模拟温度传感器实验

Lab5实验报告：模拟温度传感器实验¶

一、实验介绍¶

温度感测模块提供易于使用的传感器，它带有模拟和数字输出。该温度模块使用 NTC（负温度系数）热敏电阻来检测温度变化，其对温度感应非常灵敏。 NTC 热敏电阻电路相对简单，价格低廉，组件精确，可以轻松获取项目的温度数据，因此广泛应用于各种温度的感测与补偿中。简而言之，NTC 热敏电阻将随温度变化传递为电阻变化，利用这种特性，我们可以通过测量电阻网络(例如分压器)的电压来检测室内/环境温度。本次实验的任务为：获取当前环境的温度值。

二、实验原理¶

NTC热敏电阻特性：
在本实验中，我们将使用Steinhart-Hart方程来计算热敏电阻的精确温度，这是一个用于描述热敏电阻电阻-温度特性的经验公式，即Steinhart-Hart方程。
Steinhart-Hart方程表达式为 \(\frac{1}{T} = A + B\ln(R) + C(\ln(R))^3\)，其中\(T\)是以开尔文为单位的绝对温度，\(R\)是热敏电阻在给定温度下的电阻值，而\(A\), \(B\), \(C\) 则是取决于具体型号的常数参数。对于本次实验，假设\(R_0\)为10kΩ，\(B\)值为3950K。
电路：
温度传感器模块由一个NTC热敏电阻和一个固定电阻组成分压电路。当环境温度发生变化时，热敏电阻的阻值也会随之改变，从而影响分压点处的电压输出。
通过连接到PCF8591的模拟输入端口AIN0，我们可以采集这个电压信号，并将其转换为数字形式以便后续分析。
数据处理：
首先从PCF8591读取经过A/D转换后的数值\(analogVal =PCF8591.read(0)\)，然后根据已知条件（如供电电压\(V_{cc}=5V\)，ADC分辨率为8位即0_255对应05V）计算出对应的模拟电压 \(V_r = V_{cc} * float(analogVal) / 255.0\)。
接着利用分压比公式计算得到热敏电阻的实际阻值\(R_t = R_0 * V_r / (V_{cc} - V_r)\)。
再代入Steinhart-Hart方程求解温度T。

三、实验步骤¶

硬件连接：
连接Raspberry Pi、T型转接板和PCF8591模块之间的SDA、SCL、VCC和GND引脚。
将模拟温度传感器的AO引脚连接到PCF8591模块的AIN0，DO引脚可以留空或接地，VCC引脚接5V电源，GND引脚接地。
配置I2C总线：见Lab4实验报告中的第2步。
编写代码
导入必要的库。
创建一个SMBus实例并与PCF8591建立连接，读取AIN0上的模拟值并根据该值计算温度。

程序框图：

flowchart TD
    A[开始] --> B(初始化I2C总线);
    B --> C{设置PCF8591地址和控制位};
    C --> D{读取AIN0模拟值};
    D --> E{计算温度};
    E --> F{打印温度};
    F --> G{延时};
    G --> B

Python代码：

Python
import smbus
import math
import time

address = 0x48  # 地址
control_bit = 0x40  # 控制字

# 常数
R0 = 10000  
B = 3950  
T0 = 298.15  # 25°C -> 开氏温度
Vcc = 5.0  # 5V供电

bus = smbus.SMBus(1)

def read_temperature():
    try:
        # 设置PCF8591地址和控制位
        bus.write_byte(address, control_bit)

        analog_value = bus.read_byte(address)

        Vr = (analog_value / 255.0) * Vcc

        # 计算热敏电阻的阻值
        Rt = R0 * Vr / (Vcc - Vr)

        # 计算温度
        temp_kelvin = 1 / (math.log(Rt / R0) / B + 1 / T0)
        temp_celsius = temp_kelvin - 273.15

        return round(temp_celsius, 2)

    except Exception as e:
        print("Error reading temperature:", str(e))
        return None

try:
    while True:
        temperature = read_temperature()
        if temperature is not None:
            print(f"Temperature: {temperature}°C")
        else:
            print("Failed to read temperature.")

        time.sleep(1)

except KeyboardInterrupt:
   print("\nExiting program.")

模拟温度传感器实验

Lab5实验报告：模拟温度传感器实验¶

一、实验介绍¶

二、实验原理¶

三、实验步骤¶

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