Raspberry Pi – Projeto Termômetro Digital com Python – Teoria

Introdução

Este artigo apresentará a parte teórica do desenvolvimento de um projeto prático de um termômetro digital com o código fonte escrito em Python. A parte prática será oferecida no próximo artigo. Os dados de temperatura e umidade relativa do ar serão obtidos, codificados e transmitidos para a Raspberry Pi pelo módulo AM2302.

Será realizada uma breve definição e explicação da forma de se  baixar e instalar a biblioteca Python dos sensores DHT-11 e DHT-22, além de ensinar a realizar a sua conexão para transmitir as informações corretamente à Raspberry Pi.

Ao final da leitura deste artigo, aplicando os conceitos teóricos e práticos apresentados sobre o projeto do termômetro digital, o leitor será capaz de realizar a manipulação dos dados gerados pelo módulo AM2302 e também poderá, com a sua criatividade, expandir e melhorar o projeto apresentado e criar os seus próprios projetos.

Este artigo dá continuidade à série de artigos sobre Raspberry Pi com Python, escrita pelo Cleiton Bueno e por mim, Roniere Rezende.

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Termômetro Digital

Para o desenvolvimento do projeto de aplicação do termômetro digital serão necessários os seguintes componentes:

• 1 Raspberry Pi;
• 1 Sensor AM2302 da AOSONG;
• 1 Display de LCD de 16 colunas e 2 linhas;
• 2 botões de push-botton.

O módulo sensor de temperatura e umidade AM2302 obtém os dados, os processa e transmite à Raspberry Pi. Esta manipula e envia os dados recebidos para serem apresentados na tela do display de LCD. A definição destas funções são apresentadas neste artigo. Dois botões push-botton são utilizados para apresentar na tela do display de LCD os valores de temperatura máxima e mínima registradas durante o período de análise da medição, um para cada registro.

A seguir, na Figura 1, são apresentadas as telas no display de LCD que serão desenvolvidas neste artigo.

Tela de Medição
Tela de Temperatura Máxima	Tela de Temperatura Mínima

Figura 1 – Telas do Sensor de Temperatura

Sensor de Temperatura e Umidade

O dispositivo utilizado no projeto do termômetro digital para realizar as medidas de temperatura e umidade é o módulo sensor AM2302 da AOSONG. Veja o seu datasheet aqui.

O módulo digital AM2302 é um módulo composto que realiza a medição, digitalização das variáveis físicas de temperatura e umidade e disponibiliza essas informações no seu terminal de dados. Tem baixo consumo e pode transmitir os dados com qualidade até 20 mts de distância do receptor. Realiza a calibração completamente automática, faz uso de sensor capacitivo de umidade, saída digital de barramento simples, apresenta excelente estabilidade por longo tempo e alta exatidão na medida de temperatura. A Figura 2 mostra módulo sensor AM2302.

As aplicações para o módulo AM2302 são para aquecimento, ventilação e ar condicionado (sigla em inglês HVAC), desumidificador, equipamento de teste e inspeção, bens de consumo, automotivo, controle automático, registradores de dados, aplicações caseiras, regulador de umidade, equipamentos médicos, estações climáticas, controle e medida de umidade e, mais recentemente, pode-se utiliza-lo em aplicações IoT.

A pinagem do módulo AM2302 é definida na tabela abaixo:

Tabela 1 – Pinagem do módulo AM2302

Como pode ser visto na tabela 1, a alimentação do módulo AM2302 deve ser entre 3,3 V até 5V, sendo 5V o valor recomendado no datasheet. O pino SDA é uma estrutura de leitura e escrita de dados. Detalhes sobre o protocolo de comunicação serão definidos mais abaixo.

A seguir serão apresentadas as tabelas 2 e 3 com as características de medição de temperatura e umidade do módulo AM2302.

Tabela 2 – Desempenho de Umidade Relativa do AM2302

Tabela 3 – Desempenho de Temperatura Relativa do AM2302

As características elétricas, tais como consumo, nível de tensão em alto e em baixa, e tensão de entrada e saída dependem da alimentação. Na tabela 4 são apresentadas essas características.

Tabela 4 – Características DC do Módulo 2302

Para se realizar a comunicação entre o módulo AM2302 e a Raspberry Pi devem ser seguidas algumas recomendações, citadas no seu datasheet. Elas são listadas a seguir também:

• Para circuitos de aplicações típicas é recomendado o comprimento do cabo de 30 metros e o uso de um resistor de pull-up de 5,1 kΩ, conectado entre o terminal de Vcc e o barramento de dados;
• Utilizando uma alimentação de 3,3 V, o comprimento do cabo deve ser menor que 1 metro;
• O intervalo de leitura do sensor deve ser 2 segundos. Com um tempo menor que este, a leitura das medidas de temperatura e umidade podem não ser realizadas com sucesso;
• Os valores de temperatura e umidade são resultados da última medida realizada. Para dados em tempo-real, que precisam ser lidos continuadamente, é recomendado ler o sensor repetidamente com um intervalo de leitura maior que 2 segundos para obter resultados exatos.

O protocolo de barramento simples no AM2302 utiliza somente um terminal de dados com o sistema para a trocas de dados. A definição de como se realiza a comunicação é demonstrada na figura 4.

O SDA (Serial Data Line) é utilizado para comunicação e sincronização entre a Raspberry Pi e o AM2302 e o formato de dados do barramento simples é formado por 40 bits, como mostrado na Figura 3. A sua descrição é apresentada na Tabela 5.

Tabela 05 – Definição do formato de comunicação do AM2302

A temporização da comunicação do barramento simples é realizada da seguinte forma. O dispositivo do usuário envia um sinal de início (o barramento de dados permanece em nível lógico baixo por pelo menos 800 µs), depois o AM2302 passa do Modo de Inatividade para o Modo de Alta Velocidade. O dispositivo do usuário indica ao módulo AM2302 enviando-lhe um sinal de resposta através do barramento de dados, no caso um byte em nível lógico alto. O módulo envia os dados (umidade alta, umidade baixa, temperatura alta, temperatura baixa e bit de paridade) ao final da coleta de informações de trigger, e no fim do processo o sensor é automaticamente transferido para o Modo de Inatividade, esperando até a próxima comunicação. 

Na Figura 5 são apresentadas as características do sinal de temporização do módulo AM2302.

Tabela 06 – Características do sinal do barramento único

Na próxima parte do artigo será apresenta a instalação da biblioteca do módulo DHT-22, como realizar a comunicação entre a Raspberry Pi e o módulo por meio de comando, o circuito/montagem realizado e o código. Não percam o próximo artigo!