DIGITAL TEMPERATURE SENSORS CYFROWE CZUJNIKI TEMPERATURY

Transkrypt

1 Piotr WALAS IV rok Koło Naukowe Techniki Cyfrowej i Mikroprocesorowej dr inŝ. Wojciech Mysiński opiekun naukowy DIGITAL TEMPERATURE SENSORS CYFROWE CZUJNIKI TEMPERATURY Keywords: temperature sensor, IC sensor, digital sensor Słowa kluczowe: czujnik temperatury, scalony czujnik, cyfrowy czujnik 1. PODZIAŁ I WŁAŚCIWOŚCI CZUJNIKÓW TEMPERATURY Spośród elektrycznych czujników temperatury moŝemy wyodrębnić cztery główne typy: termoelektryczne, termistorowe, oporowe i scalone czujniki elektroniczne. Natomiast scalone czujniki temperatury dzielą się na analogowe i cyfrowe. Termoelektryczny czujnik (termoelement) tworzy para drutów metalowych złączonych na końcach metodą spawania, lutowania lub skręcenia. Na styku drutów lub prętów wykonanych z dwóch róŝnych metali lub stopów metalowych powstaje kontaktowa róŝnica potencjałów, która zaleŝy od temperatury spoiny. Siła termoelektryczna jest proporcjonalna do róŝnicy temperatury między spoiną pomiarową a spoiną odniesienia. Zatem jeśli jest zapewniona stała temperatura spoiny odniesienia to siła termoelektryczna jest proporcjonalna do temperatury spoiny pomiarowej. Termoelementami róŝnych typów moŝna mierzyć zarówno bardzo niskie (-270 C) jak równieŝ wysokie (do 1800 C) temperatury. Półprzewodnikowe czujniki rezystancyjne, czyli termistory, są przeznaczone do pomiarów temperatury z duŝą rozdzielczością w wąskim przedziale temperatury. Rezystancja termistora w funkcji temperatury jest określona funkcją wykładniczą, co tłumaczy wąskie zakresy pomiarowe z uwagi na to, Ŝe charakterystykę tą moŝna jedynie w niewielkim przedziale przyjąć za liniową. Ze wzgłędu na małe rozmiary czujnika, a zwłaszcza jego półprzewodnikowej części termoczułej, efekt samopodgrzewania i błąd pomiaru temperatury z nim związany moŝe mieć istotne znaczenie dla termistora. Czujnikami tego typu moŝna dokonywać pomiarów temperatur w zakresie od -80 C do 200 C. Czujniki rezystancyjne (termorezystory, RTD) wykonuje się z czystych metali (platyna, nikiel, miedź, złoto, srebro, wolfram), których opór właściwy rośnie liniowo w funkcji temperatury, jednakŝe w ograniczonym zakresie temperatur. Ponadto metale wybrane na czujniki temperatury charakteryzują się wysoką temperaturą topnienia oraz stabilnością i powtarzalnością charakterystyki termometrycznej. Do pomiarów przemysłowych (od -200 C do 850 C) stosuje się niemal wyłącznie czujniki platynowe. Mała aktywność chemiczna platyny zapewnia długi czas uŝywania czujnika platynowego bez istotnych zmian jego parametrów, nawet w warunkach wysokiej 1

2 temperatury, sprzyjających utlenianiu metalu. Wysoka temperatura topnienia platyny zapewnia wyŝszą dopuszczalną temperaturę pracy czujnika platynowego w porównaniu z czujnikiem niklowym czy miedzianym. W działaniu półprzewodnikowych scalonych czujników temperatury wykorzystuje się zaleŝność napięcia na złączu p-n tranzystora (lub diody) od temperatury. Analogowe scalone czujniki temperatury podają na wyjście napięcie lub prąd proporcjonalny do temperatury, podczas gdy cyfrowy czujnik ten sygnał analogowy przekształca na cyfrowy przez wbudowany w czujnik przetwornik analogowo-cyfrowy. Scalone czujniki temperatury charakteryzują się bardzo dobrą liniowością wyjścia analogowego lub cyfrowego. Czujniki te są relatywnie tanie i nie wymagają zewnętrznych elementów do pracy, ponadto ich atutem jest wysoka dokładność (około 1%), bardzo małe rozmiary i dobra rozdzielczość. Z uwagi na to, Ŝe czujniki te są układami scalonymi mają one ograniczony zakres mierzonej temperatury (od -55 C do 150 C), oraz niekorzystną dla poprawnego pomiaru właściwość samoogrzewania się, lecz problem ten jest eleminowany poprzez automatyczne przejscie po zakończeniu konwersji temperatury w stan czuwania o bardzo niskim poborze mocy. Zastosowanie przetwornika analogowocyfrowego w czujniku cyfrowym powoduje wydłuŝenie czasu konwersji tym bardziej im większą chcemy otrzymać rozdzielczość. 2. PÓŁPRZEWODNIKOWE SCALONE CZUJNIKI TEMPERATURY Napięcie na złączu p-n (napięcie baza-emiter) tranzystora krzemowego rośnie wraz z obniŝaniem jego temperatury o 2.3mV/ C (Rys. 2.1.). PoniŜej temperatury -200 C charakterystyka napięciowo-temperaturowa złącza staje się silnie nieliniowa i w tym zakresie temperatury złącze p-n nie jest przydatne w pomiarach temperatury. Rys Charakterystyka napięcia na diodzie w funkcji temperatury dla diody krzemowej, germanowej i diody z arsenku galu. 2

3 W termometrii korzysta się z zaleŝności (2.1) opisującej napięcie na złączu w funkcji temperatury, dla stałej wartości prądu złącza. k T I ln U (2.1) B E U BE = + e I 0(T) gdzie: G I E prąd płynący przez złącze I 0 (T) prąd wsteczny T temperatura w skali bezwzględnej U BE napięcie na złączu p-n U G stała materiałowa (dla krzemu U G = 1,205V) Rozrzut wartości prądu wstecznego obserwowany dla szeregu czujników temperatury sprawia, Ŝe charakterystyki napięcia poszczególnych czujników róŝnią się od siebie zarówno wartościami napięcia, jak i nachyleniem charakterystyki. Pojedyncze złącze p-n moŝe być wykorzystane jako czujnik temperatury po indywidualnym skalowaniu, co nie zawsze jest moŝliwe, ale zawsze jest kosztowne. Scalony półprzewodnikowy czujnik temperatury zawiera dwa złącza p-n, zwykle złącza baza-emiter dwóch tranzystorów, wykonane z jednej bryły półprzewodnika. Dzięki temu rozrzut parametrów pary tranzystorów scalonych jest znacznie mniejszy niŝ dla pary oddzielnych tranzystrów. RóŜnicę napięcia U BE dla dwóch tranzystorów scalonych, przez które płynie prąd emitera I E1 I E2, wyraŝa wzór (2.2). U BE = U BE k BT I E1 k BT I E 2 k B I E1 U BE T e I T e I T e I 1 2 = ln ln = ln 0 ( ) 0 ( ) (2.2) E 2 Dla stałej wartości stosunku prądów I E1 /I E2 róŝnica napięcia U BE jest liniową funkcją temperatury w zakresie od około -200 C do 150 C. Scalone czujniki temperatury zawierają w jednej strukturze parę tranzystor-sensor oraz układy wzmacniaczy przetwarzające sygnał U BE do wymaganej wartości napięcia U wy = f(t) lub prądu wyjściowego I wy = f(t). Ze względu na bardzo znaczny spadek wzmocnienia wzmacniaczy wewnętrznych w zakresie temperatury poniŝej -70 C zakres pomiarowy czujników scalonych jest ograniczony od dołu temperaturą -50 C. Oprócz scalonych czujników temperatury z wyjściowym sygnałem analogowym (U wy lub I wy ) produkowane są czujniki z wyjściowym sygnałem cyfrowym. Układ tworzący taki czujnik zawiera: parę tranzystorów, których napięcie U BE jest sygnałem pomiarowym, wzmacniacze, przetwornik analogowo cyfrowy oraz interfejs cyfrowy. Czujniki cyfrowe zyskały bardzo duŝą popularność, dlatego Ŝe sygnał z czujnika cyfrowego idealnie nadaje się do dalszej dowolnej obróbki informacyjnej przez mikrokontroler. Czujniki cyfrowe są wyposarzone w obsługę najpopularniejszych interfejsów do komunikacji z mikrokontrolerem: 1-wire, I 2 C, SPI. Mikrokontrolery pozwalają na budowę urządzeń o niezwykle rozbudowanych funkcjach i stały się tak samo jak cyfrowe czujniki temperatury, powszechnie dostępne i realatywnie tanie, a za 3

4 ich zastosowaniem przemawiają wszelkie argumenty, zarówno techniczne, jak i ekonomiczne. Z powodu swoich licznych zalet cyfrowe czujniki temperatury są szeroko stosowane w róŝnych gałęziach przemysłu, moŝemy je znaleźć w komputerach, samochodach, termoregulatorach, w systemach zabezpieczających, w systemach kontrolujących procesy produkcji oraz wszędzie tam gdzie mamy do czynienia z układami cyfrowymi i jest potrzebny pomiar temperatury. 3. PRZYKŁADOWE CYFROWE CZUJNIKI TEMPERATURY 3.1. CZUJNIK DS18B20 FIRMY DALLAS SEMICODUCTOR Układ firmy Dallas Semiconductor jest jednym z najpopularniejszych cyfrowych czujników temperatury. Na rys. 3.1 przedstawione są obudowy w jakich produkowane są te czujniki. Układ ten jest przeznaczony do zdalnych pomiarów za pośrednictwem zredukowanej, 1-przewodowej magistrali szeregowej (1-wire). a) b) c) Rys Czujnik DS18B20 w róŝnych obudowach, a) standardowa obudowa TO-92, b) obudowa usop, c) obudowa SOIC KaŜdy egzemplarz zawiera unikalny 64-bitowy kod zapisany w pamięci ROM. Pierwszy bajt stanowi oznaczenie kodowe urządzenia, dla czujnika DS18B20 jest to 28h. Dalsze sześć bajtów to unikalny numer seryjny a ostatni to bajt CRC obliczony z pierwszych siedmiu bajtów kodu i słuŝący do weryfikacji poprawności odczytu kodu czujnika. Cały 64-bitowy kod słuŝy do identyfikacji czujnika przed rozpoczęciem wysyłania rozkazów z mikrokontrolera. Układ ten nie wymaga zewnętrznych elementów do poprawnej pracy oraz kalibrowania i wiele takich czujników moŝe być dołączonych do tej samej, 1-przewodowej magistrali. UmoŜliwia to umieszczanie czujników temperatury w wielu róŝnych miejscach i ich łatwą, niezawodną obsługę. Energię zasilania, potrzebną do odczytów, zapisów i przetwarzania temperatury, układy te mogą pobierać z linii danych lub z zewnętrznego źródła 4

5 zasilania. Czujnik ten posiada takŝe funkcję alarmu która wyszukuje i podaje adres czujnika który przekroczył zaprogramowaną wcześniej przez uŝytkownika wartość. Układ firmy Dallas jest zasilany napięciem od 3.0V do 5.5V, jego zakres pomiarowy jest typowy dla czujników tego rodzaju (od -55 C do 125 C), a dokładność pomiaru wykonanego tym czujnikiem wynosi 0.5 C w zakresie od -10 C do 85 C. Rozdzielczość mierzonej temperatury jest wybierana przez urzytkownika poprzez zapis odpowiedniej wartości do rejestru konfiguracyjnego czujnika i moŝe wynosić od 9 do 12 bitów. Wybrana wartość rozdzielczości bezpośrednio wpływa na czas konwersji sygnału analogowego na cyfrowy wewnątrz czujnika, i tak dla 9 bitów czas ten wynosi 94ms a dla 12 bitów juŝ 750ms. Rys Schemat blokowy budowy wewnętrznej czujnika DS18B20. Zastosowanie w kontroli chłodni, magazynów, szklarni w branŝy spoŝywczej, wysokojakościowy pomiar temperatury w pomieszczeniach, technice klimatyzacyjnej, grzewczej, urządzeniach solarnych, meteorologii CZUJNIK TC77 FIRMY MICROCHIP Cyfrowe czujniki TC77 odznaczają się dobrą dokładnością pomiaru i monitorowania temperatury, a takŝe dobrą rozdzielczością odczytu przy jednocześnie bardzo małych rozmiarach obudowy, przy czym do odczytu temperatury nie wymagają Ŝadnych dodatkowych elementów zewnętrznych. Trój- i czteroprzewodowy standardowy interfejs kompatybilny z SPI oraz MICROWIRE czujników umoŝliwia komunikowanie się ich z róŝnego typu mikrokontrolerami i innymi cyfrowymi układami scalonymi. Czujnik ten w dwóch róŝnych obudowach jest przedstawiony na rys

6 a) b) Rys Czujnik TC77 w róŝnych obudowach, a) obudowa SOIC, b) obudowa SOT Czujnik TC77 jest zasilany napięciem od 2.7V do 5.5V a zakres odczytu temperatury wynosi standardowo od -55 C do 125 C. Dokładność pomiaru jest w pełni zadowalająca dla większości zastosowań i wynosi ±1 C w zakresie od -25 C do +65 C, a ±3 C w zakresie od -55 C do +125 C. Wartość zmierzonej temperatury jest zapisywana w rejestrze temperatury w postaci 12 bitowego słowa plus jeden bit znaku, maksymalny czas jej konwersji wynosi 400ms. Czujnik firmy Microchip charakteryzuje się niskim poborem prądu w stanie aktywnym (250µA) a w stanie gotowości (0.1µA). Rys Schemat blokowy budowy wewnętrznej czujnika TC77. Czujnik ten znajduje zastosowanie w ochronie termicznej dysków twardych i w innych elementach komputera oraz notebooka. UŜywa się go takŝe u systemach przemysłowych, termostatach i sprzęcie biurowym. Bardzo niski pobór prądu przez ten czujnik predysponuje go do zastosowań w urządzeniach przenośnych zasilanych z baterii CZUJNIK AD7416 FIRMY ANALOG DEVICES Układ firmy Analog Devices to 10-bitowy termometr cyfrowy w 8-nóŜkowej obudowie SOIC (rys. 3.5). Charakteryzuje się on stosunkowo krótkim czasem konwersji mierzonej temperatury na sygnał cyfrowy (maksymalnie 40µs). Z innymi urządzeniami cyfrowymi komunikuje się za pomocą 2-przewodowej magistrali I 2 C, co sprawia Ŝe do jednej linii moŝe 6

7 być podłączonych co najwyŝej osiem takich czujników. Czujnik AD7416 posiada funkcję automatycznego przełączania trybu pracy na stan gotowości po zakończeniu konwersji i wysłaniu w postaci cyfrowej wartości temperatury. Jedną z przydatnych funkcji tego czujnika jest moŝliwość zapisania w rejestrze OTR wartości temperatury po przekroczeniu której na wyspecyfikowanym do tego celu wyjściu OTI pojawia się stan wysoki i pozostaje aŝ do momentu, gdy temperatura spadnie poniŝej wartości zapisanej w odpowiednim rejestrze (T HYST ). Wykorzystując tę właściwość moŝna sterować np. wiatraczkiem bez uŝycia mikrokontrolera, wystarczy jedynie wcześniej zapisać odpowiednie wartości T OTI oraz T HYST do rejestrów czujnika jeŝeli domyślne wartości nie odpowiadają uŝytkownikowi (T OTI = 80 C, T HYST = 75 C). Czujnik posiada takŝe trzy wyjścia adresowe (A0, A1, A2) które słuŝą do ustaleniu stałego adresu urządzenia, dzięki któremu moŝemy wybrać konkretny czujnik do komunikacji. Rys Czujnik AD7416 w obudowie SOIC. Układ AD7416 zasila się napięciem od 2.7V do 5.5V a zakres pomiarowy temperatury wynosi od -55 C do +125 C. Dokładność pomiaru jest podobna jak w czujniku TC77 i wynosi ±3 C w pełnym zakresie odczytu temperatury. Czujnik w stanie aktywnym pobiera prąd 1mA a po przejściu w stan gotowości maksymalnie 1.5µA. Rys Schemat blokowy budowy wewnętrznej czujnika AD

8 Zastosowanie tego czujnika jest podobne do wcześniej omówionych, czyli w systemach przemysłowych, w komputerach, automatyce, jednakŝe dodatkowe wyjście sterujące powoduje, Ŝe czujnik ten nie wymaga mikrokontrolera do pracy jako programowalny termostat. 4. PORÓWNANIE PARAMETRÓW PRZEDSTAWIONYCH CZUJNIKÓW KaŜdy z trzech przedstawionych czujników posiada inny interfejs szeregowy do komunikacji z innymi urządzeniami cyfrowymi. Zakres pomiaru temperatury ze względu na taką samą zasadę działania jest podobny, natomiast róŝnią się rozdzielczością i szybkością konwersji sygnału analogowego na cyfrowy. RównieŜ elementem róŝniącym te czujniki jest pobór prądu zarówno w stanie aktywnym jak i w stanie czuwania. Coraz więcej produkowanych cyfrowych czujników oprócz podstawowej funkcji jaką jest pomiar temperatury, posiadają takŝe dodatkowe funkcje które ułatwiają ich uŝycie w konkretnych zastosowaniach. Tabela 4.1 przedstawia w celach porównawczych podstawowe parametry opisanych czujników. Parametry opisanych czujników. Parametr DS18B20 TC77 AD7416 Interfejs 1-wire SPI I 2 C Napięcie zasilania [V] [V] [V] Prąd w stanie aktywnym 1000 [µa] 250 [µa] 1000 [µa] Prąd w stanie czuwania 0.75 [µa] 0.1 [µa] 0.2 [µa] Zakres pomiarowy [ C] [ C] [ C] Maks. rozdzielczość 12 [bit] 12 [bit] 10 [bit] Dokładność (+25 C) ±0.5 [ C] ±1 [ C] ±2 [ C] Maks. czas konwersji 750 [ma] 400 [ma] 40 [µa] Tabela 4.1. LITERATURA [1] W.Nawrocki: Sensory i systemy pomiarowe, WPP, Poznań [2] K. Jemielniak: Komputerowe pomiary wielkości nieelektrycznych, Politechnika Warszawska [2] ELECTRONIC DESIGN strona internetowa: [3] MAXIM-DALLAS strona internetowa: katalogi [4] ANALOG DEVICES strona internetowa: katalogi [5] MICROCHIP strona internetowa: katalogi