hőmérséklet-érzékelő projekt: digitális hőmérséklet-érzékelő ICs

hőmérséklet-érzékelő projekt: digitális hőmérséklet-érzékelő ICs

Mark Harris

|&nbsp létrehozva: október 26, 2020 & nbsp / & nbsp Frissítve: március 16, 2021

a digitális hőmérséklet-érzékelők a legegyszerűbb módszert kínálják a rendkívül pontos hőmérséklet-leolvasás mérésére és bevitelére egy mikrokontrollerbe vagy más logikai eszközbe. A hőmérséklet-érzékelő sorozat utolsó cikkében analóg hőmérséklet-érzékelőket vizsgáltunk. Bár ezek könnyebben megvalósíthatónak tűnhetnek, ha csak egy egyszerű ADC-olvasást végeznek, a legpontosabb mérés érdekében a gyártás során kalibrálnia kell az egyes eszközök ADC-jét, ami nem mindig megvalósítható. Ebben a cikkben több különböző digitális hőmérséklet-érzékelő opcióba merülünk. A digitális hőmérséklet-érzékelők általában drágábbak, mint egy egyszerű analóg hőmérséklet-érzékelő. Az ilyen eszközökkel történő gyártás egyszerűsége és kényelme azonban gyakran megéri a többletköltséget ott, ahol nagy mérési pontosságra van szükség.

a digitális hőmérséklet-érzékelők az ötödik típusú érzékelők, amelyeket ebben a sorozatban vizsgálunk. Ezt a sorozatot az utolsó cikkel zárjuk, amely az összes érzékelőt egymás ellen teszteli egy fej-fej versenyen a környezeti feltételek széles skáláján, hogy összehasonlíthassuk funkcionalitásukat, pontosságukat és viselkedésüket. A sorozatot egy bevezető cikkel kezdtük, amelyben sablonkészletet készítettünk a szokásos hőmérséklet-érzékelő kártyákhoz. Mind az analóg, mind a digitális változat egymásra rakható mezzanine csatlakozók használatával, vagy az élcsatlakozóktól függetlenül leolvasható. A sorozat későbbi részében gazdagépeket építünk ezeknek az érzékelőknek, amelyek lehetővé teszik számunkra, hogy egyetlen érzékelőből olvassuk az adatokat, hogy ellenőrizzük annak működését, vagy hogy elolvassuk a táblák teljes kötegét, hogy együtt naplózhassuk az összes adatot.

ebben a sorozatban a hőmérséklet-érzékelők széles skáláját fogjuk megvizsgálni, beszélünk azok előnyeiről és hátrányairól, valamint néhány tipikus topológiáról a megvalósításukhoz. A sorozat a következő érzékelőtípusokra terjed ki:

• negatív hőmérsékleti együttható (NTC) termisztorok
• pozitív hőmérsékleti együttható (PTC) termisztorok
• ellenállás hőmérséklet-érzékelők (RTD)
• Analóg hőmérséklet-érzékelő IC-k
• digitális hőmérséklet-érzékelő IC-k
• hőelemek

a projektjeimhez hasonlóan megtalálhatja az IC-t is a projekt részletei, a tervrajzok, valamint a GitHub táblafájljai, valamint a többi hőmérséklet-érzékelő megvalósítás. A projekt a nyílt forráskódú MIT licenc alatt kerül kiadásra, amely lehetővé teszi a tervek vagy azok bármely részének személyes vagy kereskedelmi célokra történő felhasználását, ahogy szeretné.

digitális hőmérséklet-érzékelő ICs

tegyük fel, hogy csak egy hőmérséklet-érzékelő kimenetét érdekli mikrokontroller vagy más logikai eszköz segítségével. Ebben az esetben a digitális hőmérséklet-érzékelő elektromosan a legegyszerűbb megvalósítási lehetőség. A digitális hőmérséklet-érzékelők kiváló pontosságot kínálnak, mivel az összes érzékelés, kompenzáció és átalakítás chipen történik. Nincs szükség a mikrokontroller ADC (vagy külső ADC) kalibrálására. Ezenkívül nem kell aggódnia a közeli nyomok vagy az analóg hőmérséklet-érzékelő és a mikrokontroller közötti csatlakozásokra szerelt egyéb eszközök elektromágneses interferenciája miatt, amelyek akaratlanul befolyásolhatják a hőmérséklet-leolvasást.

ebben a projektben négy különböző digitális hőmérséklet-érzékelő opciót fogunk bevezetni, különböző felbontásokkal és érzékelési tartományokkal.

beépítettem az EMC1833T-t, mert számomra ez egy lenyűgöző érzékelő. Ez egy távoli hőmérséklet-érzékelő eszköz, ami azt jelenti, hogy nem használ érzékelőt az alkatrész belsejében. Ehelyett úgy érzékeli a hőmérsékletet, hogy egy külső érzékelő kimenetét, amely ebben az esetben tranzisztor, digitális jellé alakítja. Nem vagyok biztos benne, hogy feltétlenül ebbe a “digitális hőmérséklet-érzékelő” kategóriába tartozik, mivel nem igazán illeszkedik a többi érzékelőhöz, amelyet nézünk. Még mindig, a tranzisztorok általában nem ismertek hőmérséklet-érzékelőként, így fogalmam sem volt, hová tegyem. Ami lenyűgöz engem ebben az érzékelőben, az az, hogy szinte bármilyen tranzisztor segítségével képes mérni a hőmérsékletet. Ha ASIC-t tervez, akkor erre a célra könnyen beilleszthet egy extra tranzisztort a szerszámra. Ezután használhatja ezt a tranzisztort, amelyet egy érzékelő, például az EMC1833T leolvashat, hogy elvégezze a szerszám hőmérsékletének külső mérését anélkül, hogy további bonyolultságot kellene hozzáadnia a szilíciumhoz. Ennek egy másik módja az, hogy figyelemmel kísérheti a szerszám hőmérsékletét anélkül, hogy bármilyen mérnöki kockázatot jelentene a testreszabott digitális hőmérséklet-érzékelő tervezésével és építésével a szilíciumba.

digitális érzékelő megvalósítása: MAX31826MUA+T

az első érzékelő, amelyet megvalósítunk, a Maxim Integrated által gyártott MAX31826. Ez az érzékelő 1 vezetékes buszon fut, nem pedig a tipikusabb I2C vagy SPI buszon. Az egyik lehetséges probléma az, hogy nem valószínű, hogy az 1-vezetéket kommunikációs protokollként kínálja a mikrovezérlő, amelyen a projekt alapul. Ez azonban egy egyszerű bit-bang protokoll, és jelentős előnye van a népszerűbb választásokkal szemben, mivel csak két vezetékre van szüksége az érzékelő működtetéséhez. Az áramellátást is beleértve, az I2C négy vezetéket, az SPI pedig öt vezetéket igényel. Ezzel szemben az 1-vezetékes csak földelést és adatvezetéket igényel a legtöbb alkalmazáshoz, mivel parazita áramellátási technikával képes kikapcsolni az adatvezetéket. Az érzékelőbe integrálva van egy kondenzátor, amely képes fenntartani az IC tápellátását azokban az időszakokban, amikor az adatvezeték alacsony állapotban van, ami a legtöbb normál üzemi körülmények között kiküszöböli a dedikált feszültségellátás szükségességét. Ez nagyon kényelmes megoldás lehet olyan táblák számára, amelyeknek rendkívül korlátozott hely áll rendelkezésre.

az érzékelő és az 1-vezetékes busz másik érdekes tulajdonsága, hogy 4 bájtos címet állíthat be az eszközhöz az eszközcsomagra telepített kézzel választható csapok segítségével. Ez lehetővé teszi akár 16 hőmérséklet-érzékelő telepítését egyetlen 1 vezetékes adatbuszra azáltal, hogy minden eszköznek egyedi címet ad. Ez nagyon kényelmes megoldás lehet, ha kevés a mikrokontroller csapja, ugyanakkor nagyszámú hőmérséklet-érzékelő használatával érzékelési képességeket igényel.

a sorozat előző cikkeiben megvizsgált érzékelőkhöz képest a MAX31826 nemcsak rendkívül pontos, hanem nagy felbontású adatokat is szolgáltat. Az érzékelő +/- 0 értéket kínál.5°C pontosság között -10°C-tól +85°C, a +/- 2°C pontosság, mint a teljes hőmérséklet tartomány -55°C – +125°C. a szenzor értékek szállítani, mint a 12-bites értéket, ami egy nagyobb felbontású, mint a legtöbb microcontrollers ajánlatot.

hőmérséklet-érzékelőként a MAX31826 sokat kínál, de bónuszként beépített 1 kB-os EEPROM-mal is rendelkezik. Azt hiszem maradt egy kis szabad hely a kockán. Ha a mikrokontroller nem rendelkezik integrált EEPROM-mal, és el kell tárolnia néhány konfigurációs adatot az alkalmazáshoz, akkor ezt a hőmérséklet-érzékelőt lefedte. Ha további nem felejtő tárolásra van szüksége, ez a hőmérséklet-érzékelő csökkenti az alkatrészek számát és helyet takarít meg a táblán.

az adatlap azt javasolja, hogy közvetlenül táplálja az eszközt, ahelyett, hogy parazita busz energiát használna, ha a hőmérséklet meghaladhatja a 100c-t.míg a legtöbb tipikus alkalmazásnak nem kell elérnie ezeket a hőmérsékleti szinteket, az érzékelőt átadó tesztek meghaladják a 100cc-t. ezért ehhez a gyakorlathoz a készülék közvetlen táplálásának ajánlását követjük, nem pedig a lenyűgöző parazita teljesítmény opció feltárását.

a tábla alakja és általános elrendezése származik a projekt sablon hoztuk létre a bevezetés ebben a sorozatban. Mivel nem a szokásos kommunikációs buszokat használjuk, eltávolítottam a kapcsolódó hálókat és azok alkatrészeit a tábláról. Ennek ellenére elhagytam a csatlakozókat az egymásra rakható csatlakozón, hogy ez ne okozzon problémát más halmozott érzékelők számára. Az 1-vezetékes busz, csak akkor kell használni a chip select pin kommunikálni vissza a fogadó mikrokontroller.

digitális érzékelő megvalósítás: STS-30-DIS

a Sensirion által gyártott STS-30-DIS-t egy korábbi projektben használtam hihetetlen pontossága és a NIST-re visszavezethető kalibrált jelzések miatt. Erre azért volt szükség, mert a műszert egy élelmiszer-szolgáltató vállalat számára fejlesztették ki, amely kormányzati jelentéstételi célokra szükséges adatok gyűjtésére. Kis helyigényével, széles feszültségtartományával, hihetetlen pontosságával és linearizált 16 bites digitális kimenetével sokat lehet szeretni ebben a készülékben, ha csak pozitív hőmérséklet-érzékelésre van szüksége. Ha a fagypont alatti hőmérsékletet kell érzékelnie, az STS-30a-DIS változat autóipari képesítéssel rendelkezik, érzékelési tartománya -40-125 USD C. Ez a megnövekedett érzékelési tartomány azonban enyhe költséggel jár az Általános pontosság szempontjából.

az előző analóg hőmérséklet-érzékelők cikkben arról beszéltem, hogy milyen nagyszerűek az analóg hőmérséklet-érzékelők olyan alkalmazásokhoz, mint a folyamatfigyelés, a ventilátor be-és kikapcsolása, vagy más hőkezelő rendszerek, amelyek mikrokontroller beavatkozása nélkül működhetnek. Az STS – 30 figyelmeztető tűt kínál, amely hasonló funkció ellátására használható. Egy mikrokontroller megszakító pin-jéhez való csatlakoztatásra tervezték, de van egy teljes alkalmazási jegyzete is, amely a terhelések automatikus váltására használható. A mikrokontroller megszakítási funkciójához való kapcsolódás képessége döntő fontosságú lehet. Ez lehetővé teszi az érzékelő számára, hogy azonnal értesítse a mikrokontrollert egy magas prioritású jelzéssel, hogy valamit azonnal meg kell tenni, ahelyett, hogy az érzékelő ritka mikrokontroller lekérdezésére és az olvasási adatokra adott válaszra támaszkodna. Ha a riasztási kimenet egy tranzisztorhoz van csatlakoztatva, hogy lehetővé tegye a terhelés meghajtását, az érzékelő mind felügyeleti/naplózási célokra, mind autonóm hőkezelési funkcióval rendelkezik. Az analóg megoldásokhoz képest ez a beállítás a digitális STS-30-at olcsóbbá teheti. Külön komparátor nem szükséges, és a riasztási pin küszöbértékét a felhasználó egy mikrokontrolleren/HMI-n keresztül konfigurálhatja anélkül, hogy azt gyárilag be kellene állítani.

az STS-30 sorozatú eszközök mindegyike I2C buszt használ a kommunikációhoz. A cikkhez megvalósított sematikus ábra nem tartalmazza azokat a felhúzó ellenállásokat, amelyek általában szükségesek a kommunikációs busz megfelelő működéséhez. Ezeket a felhúzó ellenállásokat ehelyett a fogadó táblákra szerelik fel. Mivel buszonként csak egy húzóellenállásra van szükségünk, ellenállások hozzáadása minden érzékelőhöz több húzóellenállást adna a buszhoz, ami hibás működéshez vezethet. Ezenkívül az összes párhuzamosan csatlakoztatott ellenállás csökkentené általános ellenállását.

az ADDR pin lehetővé teszi számunkra, hogy az eszköz két különböző címe közül válasszunk, lehetővé téve számunkra, hogy két STS-30 komponenst csatlakoztassunk ugyanahhoz az I2C buszhoz. Bár ez nem lehet olyan lenyűgöző, mint a MAX31826 eszköz képességei az 1-vezetékes buszon, mégis kényelmes, mivel lehetővé teszi számunkra, hogy egynél több eszközt használjunk. Az ADDR pin-t a logic low (GND) értékre húzom, mivel ez az alapértelmezett címet 0x4a-ra állítja, a logikát magas állapotba húzva, ez a 0x4b alternatív címére állítja.

tetszik az STS-30 csomagja, mivel kompakt, de még mindig nem túl őrült, így kézzel összeállíthatja a táblát, ha sablont használ. Az érzékelő csomag plusz egy 0603 leválasztó kondenzátor együtt körülbelül azonos méretű, mint a MAX31826 néztük fent. Kisebb kondenzátorral nagyon jól illeszkedik egy nagy sűrűségű táblára. Az IC alatti nagy földelőpárna kiváló utat biztosít a hőnek az alapsíkról az IC belsejében lévő hőmérséklet-érzékelő csomópontra történő átviteléhez. Ez tökéletes választás bármilyen eszköz, például egy nagy MOSFET vagy egy szabályozó mellé történő elhelyezéshez, amely az alapsíkot használja a felesleges hő lerakására a táblába. Ha az IC-t a hőforrás közvetlen közelében helyezi el, pontosabb hőmérséklet-érzékelési eredményeket ad.

digitális érzékelő megvalósítás: EMC1833T

mint korábban említettem, a mikrochip által gyártott EMC1883 eszközt nemcsak azért találom lenyűgözőnek, mert számos fantasztikus funkcióval rendelkezik, hanem hogy képes olvasni a tranzisztor csomópont által érzékelt hőmérsékletet. A fent megvizsgált STS-30-nak volt egy riasztási megszakító tűje, amelyet abszolút érték váltott ki; az EMC1883 azonban konfigurálható úgy is, hogy riasztást generáljon az érzékelt hőmérséklet változásának sebessége alapján. Ez a változás-riasztás lehetővé teszi az intelligens hőkezelési megoldások automatikus bekapcsolását igényük előrejelzésére, nem pedig az esemény után. Ez az üzemi hőmérséklet gondos kezelésével javíthatja az eszköz megbízhatóságát. Az STS-30-hoz hasonlóan ez is teljesen szoftveresen konfigurálható, ami jelentős előnyöket kínál minden gyári beállítással szemben, amelyet valószínűleg végre kell hajtania, ha teljesen analóg termosztátot használ ugyanazon eredmények eléréséhez.

az emc8xx sorozat speciális modellje, amelyet tesztelünk, csak egyetlen csomópont érzékelését támogatja. Vannak azonban más modellek a sorozatban, amelyek akár öt csomópont érzékelését is képesek biztosítani.

az STS-30-hoz hasonlóan ez egy I2C alapú érzékelő, amely több érzékelő telepítését teszi lehetővé egyetlen I2C buszon. Az egyik különbség az, hogy az EMC1833T ADDR tű megvalósítása eltér az STS-30 eszköz bináris be/ki jellegétől. Ez az eszköz lehetővé teszi, hogy hat különböző címet állítson be különböző felhúzó ellenállás értékekkel. Az ADDR csap az egyik megszakító csapként is működik, termikus figyelmeztető Csapként működik (a hőriasztó/figyelmeztető 2 csap mellett). Az előző eszköztelepítéshez hasonlóan nem fogok felhúzó ellenállásokat végrehajtani a hőmérséklet-érzékelő táblán lévő I2C vonalakon. Ezeket azonban valahol az áramkörön belül kell felszerelni, hogy az érzékelő kommunikációs busz megfelelően működjön.

az adatlap 2N3904 bipoláris csomópont-tranzisztor használatát javasolja távérzékelő elemként, mivel nincs elérhető CPU-tranzisztorom a mérésekhez. A 2N3904 felületre szerelhető változatát használom a hőmérséklet érzékelésére ezen a táblán. Az MMBT3904 gyakorlatilag minden szilíciumgyártó cégtől kapható, amely Bjt – kkel foglalkozik-ebben az esetben úgy döntöttem, hogy egy on félvezető alkatrészt használok, mivel ez volt a legjobb készlet. Több millió volt elérhető, amikor utoljára megnéztem az Octopartot.

ahogy a sorozat korábbi cikkeiben tettem, a hőmérséklet-érzékelő elemet, a tranzisztort a termikus szünetben helyeztem el. Elhelyeztem a nem érzékelő elemeket a termikus törés mögött. Ez megakadályozza, hogy az EMC1833T képes legyen hátrányosan befolyásolni a hőmérsékleti leolvasást bármilyen hő miatt, amelyet maga generálhat.

digitális érzékelő megvalósítása: Si7051-A20-IMR

végül megvan a Silicon Labs Si7051-A20. Ennek a készüléknek az eredményeit várom a legjobban ebben az egész sorozatban. A MAX31826 meglehetősen pontos érzékelő; az Si7051 – A20 azonban lenyűgöző + / – 0,1 kb pontosságot kínál, hihetetlenül alacsony energiafogyasztással, mindössze 195 nA-val mintavételezéskor. Az energiafogyasztás legalább nagyságrenddel kisebb, mint az összes többi digitális hőmérséklet-érzékelő, és lényegesen kisebb, mint az előző cikkben megvizsgált analóg hőmérséklet-érzékelők.

ahol sok érzékelő nagyon magas hirdetett pontossággal rendelkezik, a számok általában csak a teljes érzékelési tartomány korlátozott részére vonatkoznak. Ezzel szemben az Si7051-A12 a jelentett pontosságot kínálja a teljes -40-től C-ig +125-ig tartó C-ig terjedő érzékelési tartományban. Mi több, hogy a 0,1 kb C hiba a legrosszabb forgatókönyv pontossága, nem pedig az átlag vagy a minimum. A kiválasztott 14 bites felbontással Az Si7051 – A20 0,01 db C ismételhető leolvasást biztosít-szeretem a pontos és megismételhető érzékelőket!

az utolsó két érzékelőhöz hasonlóan az Si7051-A20 is I2C kompatibilis érzékelő. Azonban, nem kínál cím pin-kódot, ami azt jelenti, hogy csak egyetlen egységet csatlakoztathat az I2C buszhoz, hacsak nem ad hozzá I2C kapcsolót, vagy nem kapcsolja át az energiát az ugyanazon a buszon csatlakoztatott különböző egységek között. Ez további IO csapokat igényel, és növeli az áramkör bonyolultságát, így az Si7051-A20 kevésbé ideális az áramköri lap több helyének érzékelésére. A készülék nem rendelkezik riasztási / megszakítási csapokkal, amelyeket kizárólag digitális hőmérséklet-érzékelőként használnak. Általában, ha az áramköri kártyán szeretné automatizálni a hőkezelést, egy kevésbé pontos és alacsonyabb költségű érzékelő több mint elegendő lesz egy ilyen alkalmazáshoz.

az egyik olyan funkció, amely nagyon tetszett az STS-20-ban, amikor utoljára használtam, az egyes eszközökre alkalmazott NIST tanúsított kalibrálás volt, mivel az ügyfelem megkövetelte ezt a funkciót. Bár az Si7051-A20 nem tesz említést erről az adatlapján, rendelkezésre áll egy kalibrációs tanúsítvány. Találtam egy másik konkrétabb kalibrációs tanúsítványt is; ez azonban nem szerepel a Silicon Labs webhelyén, ezért csak azokra az egységekre vonatkozhat, amelyeket ez a vállalat vásárolt. Ha igen, akkor elsőbbséget biztosít a Silicon Labs számára, amely egyedi tanúsítványokat bocsát ki ügyfelei számára.

mint a többi I2C megvalósítás, amelyet ebben a cikkben tárgyaltunk, a kártya I2C vonalai nem rendelkeznek felhúzó ellenállásokkal az adat/óra vonalakon. Minden vonalon fel kell vennie egy felhúzó ellenállást valahol az áramkörön belül, hogy az Si7051-A20 sikeresen kommunikálhasson.

a 6 tűs DFN csomag a legkönnyebben kezelhető prototípus az összes ólommentes opció közül, amelyet ebben a cikkben tárgyaltunk. Egy stencil vagy paszta lerakódás eszköz, mint a Voltera V-One, ez az érzékelő lenne hihetetlenül könnyű kézzel hely és reflow segítségével alapvető eszközök, így tökéletes prototípus az otthoni vagy irodai laborban.

következtetés

ebben a cikkben négy különböző digitális hőmérséklet-érzékelőt vizsgáltunk meg. Azonban több száz más digitális hőmérséklet-érzékelő opció áll rendelkezésre, amelyek megfelelnek a projekt speciális követelményeinek, amelyek jól felszereltek és rendelkezésre állnak. Míg az analóg hőmérséklet-érzékelők kiválóan alkalmasak önálló folyamatfigyelésre vagy analóg-digitális átalakítóval történő használatra, a digitális hőmérséklet-érzékelők jelentős kényelmet nyújtanak, ha mikrokontrollerrel rendelkező termékbe integrálódnak. Mint láttuk ebben a cikkben, vannak olyan digitális hőmérséklet-érzékelők, amelyek megszakításokat és riasztásokat generálhatnak konfigurálható küszöbértékeken, ami izgalmas alkalmazásokat tesz lehetővé a gyárilag beállított komparátor alapú termosztáton túl, ahogy valószínűleg analóg hőmérséklet-érzékelővel használná. A modern digitális hőmérséklet-érzékelők pontossága és pontossága rendkívül magas lehet, azonban sok opció lényegesen több áramot fogyaszt, mint analóg társaik, ami bizonyos hőmérséklet-eltolást eredményezhet az önmelegedéstől.

a legnépszerűbb és jól felszerelt digitális hőmérséklet-érzékelők általában I2C buszt használnak a kommunikációhoz; azonban az SPI és az 1-vezetékes busz opciók is könnyen elérhetők, hogy megfeleljenek a projekt alternatív kommunikációs buszainak.

mint a cikk elején említettem, a GitHub-on minden egyes érzékelő tábla és az összes többi hőmérséklet-érzékelő implementáció részleteit megtalálhatja. Ezeket a terveket mind a nyílt forráskódú MIT licenc alatt adják ki, amely lehetővé teszi, hogy nagyjából bármit megtehessen a tervezéssel személyes vagy kereskedelmi használatra.

szeretne többet megtudni arról, hogy az Altium hogyan segíthet a következő PCB tervezésében? Beszéljen az Altium szakértőjével.