Temperatursensor-Projekt: Digitale Temperatursensor-ICs

Temperatursensor-Projekt: Digitale Temperatursensor-ICs

Mark Harris

/&nbsp Erstellt: Oktober 26, 2020 &nbsp|&nbsp Aktualisiert: März 16, 2021

Digitale Temperatursensoren bieten die einfachste Möglichkeit, eine hochgenaue Temperaturmessung zu messen und in einen Mikrocontroller oder ein anderes Logikgerät einzugeben. Im letzten Artikel dieser Temperatursensorserie haben wir uns analoge Temperatursensoren angesehen. Während diese durch eine einfache ADC-Messung einfacher zu implementieren erscheinen, müssen Sie den ADC jedes Geräts während der Produktion kalibrieren, um die genaueste Messung zu erhalten, was nicht immer machbar ist. In diesem Artikel tauchen wir in verschiedene Optionen für digitale Temperatursensoren ein. Digitale Temperatursensoren sind in der Regel teurer als ein einfacher analoger Temperatursensor. Die einfache und bequeme Herstellung mit diesen Geräten macht die zusätzlichen Kosten jedoch oft lohnenswert, wenn eine hohe Messgenauigkeit erforderlich ist.

Digitale Temperatursensoren sind der fünfte Sensortyp, den wir in dieser Serie betrachten. Wir schließen diese Serie mit dem letzten Artikel ab, in dem alle Sensoren, die wir getestet haben, in einem Kopf-an-Kopf-Wettbewerb über eine Vielzahl von Umgebungsbedingungen gegeneinander antreten, damit wir ihre Funktionalität, Genauigkeit und ihr Verhalten vergleichen können. Wir begannen die Serie mit einem Einführungsartikel, in dem wir eine Reihe von Vorlagen für Standard-Temperatursensorkarten erstellt haben. Sowohl die analoge als auch die digitale Version können durch die Verwendung von Mezzanine-Anschlüssen gestapelt oder unabhängig von ihren Randanschlüssen gelesen werden. Wir werden später in der Serie Host-Boards für all diese Sensoren bauen, die es uns ermöglichen, Daten von einem einzelnen Sensor zu lesen, um seine Funktionalität zu validieren, oder den gesamten Stapel von Boards zu lesen, damit wir die Daten von allen zusammen protokollieren können.

In dieser Serie werfen wir einen Blick auf eine breite Palette von Temperatursensoren, sprechen über ihre Vor- und Nachteile sowie einige typische Topologien für ihre Implementierung. Die Serie wird die folgenden Sensortypen abdecken:

• Negative Temperatur Koeffizient (NTC) thermistoren
• Positive Temperatur Koeffizient (PTC) thermistoren
• Widerstand Temperatur Detektoren (RTD)
• Analog Temperatur Sensor ICs
• Digitale Temperatur Sensor ICs
• Thermoelemente

Wie mit meine projekte, sie können finden die Details des Projekts, die Schaltpläne und die Board-Dateien auf GitHub zusammen mit den anderen Temperatursensor-Implementierungen. Das Projekt wird unter der Open-Source-MIT-Lizenz veröffentlicht, mit der Sie die Designs oder Teile davon nach Belieben für persönliche oder kommerzielle Zwecke verwenden können.

Digitale Temperatursensor-ICs

Angenommen, Sie möchten nur die Ausgabe eines Temperatursensors mit einem Mikrocontroller oder einem anderen Logikgerät lesen. In diesem Fall ist ein digitaler Temperatursensor elektrisch die einfachste zu implementierende Option. Digitale Temperatursensoren bieten eine hervorragende Genauigkeit, da die gesamte Erfassung, Kompensation und Konvertierung auf dem Chip erfolgt. Sie müssen den ADC (oder den externen ADC) Ihres Mikrocontrollers nicht kalibrieren. Außerdem müssen Sie sich keine Sorgen über elektromagnetische Störungen durch in der Nähe befindliche Leiterbahnen oder andere Geräte machen, die an den Verbindungen zwischen dem analogen Temperatursensor und dem Mikrocontroller angebracht sind und die Temperaturmessung unbeabsichtigt beeinflussen könnten.

In diesem Projekt werden wir vier verschiedene Optionen für digitale Temperatursensoren mit unterschiedlichen Auflösungen und Erfassungsbereichen implementieren.

Ich habe den EMC1833T aufgenommen, weil er für mich ein faszinierender Sensor ist. Es handelt sich um ein ferngesteuertes Temperaturmessgerät, dh es wird kein Sensor im Inneren der Komponente verwendet. Stattdessen erfasst es die Temperatur, indem es den Ausgang eines externen Sensors, der in diesem Fall ein Transistor ist, in ein digitales Signal umwandelt. Ich bin mir nicht sicher, ob es unbedingt in diese Kategorie „digitaler Temperatursensor“ gehört, da es nicht ganz zu den anderen Sensoren passt, die wir uns ansehen. Trotzdem sind Transistoren normalerweise nicht als Temperatursensoren bekannt, daher hatte ich keine Ahnung, wo ich sie platzieren sollte. Was mich an diesem Sensor fasziniert, ist, dass er die Temperatur mit fast jedem Transistor messen kann. Wenn Sie einen ASIC entwerfen, können Sie zu diesem Zweck problemlos einen zusätzlichen Transistor in den Chip einbauen. Mit diesem Transistor, der von einem Sensor wie dem EMC1833T ausgelesen werden kann, können Sie dann eine externe Messung der Die-Temperatur durchführen, ohne dass Ihr Silizium zusätzlich kompliziert werden muss. Eine andere Möglichkeit, dies zu betrachten, besteht darin, dass Sie die Temperatur Ihres Werkzeugs überwachen können, ohne ein technisches Risiko einzugehen, das mit der Entwicklung und dem Bau eines maßgeschneiderten digitalen Temperatursensors im Silizium verbunden ist.

Implementierung des digitalen Sensors: MAX31826MUA+T

Der erste Sensor, den wir implementieren, ist der MAX31826 von Maxim Integrated. Dieser Sensor läuft auf einem 1-Draht-Bus anstelle des typischeren I2C- oder SPI-Busses. Ein potenzielles Problem ist, dass 1-Wire wahrscheinlich nicht als Kommunikationsprotokoll von dem Mikrocontroller angeboten wird, auf dem Ihr Projekt basiert. Es ist jedoch ein einfaches Protokoll zu Bit-Bang und hat einen erheblichen Vorteil gegenüber den populäreren Optionen, da es nur zwei Drähte benötigt, um den Sensor zu betreiben. Einschließlich der versorgung von power, I2C erfordert vier drähte, und SPI bedürfnisse fünf drähte. Im Gegensatz dazu benötigt 1-Wire für die meisten Anwendungen nur eine Masse und eine Datenleitung, da es sich mit einer parasitären Leistungstechnik von der Datenleitung abschalten kann. Im Sensor integriert ist ein Kondensator, der die Stromversorgung für den IC während der Zeiträume aufrechterhalten kann, in denen sich die Datenleitung im niedrigen Zustand befindet, wodurch unter den meisten normalen Betriebsbedingungen keine dedizierte Spannungsversorgung erforderlich ist. Dies kann eine sehr bequeme Lösung für Boards sein, die extrem wenig Platz zur Verfügung haben.

Ein weiteres interessantes Merkmal des Sensors und seines 1-Draht-Busses ist die Möglichkeit, eine 4-Byte-Adresse für das Gerät mithilfe manuell auswählbarer Pins festzulegen, die auf dem Gerätepaket installiert sind. Dies ermöglicht die Installation von bis zu 16 Temperatursensoren auf einem einzigen 1-Draht-Datenbus, indem jedem Gerät eine eindeutige Adresse zugewiesen wird. Dies kann eine sehr praktische Option sein, wenn Sie nur wenige Mikrocontroller-Pins haben und gleichzeitig Sensorfunktionen mit einer großen Anzahl von Temperatursensoren benötigen.

Im Vergleich zu den Sensoren, die wir uns in den vorherigen Artikeln dieser Serie angesehen haben, ist der MAX31826 nicht nur sehr genau, sondern liefert auch hochauflösende Daten. Der Sensor bietet +/- 0.5 °C genauigkeit zwischen-10 °C und + 85 °C, mit +/- 2 °C genauigkeit über seine volle temperatur bereich von-55 °C zu + 125 °C. Alle die sensor messwerte sind geliefert als 12-bit werte, die ist eine höhere auflösung als die meisten mikrocontroller bieten.

Als Temperatursensor hat der MAX31826 viel zu bieten, ist aber auch mit einem integrierten 1 kB EEPROM als Bonus ausgestattet. Ich denke, sie hatten noch etwas Platz auf dem Würfel. Wenn Ihr Mikrocontroller kein integriertes EEPROM hat und Sie einige Konfigurationsdaten für Ihre Anwendung speichern müssen, ist dieser Temperatursensor genau das Richtige für Sie. Wenn Sie zusätzlichen nichtflüchtigen Speicher benötigen, reduziert dieser Temperatursensor die Anzahl Ihrer Komponenten und spart Platz auf der Platine.

Das Datenblatt empfiehlt, das Gerät direkt mit Strom zu versorgen, anstatt parasitäre Busstromversorgung zu verwenden, wenn die Temperaturen 100 ° C überschreiten könnten. Während die meisten typischen Anwendungen diese Temperaturniveaus nicht erreichen müssen, werden die Tests, die wir mit dem Sensor durchführen werden, 100 ° C überschreiten. Daher folgen wir für diese Übung der Empfehlung, das Gerät direkt mit Strom zu versorgen, anstatt die faszinierende parasitäre Stromversorgungsoption zu erkunden.

Die Leiterplattenform und das allgemeine Layout stammen aus der Projektvorlage, die wir in der Einführung zu dieser Serie erstellt haben. Da wir keinen der üblichen Kommunikationsbusse verwenden, habe ich die zugehörigen Netze und deren Komponenten von der Platine entfernt. Trotzdem habe ich die Anschlüsse am Stacking-Anschluss belassen, um sicherzustellen, dass dies bei anderen gestapelten Sensoren keine Probleme verursacht. Mit dem 1-Draht-Bus müssen wir nur den Chip-Select-Pin verwenden, um mit dem Host-Mikrocontroller zu kommunizieren.

Digitale Sensorimplementierung: STS-30-DIS

Ich habe den von Sensirion hergestellten STS-30-DIS in einem früheren Projekt aufgrund seiner unglaublichen Präzision und kalibrierten Anzeigen verwendet, die auf NIST zurückgeführt werden können. Dies war erforderlich, da die Instrumentierung für ein Lebensmittelunternehmen entwickelt wurde, das Daten für staatliche Berichtszwecke sammeln musste. Mit geringem Platzbedarf, großem Spannungsbereich, unglaublicher Genauigkeit und linearisiertem 16-Bit-Digitalausgang gibt es an diesem Gerät viel zu lieben, wenn Sie nur eine positive Temperaturmessung benötigen. Wenn Sie Temperaturen unter dem Gefrierpunkt erfassen müssen, ist die STS-30A-DIS-Variante für die Automobilindustrie qualifiziert und verfügt über einen Erfassungsbereich von -40 ° C bis 125 ° C. Dieser erhöhte Erfassungsbereich ist jedoch mit geringen Kosten für die Gesamtgenauigkeit verbunden.

Im vorherigen Artikel über analoge Temperatursensoren habe ich darüber gesprochen, wie großartig analoge Temperatursensoren für Anwendungen wie die Prozessüberwachung, das Ein- und Ausschalten eines Lüfters oder für andere Wärmemanagementsysteme sind, die ohne Eingreifen eines Mikrocontrollers funktionieren können. Der STS-30 bietet einen Alarmstift, der verwendet werden kann, um eine ähnliche Funktion zu erfüllen. Es ist für den Anschluss an einen Interrupt-Pin eines Mikrocontrollers vorgesehen; Es hat jedoch auch eine vollständige Application Note gewidmet, und es kann zum automatischen Schalten von Lasten verwendet werden. Die Fähigkeit, eine Schnittstelle zur Interrupt-Funktion des Mikrocontrollers herzustellen, kann entscheidend sein. Es ermöglicht dem Sensor, den Mikrocontroller sofort mit einem Signal hoher Priorität zu benachrichtigen, dass etwas sofort getan werden muss, anstatt sich auf seltene Mikrocontroller-Abfragen des Sensors und Reaktion auf die gelesenen Daten zu verlassen. Wenn der Alarmausgang mit einem Transistor verbunden ist, damit er eine Last ansteuern kann, kann der Sensor sowohl für Überwachungs- / Protokollierungszwecke als auch für eine autonome Wärmemanagementfunktion verwendet werden. Im Vergleich zu den analogen Lösungen könnte dieser Aufbau den digitalen STS-30 zu einer günstigeren Option machen. Ein separater Komparator ist nicht erforderlich, und der Schwellenwert für den ALARM-Pin kann vom Benutzer über einen Mikrocontroller / HMI konfiguriert werden, ohne dass er werkseitig eingestellt werden muss.

Die Geräte der STS-30-Serie verwenden alle einen I2C-Bus für die Kommunikation. Der Schaltplan, den wir für diesen Artikel implementieren, enthält keinen der Pull-Up-Widerstände, die im Allgemeinen erforderlich sind, damit der Kommunikationsbus ordnungsgemäß funktioniert. Diese Pull-Up-Widerstände werden stattdessen auf den Host-Boards montiert. Da wir nur einen Satz Pull-Up-Widerstände pro Bus benötigen, würde das Hinzufügen von Widerständen zu jedem Sensor dem Bus mehrere Pull-Up-Widerstände hinzufügen und zu dessen Fehlfunktion führen. Außerdem würden alle parallel geschalteten Widerstände ihren Gesamtwiderstand verringern.

Mit dem ADDR-Pin können wir zwischen zwei verschiedenen Adressen für das Gerät wählen, sodass wir zwei STS-30-Komponenten an denselben I2C-Bus anschließen können. Obwohl dies möglicherweise nicht so beeindruckend ist wie die Funktionen des MAX31826-Geräts auf dem 1-Draht-Bus, ist es dennoch praktisch, da wir mehr als ein Gerät verwenden können. Ich ziehe den ADDR-Pin auf logisch niedrig (GND), da dies die Standardadresse auf 0x4A setzt, wobei die Logik in den High-Zustand gezogen wird, wodurch sie auf die alternative Adresse von 0x4B gesetzt wird.

Ich mag das Paket auf dem STS-30, da es kompakt, aber immer noch nicht zu verrückt ist, so dass Sie Ihr Board von Hand zusammenbauen können, wenn Sie eine Schablone verwenden. Das Sensorpaket und ein 0603-Entkopplungskondensator haben zusammen etwa die gleiche Größe wie der MAX31826, den wir oben betrachtet haben. Mit einem kleineren Kondensator würde es sehr gut auf eine Platine mit hoher Dichte passen. Das große Massepad unter dem IC bietet einen hervorragenden Weg, um Wärme von einer Masseebene auf den Temperaturfühler im IC zu übertragen. Dies macht es zu einer perfekten Wahl für die Platzierung neben jedem Gerät, z. B. einem großen MOSFET oder einem Regler, der die Massefläche verwendet, um überschüssige Wärme in die Platine abzuleiten. Wenn Sie den IC in unmittelbarer Nähe der Wärmequelle platzieren, erhalten Sie genauere Temperaturerfassungsergebnisse.

Digitale Sensor Umsetzung: EMC1833T

Wie ICH bereits erwähnt, ICH finden die EMC1883 gerät produziert durch Microchip faszinierende nicht nur weil es hat eine reihe von fantastische eigenschaften, aber, dass es können lesen sie die temperatur erfasst durch eine transistor junction. Der STS-30, den wir oben betrachteten, hatte einen Alarm-Interrupt-Pin, der durch einen absoluten Wert ausgelöst wurde; Der EMC1883 kann jedoch so konfiguriert werden, dass er auch einen Alarm basierend auf der Änderungsrate der erfassten Temperatur generiert. Mit diesem Änderungsalarm können intelligente Wärmemanagementlösungen automatisch in Erwartung ihres Bedarfs und nicht nach dem Ereignis eingeschaltet werden. Dies hat das Potenzial, die Zuverlässigkeit des Geräts insgesamt durch ein sorgfältiges Management seiner Betriebstemperatur zu verbessern. Wie beim STS-30 ist er vollständig softwarekonfigurierbar, was erhebliche Vorteile gegenüber jeder werkseitig eingestellten Option bietet, die Sie wahrscheinlich implementieren müssen, wenn Sie einen vollständig analogen Thermostat verwenden, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen.

Das spezifische Modell der EMC8xx-Serie, das wir testen, unterstützt nur die Erfassung einer einzelnen Verbindungsstelle. Es gibt jedoch auch andere Modelle in der Serie, die bis zu fünf Kreuzungen erfassen können.

Wie der STS-30 ist dies ein I2C-basierter Sensor, der die Installation mehrerer Sensoren an einem einzigen I2C-Bus ermöglicht. Ein Unterschied besteht darin, dass sich die Implementierung des EMC1833T ADDR-Pins von der binären Ein / Aus-Natur des STS-30-Geräts unterscheidet. Mit diesem Gerät können Sie bis zu sechs separate Adressen einrichten, indem Sie verschiedene Pullup-Widerstandswerte verwenden. Der ADDR-Pin fungiert auch als einer der Interrupt-Pins und fungiert als thermischer Warnstift (zusammen mit dem thermischen ALARM- / Warn-2-Pin). Wie bei der vorherigen Geräteinstallation werde ich keine Pull-Up-Widerstände auf den I2C-Leitungen auf der Temperatursensorplatine implementieren. Sie müssen jedoch irgendwo in Ihrem Schaltkreis angebracht werden, damit der Sensorkommunikationsbus ordnungsgemäß funktioniert.

Das Datenblatt empfiehlt die Verwendung eines bipolaren Sperrschichttransistors 2N3904 als Fernerkundungselement, da ich keinen verfügbaren CPU-Transistor für Messungen habe. Ich verwende die oberflächenmontierte Variante eines 2N3904 zum Erfassen der Temperatur auf dieser Platine. Der MMBT3904 ist von praktisch jedem Siliziumhersteller erhältlich, der sich mit BJTs befasst – in diesem Fall habe ich mich für ein ON Semiconductor-Teil entschieden, da es am besten auf Lager war. Es waren mehrere Millionen verfügbar, als ich mir Octopart das letzte Mal angesehen habe.

Wie ich es in früheren Artikeln dieser Serie getan habe, habe ich das Temperaturfühlelement, unseren Transistor, innerhalb der thermischen Trennung platziert. Ich habe die nicht fühlenden Elemente hinter der thermischen Trennung platziert. Dies verhindert, dass der EMC1833T die Temperaturmessung aufgrund von Wärme, die er selbst erzeugen kann, negativ beeinflussen kann.

Implementierung digitaler Sensoren: Si7051-A20-IMR

Schließlich haben wir die Silicon Labs Si7051-A20. Es sind die Ergebnisse dieses Geräts, auf die ich mich in dieser ganzen Serie am meisten freue. Der MAX31826 ist ein ziemlich präziser Sensor; Der Si7051-A20 bietet jedoch eine beeindruckende Genauigkeit von +/- 0,1 ° C bei einem unglaublich geringen Stromverbrauch von nur 195 nA bei der Probenahme. Der Stromverbrauch ist mindestens eine Größenordnung geringer als bei allen anderen digitalen Temperatursensoren und wesentlich geringer als bei den analogen Temperatursensoren, die wir uns im vorherigen Artikel angesehen haben.

Wo viele Sensoren sehr hohe Messgenauigkeiten aufweisen, gelten die Angaben meist nur für einen begrenzten Teil des gesamten Erfassungsbereichs. Im Gegensatz dazu bietet der Si7051-A12 die angegebene Genauigkeit über seinen gesamten Erfassungsbereich von -40 °C bis +125 °C. Darüber hinaus ist der Fehler von 0,1 ° C eine Worst-Case-Genauigkeit, nicht der Durchschnitt oder das Minimum. Mit seiner 14-Bit-Auflösung bietet der Si7051-A20 einen wiederholbaren Messwert von 0,01 ° C – ich liebe genaue und wiederholbare Sensoren!

Wie bei den letzten beiden Sensoren ist der Si7051-A20 ein I2C-kompatibler Sensor. Dies bedeutet, dass Sie nur eine einzelne Einheit an den I2C-Bus anschließen können, es sei denn, Sie fügen entweder einen I2C-Schalter hinzu oder schalten die Stromversorgung zwischen verschiedenen Einheiten um, die an demselben Bus angeschlossen sind. Dies würde zusätzliche E / A-Pins erfordern und die Schaltungskomplexität erhöhen, was den Si7051-A20 weniger ideal für die Erfassung mehrerer Stellen auf Ihrer Leiterplatte macht. Das Gerät hat auch keine Alarm- / Interrupt-Pins, die ausschließlich als digitaler Temperatursensor verwendet werden sollen. Wenn Sie das Wärmemanagement auf Ihrer Leiterplatte automatisieren möchten, ist ein weniger genauer und kostengünstigerer Sensor für eine solche Anwendung im Allgemeinen mehr als ausreichend.

Eine der Funktionen, die mir am STS-20 bei der letzten Verwendung sehr gut gefallen haben, war die NIST-zertifizierte Kalibrierung, die auf jedes Gerät angewendet wurde, da mein Kunde diese Funktion benötigte. Während der Si7051-A20 dies in seinem Datenblatt nicht erwähnt, verfügt er über ein Kalibrierungszertifikat. Ich konnte auch ein anderes spezifischeres Kalibrierungszertifikat finden; dies ist jedoch nicht auf der Silicon Labs-Website zu finden und gilt daher möglicherweise nur für die von diesem Unternehmen erworbenen Einheiten. In diesem Fall hat Silicon Labs Vorrang bei der Ausstellung spezifischer Zertifikate für seine Kunden.

Wie die anderen I2C-Implementierungen, die wir in diesem Artikel behandelt haben, haben die I2C-Leitungen für diese Karte keine Pull-up-Widerstände auf den Daten- / Taktleitungen. Sie müssen einen Pull-up-Widerstand auf jeder Leitung irgendwo in Ihrer Schaltung einschließen, damit der Si7051-A20 erfolgreich kommunizieren kann.

Das 6-polige DFN-Gehäuse ist auch das am einfachsten zu handhabende aller Leadless-Optionen, die wir in diesem Artikel behandelt haben. Mit einer Schablone oder einem Pastenabscheidungswerkzeug wie dem Voltera V-One lässt sich dieser Sensor mit einfachen Werkzeugen unglaublich einfach von Hand platzieren und Reflow, was ihn perfekt für das Prototyping im Heim- oder Bürolabor macht.

Fazit

In diesem Artikel haben wir uns vier verschiedene digitale Temperatursensoren angesehen. Es stehen jedoch Hunderte anderer digitaler Temperatursensoroptionen zur Verfügung, die die spezifischen Anforderungen Ihres Projekts erfüllen können. Während analoge Temperatursensoren sich hervorragend für die autonome Prozessüberwachung oder die Verwendung mit einem Analog-Digital-Wandler eignen, bieten die digitalen Temperatursensoren erheblichen Komfort bei der Integration in ein Produkt mit einem Mikrocontroller. Wie wir in diesem Artikel gesehen haben, gibt es digitale Temperatursensoren, die Interrupts und Warnungen bei konfigurierbaren Schwellenwerten erzeugen können, was aufregende Anwendungen ermöglicht, die über einen werkseitig eingestellten Komparator-basierten Thermostat hinausgehen, wie Sie ihn wahrscheinlich mit einem analogen Temperatursensor verwenden würden. Die Präzision und Genauigkeit moderner digitaler Temperatursensoren kann außergewöhnlich hoch sein; Viele Optionen verbrauchen jedoch erheblich mehr Strom als ihre analogen Gegenstücke, was zu einem gewissen Temperaturausgleich durch Selbsterwärmung führen kann.

Die beliebtesten und gut sortierten digitalen Temperatursensoren verwenden normalerweise einen I2C-Bus für die Kommunikation; Es stehen jedoch auch SPI- und 1-Draht-Busoptionen zur Verfügung, um die Verfügbarkeit alternativer Kommunikationsbusse für Ihr Projekt zu gewährleisten.

Wie ich zu Beginn des Artikels erwähnt habe, finden Sie Details zu jedem dieser Sensorboards und allen anderen Implementierungen von Temperatursensoren auf GitHub. Diese Designs werden alle unter der Open-Source-MIT-Lizenz veröffentlicht, mit der Sie so ziemlich alles mit dem Design für den persönlichen oder kommerziellen Gebrauch tun können.

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