NTC am ESP32 programmieren – Einsteigeranleitung mit MicroPython
In diesem Beitrag zeige ich, wie man den NTC-Temperatursensor an den ESP32 anschließt und mit MicroPython ausliest. Der NTC ist ein kostengünstiger und sensibler Temperatursensor, der sich ideal für DIY-Projekte eignet, bei denen eine einfache Temperaturmessung ausreicht. Mithilfe einer kleinen Schaltung und der Programmierung in MicroPython können wir die Temperaturwerte unkompliziert erfassen und weiterverarbeiten. Ich werde Schritt für Schritt erklären, wie der NTC an den analogen Eingang des ESP32 angeschlossen wird und im Detail auf die Schaltung sowie den MicroPython-Code eingehen.
https://youtu.be/mylbWefr1mk
Den NTC-Sensor werde ich später in eine erweiterte Schaltung integrieren, um den Heizkreislauf mit einer externen Solaranlage zur Wärmegewinnung zu ergänzen. Ziel ist es, die Solaranlage bei Bedarf automatisch zu aktivieren oder zu deaktivieren und so eine energieeffiziente Heizungssteuerung zu realisieren. Mithilfe der Temperaturmessung des NTC-Sensors kann die Heizung so gesteuert werden, dass die Solarenergie genau dann genutzt wird, wenn sie tatsächlich erforderlich ist. Sei also gespannt auf den nächsten Beitrag, in dem ich erläutere, wie sich diese Lösung umsetzen lässt und ein dazu passendes Dashboard entwickelt wird.
Den NTC-Widerstand (auch Heißleiter genannt) habe ich dir bereits im Beitrag Arduino Lektion 84: NTC-Widerstand (Heißleiter) für den Arduino vorgestellt. Der Anschluss und die Programmierung in MicroPython erfolgt analog und ist ebenso recht einfach.
Was ist der NTC Temperatursensor und wie ist dieser aufgebaut?
Der NTC (Negative Temperature Coefficient) ist ein Temperatursensor, der auf einem thermistorischen Material basiert und dessen Widerstand sich bei Temperaturänderungen deutlich verändert. Im Gegensatz zum PT100 hat der NTC einen negativen Temperaturkoeffizienten – das bedeutet, dass sein Widerstand bei steigender Temperatur abnimmt. Diese Eigenschaften machen den NTC zu einem beliebten und preiswerten Sensor für Anwendungen, in denen genaue Temperaturmessungen in einem begrenzten Temperaturbereich nötig sind.
Temperatur & Widerstandskurve - NTC-Widerstand
Den NTC-Widerstand gibt es in verschiedenen Ausführungen, die je nach Einsatzgebiet ausgewählt werden können. Zum einen ist er als einfacher Baustein erhältlich, der sich direkt in Schaltungen integrieren lässt. Zum anderen gibt es ihn bereits vormontiert auf einer Platine, was den Anschluss und die Handhabung erleichtert. Für die Temperaturmessung in Flüssigkeiten ist der NTC-Sensor zudem in einem wasserdicht vergossenen Gehäuse verfügbar, das ihn vor Feuchtigkeit schützt und langlebig macht. So lässt sich der NTC flexibel in verschiedenste Projekte einbinden, ob für einfache Messungen oder für anspruchsvollere Umgebungen.
Varianten des NTC-Widerstandes
In dieser Serie auf meinem Blog habe ich bereits das Rich Shield von Open Smart vorgestellt, das eine Vielzahl an Sensoren und Aktoren mitbringt – darunter auch einen NTC-Sensor und ein 7-Segment-Display. Diese Komponenten bieten uns die Möglichkeit, den aktuellen Temperaturwert direkt zu erfassen und visuell darzustellen. So können wir mit minimalem Aufwand das Rich Shield nutzen, um den NTC-Sensor auszulesen und die gemessene Temperatur auf dem Display anzuzeigen.
Rich Shield von Open Smart mit Sensoren & Aktoren
Aufbau und Funktionsweise des NTC
Ein NTC besteht meist aus einer Mischung aus Metalloxiden, die speziell verarbeitet werden, um eine genaue und wiederholbare Widerstandsänderung bei Temperaturveränderungen zu erreichen. Der Sensor ist klein und leicht und kann einfach in Schaltungen integriert werden. Aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen eignet er sich gut für Projekte, die keine extrem hohe Genauigkeit benötigen, dafür aber reaktionsschnell sein sollen.
NTC-Sensor und der ESP32
Für unseren Beitrag verwenden wir eine einfache 2-Leiter-Variante eines NTC, die kostengünstig bei AliExpress erhältlich ist. Diese Variante ist unkompliziert im Aufbau und lässt sich mit einer kleinen Spannungsteilerschaltung an den ESP32 anschließen. Im weiteren Verlauf des Beitrags zeige ich, wie dieser NTC-Sensor in eine kleine Schaltung integriert wird und wie wir seine Werte mithilfe von MicroPython auslesen können.
Bezug eines NTC-Widerstandes
Diesen Sensor bekommst du recht günstig über AliExpress und auch ebay.de, hier musst du jedoch zwischen dem einfachen Sensor und der fertigen Schaltung auf einer Platine unterscheiden.
AliExpressebay.deAmazon.deNTC, 10 kOhm, einzelnab 1,09 €*ab 2 €*ab 5 €*NTC, 10 kOhm, Wasserdichtab 0,91 €*ab 3,50 €*ab 4,95 €*NTC, 10 kOhm, PCBab 1,19 €*ab 2,83 €*ab 3,56 €*
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Vorsicht - Unterschiede bei Modulen auf PCBs
Es gibt bei den Varianten auf einer kleinen Platine (kurz PCB) drei unterschiedliche Varianten, wobei man hier bei den Versionen mit LM393 Chip aufpassen muss.
NTC-Widerstand auf PCB mit LM393
Es gibt eine Version (im Bild rechts, blau) welche lediglich über einen digitalen Ausgang (DO) verfügt, welcher auf HIGH gezogen wird, wenn die über den Drehpoti eingestellte Temperatur erreicht wurde.
Die linke, rote Version verfügt zusätzlich über einen analogen Ausgang (AO) über welchen wir den aktuellen Wert ablesen und in eine Temperatur umrechnen können.
Aufbau der Schaltung - ESP32 mit NTC Temperatursensor
Für den Aufbau der Schaltung benötigst du:
- einen ESP32*
- ein passendes USB-Datenkabel*
- ein NTC Temperatursensor*
- ein 10 kOhm Widerstand*
- diverse Breadboardkabel*, 10 cm, männlich - männlich
- ein Breadboard*
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Schaltung - NTC-Widerstand am ESP32
Falls du die Schaltung etwas vereinfachen möchtest, kannst du auch auf fertige Platinen mit integriertem NTC-Sensor zurückgreifen. Diese Platinen bieten den Vorteil, dass sie den Temperaturwert direkt über einen analogen Ausgang ausgeben und zudem oft einen digitalen Ausgang besitzen, dessen Schaltpunkt sich über ein Drehpotentiometer einstellen lässt. Damit lässt sich die Schaltung deutlich einfacher aufbauen, und du kannst Schwellenwerte für bestimmte Temperaturen bequem festlegen, ohne zusätzliche Komponenten hinzuzufügen.
Ausführungen von NTC-Widerständen auf einer Platine
Auslesen des NTC mit MicroPython in Thonny
Der Wertebereich des ESP32 reicht von 1023 bis 65535, je nach eingestellter Dämpfung (engl. "attenuation").
Für die Berechnung des Temperaturwertes benötigen wir die Steinhart-Hart Gleichung. Dafür habe ich mich aus dem Arduino Beispiel bedient und dieses für MicroPython umgeschrieben.
Um die Temperatur aus dem analogen Widerstandswert zu berechnen, wird die Steinhart-Hart-Gleichung verwendet. Diese Methode benötigt allerdings drei spezifische Koeffizienten für eine exakte Berechnung. Trotz dieser Herausforderung gibt es zahlreiche bewährte Beispiele für den ESP32 und Arduino, bei denen die Berechnung präzise funktioniert. Ich habe die Methode selbst validiert, indem ich die Werte mit einem DHT11-Sensor und einem externen Temperatursensor verglichen habe – mit minimalen Abweichungen, die eine hohe Genauigkeit bestätigen.
Programm: auslesen eines NTC-Widerstands am ESP32Herunterladen
import time
from machine import ADC, Pin
import math
beta = 3950
Vin = 3.285
NtcResistorValue = 1000000
thermistor = ADC(Pin(34, Pin.IN))
thermistor.atten(thermistor.ATTN_11DB)
while True:
voltage = thermistor.read_uv() / NtcResistorValue
resistorValue = NtcResistorValue * voltage / (Vin - voltage)
temp = 1 / (((math.log(resistorValue / NtcResistorValue)) / beta) + (1 / (273.15 + 25)))
tempCelsius = temp - 273.15
print("Temperatur:",tempCelsius,"°C", sep=" ")
print("Widerstand:", resistorValue/100, "Ohm", sep=" ")
print("Spannung:", voltage, "V", sep=" ")
time.sleep(2)
Anzeigen der Werte auf einem LC-Display
Abschließend möchte ich dir gerne zeigen wie du die Daten vom NTC-Widerstand auf einem LC-Display anzeigen lassen kannst.
Du benötigst hier zusätzlich zur bestehenden Schaltung:
- vier Breadboardkabel*, männlich - weiblich, 10 cm
- ein LC-Display mit I2C Schnittstelle*
Für die Programmierung in MicroPython benötigen wir noch zusätzlich ein Modul welches du unter nachfolgenden Links herunterladen kannst:
- lcd_api.py
- i2c_lcd.py
Programm: lesen des NTC-Widerstands am ESP32 und Anzeigen der Daten auf einem LCD-DisplayHerunterladen
from machine import ADC, Pin, SoftI2C
import math
from lcd_api import LcdApi
from i2c_lcd import I2cLcd
from time import sleep
beta = 3950
Vin = 3.285
NtcResistorValue = 1000000
thermistor = ADC(Pin(34, Pin.IN))
thermistor.atten(thermistor.ATTN_11DB)
i2c = SoftI2C(scl=Pin(22), sda=Pin(21), freq=10000)
lcd = I2cLcd(i2c, 0x27, 2, 16)
while True:
voltage = thermistor.read_uv() / NtcResistorValue
resistorValue = NtcResistorValue * voltage / (Vin - voltage)
temp = 1 / (((math.log(resistorValue / NtcResistorValue)) / beta) + (1 / (273.15 + 25)))
tempCelsius = temp - 273.15
lcd.clear()
lcd.move_to(0,0)
lcd.putstr("T: "+str(tempCelsius)+" C")
lcd.move_to(0,1)
lcd.putstr("U: "+str(voltage)+" V")
print("Temperatur:",tempCelsius,"°C", sep=" ")
print("Widerstand:", resistorValue/100, "Ohm", sep=" ")
print("Spannung:", voltage, "V", sep=" ")
sleep(3)
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