senzor posílá LSB a MSB, ale nic jiného. Nejspíše knihovna uvnitř arduinoIDE nefunguje správně. Zatím jsem se snažil použít knihovnu Adafruit MAX31865, ale ani ta nefunguje. Zkusím se tedy podívat na výstupy MAX 31865 pomocí osciloskopu, zda dochází k odesílaní dat. Je možné, že bude třeba manuálně specifikovat HEX hodnotu pro nastavení senzoru pro čtyřvodičové zapojení a číst data přímo z registru a přepínat SCK pin na arduinu. Jakmile budu mít přístup k osciloskopu a možnost debugování, pokusím se senzor a jeho výstupy otestovat a zkalibrovat. To vše zde doplním.

Oprava

Po zkoumání Kicad návrhu jsem si všiml, že nesedí piny s popisem. Napsal jsem vedoucímu a zjistili jsme, že jsem omylem obdržel špatnou desku 🙂. Na nové desce jsem již správně zapojil MISO,SCK,MOSI a CS piny. Nakonec jsem použil Nucleo F303RE programované v arduino IDE. Napsal jsem nakonec jednoduchý kód pro čtení RTD a převodu na teplotu pro budoucí zapojení čidla PT100. Metodu jsem zvolil jako polling dat po prodlevě 70ms. V budoucnu bych rád přidal interrupt pro čtení dat, ovšem nedokázal jsem nastavit max převodník na kontinuální režim a interrupt fungoval pouze až po resetování převodníku. Polling je ale naprosto dostačující a funguje bez problémů.

Zobrazit kód +


#include <Adafruit_MAX31865.h>
#include <SPI.h> // Include SPI library

// CS pins 
#define PT1_CS    PA8
#define PT2_CS    PB6


// DRDY pins
#define PT1_DRDY  PA0 // TODO 
#define PT2_DRDY  PA1

Adafruit_MAX31865 sensor1 = Adafruit_MAX31865(PT1_CS);
Adafruit_MAX31865 sensor2 = Adafruit_MAX31865(PT2_CS);

// Definovane hodnoty pro pt100 
const float RTD_NOMINAL = 100.0;  
const float REF_RESISTOR = 400.0; // Reference na desce



void setup() {
  // Init SPI
  
  SPI.begin();
  Serial.begin(115200);
  while (!Serial) delay(10); // Delay 

  // 4 dratove zapojeni  
  sensor1.begin(MAX31865_4WIRE);
  sensor2.begin(MAX31865_4WIRE);

  sensor1.enableBias(true);
  sensor1.autoConvert(true);
  sensor1.enable50Hz(true);
}

void loop() { // TODO: check for data ready For reading the output. (around 6hzs)
  // Read temperature from each sensor - adafruit library 
  float temp1 = sensor1.temperature(RTD_NOMINAL, REF_RESISTOR);
  float temp2 = sensor2.temperature(RTD_NOMINAL, REF_RESISTOR);
  
  // Read RTD raw values and calculate resistance
  uint16_t rtd1 = sensor1.readRTD();
  uint16_t rtd2 = sensor2.readRTD();
  
  float resistance1 = ((float)rtd1 / 32768.0) * REF_RESISTOR; // Using 15bit ADC - MSB is 32768
  float resistance2 = ((float)rtd2 / 32768.0) * REF_RESISTOR;
// Nemenit - appka ocekava tento vystup
Serial.print("T1:");
Serial.print(temp1);
Serial.print(",T2:");
Serial.print(temp2);
Serial.print(",R1:");
Serial.print(resistance1, 2);
Serial.print(",R2:");
Serial.println(resistance2, 2); // println ends the line
    
delay(70); // Delay 
}

Finální obvod

Diagnostika na logickém analyzátoru

Vizualizace dat a ukládání do CSV

Vytvořil jsem jednoduché GUI pro vizualizaci dat a ukládání do CSV. GUI je napsáno v Processingu.

Zobrazit kód +


import processing.serial.*;
import grafica.*;
import controlP5.*;

Serial myPort;
ControlP5 cp5;
DropdownList portList;
Textlabel statusLabel;
GPlot plotTemp;
GPointsArray pointsT1, pointsT2;
float startTime;

PrintWriter csvWriter;
String logFileName = "temperature_log.csv";
boolean loggingEnabled = true;

// Latest values for display
float lastT1 = Float.NaN;
float lastT2 = Float.NaN;

// Visibility toggles
boolean showT1 = true;
boolean showT2 = true;

// Fixed y-axis parameters for single-channel
final float yStep = 0.1;      // step size in °C
final int nYTicks = 11;       // ticks for single-channel view

void setup() {
  size(900, 700);
  cp5 = new ControlP5(this);

  // Serial ports dropdown
  portList = cp5.addDropdownList("ports").setPosition(10, 10).setSize(120, 200);
  for (int i = 0; i < Serial.list().length; i++) {
    portList.addItem(Serial.list()[i], i);
  }

  // connect button
  cp5.addButton("connect").setPosition(150, 10).setSize(50, 20);

  // Status label
  statusLabel = cp5.addTextlabel("status").setPosition(210,10).setSize(200,20)
     .setText("Select a port and connect");

  // channel selection
  cp5.addToggle("showT1").setPosition(300,10).setSize(50,20).setLabel("T1").setValue(true);
  cp5.addToggle("showT2").setPosition(360,10).setSize(50,20).setLabel("T2").setValue(true);

  // temp plot
  plotTemp = new GPlot(this);
  plotTemp.setPos(20,50);
  plotTemp.setDim(700,400);
  plotTemp.setTitleText("Temperature over Time");
  plotTemp.getXAxis().setAxisLabelText("Time (s)");
  plotTemp.getXAxis().setNTicks(12);
  plotTemp.getYAxis().setAxisLabelText("Temperature (°C)");

  pointsT1 = new GPointsArray();
  pointsT2 = new GPointsArray();
  plotTemp.addLayer("T1", pointsT1);
  plotTemp.addLayer("T2", pointsT2);

  startTime = millis();

  // CSV header
  csvWriter = createWriter(logFileName);
  csvWriter.println("Time(s),T1_deg,T2_deg");
}

void connect() {
  if (myPort != null) {
    myPort.stop(); myPort = null;
    statusLabel.setText("Disconnected");
  }
  int sel = (int)portList.getValue();
  if (sel >= 0 && sel < Serial.list().length) {
    try {
      myPort = new Serial(this, Serial.list()[sel], 112500);
      myPort.bufferUntil('\n');
      statusLabel.setText("Connected to " + Serial.list()[sel]);
    } catch (Exception e) {
      statusLabel.setText("Error: Port unavailable");
    }
  } else statusLabel.setText("Error: Invalid port");
}

void showT1(boolean val) { showT1 = val; }
void showT2(boolean val) { showT2 = val; }

void serialEvent(Serial p) {
  String s = p.readStringUntil('\n');
  if (s == null) return;
  s = trim(s);
  float t = (millis() - startTime) / 1000.0;
  for (String pair : split(s, ',')) {
    String[] kv = split(pair, ':');
    if (kv.length != 2) continue;
    float v;
    try { v = float(kv[1]); } catch (Exception e) { continue; }
    if (kv[0].equals("T1")) { pointsT1.add(t, v); lastT1 = v; }
    else if (kv[0].equals("T2")) { pointsT2.add(t, v); lastT2 = v; }
  }
  // remove old points and write to csv
  while (pointsT1.getNPoints() > 0 && pointsT1.getX(0) < t - 120) pointsT1.remove(0);
  while (pointsT2.getNPoints() > 0 && pointsT2.getX(0) < t - 120) pointsT2.remove(0);
  statusLabel.setText("Receiving data");
  if (loggingEnabled) {
  csvWriter.println(nf((millis() - startTime)/1000.0, 0, 2) + "," + 
                    (Float.isNaN(lastT1) ? "" : nf(lastT1, 0, 2)) + "," + 
                    (Float.isNaN(lastT2) ? "" : nf(lastT2, 0, 2)));
}

}

void draw() {
  background(255);
  float cur = (millis() - startTime) / 1000.0;
  plotTemp.setXLim(max(0, cur - 120), cur);

  // Autoscale when both channels visible
  if (showT1 && showT2) {
    float minY = Float.MAX_VALUE, maxY = -Float.MAX_VALUE;
    for (int i = 0; i < pointsT1.getNPoints(); i++) {
      minY = min(minY, pointsT1.getY(i));
      maxY = max(maxY, pointsT1.getY(i));
    }
    for (int i = 0; i < pointsT2.getNPoints(); i++) {
      minY = min(minY, pointsT2.getY(i));
      maxY = max(maxY, pointsT2.getY(i));
    }
    if (minY < maxY) {
      float margin = (maxY - minY) * 0.1;
      plotTemp.setYLim(minY - margin, maxY + margin);
      plotTemp.getYAxis().setNTicks(15);
    }
  } else {
    // Fixed center for single channel
    float centerY = 0;
    int count = 0;
    if (showT1 && !Float.isNaN(lastT1)) { centerY += lastT1; count++; }
    if (showT2 && !Float.isNaN(lastT2)) { centerY += lastT2; count++; }
    centerY = count > 0 ? centerY / count : 0;
    float halfSpan = yStep * (nYTicks - 1) / 2.0;
    plotTemp.setYLim(centerY - halfSpan, centerY + halfSpan);
    plotTemp.getYAxis().setNTicks(nYTicks);
  }

  // Update layers
  GPointsArray empty = new GPointsArray();
  plotTemp.setPoints(showT1 ? pointsT1 : empty, "T1");
  plotTemp.setPoints(showT2 ? pointsT2 : empty, "T2");

  // Draw plot
  plotTemp.beginDraw();
  plotTemp.drawBackground(); plotTemp.drawBox();
  plotTemp.drawXAxis(); plotTemp.drawYAxis(); plotTemp.drawTitle();
  plotTemp.drawGridLines(GPlot.BOTH);
  plotTemp.getLayer("T1").setLineColor(color(255,0,0));
  plotTemp.getLayer("T2").setLineColor(color(0,0,255));
  plotTemp.drawLines(); plotTemp.endDraw();

  // show current values
  fill(0); textSize(14); textAlign(LEFT);
  int y0 = 570;
  text("Current T1: " + (Float.isNaN(lastT1)?"N/A":nf(lastT1,0,2)) + " °C", 30, y0);
  text("Current T2: " + (Float.isNaN(lastT2)?"N/A":nf(lastT2,0,2)) + " °C", 450, y0);
}

void exit() {
  if (csvWriter != null) { csvWriter.flush(); csvWriter.close(); }
  super.exit();
}

Měření

Jelikož jsem si o děkanském dnu konečně zprovoznil Ikea Lack enclosure na moji 3d tiskárnu, rozhodl jsem se otestovat na kolik se dokáže uvnitř bez izolace vytopit. K tomu jsem použil můj vyrobený senzor a následně zapnul měření. Komora byla zahřívána pomocí tiskové podložky nastavené na 80 °C

Měření

Výsledky se automaticky zapisovali do CSV souboru, ze kterého šel snadno vytvořit graf

Graf

Jak je vidět, tak se mi podařilo dosáhnout teploty pouhých 26 stupňů Celsia. Budu muset tedy lépe izolovat.