NTC 온도센서 아두이노 - NTC ondosenseo adu-ino

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써미스터 센서(Themistor Sensor)란 온도에 따라 내부 저항값이 반도체소자로써, 아두이노에서 100원미만의 CDS센서로 빛의 세기 측정하는 것과 비슷하게 역시 몇십원짜리 써미스터센서를 이용하여 온도를 측정할 수도 있다.  

써미스터 센서는 온도가 올라감에 따라 저항값이 작아지는 특성을 가진 것과 거꾸로 온도 상승에 따라 저항 값도 상승하는 특성을 가진 것이 있는데, 전자를 NTC( Negative temperature coefficient) 타입이라고 하고 후자를 TPC (Positive temperature coefficient)이라고 한다. 아두이노 환경에서 온도 측정용으로는 주로 NTC타입이 사용되고 PTC타입은 온도스위치 등의 개발에 사용된다.

NTC 써미스터는 다양한 모양으로 제작되어 판매되고 있으며, 스텐레스 케이스에 방수처리되어 물속에서도 사용할 수 있는 제품도 있다.

센서의 사양

-NTS 써미스터는 저항값의 범위에 따라 1K옴 부터 1000K옴 짜리 까지 다양한데, 이는 25도일 때 써미스터가 가지는 저항값을 기준으로 표시한다. 즉 100K옴 써미스터란 온도가 25도 일때 100K옴이고 온도가 변화됨에 따라 이값이 변한다는 의미이다.

-그리고 정밀도에 따라 1% 오차율 센서부터 5% 오차율 센서까지 있다.

아두이노와의 연결  

위와 같이 가지고 있는 써미스터의 표준 저항값과 동일한 용량의 저항을 이용하여 5V 전압을 분배하고 아날로그 단자를 통해 전압을 측정함으로써 현재 온도에서의 써미스터의 저항값을 계산해 낼 수 있다. 현재 저항값을 알아내면 거꾸로 현재 온도가 몇도 인지를 알아 낼 수 있는 것이다.

- Thermistor - Thermistor 구입에 있어, - Thermistor 종류, 사용온도 - "B" value 써미스터 (Thermistor=Thermal resistor)   써미스터는 주로 폴리머나 세라믹 소재로 제작되며, 섭씨 영하 90도에서 130도..

setoo0922.tistory.com

온도 측정을 어떻게 하는지

써미스터는 온도에 따라 저항이 변하는 가변저항이다. 그렇기에 저항을 측정함으로써 온도를 계산할 수 있다.

하지만 아두이노는 저항을 바로 측정할 수 없기 때문에 전압을 측정해 계산해 들어간다.

아두이노로 써미스터 사이의 전압과 우리가 값을 아는 저항에 걸리는 전압을 측정

==> Potential divider circuit (전압 값으로 저항값 구하기 위한 회로 구성)

==> Steinhart-hart equation (구한 R로 T 구하기)

 Potential divider circuit for thermistor (읽은 V로 R 계산하기)

• PTC를 기준으로, 만약 직렬로 연결된 기본 저항 Rs와 써미스터인 RTH의 위치를 바꾸면,
• Vout의 방향이 반대로 바뀌고, 써미스터가 뜨거워짐에 따라 Vout이 커질것이다(=저항이 작아질 것이다.)
• PTC가 NTC처럼 역할을 하게 되는 것이다.
• Self-heating effect로 인한 문제 발생 가능성. I^2xR만큼의 파워로 열로써 에너지를 잃게 되고, 써미스터의 온도가 열에너지로 인해 크게 상승하기 시작하면 자체 발열로 인해 R이 변하고 우리가 읽는 값이 V도 변하게 된다.
• NTC의 경우, 자체 발열로 인해 온도가 오르면 저항이 줄고 더 많은 전류가 흐른다. 
• constant current를 줄 시, 써미스터의 정확성이 높아진다.
• Known resistor의 저항값과 써미스터의 상온에서의 저항값 혹은 사용하는 범위에서의 저항값이 가까울수록 정확도가 높아진다.

 Steinhart-Hart equation (구한 R로 T 계산하기)

Steinhart-Hart equation: 

반도체에서 온도와 저항의 관계를 나타낸 식, 보통 저항을 통해 온도를 구하는데 사용된다.

A, B, C는 Steinhart-Hart 상수로, 써미스터의 모델과 타입에 따라, 사용하는 온도 범위에 따라 다르다.

https://web.archive.org/web/20110708192840/http://www.cornerstonesensors.com/reports/ABC%20Coefficients%20for%20Steinhart-Hart%20Equation.pdf

링크에 ABC 상수 값을 정리한 표가 있습니다.

온도 구간별 값이 달라지고,

R/T 비율 값에 따라 달라진다고 하는데 (이부분은 어떤 기준인지 잘 모르겠어서 하나씩 다 넣어봤습니다.)

저는 F값이 잘 맞네요.

 회로연결

위의 V --> R --> T로 값을 계산하는 수식들은

코드에 사용되는 수식들이기에 먼저 알아보았습니다.

 코드

루프 내에

첫번째 덩어리가 Potential divider circuit을 살린, 전압에서 저항 값을 계산/읽는 구간이고

두번째 덩어리가 Steinhart-hart equation을 사용해, 위에서 구한 R값으로 온도를 구하는 구간입니다. + 온도 단위 변환

==> 측정한 온도값 Serial Monitor로 나타내기

int Thermistor0 = 0;
int V0;

// Static resistor or RT termistor resistance?
float SR = 10000;
float logR0, R0, T0;

// ABC constant
float c1 = 1.028525291852400E-03 , c2 = 2.392327985577990E-04 , c3 = 1.562478971912460E-07;

void setup() {

  Serial.begin(9600);
}

void loop() {

  // preparing the varialbes to calculate the temperature from volatage which get from thermistor
  V0 = analogRead(Thermistor0);
  R0 = SR * ((float)V0 / (1023.0-(float)V0));
  logR0 = log(R0);

  // calculate the temperature from resistance which get from above
  T0 = (1.0 / (c1 + c2*logR0 + c3*logR0*logR0*logR0));
  T0 = T0 - 273.15; // K --> C
  //T0 = (T0 * 9.0) / 5.0 + 32.0; // C --> F

  Serial.print("Temperature: ");
  Serial.println(T0);

  delay(500);
}

다음 포스팅으로,

여러개의 써미스터로 온도 값 받아오기

받아온 온도 값 LCD display로 나타내기

측정한 값을 실시간으로 Excel에 기록하기

제가 사용한 써미스터 + 써미스터 온도 측정 정확도를 올리기 위한 구간별 (Rs)저항값

참고

다른 온도 측정 도구(Thermocouple) + Arduino 사용

2020/10/02 - [정리, 공부해요/아두이노] - Thermocouple(열전대, 써모커플), 아두이노로 값 읽기, MAX31855 증폭기 사용

Thermocouple(열전대, 써모커플), 아두이노로 값 읽기, MAX31855 증폭기 사용

- Thermocouple (열전대) - Thermocouple amplifier (MAX31855, 왜 필요한지) - Thermocouple with arduino (회로 연결 & 코딩)  Thermocouple (열전대) 열전대에 관한 간단한 내용들은 아래 글을 참고하면 좋을..