Sensore di Temperatura di Progetto: Sensore Digitale di Temperatura ICs

Sensore di Temperatura di Progetto: Sensore Digitale di Temperatura ICs

Mark Harris

|&nbsp Creato: 26 ottobre 2020 &nbsp|&nbsp Aggiornato: Marzo 16, 2021

Digitale di temperatura sensori di offrire il modo più semplice per misurare e l’input di altamente precisa lettura della temperatura in un microcontrollore o un altro dispositivo logico. Nell’ultimo articolo di questa serie di sensori di temperatura, abbiamo esaminato i sensori di temperatura analogici. Anche se questi potrebbero sembrare più facili da implementare semplicemente prendendo una semplice lettura ADC, per ottenere la misurazione più accurata, è necessario calibrare l’ADC di ciascun dispositivo durante la produzione, il che non è sempre fattibile. In questo articolo, ci stiamo immergendo in diverse opzioni di sensore di temperatura digitale. I sensori di temperatura digitali saranno in genere più costosi di un semplice sensore di temperatura analogico. Tuttavia, la facilità e la convenienza della produzione utilizzando questi dispositivi spesso rendono il costo aggiuntivo utile dove sono richiesti elevati livelli di precisione di misura.

I sensori di temperatura digitali sono il quinto tipo di sensore che stiamo guardando in questa serie. Concludiamo questa serie con l’articolo finale, che metterà tutti i sensori che abbiamo testato l’uno contro l’altro in un testa a testa su una vasta gamma di condizioni ambientali per permetterci di confrontare la loro funzionalità, precisione e comportamento. Abbiamo iniziato la serie con un articolo introduttivo in cui abbiamo costruito una serie di modelli per schede sensore di temperatura standard. Entrambe le versioni analogiche e digitali possono essere impilate attraverso l’uso di connettori mezzanine o leggere indipendentemente dai loro connettori di bordo. Costruiremo schede host per tutti questi sensori più avanti nella serie, che ci permetteranno di leggere i dati da un singolo sensore per convalidarne la funzionalità o di leggere l’intera pila di schede in modo da poter registrare i dati da tutti insieme.

In questa serie, daremo un’occhiata a una vasta gamma di sensori di temperatura, parlando dei loro vantaggi e svantaggi, nonché di alcune topologie tipiche per la loro implementazione. La serie copre i seguenti tipi di sensori:

• Coefficiente di Temperatura Negativo (NTC) termistori
• Coefficiente di Temperatura Positivo (PTC) termistori
• Rilevatori di Temperatura di Resistenza (RTD)
• Sensore di Temperatura Analogico ICs
• Sensore Digitale di Temperatura ICs
• Termocoppie

Come con i miei progetti, è possibile trovare i dettagli del progetto, gli schemi, e il consiglio di file su GitHub, insieme con le altre sensore di temperatura implementazioni. Il progetto è rilasciato sotto la licenza open-source MIT, che consente di utilizzare i disegni o qualsiasi parte di essi per scopi personali o commerciali, come si desidera.

ICS del sensore di temperatura digitale

Supponiamo che tu sia interessato solo a leggere l’uscita da un sensore di temperatura utilizzando un microcontrollore o un altro dispositivo logico. In tal caso, un sensore di temperatura digitale è elettricamente l’opzione più semplice da implementare. I sensori di temperatura digitali possono offrire eccellenti livelli di precisione poiché tutto il rilevamento, la compensazione e la conversione vengono eseguiti su chip. Non è necessario calibrare l’ADC del microcontrollore (o l’ADC esterno). Inoltre, non è necessario preoccuparsi di interferenze elettromagnetiche da tracce vicine o altri dispositivi montati sulle connessioni tra il sensore di temperatura analogico e il microcontrollore che potrebbero influenzare involontariamente la lettura della temperatura.

In questo progetto, implementeremo quattro diverse opzioni di sensori di temperatura digitali di diverse risoluzioni e campi di rilevamento.

ho incluso il EMC1833T perché, per me, ha un fascino del sensore. È un dispositivo di rilevamento della temperatura remoto, il che significa che non utilizza un sensore situato all’interno del componente. Invece, rileva la temperatura convertendo l’uscita di un sensore esterno, che in questo caso è un transistor, in un segnale digitale. Non sono sicuro che appartenga necessariamente a questa categoria di “sensore di temperatura digitale” in quanto non si adatta perfettamente agli altri sensori che stiamo guardando. Tuttavia, i transistor non sono in genere ben noti come utilizzati come sensori di temperatura, quindi non avevo idea di dove metterlo. Ciò che mi affascina di questo sensore è che può misurare la temperatura usando quasi tutti i transistor. Se stai progettando un ASIC, potresti facilmente includere un transistor extra sul dado per questo scopo. È quindi possibile utilizzare questo transistor, che può essere letto da un sensore come l’EMC1833T, per eseguire una misurazione esterna della temperatura dello stampo senza dover aggiungere ulteriore complessità al silicio. Un altro modo per guardare a questo è che è possibile monitorare la temperatura del vostro stampo senza incorrere in alcun rischio di ingegneria associato con la progettazione e la costruzione di un sensore di temperatura digitale su misura nel silicio.

Implementazione del sensore digitale: MAX31826MUA+T

Il primo sensore che implementeremo è il MAX31826 prodotto da Maxim Integrated. Questo sensore funziona su un bus a 1 filo piuttosto che sul più tipico bus I2C o SPI. Un potenziale problema è che è improbabile che 1-Wire venga offerto come protocollo di comunicazione dal microcontrollore su cui si basa il progetto. Tuttavia, si tratta di un semplice protocollo per bit-bang e ha un notevole vantaggio rispetto alle scelte più popolari in quanto ha solo bisogno di due fili per far funzionare il sensore. Compresa la fornitura di energia, I2C richiede quattro fili e SPI ha bisogno di cinque fili. Al contrario, 1-Wire richiede solo una terra e una linea dati per la maggior parte delle applicazioni, in quanto può alimentarsi dalla linea dati utilizzando una tecnica di alimentazione parassitaria. Integrato all’interno del sensore è un condensatore che può sostenere l’alimentazione per l’IC durante i periodi in cui la linea dati è nello stato basso, che elimina la necessità di un’alimentazione di tensione dedicata nella maggior parte delle condizioni operative normali. Questa può essere una soluzione molto conveniente per le schede che hanno uno spazio estremamente limitato disponibile.

Un’altra caratteristica interessante del sensore e del suo bus a 1 filo è la possibilità di impostare un indirizzo a 4 byte per il dispositivo utilizzando pin selezionabili manualmente installati sul pacchetto del dispositivo. Ciò consente l’installazione di fino a 16 sensori di temperatura su un singolo bus dati a 1 filo fornendo a ciascun dispositivo un indirizzo univoco. Questa può essere un’opzione molto conveniente se si è a corto di pin del microcontrollore e, allo stesso tempo, richiedono capacità di rilevamento utilizzando un gran numero di sensori di temperatura.

In confronto ai sensori che abbiamo esaminato negli articoli precedenti di questa serie, il MAX31826 non è solo estremamente preciso, ma fornisce anche dati ad alta risoluzione. Il sensore offre + / – 0.5 ° C precisione tra -10 ° C e + 85°C, con +/- 2°C precisione su tutta la sua gamma di temperature da -55°C a + 125°C. Tutte le letture del sensore sono consegnati come valori a 12 bit, che è una risoluzione superiore rispetto alla maggior parte dei microcontrollori offrono.

Come un sensore di temperatura, il MAX31826 ha molto da offrire, ma è anche dotato di un bordo 1 kB EEPROM come una caratteristica bonus. Immagino abbiano lasciato un po ‘ di spazio sul dado. Se il microcontrollore non dispone di una EEPROM integrata ed è necessario memorizzare alcuni dati di configurazione per l’applicazione, questo sensore di temperatura ha coperto. Se avete bisogno di ulteriore archiviazione non volatile, questo sensore di temperatura ridurrà il numero di componenti e risparmiare spazio sulla scheda.

La scheda tecnica raccomanda direttamente di alimentare il dispositivo, piuttosto che utilizzando parassitarie degli autobus di potenza quando la temperatura potrebbe superare i 100°C. Mentre la maggior parte delle applicazioni non è necessario arrivare a questi livelli di temperatura, i test metteremo il sensore attraverso supereranno i 100°C. Quindi, per questo esercizio, seguiremo la raccomandazione di direttamente di alimentare il dispositivo, piuttosto che esplorare l’affascinante parassitarie opzione di alimentazione.

La forma della scheda e il layout generale provengono dal modello di progetto che abbiamo creato nell’introduzione a questa serie. Poiché non stiamo usando nessuno dei soliti bus di comunicazione, ho rimosso le reti associate e i loro componenti dalla scheda. Tuttavia, ho lasciato le connessioni sul connettore di impilamento per garantire che ciò non causi problemi per altri sensori impilati. Con il bus a 1 filo, abbiamo solo bisogno di utilizzare il pin di selezione del chip per comunicare di nuovo al microcontrollore host.

Sensore digitale Implementazione: STS-30-DIS

Ho utilizzato la STS-30-DIS prodotta da Sensirion in un progetto passato a causa della sua incredibile precisione e indicazioni calibrate che sono rintracciabili al NIST. Ciò era necessario in quanto la strumentazione è stata sviluppata per una società di servizi di ristorazione, necessaria per raccogliere dati a fini di rendicontazione governativa. Con un ingombro ridotto, un’ampia gamma di tensioni, un’incredibile precisione e un’uscita digitale a 16 bit linearizzata, c’è molto da amare su questo dispositivo se si richiede solo un rilevamento positivo della temperatura. Se avete bisogno di rilevare temperature sotto lo zero, la variante STS-30A-DIS è automotive qualificato e ha un campo di rilevamento da -40°C a 125°C. Tuttavia, questo maggiore campo di rilevamento ha un leggero costo per la precisione complessiva.

Nel precedente articolo sui sensori di temperatura analogici, ho parlato di quanto siano grandi i sensori di temperatura analogici per applicazioni come il monitoraggio dei processi, per accendere e spegnere una ventola o per altri sistemi di gestione termica che possono funzionare senza l’intervento di un microcontrollore. STS-30 offre un pin di AVVISO che può essere utilizzato per svolgere una funzione simile. È progettato per il collegamento a un pin di interrupt di un microcontrollore; tuttavia, ha anche una nota applicativa completa dedicata ad esso e può essere utilizzato per la commutazione automatica dei carichi. La capacità di interfacciarsi con la funzione di interrupt del microcontrollore può essere cruciale. Esso consente al sensore di notificare immediatamente il microcontrollore con un segnale ad alta priorità che qualcosa deve essere fatto immediatamente, piuttosto che fare affidamento su infrequenti microcontrollore polling del sensore e la risposta ai dati letti. Se l’uscita di allarme è collegata a un transistor per consentirgli di pilotare un carico, il sensore potrebbe essere utilizzato sia per scopi di monitoraggio/registrazione che per avere una funzione di gestione termica autonoma. Rispetto alle soluzioni analogiche, questa configurazione potrebbe rendere la STS-30 digitale un’opzione più economica. Non sarà necessario un comparatore separato e la soglia per il pin di AVVISO può essere configurata dall’utente tramite un microcontrollore/HMI senza che sia impostato in fabbrica.

I dispositivi della serie STS-30 utilizzano tutti un bus I2C per le comunicazioni. Lo schema che stiamo implementando per questo articolo non include nessuno dei resistori di pull-up che sono generalmente necessari per il corretto funzionamento del bus di comunicazione. Questi resistori pull-up saranno invece montati sulle schede host. Poiché abbiamo solo bisogno di un set di resistori di pull-up per bus, l’aggiunta di resistori a ciascun sensore aggiungerebbe più resistori di pull-up al bus e potrebbe causare il suo malfunzionamento. Inoltre, tutti i resistori collegati in parallelo ridurrebbero la loro resistenza complessiva.

Il pin ADDR ci consente di scegliere tra due indirizzi diversi per il dispositivo, permettendoci di collegare due componenti STS-30 allo stesso bus I2C. Anche se questo potrebbe non essere così impressionante come le capacità del dispositivo MAX31826 sul bus a 1 filo, è comunque conveniente in quanto ci consente di utilizzare più di un dispositivo. Sto tirando il pin ADDR a logic low (GND) poiché questo imposta l’indirizzo predefinito su 0x4A, con la logica tirata allo stato alto, questo lo imposta all’indirizzo alternativo di 0x4B.

Mi piace il pacchetto sulla STS-30 come è compatto, ma ancora non troppo folle, in modo da poter assemblare a mano la scheda se si sta utilizzando uno stencil. Il pacchetto di sensori più un condensatore di disaccoppiamento 0603 sono insieme circa le stesse dimensioni del MAX31826 che abbiamo visto sopra. Con un condensatore più piccolo, si adatterebbe molto bene su una scheda ad alta densità. Il grande cuscinetto a terra sotto l’IC fornisce un percorso eccellente per il trasferimento di calore da un piano di massa alla giunzione di rilevamento della temperatura all’interno dell’IC. Questo lo rende una scelta perfetta per il posizionamento accanto a qualsiasi dispositivo, come un grande MOSFET o un regolatore, che utilizza il piano di massa per scaricare il calore in eccesso nella scheda. Posizionare l’IC in prossimità della fonte di calore darà risultati di rilevamento della temperatura più accurati.

Digital Sensor Implementation: EMC1833T

Come ho detto in precedenza, trovo il dispositivo EMC1883 prodotto da Microchip affascinante non solo perché ha una gamma di caratteristiche fantastiche, ma che può leggere la temperatura percepita da una giunzione a transistor. L’STS-30 che abbiamo visto sopra aveva un pin di interrupt di avviso attivato da un valore assoluto; tuttavia, l’EMC1883 può essere configurato per generare anche un avviso in base alla velocità di variazione della temperatura rilevata. Questo avviso di cambio può consentire l’accensione automatica di soluzioni intelligenti di gestione termica in previsione della loro necessità piuttosto che dopo l’evento. Questo ha il potenziale per migliorare l’affidabilità del dispositivo nel suo complesso attraverso l’attenta gestione della sua temperatura di funzionamento. Come con STS-30, è completamente configurabile dal software, il che offre notevoli vantaggi rispetto a qualsiasi opzione impostata in fabbrica che probabilmente è necessario implementare se si utilizza un termostato completamente analogico per ottenere gli stessi risultati.

Il modello specifico della serie EMC8xx che stiamo testando supporterà solo il rilevamento di una singola giunzione. Tuttavia, ci sono altri modelli della serie che possono fornire il rilevamento per un massimo di cinque giunzioni.

Come STS-30, questo è un sensore basato su I2C che consente l’installazione di più sensori su un singolo bus I2C. Una distinzione è che l’implementazione del pin ADDR EMC1833T è diversa dalla natura binaria on/off del dispositivo STS-30. Questo dispositivo consente di impostare fino a sei indirizzi separati utilizzando diversi valori di resistenza di pull-up. Il pin ADDR funziona anche come uno dei pin di interrupt, fungendo da Pin di avviso termico (insieme al pin di avviso/avviso termico 2). Come la precedente installazione del dispositivo, non implementerò resistori di pull-up sulle linee I2C sulla scheda del sensore di temperatura. Tuttavia, devono essere montati da qualche parte all’interno del circuito per consentire al bus di comunicazione del sensore di funzionare correttamente.

La scheda tecnica consiglia di utilizzare un transistor a giunzione bipolare 2N3904 come elemento di rilevamento remoto poiché non ho un transistor CPU disponibile da utilizzare per le misurazioni. Sto usando la variante di montaggio superficiale di un 2N3904 per rilevare la temperatura su questa scheda. Il MMBT3904 è disponibile praticamente da ogni azienda di fabbricazione di silicio che si occupa di BJTS – in questo caso, ho scelto di utilizzare una parte a semiconduttore in quanto era la migliore fornita. C’erano diversi milioni disponibili quando ho guardato l’ultima volta Octopart.

Come ho fatto nei precedenti articoli di questa serie, ho inserito l’elemento sensibile alla temperatura, il nostro transistor, all’interno del taglio termico. Ho posizionato gli elementi non sensibili dietro il taglio termico. Ciò impedisce a EMC1833T di influenzare negativamente la lettura della temperatura a causa del calore che può generare.

Sensore digitale Implementazione: Si7051-A20-IMR

Infine, abbiamo il Silicon Labs Si7051-A20. Sono i risultati di questo dispositivo che sono più entusiasta di vedere in tutta questa serie. Il MAX31826 è un sensore abbastanza preciso; tuttavia, il Si7051 – A20 offre un’impressionante precisione di + / – 0,1°C con un consumo energetico incredibilmente basso di soli 195 nA durante il campionamento. Il consumo di energia è almeno un ordine di grandezza inferiore a tutti gli altri sensori di temperatura digitali e sostanzialmente inferiore ai sensori di temperatura analogici che abbiamo esaminato nel precedente articolo.

Dove molti sensori hanno precisioni pubblicizzate molto elevate, le cifre di solito si applicano solo a una porzione limitata del campo di rilevamento complessivo. Al contrario, il Si7051-A12 offre la precisione riportata in tutta la sua gamma di rilevamento da -40°C a +125°C. Inoltre, l’errore di 0,1°C è una precisione dello scenario peggiore, non la media o il minimo. Con la sua risoluzione a 14 bit selezionata, Si7051 – A20 fornisce una lettura ripetibile di 0,01°C-Adoro i sensori accurati e ripetibili!

Come con gli ultimi due sensori, il Si7051-A20 è un sensore compatibile I2C. Tuttavia, non offre un pin di indirizzo, il che significa che è possibile avere solo una singola unità collegata al bus I2C a meno che non si aggiunga uno switch I2C o si commuti l’alimentazione tra diverse unità collegate sullo stesso bus. Ciò richiederebbe ulteriori pin IO e aggiungerebbe complessità del circuito, rendendo il Si7051-A20 meno ideale per rilevare più posizioni attraverso il circuito stampato. Il dispositivo, inoltre, non ha alcun pin di allarme / interrupt, destinato ad essere utilizzato esclusivamente come sensore di temperatura digitale. In generale, se stai cercando di automatizzare la gestione termica sul tuo circuito, un sensore meno accurato e di costo inferiore sarà più che sufficiente per tale applicazione.

Una delle caratteristiche che mi è piaciuta molto della STS-20 quando l’ho usata per l’ultima volta è stata la calibrazione certificata NIST applicata a ciascun dispositivo, poiché il mio cliente richiedeva quella funzionalità. Mentre il Si7051-A20 non fa alcuna menzione di questo nella sua scheda tecnica, ha un certificato di calibrazione disponibile. Sono stato anche in grado di trovare un altro certificato di calibrazione più specifico; tuttavia, questo non è sul sito Web di Silicon Labs e, pertanto, può essere applicato solo alle unità particolari acquistate da questa società. In tal caso, stabilisce una precedenza per Silicon Labs che rilascia certificati specifici per i propri clienti.

Come le altre implementazioni I2C che abbiamo trattato in questo articolo, le linee I2C per questa scheda non hanno resistori pull-up montati sulle linee dati/clock. Sarà necessario includere un resistore di pull-up su ogni linea da qualche parte all’interno del circuito per consentire al Si7051-A20 di comunicare correttamente.

Il pacchetto DFN a 6 pin è anche il prototipo più facile da consegnare tra tutte le opzioni senza piombo che abbiamo trattato in questo articolo. Utilizzando uno stencil o uno strumento di deposizione pasta come il Voltera V-One, questo sensore sarebbe incredibilmente facile a portata di mano posto e reflow utilizzando strumenti di base, che lo rende perfetto per la prototipazione in casa o in ufficio laboratorio.

Conclusione

Abbiamo esaminato quattro diversi sensori di temperatura digitali in questo articolo. Tuttavia, ci sono centinaia di altre opzioni digitali del sensore di temperatura disponibili che possono soddisfare le richieste specifiche del vostro progetto, che sono ben fornite e disponibili. Mentre i sensori di temperatura analogici sono eccellenti nel monitoraggio autonomo del processo o nell’uso con un convertitore analogico-digitale, i sensori di temperatura digitali offrono una notevole comodità quando si integrano in un prodotto dotato di microcontrollore. Come abbiamo visto in questo articolo, ci sono sensori di temperatura digitali in grado di generare interrupt e avvisi a soglie configurabili, che consente applicazioni entusiasmanti al di là di un termostato basato sul comparatore impostato in fabbrica come si potrebbe usare con un sensore di temperatura analogico. La precisione e l’accuratezza dei moderni sensori di temperatura digitali possono essere eccezionalmente elevate; tuttavia, molte opzioni consumano molta più corrente rispetto alle loro controparti analogiche, il che può fornire un certo offset di temperatura dall’autoriscaldamento.

I sensori di temperatura digitali più diffusi e ben forniti utilizzano in genere un bus I2C per le comunicazioni; tuttavia, le opzioni di bus SPI e 1-Wire sono facilmente disponibili per soddisfare la disponibilità di bus di comunicazione alternativi per il progetto.

Come ho detto all’inizio dell’articolo, puoi trovare i dettagli di ciascuna di queste schede sensore e tutte le altre implementazioni di sensori di temperatura su GitHub. Questi disegni sono tutti rilasciati sotto la licenza open-source MIT, che permette di fare praticamente qualsiasi cosa con il design per uso personale o commerciale.

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