Precieze thermocouple-metingen en logging voor lab- en wetenschappelijke experimenten

Inleiding

Accurate temperatuurbewaking is essentieel voor elk laboratorium – of in een thuishobbykamer, een schoolwetenschappelijke klas of een onderzoeksfaciliteit. Thermocouple-sensoren zijn de standaard voor het meten van brede temperatuurbereiken, maar het interfaceren ervan met goedkope single-board computers kan uitdagend zijn. Deze gids demonstreert hoe u een hoogresolutie ADS1118-thermocouple-versterker aan een Raspberry Pi koppelt, wat nauwkeurige, snelle en betrouwbare temperatuurlogging mogelijk maakt tegen een fractie van de kosten van commerciële systemen.

Ontwerpoverzicht

Veel hobbyisten vallen standaard op de MAX31855, maar de Texas Instruments ADS1118 biedt 16-bit resolutie, dubbele analoge ingangen en ingebouwde koude-lascompensatie. Een kant-en-klaar ADS1118-ontwikkelbord – inclusief LCD-display en thermocouple-connector – is beschikbaar voor onder $20 en kan direct op een Raspberry Pi via SPI gemonteerd worden. Als u een custom build prefereert, kan een klein adapterbord of geperforeerde PCB gefabriceerd worden met standaard 10-weg SIL-headers; de bordlayout-bestanden zijn in het projectarchief opgenomen.

Hardware-opstelling

1. Sluit het ADS1118-bord aan op de 40-pins-header van de Pi:

• VCC (ADS1118) → 3,3 V (Pin 1)
• GND → GND (Pin 9)
• CLK → SPI SCLK (Pin 23)
• ADS_CS → SPI CE1 (Pin 26)
• LCD_CS → SPI CE0 (Pin 24)
• LCD_RS → GPIO 17 (Pin 11)
• SIMO → MOSI (Pin 19)
• SOMI → MISO (Pin 21)

2. Schakel de Pi's SPI, I²C- en SSH-interfaces in via raspi-config of de Raspberry Pi Imager.

3. Optioneel, bevestig het bord met een lichte epoxy zoals Araldite, met voldoende ruimte voor toekomstige solderwerkzaamheden indien nodig.

Software-overzicht

De firmware is opgesplitst in drie hoofdbestanden: therm.c (kern-driver), lcd.c (LCD-afhandeling) en main.c (applicatielogica). De driver gebruikt TI's ADS1118-bibliotheek, aangepast voor de Pi's SPI-implementatie. Koude-lascompensatie wordt automatisch afgehandeld door de interne temperatuursensor uit te lezen; de ruwe ADC-waarde wordt vervolgens omgerekend naar graden Celsius met behulp van de thermocouple-lookup-tabellen geleverd door de fabrikant.

Compileren en uitvoeren

mkdir -p ~/development/therm
cd ~/development/therm
cp ~/Downloads/therm.zip .
unzip therm.zip
gcc -o therm therm.c -lrt
sudo ./therm

Voer het programma uit met sudo of als root-gebruiker. De applicatie bemonstert de interne sensor één keer per seconde en de thermocouple tien keer in rappe opeenvolging, gemiddelde de metingen en levert een 0,1 °C-resolutiemeting. Het LCD toont de huidige temperatuur op de onderste regel en een door de gebruiker gedefinieerd experimentlabel op de bovenste regel.

Webinterface

Het project bevat ook een lichtgewicht HTTP-server die realtime temperatuurdata serveert en remote monitoring via elke webbrowser mogelijk maakt. Bezoek https://pi-adres:8000 om live metingen, historische logs en configuratieopties te bekijken.

Best practices en troubleshooting

• Gebruik een speciale 3,3 V-regelaar als u hoge stroomtrekking verwacht om de sensor geïsoleerd te houden van de ruistende voedingrail van de Pi.
• Houd de thermocouple-leidingen kort en afgeschermd; langere runs introduceren ruis en thermische vertraging.
• Controleer of de Pi's SPI-kloksnelheid ingesteld is op 1 MHz of lager voor optimale ADS1118-prestaties.
• Bij assemblage op een perf-bord, plaats de ADS1118 en de Pi-adapter naast elkaar in plaats van gestapeld om thermische crosstalk te verminderen.

Conclusie

Dit systeem levert hoge-nauwkeurige, laagkost temperatuurlogging geschikt voor educatieve labs, hobbyprojecten en onderzoeksexperimenten. Zijn modulaire ontwerp, open-source-code en eenvoudige hardware maken het een ideaal startpunt voor iedereen die nauwkeurige thermocouple-metingen in een Raspberry Pi-platform wil integreren.