Como utilizar un termistor o sensor de temperatura con Arduino: Código para los NTC/PTC

Comprobando el funcionamiento del programa

Una de las aplicaciones más comunes de una placa electrónica Arduino es el control de temperatura mediante un sencillo Termistor (sensor de temperatura), por ejemplo si queremos activar un ventilador cuando la temperatura sube de cierto valor en un ordenador/motor, o activar mediante un relé un motor circulador en una caldera cuando detectemos que la temperatura está subiendo (y por ende el fuego está encendido), como hacíamos en la caldera casera con los termostatos AKO o Keld, sólo que con Arduino no sólo nos permitirá activar algún dispositivo, sino que nos permitirá mucho más juego, pudiendo controlar y manejar otros parámetros de nuestra caldera, como la temperatura de los humos, o del aire inyectado en la cámara de combustión, etc, como ya nos explicó Oscar González en BricoGeek sobre un proyecto de Xoel de Asturias.

Un termistor (thermistor) no es más que una resistencia cuyo valor varía según varía su temperatura (aunque no de forma lineal); los hay de muchos tipos, pero en esta entrada hablaré de uno NTC (Negativo, cuyo valor de resistencia decrece según crece la temperatura), y que miden diferentes rangos de temperatura, de -50 a +99ºC en este caso. Si queremos medir más temperatura, nos haría falta un termopar tipo K o tipo J, pero eso ya lo veremos más adelante. 

Pero para utilizar un termistor cualquiera que podamos conseguir, no basta con medir el valor de su resistencia y aplicar una regla de tres, porque como hemos dicho, no es un valor lineal (sino curvo), siendo mayores las diferencias de resistencia según aumenta la temperatura, de forma hiperbólica.

Para utilizar un termistor, o sabemos sus valores (datasheet), o tenemos que aproximarlos; según la fórmula SteinHart-Hart, tenemos que hallar un valor, llamado β (Beta) (el llamado valor de temperatura característica del material), y utilizarlo junto con su fórmula para obtener los ºC para un valor dado. Aquí está muy bien explicado, y aquí explicada la fórmula SteinHart-Hart.

Aunque parece difícil de entender para los que se les den mal las matemáticas (como a mí), pero no os preocupéis, que al final tenéis un programa que podéis usar y con sólo cambiar los datos del encabezado (valores de dos puntos, de la resistencia a 25ºC de vuestro termistor y del valor real de 5Vcc de vuestro Arduino y poco más) podréis usarlo en vuestro proyecto sin tener que comprender las fórmulas implicadas, pero prefiero entrar en detalle para los que les gusten tanto como a mí "el por qué de las cosas".

Pero, ¿Cómo calculamos el valor β?

Para obtener el valor de β, utilizando la fórmula SteinHart-Hart, hay que dar los valores de resistencia y temperatura en dos puntos diferentes, lo más alejados posible entre uno y otro, para conseguir mayor exactitud. La fórmula nos dice que β es igual a:

Obteniendo los valores de resistencia a 25 y 100ºC (por ejemplo), obtendremos  β   

Podemos utilizar hielo para la temperatura de 0º y agua hirviendo al fuego para la de 100ºC, tomar el valor de la resistencia del termistor en esos dos puntos (esperando unos minutos hasta que el valor de la resistencia sea más o menos estable, será cuando el termistor ha alcanzado la temperatura).

Nota: Ten en cuenta que a mayor altitud, el agua hierve a menor temperatura, pudiendo haber 5 o 10 ºC de diferencia, lo mejor es utilizar a su vez un termómetro calibrado para comparar.

En mi caso quería reutilizar un par de sensores AKO 14901, y obteniendo los valores de resistencia con un tester me ha dado que a 25ºC tenía 10330 ohms aprox. (o lo que es lo mismo, 10K ohmnios):

Utilicé un termómetro ambiente que tenía para acercarme más a lo real (y el mismo error que el mismo, ya que no está calibrado, pero algo es algo).

Y en lo más cercano a 100ºC, a 96ºC aprox. un valor de resistencia de 970 ohms:

Por lo que si obtenemos β, nos sale (usando google como calculadora):

O sea, en mi caso, ln(970 / 10 330) / ((1 / 370.15) - (1 / 298.15)) = 3 625.81

El cálculo de la constante β lo haremos al principio del programa que pasaremos a Arduino, en base a las constantes T1, R1, T2 y R2 (de los dos puntos que podamos obtener), y así evitamos hacer demasiados cálculos (debemos reservar capacidad de proceso para otros menesteres más importantes).

Para mostrar los valores, he utilizado la pantalla LCD económica y polivalente Nokia 5110 de 84x48 píxels; para aprender a utilizarla y emplear su capacidad lo mejor es que recurráis al tutorial de Jose Manuel.


Basándome en el código de Rafael Torrales, he añadido código para que el programa nos calcule automáticamente los datos necesarios para nuestro termistor, por lo que sólo tenemos que darle los valores de los dos puntos:

Programa universal para termistores NTC/PTC:

/*  ==================================================================     Sketch universal para el control de termistores.      Autor: David Losada, basado en trabajos de Rafael Torrales y Antonio Moles.   Version: 0.1   Fecha: 2 de julio de 2012      Descripcion: termometro con termistor NTC y pantalla LCD grafica Nokia 5110                de 84x48 pixeles     ==================================================================   */ #include <Adafruit_GFX.h> //Necesarias para usar la pantalla LCD Nokia #include <Adafruit_PCD8544.h> // pin 3 - Serial clock out (SCLK) // pin 4 - Serial data out (DIN) // pin 5 - Data/Command select (D/C) // pin 7 - LCD chip select (CS) // pin 6 - LCD reset (RST) Adafruit_PCD8544 display = Adafruit_PCD8544(7, 6, 5, 4, 3); //Control temperatura //Para ahorrar cálculos, lo vamos a calcular antes del programa const float TPto1 = -6; //Temperatura en ºC punto 1 const float RPto1 = 40000; // Ohms en punto 1 const float TPto2 = 96; // Temp. punto 2 const float RPto2 = 970; // Ohms en punto 2 const float resistor = 10290; //El valor en ohmnios de la resistencia del termistor a 25ºC const float voltage = 4.83; // El voltaje real en el punto 5Vcc de tu placa Arduino //Para ahorrar cálculos lo definimos como constante en esta parte del programa const float K= 273.15; //Para pasar a grados Kelvin const float e = 2.718281828459045; //Constante matemática  const float B = log(RPto2/RPto1)/(1/(TPto2+K)-(1/(TPto1+K))); //Valor Beta de tu termistor const float unodivr = 1/(resistor * pow(e,(-B/298.15))); //Con pow elevamos e al resultado float T = 0; //Declaramos la variable Temperatura float tmedia; //Variable para calcular media int cnt; //temperatura media y contador int grados, decimas; //Para ponerle coma al resultado (en español) int sensorPin = A0; // Selecciona la entrada para el termistor int sensorValue = 0; // Aquí almacenamos el valor del sensor void setup()   {    // Iniciamos comunicacion serie con pantalla   Serial.begin(9600);      // Iniciamos comunicacion con la pantalla   display.begin();   // Establecemos el contraste   display.setContrast(45);   // Mostramos la pantalla de inicio durante 2 segundos   display.display();   delay(2000);   // borramos la pantalla   display.clearDisplay();  } void loop()  {   //float B= (RPto2/RPto1);//(1/(TPto2+K)-(1/(TPto1+K))); // Parte 1:  Leemos el puerto analógico 0 y convertimos el valor en voltios.    sensorValue = analogRead(sensorPin); //Leemos analógico 0            tmedia=0; //Inicializamos variable    // medimos la temperatura 10 veces y la almacenamos en tmedia     for ( cnt=0; cnt<10; cnt++)     {       sensorValue = analogRead(sensorPin);       tmedia=tmedia+sensorValue;       delay(25);     }          // calculamos la media de las medidas     tmedia=tmedia/cnt;      //Convertimos a voltios :)     float v2 = (voltage*float(tmedia))/1024.0f;         // Parte 2: Calcular la resistencia con el valor de los voltios mediante la ecuación del divisor de voltaje   //voltage = 4.83   //R2 = 10000   //R1 = Thermistor resistance   //V2= v2   //so V2=(R2*V)/(R1+R2)   //and r1=((r2*v)/v2)-r2 <--final      float r1a = (voltage*float(resistor))/v2;     float r1 =r1a - resistor;   //Parte 3: Calcular la temperatura basandose en la ecuación Steinhart-Hart y la ecuación del valor Beta.   // T=B/ln(r1/rinfinit)   float T = B/log(r1*unodivr);   T=T-273.15; //Convertimos a ºC y ya tenemos la temperatura          // ahora obtenemos la parte entera     grados=(int)T;          // y las decimas de grado son el resto     decimas=(T-grados)*10;          // Y por ultimo lo mandamos a la pantalla LCD     display.setTextSize(1);      display.println("Temperatura:");       display.print(" ");     display.setTextSize(2);     display.print(grados);     display.print(",");     display.print(decimas);     display.print(".C");     //display.print("       ");     display.display();     display.clearDisplay(); }

Agradecería que cualquier sugerencia de mejora en el código la hiciérais en los comentarios; lo comparto también en GoogleDocs para los que quieran corregir algún error y dejar su propia versión.

Hasta aquí la parte teórica, el problema, los cálculos y el código resultante. Ahora comprobemos si funciona con una placa de trabajo donde conectaremos la pantalla y el sensor.

Manos a la obra: Conectándolo todo

Si sois novatos en el mundo Arduino, lo mejor es que leáis, investiguéis, y probéis los ejemplos y tutoriales de su página Arduino.cc y los de Ardumanía.

El Thermistor hay que colocarlo así:

 (Ground) ---- (10k-Resister) -------|------- (Thermistor) ---- (+5v)
                                     |
                                Analog Pin 0

Por un lado a 5V en el Arduino y por el otro conectado a la resistencia del mismo valor que tenga el thermistor a 25ºC (en este caso 10KOhms), y ese punto derivado a la entrada analógica que elijamos (e indiquemos en el programa). El otro lado de la resistencia va a masa (ground; GND en el Arduino).

Como indicaba Jose Manuel en su tutorial, conectamos la pantalla LCD con una resistencia 2K2 ohms (2200 ohms) en SCE (CS) y con cuatro más de 10K ohms en RST, D/C, DN y SCLK:

Arduino mostrando la temperatura ambiente en la pantalla LCD

Esta pantalla es muy versátil, aunque sus librerías ocupan bastante, nos deja espacio de sobra para hacer un programa de control bastante complejo. Detalle del conexionado de los cables:

A la derecha del tablero de conexionado se ve la resistencia de 10 K que he utilizado para el termistor (tenemos que usar una resistencia del mismo valor que el termistor a 25ºC).

Pasamos el programa con el Arduino IDE, y este es el resultado, la temperatura ambiente:

Si lo comparo con el termómetro ambiente anterior con un vaso de agua caliente:

¿Y si queremos utilizar un segundo sensor para comparar y activar un relé o lo que necesitemos? Podríamos, por ejemplo, obtener este resultado conectando un segundo termistor en el A1, y duplicando partes del código, pero eso ya lo veremos en otra entrada:

Estas pruebas y programas son la semilla de una posible caldera de código abierto, donde todos puedan proponer mejoras y versiones de la misma, en la que todo su funcionamiento sea conocido y abierto a todos.  Todo el que quiera proponer ideas y colaborar será bienvenido, a ver si conseguimos obtener un prototipo de caldera segura y popular, que sirva para diferentes combustibles (madera, pellets, etc).
Siempre y cuando no se comercialice, o si se hace, que sea sin ánimo de lucro, todos ganamos.
Como todo el contenido del blog, todo la información que sobre este tema se comparta tendría licencia Creative Commons BY-SA No Comercial.

Referencias:
http://www.ardumania.es/lcd-grafico-de-84x48/
http://www.ardumania.es/termometro-con-lcd-grafico-y-lm35d/
Tutorial de Rafael Torrales en su blog; utilizando un termistor en Arduino, 1ª Parte
Tutorial de Rafael Torrales, 2º parte
Calculadoras para obtener valores beta, alfa, etc en un termistor
http://www.daycounter.com/Calculators/Steinhart-Hart-Thermistor-Calculator.phtml
http://arduino.cc/playground/ComponentLib/Thermistor2
http://srbuenaf.webs.ull.es/tecnologia/uno.pdf

Enlaces relacionados:
Circuito de control de termopar tipo K y otros; MAX6675
Control de temperatura de horno con arduino y el Max6675
http://www.arduino.cc/cgi-bin/yabb2/YaBB.pl?num=1246091012
ttp://arduino.cc/playground/ComponentLib/Thermistor
http://disipio.wordpress.com/2009/07/17/temperature-measurement-using-arduino-and-a-thermistor/
http://www.hacktronics.com/Tutorials/arduino-thermistor-tutorial.html
http://www.cantherm.com/products/thermistors/choosing_ntc.html

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