Temperature Sensor Project: Digital Temperature Sensor ICs

Temperature Sensor Project: Digital Temperature Sensor ICs

Mark Harris

|&nbsp luotu: 26. lokakuuta 2020 &nbsp|&nbsp Päivitetty: maaliskuussa 16, 2021

digitaaliset lämpötila-anturit tarjoavat yksinkertaisimman tavan mitata ja syöttää erittäin tarkka lämpötilalukema mikrokontrolleriin tai muuhun logiikkalaitteeseen. Tämän lämpötila-anturisarjan viimeisessä artikkelissa tarkastelimme analogisia lämpötila-antureita. Vaikka nämä saattavat tuntua helpommilta toteuttaa vain ottamalla yksinkertaisen ADC-lukeman, tarkimman mittauksen saamiseksi sinun täytyy kalibroida kunkin laitteen ADC tuotannon aikana, mikä ei ole aina mahdollista. Tässä artikkelissa sukellamme useisiin eri digitaalisiin lämpötila-anturivaihtoehtoihin. Digitaaliset lämpötila-anturit ovat tyypillisesti kalliimpia kuin yksinkertainen analoginen lämpötila-anturi. Näiden laitteiden valmistuksen helppous ja mukavuus tekevät kuitenkin usein lisäkustannuksista kannattavia, jos mittaustarkkuus on korkea.

digitaaliset lämpötila-anturit ovat viides tämän sarjan sensorityyppi. Päätämme tämän sarjan viimeiseen artikkeliin, joka asettaa kaikki testaamamme anturit toisiaan vastaan head to head-kilpailussa erilaisissa ympäristöolosuhteissa, jotta voimme vertailla niiden toimivuutta, tarkkuutta ja käyttäytymistä. Aloitimme sarjan johdantoartikkelilla, jossa rakensimme mallipohjat standardilämpötila-anturi-korteille. Sekä analogiset että digitaaliset versiot voidaan pinota käyttämällä mezzanine-liittimiä tai lukea itsenäisesti niiden reunaliittimistä. Rakennamme myöhemmin sarjan kaikille antureille isäntätauluja, joiden avulla voimme lukea dataa yhdestä anturista sen toimivuuden vahvistamiseksi tai lukea koko pinon tauluja, jotta voimme kirjata tiedot niistä kaikista yhdessä.

tässä sarjassa tutustutaan laajaan valikoimaan lämpötila-antureita, puhutaan niiden eduista ja haitoista sekä tyypillisistä topologioista niiden toteutuksessa. Sarja kattaa seuraavat anturityypit:

• negatiivinen lämpötilakerroin (NTC) termistorit
• positiivinen lämpötilakerroin (PTC) termistorit
• Resistance Temperature Detectors (TTD)
• analoginen Lämpötila-anturi ICs
• digitaalinen lämpötila-anturi ICs
• termoparit

kuten projekteissani, löytyy projektin yksityiskohdat, kaaviot ja GitHubin levytiedostot sekä muut lämpötila-anturin toteutukset. Projekti on julkaistu avoimen lähdekoodin MIT-lisenssillä, jonka avulla voit käyttää malleja tai mitä tahansa niiden osaa henkilökohtaisiin tai kaupallisiin tarkoituksiin, kuten haluat.

digitaalinen lämpötila-anturi ICs

Oletetaan, että olet kiinnostunut vain lukemaan tulosteen lämpötila-anturista mikrokontrollerin tai muun logiikkalaitteen avulla. Tällöin digitaalinen lämpötila-anturi on sähköisesti suoraviivaisin vaihtoehto toteuttaa. Digitaaliset lämpötila-anturit voivat tarjota erinomaisen tarkkuuden, koska kaikki tunnistus, kompensointi ja muuntaminen tapahtuu sirulla. Mikrokontrollerin ADC: tä (tai ulkoista ADC: tä) ei tarvitse kalibroida. Sinun ei myöskään tarvitse huolehtia läheisten jälkien tai muiden analogisen lämpötila-anturin ja mikrokontrollerin välisiin yhteyksiin asennettujen laitteiden sähkömagneettisista häiriöistä, jotka voivat tahattomasti vaikuttaa lämpötilalukemaan.

tässä projektissa otamme käyttöön neljä erilaista digitaalista lämpötila-anturivaihtoehtoa, joiden resoluutio ja tunnistusalueet vaihtelevat.

olen sisällyttänyt EMC1833T koska, minulle, se on kiehtova anturi. Se on kaukolämpötilan tunnistuslaite, eli se ei käytä komponentin sisällä sijaitsevaa anturia. Sen sijaan se aistii lämpötilaa muuntamalla ulkoisen anturin, joka tässä tapauksessa on transistori, ulostulon digitaaliseksi signaaliksi. En ole varma, että se välttämättä kuuluu tähän ”digitaalinen lämpötila-anturi” luokkaan, koska se ei aivan sovi muiden antureiden katsomme. Silti transistorit eivät yleensä ole tunnettuja siitä, että niitä käytetään lämpötila-antureina, joten minulla ei ollut aavistustakaan, mihin se pitäisi laittaa. Minua kiehtoo tässä anturissa se, että se pystyy mittaamaan lämpötilaa lähes millä tahansa transistorilla. Jos suunnittelet ASIC, voit helposti sisällyttää ylimääräinen transistori päälle kuolee tätä tarkoitusta varten. Voit sitten käyttää tätä transistori, joka voidaan lukea anturi, kuten EMC1833T, ottaa ulkoisen mittauksen kuolee lämpötila tarvitsematta lisätä mitään ylimääräistä monimutkaisuutta pii. Toinen tapa tarkastella tätä on, että voit seurata lämpötila kuolee aiheuttamatta mitään teknistä riskiä, joka liittyy suunnitteluun ja rakentamiseen mittatilaustyönä digitaalinen lämpötila-anturi piin.

digitaalinen Sensoritoteutus: MAX31826MUA + t

ensimmäinen toteutettava anturi on Maxim Integrated-yhtiön valmistama MAX31826. Tämä anturi toimii 1-Johtoisella väylällä tyypillisemmän I2C-tai SPI-väylän sijaan. Yksi mahdollinen ongelma on, että 1-Wire ei todennäköisesti tarjota viestintäprotokollan Mikrokontrolleri, että projekti perustuu noin. Se on kuitenkin yksinkertainen protokolla bit-bangiin ja sillä on huomattava etu suositumpiin valintoihin nähden siinä, että se tarvitsee vain kaksi johtoa anturin käyttämiseen. Virransyöttö mukaan lukien I2C vaatii neljä johtoa ja SPI tarvitsee viisi johtoa. Sen sijaan 1-Lanka vaatii vain Maa-ja datalinjan useimmille sovelluksille, koska se voi virroittaa itsensä pois datalinjasta käyttämällä loistehotekniikkaa. Integroitu anturi on kondensaattori, joka voi ylläpitää IC: n virtalähdettä ajanjaksoina, jolloin datalinja on alhaisessa tilassa, mikä poistaa tarpeen dedikoidulle jännitteensyötölle useimmissa normaaleissa käyttöolosuhteissa. Tämä voi olla erittäin kätevä ratkaisu levyt, joilla on erittäin rajallinen tila käytettävissä.

toinen sensorin ja sen 1-Johdinväylän mielenkiintoinen ominaisuus on kyky asettaa 4-tavuinen osoite laitteelle käsin valittavilla pinneillä, jotka on asennettu laitepakettiin. Tämä mahdollistaa jopa 16 lämpötila-anturin asentamisen yhteen 1-johtoiseen dataväylään antamalla jokaiselle laitteelle yksilöllisen osoitteen. Tämä voi olla erittäin kätevä vaihtoehto, jos sinulla on lyhyt mikrokontrollerinapit ja samalla tarvitset tunnistusominaisuudet käyttämällä suurta määrää lämpötila-antureita.

verrattuna sensoreihin, joita olemme tarkastelleet tämän sarjan aiemmissa artikkeleissa, MAX31826 on paitsi erittäin tarkka, myös tuottaa korkean resoluution dataa. Anturi tarjoaa + / – 0.5°C: n tarkkuus välillä -10°C – +85°C, + / -2°C: n tarkkuudella koko lämpötila-alueella -55°C – +125°C. kaikki anturin lukemat toimitetaan 12-bittisinä arvoina, mikä on suurempi resoluutio kuin useimmat mikrokontrollerit tarjoavat.

lämpötila-anturina MAX31826: ssa on paljon tarjottavaa, mutta sen bonusominaisuutena on myös 1 kB EEPROM. Arvalla taisi olla vielä tilaa jäljellä. Jos mikrokontrollerissasi ei ole integroitua EEPROMIA ja sinun on tallennettava joitakin määritystietoja sovelluksellesi, tämä lämpötila-anturi kattaa sinut. Jos tarvitset lisää haihtumatonta tallennustilaa, tämä lämpötila-anturi vähentää komponenttimäärääsi ja säästää levytilaa.

datalehti suosittelee laitteen suoraan virroittamista loisväylän tehon sijaan, kun lämpötila saattaa ylittää 100°C. Vaikka tyypillisten sovellusten ei tarvitse saavuttaa näitä lämpötiloja, testit, joiden läpi sensori laitetaan, ylittävät 100°C. Siksi tässä harjoituksessa noudatamme suositusta, jonka mukaan laite virtaa suoraan sen sijaan, että tutkisimme kiehtovaa loisvirtavaihtoehtoa.

taulun muoto ja yleiskaava ovat peräisin tämän sarjan johdannossa luomastamme projektimallista. Koska emme käytä kumpaakaan tavallista viestintäväylää, olen poistanut siihen liittyvät Verkot ja niiden komponentit laudalta. Silti, olen jättänyt yhteydet pinoaminen liitin varmistaa, että tämä ei aiheuta ongelmia muille pinottu anturit. 1-Wire-väylän avulla meidän tarvitsee vain käyttää sirunvalintanappia kommunikoidaksemme takaisin isäntämikrokontrolleriin.

Digital Sensor Implementation: STS-30-DIS

olen käyttänyt Sensionin tuottamaa STS-30-DIS: ää aiemmassa projektissa sen uskomattoman tarkkuuden ja kalibroitujen merkintöjen vuoksi, jotka ovat jäljitettävissä NIST: iin. Tätä tarvittiin, koska ruokapalveluyritystä varten kehitettiin instrumentointi, jota tarvittiin tietojen keräämiseen viranomaisraportointia varten. Pienellä jalanjäljellä, laajalla jännitealueella, uskomattomalla tarkkuudella ja linearisoidulla 16-bittisellä digitaalilähdöllä tästä laitteesta on paljon rakastettavaa, jos tarvitset vain positiivisen lämpötilan tunnistuksen. Jos haluat aistia pakkasen alaisia lämpötiloja, STS-30a-DIS-muunnelma on autokelpoinen ja sen tuntoalue on -40°C-125°C. Tämä lisääntynyt tunnistusalue tulee kuitenkin hieman kalliiksi kokonaistarkkuudelle.

edellisessä analogisten lämpötila-antureiden artikkelissa puhuin siitä, kuinka hyviä analogiset lämpötila-anturit ovat esimerkiksi prosessinvalvontaan, Tuulettimen kytkemiseen päälle ja pois päältä tai muihin lämmönhallintajärjestelmiin, jotka voivat toimia ilman mikrokontrollerin väliintuloa. STS – 30: ssä on Hälytysnappi, jota voidaan käyttää vastaavassa tehtävässä. Se on tarkoitettu kytkettäväksi mikrokontrollerin keskeytysnappiin; siinä on kuitenkin myös Täysi sovellus, joka on omistettu sille, ja sitä voidaan käyttää kuormien kytkemiseen automaattisesti. Kyky kytkeytyä mikrokontrollerin keskeytystoimintoon voi olla ratkaiseva. Sen avulla anturi voi välittömästi ilmoittaa mikrokontrollerille korkean prioriteettisignaalin avulla, että jotain on tehtävä välittömästi sen sijaan, että luotetaan anturin harvinaisiin mikrokontrollereihin ja vasteeseen lukutietoihin. Jos hälytyslähtö on kytketty transistoriin, jotta se voi ajaa kuormaa, anturia voidaan käyttää sekä valvonta – /kirjaustarkoituksiin että autonomiseen lämmönhallintatoimintoon. Analogisiin ratkaisuihin verrattuna tämä asetelma saattaa hyvinkin tehdä digitaalisesta STS-30: stä edullisemman vaihtoehdon. Erillistä vertailulaitetta ei tarvita, ja käyttäjä voi määrittää hälytysnapin kynnyksen mikrokontrollerin/HMI: n avulla ilman, että sitä vaaditaan tehtaalla.

STS-30-sarjan laitteet käyttävät kaikki I2C-väylää tietoliikenteeseen. Kaavamainen olemme toteuttamassa tämän artikkelin ei sisällä mitään pull-up vastukset, joita yleensä tarvitaan tietoliikenneväylän toimiakseen oikein. Nämä vetovastukset asennetaan sen sijaan isäntälevyille. Koska tarvitsemme vain yhden vetovastussarjan per väylä, vastusten lisääminen jokaiseen anturiin lisäisi useita vetovastuksia väylään ja voisi johtaa sen toimintahäiriöön. Lisäksi kaikki rinnakkain kytketyt vastukset vähentäisivät niiden kokonaisvastusta.

ADDR-tapin avulla voimme valita laitteen kahden eri osoitteen välillä, jolloin voimme liittää kaksi STS-30-komponenttia samaan I2C-väylään. Vaikka tämä ei ehkä ole yhtä vaikuttava kuin MAX31826-laitteen ominaisuudet 1-Johdinväylällä, se on silti kätevä siinä mielessä, että sen avulla voimme käyttää useampaa kuin yhtä laitetta. Vedän ADDR pin logic low (GND) koska tämä asettaa oletusosoitteen on 0x4A, logiikka vedetään korkea tila, Tämä asettaa sen vaihtoehtoinen osoite 0x4B.

pidän paketista STS-30: llä, koska se on kompakti, mutta ei silti liian hullu, joten voit koota laudan käsin, jos käytät sapluunaa. Anturipaketti sekä 0603: n irrotuskondensaattori ovat yhdessä suunnilleen samankokoisia kuin MAX31826, jota tarkastelimme edellä. Pienemmällä kondensaattorilla se sopisi erittäin hyvin tiheään levyyn. Suuri maadoitustyyny IC: n alla tarjoaa erinomaisen reitin lämmön siirtämiseksi maatasosta IC: n sisällä olevaan lämpötilan tunnistavaan liittymään. Tämä tekee siitä täydellisen valinnan sijoittaa vieressä tahansa laitteen, kuten suuri MOSFET tai säädin, joka käyttää maataso dump ylimääräinen lämpö hallituksen. IC: n sijoittaminen lähelle lämmönlähdettä antaa tarkempia lämpötilantunnistustuloksia.

Digital Sensor Implementation: EMC1833T

kuten aiemmin mainitsin, mikrosirun valmistama emc1883-laite kiehtoo paitsi siksi, että siinä on useita upeita ominaisuuksia, myös siksi, että se pystyy lukemaan transistoriliitoksen aistiman lämpötilan. Yllä tarkastellussa STS – 30: ssä oli itseisarvon laukaisema keskeytysnappi; EMC1883 voidaan kuitenkin konfiguroida tuottamaan myös hälytys, joka perustuu aistitun lämpötilan muutosnopeuteen. Tämä muutosvaroitus voi mahdollistaa älykkäiden lämmönhallintaratkaisujen käynnistämisen automaattisesti ennakoiden niiden tarvetta eikä tapahtuman jälkeen. Tämä voi parantaa laitteen luotettavuutta kokonaisuudessaan sen käyttölämpötilan huolellisella hallinnalla. Kuten STS-30: ssä, se on täysin ohjelmallisesti konfiguroitavissa, mikä tarjoaa huomattavia etuja kaikkiin tehdasasetuksiin nähden, jotka sinun pitäisi todennäköisesti toteuttaa, jos käytät täysin analogista termostaattia saavuttaaksesi samat tulokset.

testaamamme emc8xx-sarjan erikoismalli tukee vain yksittäisen liitoksen tunnistamista. Sarjassa on kuitenkin muitakin malleja, jotka voivat tarjota tunnistuksen jopa viiteen risteykseen.

STS-30: n tavoin tämä on I2C-pohjainen anturi, joka mahtuu asentamaan useita antureita yhteen I2C-väylään. Yksi ero on se, että EMC1833T-ADDR-pin-koodin toteutus eroaa STS-30-laitteen binäärisestä on/off-luonteesta. Tämän laitteen avulla voit määrittää jopa kuusi erillistä osoitetta käyttämällä erilaisia vetovastusarvoja. ADDR pin toimii myös yhtenä keskeytys nastat, toimii Lämpövaroitus Pin (yhdessä lämpövaroitus / Varoitus 2 Pin). Kuten edellisen laitteen asennus, en aio toteuttaa vetovastuksia I2C linjat lämpötila-anturi aluksella. Ne on kuitenkin asennettava jonnekin oman piirin, jotta anturi viestintäväylä toimii oikein.

datalehti suosittelee käyttämään 2N3904-bipolaarista liitostransistoria kaukokartoituselementtinä, koska minulla ei ole käytettävissä suorittimen transistoria mittauksiin. Käytän 2N3904: n pintaliitosvarianttia tämän laudan lämpötilan aistimiseen. MMBT3904 on saatavana lähes jokaiselta piin valmistusyritykseltä, joka käsittelee BJTs: ää – tässä tapauksessa päätin käyttää Puolijohdeosaa, koska se oli paras varusteltu. Kun viimeksi katsoin Octopartia, tarjolla oli useita miljoonia.

kuten olen tehnyt tämän sarjan aiemmissa artikkeleissa, olen sijoittanut lämpötilan tunnistavan elementin, transistorimme, thermal Breakin sisälle. Laitoin aistimattomat elementit lämpötauon taakse. Tämä estää EMC1833T: tä vaikuttamasta haitallisesti lämpötilalukemaan, koska se voi tuottaa itse lämpöä.

digitaalinen Anturitoteutus: Si7051-A20-IMR

lopuksi meillä on Silicon Labs Si7051-A20. Se on tämän laitteen tulokset, että olen eniten innoissani nähdä tässä koko sarjassa. MAX31826 on melko tarkka anturi; kuitenkin Si7051-A20 tarjoaa vaikuttava + / – 0.1°C tarkkuus uskomattoman alhainen virrankulutus vain 195 nA, kun näytteenotto. Virrankulutus on ainakin suuruusluokkaa pienempi kuin kaikki muut digitaaliset lämpötila-anturit ja huomattavasti pienempi kuin edellisessä artikkelissa tarkastelemamme analogiset lämpötila-anturit.

jos monilla antureilla on erittäin korkea mainostarkkuus, luvut koskevat yleensä vain rajoitettua osaa koko anturialueesta. Sen sijaan si7051-A12 tarjoaa raportoidun tarkkuuden koko -40°C – +125°C mittausalueella. Lisäksi 0,1°C: n virhe on pahimman skenaarion tarkkuus, ei keskiarvo tai minimi. 14-bittisellä resoluutiollaan si7051-A20 tarjoaa toistettavan lukeman 0,01°C-rakastan tarkkoja ja toistettavia antureita!

kahden edellisen anturin tapaan si7051-A20 on I2C-yhteensopiva anturi. Se ei kuitenkaan tarjoa osoitetunnusta, eli I2C-väylään voi kytkeä vain yhden yksikön, ellei joko lisää I2C-kytkintä tai vaihda virtaa samaan väylään kytkettyjen eri yksiköiden välillä. Tämä vaatisi lisää IO-pinnejä ja lisää piirin monimutkaisuutta, joten Si7051-A20 on vähemmän ihanteellinen useiden paikkojen tunnistamiseen piirilevyllä. Laitteessa ei myöskään ole hälytys – /keskeytysnappeja, jotka on tarkoitettu käytettäväksi pelkästään digitaalisena lämpötila-anturina. Yleensä, Jos haluat automatisoida lämpöhallinnan piirilevyllä, vähemmän tarkka ja edullisempi anturi on enemmän kuin riittävä tällaiseen sovellukseen.

yksi niistä ominaisuuksista, joista pidin STS-20: ssä, kun käytin sitä viimeksi, oli jokaiseen laitteeseen sovellettu NIST-sertifioitu kalibrointi, koska asiakkaani vaati kyseistä ominaisuutta. Vaikka si7051-A20 ei mainitse tätä sen datalehdessä, sillä on kalibrointitodistus saatavilla. Löysin myös toisen tarkemman kalibrointitodistuksen.; tämä ei kuitenkaan ole Silicon Labsin verkkosivustolla, joten se voi koskea vain tämän yrityksen ostamia yksittäisiä yksiköitä. Jos näin on, se asettaa etusijalle Silicon Labs myöntämällä erityisiä sertifikaatteja asiakkailleen.

kuten muissakin tässä artikkelissa käsitellyissä I2C-toteutuksissa, tämän kortin I2C-linjoissa ei ole data/kellolinjoille asennettuja vetovastuksia. Sinun on sisällytettävä vetovastus jokaisella linjalla jossain piirissä, jotta Si7051-A20 voi kommunikoida onnistuneesti.

6-nastainen DFN-paketti on myös helpoin luovuttaa prototyyppi kaikista tässä artikkelissa käsitellyistä lyijyttömistä vaihtoehdoista. Käyttämällä sapluunaa tai tahnapinnoitustyökalua, kuten Voltera V-One, tämä anturi olisi uskomattoman helppo sijoittaa ja reflow käyttäen perustyökaluja, mikä tekee siitä täydellisen prototyyppien kotona tai toimistossa laboratoriossa.

Conclusion

olemme tarkastelleet tässä artikkelissa neljää eri digitaalista lämpötila-anturia. Saatavilla on kuitenkin satoja muita digitaalisia lämpötila-anturivaihtoehtoja, jotka voivat täyttää projektisi erityisvaatimukset, jotka ovat hyvin varustettuja ja käytettävissä. Vaikka analogiset lämpötila-anturit ovat erinomaisia itsenäisessä prosessinvalvonnassa tai analogisen ja digitaalisen muuntimen kanssa, digitaaliset lämpötila-anturit tarjoavat huomattavan mukavuuden integroitaessa tuotteeseen, jossa on mikrokontrolleri. Kuten olemme nähneet tässä artikkelissa, on olemassa digitaalisia lämpötila-antureita, jotka voivat tuottaa keskeytyksiä ja hälytyksiä konfiguroitavissa kynnysarvoja, mikä mahdollistaa jännittäviä sovelluksia pidemmälle tehdasasetuksella vertailupohjaisen termostaatin kuin todennäköisesti käyttää analoginen lämpötila-anturi. Nykyaikaisten digitaalisten lämpötila-antureiden tarkkuus ja tarkkuus voi olla poikkeuksellisen korkea; kuitenkin monet vaihtoehdot kuluttavat huomattavasti enemmän virtaa kuin niiden analogiset kollegansa, jotka voivat tarjota joitakin lämpötilaeroja itsestään kuumenemisesta.

Suosituimmat ja hyvin varustellut digitaaliset lämpötila-anturit käyttävät tyypillisesti I2C-väylää tietoliikenteeseen; SPI-ja 1-Wire-väylävaihtoehdot ovat kuitenkin myös helposti saatavilla vastaamaan vaihtoehtoisten tietoliikenneväylien saatavuutta projektia varten.

kuten jutun alussa mainitsin, löydät GitHubista tiedot jokaisesta anturilevystä ja kaikista muista lämpötila-anturitoteutuksista. Nämä mallit on julkaistu avoimen lähdekoodin MIT-lisenssillä, jonka avulla voit tehdä lähes mitä tahansa mallin kanssa henkilökohtaiseen tai kaupalliseen käyttöön.

Haluatko tietää lisää siitä, miten Altium voi auttaa sinua seuraavan PIIRILEVYSUUNNITTELUN kanssa? Puhu altiumin asiantuntijalle.