DIY 自制温度计：从原理到实践，在家也能精准测温！

你是否曾好奇温度计的工作原理？你是否想亲手制作一个属于自己的温度计？本篇文章将带你深入了解温度计的原理，并提供详细的DIY步骤，让你在家也能轻松制作出可用的温度计。我们将探讨多种自制温度计的方法，从简单的液体膨胀温度计到更具挑战性的热敏电阻温度计，满足你不同的需求和兴趣。准备好了吗？让我们开始我们的DIY温度计之旅吧！

温度计的工作原理：基础知识

在开始制作之前，我们需要了解温度计是如何工作的。温度计利用的是物质的某些物理性质随温度变化的特性。常见的原理包括：

液体膨胀： 这是最常见的原理，例如我们常用的水银温度计和酒精温度计。液体（通常是水银或酒精）的体积会随着温度升高而膨胀，从而指示温度。
气体膨胀： 气体的体积也会随温度变化而膨胀或收缩。
双金属片膨胀： 两种不同膨胀系数的金属片粘合在一起，当温度变化时，由于膨胀系数不同，金属片会弯曲，通过测量弯曲程度来确定温度。
电阻变化： 某些材料的电阻会随着温度变化而变化，例如热敏电阻。
热电效应： 两种不同的金属连接在一起，在连接处产生温差时，会产生电压。

在本文中，我们将主要介绍基于液体膨胀和电阻变化的自制温度计。

方法一：简易酒精温度计

这是最简单的自制温度计方法，利用酒精的膨胀原理。虽然精度不高，但足以演示温度计的工作原理。

所需材料：

透明塑料瓶或玻璃瓶 (最好选择窄口瓶)
酒精 (异丙醇或乙醇，避免使用变性酒精，因为可能含有杂质影响精度)
水
食用色素 (可选，方便观察)
透明吸管 (细一些的更好)
橡皮泥或封口胶 (用于密封)
永久性记号笔
尺子
冰块
热水
温度计 (用于校准，如果对精度要求不高可以省略)

制作步骤：

混合液体： 在瓶子中倒入酒精和水，比例约为1:1。如果使用食用色素，加入几滴，使液体颜色更明显。
插入吸管： 将吸管插入瓶子中，确保吸管底部浸没在液体中，但不要碰到瓶底。
密封瓶口： 用橡皮泥或封口胶严密密封瓶口，确保空气无法进入或泄漏。吸管应保持竖直。
校准： 这是提高温度计精度的关键步骤。首先，将温度计放入冰箱或装有冰块的冷水中，等待一段时间，让液体温度稳定。用永久性记号笔在吸管上标记此时的液面高度，并标注为0°C。
校准（继续）： 然后，将温度计放入热水中（不要是沸水！），同样等待液体温度稳定。用参考温度计测量水温，并在吸管上标记此时的液面高度，并标注相应的温度。
刻度： 在0°C和热水温度之间，用尺子测量液面高度之间的距离。将该距离等分成若干份，每一份代表一定的温度间隔（例如1°C或2°C）。用永久性记号笔在吸管上标记这些刻度。
测试： 现在，你的简易酒精温度计就完成了！你可以将它放在不同的温度环境下，观察液面高度的变化，并与参考温度计进行比较，进一步调整刻度。

注意事项：

酒精易挥发，密封性一定要好，否则液体会逐渐减少，影响精度。
吸管越细，温度变化引起的液面高度变化就越明显，温度计的精度也就越高。
校准时，要确保液体温度稳定。
这种温度计的测量范围有限，不适合测量过高或过低的温度。
由于自制温度计的精度有限，只能作为演示原理和粗略测量使用。

方法二：基于热敏电阻的数字温度计

这种方法需要一些电子知识和工具，但可以制作出更精确的数字温度计。热敏电阻是一种电阻值随温度变化而变化的元件。我们可以通过测量热敏电阻的阻值，然后通过电路和程序将其转换为温度值。

所需材料：

热敏电阻 (NTC或PTC，选择合适的温度范围)
Arduino开发板 (例如Arduino Uno)
10kΩ电阻 (或其他合适阻值的电阻，根据热敏电阻的参数选择)
面包板
杜邦线
LCD显示屏 (可选，用于显示温度)
10kΩ电位器 (可选，用于调整LCD显示屏的对比度)
数据线 (用于连接Arduino和电脑)
电脑 (用于编程)

电路连接：

热敏电阻连接： 将热敏电阻的一端连接到Arduino的模拟输入引脚A0，另一端连接到面包板。
电阻连接： 将10kΩ电阻的一端连接到热敏电阻与A0引脚的连接点，另一端连接到Arduino的GND引脚。
LCD连接 (如果使用)：
- LCD的RS引脚连接到Arduino的数字引脚12
- LCD的Enable引脚连接到Arduino的数字引脚11
- LCD的D4引脚连接到Arduino的数字引脚5
- LCD的D5引脚连接到Arduino的数字引脚4
- LCD的D6引脚连接到Arduino的数字引脚3
- LCD的D7引脚连接到Arduino的数字引脚2
- LCD的VSS引脚连接到Arduino的GND引脚
- LCD的VDD引脚连接到Arduino的5V引脚
- LCD的VO引脚连接到10kΩ电位器的中间引脚，电位器的其他两个引脚分别连接到Arduino的GND和5V引脚。

Arduino代码：

以下是一个简单的Arduino代码，用于读取热敏电阻的阻值，并将其转换为温度值（摄氏度），然后显示在LCD显示屏上（如果使用了LCD）。


#include <LiquidCrystal.h>  // 如果使用LCD，则需要包含此库

// 定义LCD引脚
const int rs = 12, en = 11, d4 = 5, d5 = 4, d6 = 3, d7 = 2;
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

const int ThermistorPin = A0;  // 热敏电阻连接的引脚
const int seriesResistor = 10000; // 串联电阻的阻值 (单位: 欧姆)
const float Beta = 3950;    // 热敏电阻的Beta值 (从热敏电阻的数据手册中查找)
const float T0 = 298.15;    // 参考温度 (25°C = 298.15K)
const float R0 = 10000;   // 热敏电阻在参考温度下的阻值 (单位: 欧姆)

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  // 初始化LCD (如果使用)
  if (rs != -1) { // 检查LCD是否被连接
    lcd.begin(16, 2);  // 设置LCD的列数和行数
    lcd.print("Initializing...");
  }
  delay(1000);
  if (rs != -1) {
      lcd.clear();
  }

}

void loop() {
  // 读取模拟输入值
  int rawValue = analogRead(ThermistorPin);

  // 将模拟输入值转换为电压值
  float voltage = rawValue * 5.0 / 1024.0;

  // 计算热敏电阻的阻值
  float resistance = seriesResistor / (5.0 / voltage - 1.0);

  // 使用Steinhart-Hart方程计算温度 (开尔文)
  float temperatureK = 1 / (1 / T0 + log(resistance / R0) / Beta);

  // 将开尔文温度转换为摄氏度
  float temperatureC = temperatureK - 273.15;

  // 打印温度值到串口监视器
  Serial.print("Temperature: ");
  Serial.print(temperatureC);
  Serial.println(" °C");

  // 在LCD上显示温度值 (如果使用)
  if (rs != -1) {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Temperature: ");
    lcd.print(temperatureC);
    lcd.print(" C");
  }

  delay(1000); // 延时1秒
}

代码解释：

包含LiquidCrystal库： 如果使用LCD，需要包含LiquidCrystal库。
定义LCD引脚： 定义LCD的各个引脚连接到Arduino的哪些引脚。
定义热敏电阻和电阻的参数： 根据你所使用的热敏电阻和电阻的参数，修改ThermistorPin, seriesResistor, Beta, T0, R0这些常量的值。这些值通常可以在热敏电阻的数据手册中找到。 Beta值是一个描述热敏电阻电阻与温度关系的参数，R0是在参考温度T0下的电阻值。
读取模拟输入值： 使用analogRead()函数读取模拟输入引脚A0的值。
将模拟输入值转换为电压值： 将模拟输入值转换为电压值，使用公式voltage = rawValue * 5.0 / 1024.0。
计算热敏电阻的阻值： 使用分压原理计算热敏电阻的阻值，公式为resistance = seriesResistor / (5.0 / voltage - 1.0)。
计算温度： 使用Steinhart-Hart方程或类似的公式将热敏电阻的阻值转换为温度值。代码中使用的公式是一个简化的版本，适用于温度范围较窄的情况。更精确的公式可能需要查阅热敏电阻的数据手册。
显示温度值： 将温度值打印到串口监视器和LCD显示屏上（如果使用了LCD）。
延时： 使用delay()函数延时一段时间，以便观察温度变化。

校准：

虽然代码已经将热敏电阻的阻值转换为温度值，但由于热敏电阻的个体差异和电路误差，可能需要进行校准才能获得更准确的温度值。校准的方法如下：

准备已知温度的环境： 例如冰水混合物（0°C）和热水（用参考温度计测量温度）。
测量实际温度： 将热敏电阻放入已知温度的环境中，等待一段时间，让温度稳定。
记录测量值和实际值： 记录Arduino代码中计算出的温度值和实际温度值。
调整代码： 根据测量值和实际值的差异，调整代码中的参数，例如Beta, T0, R0等，或者添加一个偏移量来修正误差。

通过多次测量和调整，可以使自制温度计的精度更高。

注意事项：

选择合适的热敏电阻，确保其温度范围符合你的需求。
正确连接电路，避免短路。
确保代码中的参数与你所使用的热敏电阻和电阻的参数一致。
进行校准，提高温度计的精度。
注意安全，避免触电。

方法三：基于DS18B20的数字温度计

DS18B20 是一款常用的数字温度传感器，它具有体积小、精度高、易于使用等优点。它采用单总线通信协议，只需要一根数据线即可与 Arduino 进行通信。使用DS18B20可以免去复杂的电阻计算和校准步骤，代码也相对简单。

所需材料：

DS18B20 温度传感器
Arduino 开发板 (例如 Arduino Uno)
4.7kΩ 电阻 (用于上拉)
面包板
杜邦线
LCD 显示屏 (可选，用于显示温度)
10kΩ 电位器 (可选，用于调整 LCD 显示屏的对比度)
数据线 (用于连接 Arduino 和电脑)
电脑 (用于编程)

电路连接：

DS18B20 连接：
- DS18B20 的 VCC 引脚连接到 Arduino 的 5V 引脚。
- DS18B20 的 GND 引脚连接到 Arduino 的 GND 引脚。
- DS18B20 的 Data 引脚 (DQ) 连接到 Arduino 的数字引脚 2 (或其他数字引脚)。
上拉电阻连接： 将 4.7kΩ 电阻连接在 DS18B20 的 Data 引脚和 VCC 引脚之间。这是单总线通信所必需的。
LCD 连接 (如果使用)：
- LCD 的 RS 引脚连接到 Arduino 的数字引脚 12。
- LCD 的 Enable 引脚连接到 Arduino 的数字引脚 11。
- LCD 的 D4 引脚连接到 Arduino 的数字引脚 5。
- LCD 的 D5 引脚连接到 Arduino 的数字引脚 4。
- LCD 的 D6 引脚连接到 Arduino 的数字引脚 3。
- LCD 的 D7 引脚连接到 Arduino 的数字引脚 2。
- LCD 的 VSS 引脚连接到 Arduino 的 GND 引脚。
- LCD 的 VDD 引脚连接到 Arduino 的 5V 引脚。
- LCD 的 VO 引脚连接到 10kΩ 电位器的中间引脚，电位器的其他两个引脚分别连接到 Arduino 的 GND 和 5V 引脚。

Arduino 代码：


#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#include <LiquidCrystal.h>  // 如果使用 LCD，则需要包含此库

// 定义 LCD 引脚
const int rs = 12, en = 11, d4 = 5, d5 = 4, d6 = 3, d7 = 2;
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

// 定义 DS18B20 的引脚
#define ONE_WIRE_BUS 2  // DS18B20 的 Data 引脚连接到 Arduino 的数字引脚 2

// 创建 OneWire 对象
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);

// 创建 DallasTemperature 对象
DallasTemperature sensors(&oneWire);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  // 初始化 LCD (如果使用)
  if (rs != -1) { // 检查 LCD 是否被连接
    lcd.begin(16, 2);  // 设置 LCD 的列数和行数
    lcd.print("Initializing...");
  }
  delay(1000);
  if (rs != -1) {
    lcd.clear();
  }

  // 初始化 DS18B20 传感器
  sensors.begin();
}

void loop() {
  // 请求 DS18B20 传感器读取温度
  sensors.requestTemperatures();

  // 获取温度值 (摄氏度)
  float temperatureC = sensors.getTempCByIndex(0);

  // 打印温度值到串口监视器
  Serial.print("Temperature: ");
  Serial.print(temperatureC);
  Serial.println(" °C");

  // 在 LCD 上显示温度值 (如果使用)
  if (rs != -1) {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Temperature: ");
    lcd.print(temperatureC);
    lcd.print(" C");
  }

  delay(1000); // 延时 1 秒
}

代码解释：

包含必要的库： 需要包含 OneWire 和 DallasTemperature 库来与 DS18B20 传感器进行通信。如果使用LCD，则包含LiquidCrystal库。你可以通过 Arduino IDE 的库管理器来安装这些库。
定义 DS18B20 的引脚： 定义 DS18B20 的 Data 引脚连接到 Arduino 的哪个数字引脚。
创建 OneWire 和 DallasTemperature 对象： 创建 OneWire 和 DallasTemperature 对象，用于与 DS18B20 传感器进行通信。
初始化 DS18B20 传感器： 使用 sensors.begin() 函数初始化 DS18B20 传感器。
请求温度读取： 使用 sensors.requestTemperatures() 函数请求 DS18B20 传感器读取温度。
获取温度值： 使用 sensors.getTempCByIndex(0) 函数获取温度值 (摄氏度)。
显示温度值： 将温度值打印到串口监视器和 LCD 显示屏上 (如果使用了 LCD)。
延时： 使用 delay() 函数延时一段时间，以便观察温度变化。

注意事项：

确保正确安装 OneWire 和 DallasTemperature 库。
确保 DS18B20 传感器正确连接，并且已经添加了上拉电阻。
如果无法读取温度值，检查电路连接和代码是否正确。
DS18B20 传感器具有一定的精度，但仍然可能存在误差。如果需要更高的精度，可以考虑使用其他类型的温度传感器或进行校准。

总结

本文介绍了三种自制温度计的方法，从简单的酒精温度计到基于热敏电阻和DS18B20的数字温度计。每种方法都有其优点和缺点，你可以根据自己的需求和技能水平选择合适的方法。通过DIY自制温度计，你不仅可以了解温度计的工作原理，还可以锻炼你的动手能力和解决问题的能力。希望本文能帮助你成功制作出属于自己的温度计！

未来探索

以下是一些你可以进一步探索的方向：

改进精度： 通过更精确的校准和更复杂的算法，提高自制温度计的精度。
扩展功能： 添加数据记录功能，将温度数据存储到SD卡或上传到云端。
无线传输： 使用蓝牙或Wi-Fi模块，将温度数据无线传输到手机或电脑。
制作其他类型的温度计： 例如基于热电偶的温度计或基于红外线的非接触式温度计。

DIY的世界是无限的，只要你敢于尝试，就能创造出属于自己的奇迹！

How to Do

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温度计的工作原理：基础知识

方法一：简易酒精温度计

所需材料：

制作步骤：

注意事项：

方法二：基于热敏电阻的数字温度计

所需材料：

电路连接：

Arduino代码：

代码解释：

校准：

注意事项：

方法三：基于DS18B20的数字温度计

所需材料：

电路连接：

Arduino 代码：

代码解释：

注意事项：

总结

未来探索