teplotní čidlo Projekt: digitální teplotní čidlo ICs

teplotní čidlo Projekt: digitální teplotní čidlo ICs

Mark Harris

/ &nbsp vytvořeno: Říjen 26, 2020 &nbsp / &nbsp Aktualizováno: Březen 16, 2021

digitální teplotní senzory nabízejí nejjednodušší způsob měření a zadávání vysoce přesného odečtu teploty do mikrokontroléru nebo jiného logického zařízení. V posledním článku v této sérii teplotních senzorů jsme se podívali na analogové teplotní senzory. I když se to může zdát jednodušší implementovat pouhým jednoduchým čtením ADC, abyste získali co nejpřesnější měření, budete muset během výroby kalibrovat ADC každého zařízení, což není vždy možné. V tomto článku se ponoříme do několika různých možností digitálního teplotního senzoru. Digitální teplotní senzory budou obvykle dražší než jednoduchý analogový teplotní senzor. Snadnost a pohodlí výroby pomocí těchto zařízení však často činí dodatečné náklady, které stojí za to tam, kde je vyžadována vysoká úroveň přesnosti měření.

digitální teplotní senzory jsou pátým typem senzoru, na který se v této sérii díváme. Tuto sérii uzavíráme závěrečným článkem, který bude stavět všechny senzory, které jsme testovali proti sobě v soutěži head to head v široké škále podmínek prostředí, abychom mohli porovnat jejich funkčnost, přesnost, a chování. Sérii jsme zahájili úvodním článkem, ve kterém jsme vytvořili sadu šablon pro standardní karty teplotních senzorů. Analogová i digitální verze lze skládat pomocí mezaninových konektorů nebo číst nezávisle na jejich okrajových konektorech. Budeme stavět hostitelské desky pro všechny tyto senzory později v sérii, což nám umožní číst data z jednoho senzoru, abychom ověřili jeho funkčnost nebo přečetli celý stoh desek, abychom mohli data ze všech společně zaznamenávat.

v této sérii se podíváme na širokou škálu teplotních senzorů, hovoříme o jejich výhodách a nevýhodách a také o některých typických topologiích pro jejich implementaci. Série bude pokrývat následující typy senzorů:

• záporný teplotní koeficient (NTC) termistory
• kladný teplotní koeficient (PTC) termistory
• odporové teplotní detektory (RTD)
• analogový teplotní senzor ICs
• digitální teplotní senzor ICs
• termočlánky

stejně jako u mých projektů najdete podrobnosti o projektu, schématech a deskových souborech na Githubu spolu s dalšími teplotními implementace senzorů. Projekt je vydáván pod open-source licencí MIT, která Vám umožňuje používat návrhy nebo jakoukoli jejich část pro osobní nebo komerční účely, jak si přejete.

digitální teplotní čidlo ICs

Předpokládejme, že vás zajímá pouze čtení výstupu ze snímače teploty pomocí mikrokontroléru nebo jiného logického zařízení. V takovém případě je digitální teplotní senzor elektricky nejpřímější možností implementace. Digitální snímače teploty mohou nabídnout vynikající úroveň přesnosti, protože veškeré snímání, kompenzace a konverze se provádí na čipu. Není třeba kalibrovat ADC mikrokontroléru (nebo externí ADC). Také se nemusíte obávat elektromagnetického rušení z blízkých stop nebo jiných zařízení namontovaných na spojích mezi analogovým teplotním čidlem a mikrokontrolérem, které by mohly neúmyslně ovlivnit odečet teploty.

v tomto projektu budeme implementovat čtyři různé možnosti digitálních teplotních senzorů s různým rozlišením a rozsahem snímání.

zahrnul jsem EMC1833T, protože pro mě je to fascinující senzor. Je to zařízení pro dálkové snímání teploty, což znamená, že nepoužívá senzor umístěný uvnitř komponenty. Místo toho snímá teplotu převedením výstupu externího senzoru, což je v tomto případě tranzistor, na digitální signál. Nejsem si jistý, zda nutně patří do této kategorie „Digitální teplotní senzor“, protože se zcela nehodí k ostatním senzorům, na které se díváme. Ještě pořád, tranzistory nejsou obvykle známé jako používané jako teplotní senzory, takže jsem netušil, kam to dát. Na tomto senzoru mě fascinuje to, že dokáže měřit teplotu téměř pomocí jakéhokoli tranzistoru. Pokud navrhujete ASIC, můžete pro tento účel snadno do matrice přidat další tranzistor. Poté můžete použít tento tranzistor, který lze číst senzorem, jako je EMC1833T, k provedení externího měření teploty matrice, aniž byste museli do křemíku přidávat další složitost. Dalším způsobem, jak se na to podívat, je to, že můžete sledovat teplotu své matrice, aniž byste utrpěli jakékoli technické riziko spojené s navrhováním a stavbou digitálního teplotního senzoru na míru do křemíku.

implementace digitálního senzoru: MAX31826MUA+T

první senzor, který implementujeme, je MAX31826 vyrobený společností Maxim Integrated. Tento senzor běží spíše na 1-Wire sběrnici než na typičtější sběrnici I2C nebo SPI. Jeden potenciální problém je, že 1-Wire je nepravděpodobné, že bude nabízen jako komunikační protokol mikrokontrolérem, na kterém je váš projekt založen. Jedná se však o jednoduchý protokol pro bit-bang a má značnou výhodu oproti populárnějším volbám v tom, že k ovládání senzoru potřebuje pouze dva dráty. Včetně napájení vyžaduje I2C čtyři vodiče a SPI potřebuje pět vodičů. Naproti tomu 1-Wire vyžaduje pro většinu aplikací pouze zem a datovou linku, protože se může napájet z datové linky pomocí techniky parazitického napájení. Integrovaný v senzoru je kondenzátor, který může udržovat napájení IC v obdobích, kdy je datová linka v nízkém stavu, což odstraňuje potřebu vyhrazeného napájecího napětí za většiny normálních provozních podmínek. To může být velmi výhodné řešení pro desky, které mají extrémně omezený prostor.

další zajímavou vlastností senzoru a jeho 1-Wire sběrnice je schopnost nastavit 4-bajtovou adresu pro zařízení pomocí ručně volitelných kolíků nainstalovaných na balíčku zařízení. To umožňuje instalaci až 16 teplotních senzorů na jednu 1vodičovou datovou sběrnici tím, že každému zařízení poskytne jedinečnou adresu. To může být velmi výhodná volba, pokud máte málo pinů mikrokontroléru a zároveň potřebujete snímací schopnosti pomocí velkého počtu teplotních senzorů.

ve srovnání se senzory, na které jsme se podívali v předchozích článcích v této sérii, je MAX31826 nejen vysoce přesný, ale také poskytuje data s vysokým rozlišením. Snímač nabízí + / – 0.Přesnost 5°C mezi -10°C a + 85°C, s přesností +/- 2°C v plném teplotním rozsahu -55 ° C až + 125°C. všechny hodnoty senzorů jsou dodávány jako 12bitové hodnoty,což je vyšší rozlišení, než nabízí většina mikrokontrolérů.

jako teplotní čidlo má MAX31826 co nabídnout, ale jako bonus je také vybaven palubním 1 kB EEPROM. Myslím, že jim zbylo místo na kostce. Pokud váš mikrokontrolér nemá integrovaný EEPROM a potřebujete uložit některá konfigurační data pro vaši aplikaci, tento teplotní senzor vás zakryl. Pokud potřebujete další energeticky nezávislé úložiště, tento teplotní senzor sníží počet komponent a ušetří místo na desce.

datasheet doporučuje přímé napájení zařízení spíše než použití napájení parazitní sběrnice, když teploty mohou překročit 100°C. zatímco většina typických aplikací nebude muset dosáhnout těchto teplotních úrovní,testy, kterými senzor projdeme, přesáhnou 100°C. proto se pro toto cvičení budeme řídit doporučením přímého napájení zařízení, spíše než zkoumáním fascinující možnosti parazitické energie.

tvar desky a obecné uspořádání pocházejí ze šablony projektu, kterou jsme vytvořili v úvodu této série. Protože nepoužíváme žádnou z obvyklých komunikačních sběrnic, odstranil jsem přidružené sítě a jejich komponenty z desky. Přesto jsem nechal připojení na stohovacím konektoru, abych zajistil, že to nezpůsobí žádné problémy pro jiné naskládané senzory. S 1-Wire sběrnicí, stačí použít chip select pin pro komunikaci zpět do hostitelského mikrokontroléru.

implementace digitálního senzoru: STS-30-DIS

použil jsem STS-30-DIS vyrobený společností Sensirion v minulém projektu kvůli jeho neuvěřitelné přesnosti a kalibrovaným indikacím, které jsou sledovatelné pro NIST. To bylo zapotřebí, protože přístrojové vybavení bylo vyvinuto pro potravinářskou společnost, potřebné ke shromažďování údajů pro účely vládního podávání zpráv. S malou stopou, širokým rozsahem napětí, neuvěřitelnou přesností a linearizovaným 16bitovým digitálním výstupem je na tomto zařízení Hodně lásky, pokud potřebujete pouze pozitivní snímání teploty. Pokud potřebujete snímat teploty pod bodem mrazu, je varianta STS-30A-DIS kvalifikovaná pro automobilový průmysl a má rozsah snímání -40°C až 125°C. tento zvýšený rozsah snímání však přináší mírné náklady na celkovou přesnost.

v předchozím článku analogových teplotních senzorů jsem hovořil o tom, jak skvělé jsou analogové teplotní senzory pro aplikace, jako je monitorování procesů, pro zapnutí a vypnutí ventilátoru nebo pro jiné systémy řízení teploty, které mohou pracovat bez zásahu mikrokontroléru. STS-30 nabízí výstražný pin, který lze použít k plnění podobné funkce. Je určen pro připojení k přerušovacímu kolíku mikrokontroléru; má však také věnovanou plnou aplikační poznámku a může být použit pro automatické přepínání zatížení. Schopnost rozhraní s funkcí přerušení mikrokontroléru může být rozhodující. Umožňuje senzoru okamžitě upozornit mikrokontrolér signálem s vysokou prioritou, že je třeba něco okamžitě udělat, spíše než spoléhat se na občasné dotazování mikrokontroléru senzoru a reakci na čtená data. Pokud je výstražný výstup připojen k tranzistoru, aby mohl řídit zátěž, může být senzor použit jak pro účely monitorování/protokolování, tak pro autonomní funkci řízení teploty. Ve srovnání s analogovými řešeními by toto nastavení mohlo z digitálního STS-30 udělat levnější variantu. Samostatný komparátor nebude vyžadován a prahová hodnota pro výstražný pin může být konfigurována uživatelem prostřednictvím mikrokontroléru / HMI, aniž by byl nastaven z výroby.

všechna zařízení řady STS-30 používají pro komunikaci sběrnici I2C. Schéma, které implementujeme pro tento článek, nezahrnuje žádný z pull-up rezistorů, které jsou obecně nutné pro správnou funkci komunikační sběrnice. Tyto pull-up rezistory budou místo toho namontovány na hostitelských deskách. Protože potřebujeme pouze jednu sadu pull-up rezistorů na sběrnici, přidání rezistorů ke každému senzoru by do sběrnice přidalo více pull-up rezistorů a mohlo by to mít za následek jeho poruchu. Kromě toho by všechny paralelně připojené rezistory snížily jejich celkový odpor.

pin ADDR nám umožňuje vybrat si mezi dvěma různými adresami zařízení, což nám umožňuje připojit dvě komponenty STS-30 ke stejné sběrnici I2C. I když to nemusí být tak působivé jako schopnosti zařízení MAX31826 na 1vodičové sběrnici, je to stále výhodné v tom, že nám umožňuje používat více než jedno zařízení. Vytáhnu PIN ADDR na logic low (GND), protože to nastaví výchozí adresu na 0x4A, s logikou vytaženou do vysokého stavu, To ji nastaví na alternativní adresu 0x4B.

Líbí se mi balíček na STS-30, protože je kompaktní, ale stále není příliš šílený, takže můžete ručně sestavit desku, pokud používáte šablonu. Balíček senzorů plus 0603 oddělovací kondenzátor jsou spolu přibližně stejné velikosti jako MAX31826, na který jsme se podívali výše. S menším kondenzátorem by se velmi dobře vešel na desku s vysokou hustotou. Velká zemnící podložka pod IC poskytuje vynikající cestu pro přenos tepla z roviny země do křižovatky pro snímání teploty uvnitř IC. Díky tomu je ideální volbou pro umístění vedle jakéhokoli zařízení, jako je velký MOSFET nebo regulátor, který používá pozemní rovinu k vypouštění přebytečného tepla do desky. Umístění IC v těsné blízkosti zdroje tepla poskytne přesnější výsledky snímání teploty.

implementace digitálního senzoru: EMC1833T

jak jsem již zmínil, považuji zařízení EMC1883 vyrobené společností Microchip za fascinující nejen proto, že má řadu fantastických funkcí, ale že dokáže číst teplotu snímanou tranzistorovým spojem. STS-30, na který jsme se podívali výše, měl výstražný přerušovací kolík spuštěný absolutní hodnotou; emc1883 však může být nakonfigurován tak, aby také generoval výstrahu na základě rychlosti změny snímané teploty. Tato rychlost upozornění na změnu může umožnit automatické zapnutí inteligentních řešení řízení teploty v očekávání jejich potřeby, nikoli po události. To má potenciál zlepšit spolehlivost zařízení jako celku pečlivým řízením jeho provozní teploty. Stejně jako u STS-30 je plně konfigurovatelný software, který nabízí značné výhody oproti jakékoli možnosti tovární sady, kterou byste pravděpodobně museli implementovat, pokud používáte plně analogový termostat k dosažení stejných výsledků.

specifický model řady EMC8xx, který testujeme, bude podporovat pouze snímání jediného spojení. V řadě však existují i jiné modely, které mohou poskytnout snímání až pěti křižovatek.

stejně jako Sts-30 se jedná o snímač založený na I2C, který pojme instalaci více senzorů na jednu sběrnici I2C. Jedním rozdílem je, že implementace kódu EMC1833T ADDR pin se liší od binární povahy zařízení STS-30. Toto zařízení umožňuje nastavit až šest samostatných adres pomocí různých hodnot pull-up rezistoru. PIN ADDR také funguje jako jeden z vývodů přerušení a působí jako tepelný varovný kolík (spolu s kolíkem tepelného varování/varování 2). Stejně jako předchozí instalace zařízení nebudu implementovat pull-up rezistory na linkách I2C na desce teplotního senzoru. Musí však být namontovány někde ve vašem obvodu, aby komunikační sběrnice senzoru mohla správně fungovat.

katalogový list doporučuje použít jako prvek dálkového průzkumu bipolární tranzistor 2N3904, protože nemám k dispozici tranzistor CPU pro měření. Používám variantu povrchové montáže 2N3904 pro snímání teploty na této desce. MMBT3904 je k dispozici prakticky od každé společnosti vyrábějící křemík, která se zabývá BJTs – v tomto případě jsem se rozhodl použít polovodičovou součást, protože byla nejlépe zásobená. Když jsem se naposledy podíval na Octopart, bylo k dispozici několik milionů.

jak jsem to udělal v předchozích článcích v této sérii, umístil jsem snímač teploty, náš tranzistor, do tepelného zlomu. Za tepelný zlom jsem umístil nesnímací prvky. Tím se zabrání tomu, aby emc1833t byl schopen nepříznivě ovlivnit odečet teploty v důsledku jakéhokoli tepla, které může sám generovat.

implementace digitálních senzorů: Si7051-A20-IMR

konečně máme Silicon Labs Si7051-A20. Jsou to výsledky z tohoto zařízení, které jsem nejvíce nadšený, že vidím v celé této sérii. Max31826 je docela přesný senzor; Si7051 – a20 však nabízí působivou přesnost +/- 0.1°C s neuvěřitelně nízkou spotřebou energie pouhých 195 nA při odběru vzorků. Spotřeba energie je alespoň o řád menší než všechny Ostatní digitální teplotní senzory a podstatně menší než analogové teplotní senzory, na které jsme se podívali v předchozím článku.

tam, kde má mnoho senzorů velmi vysokou přesnost, se čísla obvykle vztahují pouze na omezenou část celkového rozsahu snímání. Naproti tomu si7051-A12 nabízí hlášenou přesnost v celém rozsahu snímání -40°C až + 125°C. A co víc je, že chyba 0,1°C je přesnost nejhoršího scénáře, nikoli průměr nebo minimum. S vybraným 14bitovým rozlišením poskytuje Si7051 – A20 opakovatelné čtení 0.01°c – miluji přesné a opakovatelné senzory!

stejně jako u posledních dvou senzorů je si7051-A20 čidlem kompatibilním s I2C. Nenabízí však PIN adresy, což znamená, že ke sběrnici I2C můžete připojit pouze jednu jednotku, pokud nepřidáte přepínač I2C nebo nepřepnete napájení mezi různými jednotkami připojenými na stejné sběrnici. To by vyžadovalo další IO kolíky a přidat složitost obvodu, takže Si7051-A20 méně ideální pro snímání více míst v celé desce s plošnými spoji. Zařízení také nemá žádné výstražné / přerušovací kolíky, určené k použití čistě jako digitální teplotní senzor. Obecně platí, že pokud chcete automatizovat řízení teploty na desce s plošnými spoji, méně přesný a nižší snímač nákladů bude pro takovou aplikaci více než dostačující.

jednou z funkcí, které se mi na STS-20 opravdu líbily, když jsem je naposledy použil, byla kalibrace certifikovaná NIST aplikovaná na každé zařízení, protože můj klient tuto funkci vyžadoval. Zatímco Si7051-A20 o tom ve svém datovém listu nezmiňuje, má k dispozici certifikát kalibrace. Byl jsem také schopen najít další konkrétnější certifikát kalibrace; to však není na webových stránkách Silicon Labs, a proto se může vztahovat pouze na konkrétní jednotky, které tato společnost zakoupila. Pokud ano, nastaví prioritu pro Silicon Labs vydávající specifické certifikáty pro své zákazníky.

stejně jako ostatní implementace I2C, které jsme popsali v tomto článku, linky I2C pro tuto kartu nemají pull-up rezistory namontované na datových / hodinových linkách. Budete muset zahrnout pull-up rezistor na každém řádku někde ve vašem obvodu, aby Si7051-A20 úspěšně komunikovat.

balíček 6-pin DFN je také nejjednodušší předat prototyp ze všech bezolovnatých možností jsme se vztahuje v tomto článku. Pomocí šablony nebo nástroje pro nanášení pasty, jako je Voltera V-One, by bylo neuvěřitelně snadné umístit a přetavit tento senzor pomocí základních nástrojů, takže je ideální pro prototypování v domácí nebo kancelářské laboratoři.

závěr

v tomto článku jsme se podívali na čtyři různé digitální teplotní senzory. Existují však stovky dalších možností digitálního teplotního senzoru, které mohou splňovat specifické požadavky vašeho projektu, které jsou dobře zásobené a dostupné. Zatímco analogové teplotní senzory jsou vynikající při autonomním monitorování procesů nebo při použití s analogově digitálním převodníkem, digitální teplotní senzory nabízejí značné pohodlí při integraci do produktu, který má mikrokontrolér. Jak jsme viděli v tomto článku, existují digitální teplotní senzory, které mohou generovat přerušení a upozornění při konfigurovatelných prahových hodnotách, což umožňuje vzrušující aplikace mimo termostat založený na komparátoru, jak byste pravděpodobně použili s analogovým teplotním senzorem. Přesnost a přesnost moderních digitálních teplotních senzorů může být výjimečně vysoká; nicméně, mnoho možností spotřebovává podstatně více proudu než jejich analogové protějšky, což může poskytnout určitý teplotní posun od samohřívání.

nejoblíbenější a dobře zásobené digitální snímače teploty obvykle používají pro komunikaci sběrnici I2C; nicméně možnosti SPI a 1-Wire bus jsou také snadno dostupné pro splnění dostupnosti alternativních komunikačních autobusů pro váš projekt.

jak jsem zmínil na začátku článku, najdete podrobnosti o každé z těchto senzorových desek a všech ostatních implementacích teplotních senzorů na Githubu. Všechny tyto návrhy jsou vydávány pod open-source licencí MIT, což vám umožňuje dělat téměř cokoli s designem pro osobní nebo komerční použití.

Chtěli byste se dozvědět více o tom, jak vám Altium může pomoci s dalším návrhem PCB? Promluvte si s odborníkem na Altium.