Vergleich von Temperatursensoren für den Arduino & Raspberry PI

Für den Arduino & dem Raspberry PI gibt es diverse Temperatursensoren auf dem Markt. In diesem Beitrag möchte ich nun ein paar dieser Temperatursensoren gegenüberstellen und mit einem genauen Referenzwert prüfen.

Ziel

Das Ziel soll es sein, die Genauigkeit der Sensoren zu ermitteln, dazu nutze ich einen Referenzwert, welcher in einem Klimaschrank mit dem geeichten Temperaturmessgerät TESTO 650 aufgenommen wurde.

Ermittlung des Referenzwertes

Um zu erkennen, welcher Sensor wirklich genau ist, benötigt man einen Referenzwert.
Der Referenzwert wird mit dem Gerät TESTO 650 ermittelt, dieser Temperatursensor ist geeicht und hat eine Abweichung von ca. ±0,1 °C.

Der Klimaschrank von der Firma WEISS verfügt über einen eigenen Temperatursensor und einer Steuerung, mit welcher ein SOLL Wert eingestellt werden kann.

Hier findest du die Bedienungsanleitung zum Klimaschrank SB 22 160 50 von der Firma Weiss Umwelttechnik GmbH.

Ermittlung der Messwerte

Die Messwerte werden mit der Software “CoolTerm” aufgezeichnet, dabei gibt es alle 2,5 Sekunden einen neuen Messwert.

Weniger als 2 Sekunden ist in diesem Aufbau nicht möglich, da der vorhandene DHT11 Sensor “nur” alle 2 Sekunden einen neuen Messwert liefert.

Die Anwendung “CoolTerm” ist kostenfrei unter http://freeware.the-meiers.org/ erhältlich.

Welche Temperatursensoren?

Folgende Temperatursensoren verwende ich in diesem Experiment:

Sensor	Temperaturmessbereich	Toleranz
LM35DZ	0 °C – +100 °C	±0,4 °C
DS18B20	-55 °C – +125 °C	±0,5 °C
LM393	+20 °C – +80 °C	-keine Angabe-
DHT11	0 °C – +60 °C	±2 °C
DHT22	-40 °C – +80 °C	±0,5 °C
BME280	-40 °C – +85 °C	-keine Angabe-
SHT21	-40 °C – +125 °C	±0,3 °C

Der Temperatursensor SHT21 wurde mir von einem Arbeitskollegen bereitgestellt.
Vielen Dank an Florian W.

Die Sensoren habe ich jeweils in einzelnen Tutorials behandelt, daher möchte ich hier “nur” auf die Genauigkeit eingehen.

Aufbau der Schaltung

Da ich leider keine passenden Schaltplanelemente für die Sensoren SHT21, BME280 sowie dem LM393 hatte, habe ich hier die Bilder eingefügt.

Für den Aufbau der Schaltung werden folgende Bauelemente benötigt:

Bezeichnung
400 Pin Breadboard*
Breadboardkabel*, männlich – männlich
Arduino UNO* (oder vergleichbarer Microcontroller)
4,7 kOhm Widerstand*
Sensor – DHT11*
Sensor – DHT22*
Sensor – LM393 (NTC)*
Sensor – DS18B20*
Sensor – LM35DZ*

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Quellcode

Den Quellcode habe ich in mehrere Dateien aufgeteilt. Dieses hat den deutlichen Vorteil das jede Logik für den Sensor getrennt ist.

Hauptklasse

/**
 * Dieser Sketch liefert die Temperaturen der Sensoren
 * - LM35DZ
 * - DS18B20
 * - LM393
 * - DHT11
 * - DHT22
 * - BME280
 * - SHT21
 */

int index = 1;
void setup() {
  Serial.begin(9600); //Beginn der seriellen Kommunikation
  //Ausgeben der Kopfzeile
  Serial.println("Index;LM35DZ;DS18B20;LM393;DHT11;DHT22;BME280;SHT21");
}

void loop() {
  Serial.print(index++);
  Serial.print(";");
  Serial.print(getLM35DZValue());
  Serial.print(";");
  Serial.print(getDS18B20Value());
  Serial.print(";");
  Serial.print(getLM393Value());
  Serial.print(";");
  Serial.print(getDHT11Value());
   Serial.print(";");
  Serial.print(getDHT22Value());
  Serial.print(";");
  Serial.print(getBME280Value());
  Serial.print(";");
  Serial.print(getSHT21Value());
  Serial.println("");
  delay(2000); //2 Sekunden Pause
}

LM35DZ

int temperatursensorPin = 0 ;// Bestimmen das der Temperatursensor LM35 an den analogen PIN 0 angeschlossen ist.

float getLM35DZValue(){
  int val = analogRead(temperatursensorPin); // Den analogen Wert des Temperatursensors lesen.
  float dat = (125*val)>>8;                   // Aus dem gelesenen Wert die Temperatur berechnen.
  return dat;
}

DS18B20

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define ONE_WIRE_BUS 5  //Sensor DS18B20 am digitalen Pin 2

OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS); //

DallasTemperature sensors(&oneWire);

float getDS18B20Value(){ 
 sensors.begin(); //Starten der Kommunikation mit dem Sensor
 sensors.requestTemperatures(); 
 return sensors.getTempCByIndex(0);
} 

LM393

const int analogPin = A1; //A0 vom LM393
 
float getLM393Value(){
   int analogValue = analogRead(analogPin);
   return getTempC(analogValue);
}
 
double getTempC(int analogValue){
  int mappedAnalogValue = map(analogValue, 0, 1023, 1023, 0);
  double tempC = log(((10240000 / mappedAnalogValue) - 10000));
  tempC = 1 / (0.001129148 + (0.000234125 * tempC) + (0.0000000876741 * tempC * tempC * tempC));
  tempC = tempC - 273.15;
  return tempC;
}

DHT11

#include "DHT.h"

DHT dht11(2, DHT11);

float getDHT11Value() {
  dht11.begin();
  return dht11.readTemperature();
}

DHT22

#include "DHT.h"

DHT dht22(3, DHT22);

float getDHT22Value() {
  dht22.begin();
  return dht22.readTemperature();
}

BME280

#include <Wire.h>
#include "cactus_io_BME280_I2C.h"
 
BME280_I2C bme(0x76);  // I2C using address 0x76
 
float getBME280Value() {
  bme.begin();
  bme.setTempCal(-1);
  bme.readSensor(); 
  return bme.getTemperature_C();
}

SHT21

#include "SparkFunHTU21D.h"
 
HTU21D sht21; //Objekt instanzieren
  
float getSHT21Value(){
  sht21.begin();
  return sht21.readTemperature();
}

Download

Der gesamte Quellcode kann über nachfolgenden Link heruntergeladen werden.

Messwerte

Die ermittelten Messwerte (Rohdaten) werden Semikolon separiert in eine Datei geschrieben.
Wobei die erste Zeile die Spaltenüberschrift mit der Bezeichnung des Sensors enthält.

Diese Daten können dann mit Microsoft Excel, tabellarisch sowie nach einer Aufbereitung grafisch dargestellt werden.

Die Temperaturwerte werden mit einem Punkt getrennt, für eine Verarbeitung mit Microsoft Excel müssen diese geändert werden, so dass die Werte mit einem Komma getrennt werden.

Auswertung

Aus diesem Diagramm ist gut zuerkennen, dass der analoge Sensor LM35DZ sehr ungenau ist und der etwa baugleiche Sensor DS18B20 und der Temperatursensor LM393 dagegen sehr genau sind. Preislich liegen diese Sensoren etwa im gleichen Preissegment. Der Vorteil des LM393 Sensors ist zusätzlich, dass an diesem ein Schwellwert eingestellt werden kann über welchen ein digitaler PIN auf High gesetzt werden kann.

Der DHT22 hat die drittstärkste Genauigkeit und kann neben der Temperatur zusätzlich noch die Luftfeuchtigkeit messen. Jedoch war das Messen der Luftfeuchtigkeit nicht Bestandteil dieses Experimentes.