Cyfrowe czujniki temperatury

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
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. 2.1. Charakterystyka napięcia na diodzie w funkcji temperatury dla diody krzemowej, germanowej i diody
z arsenku galu.
2
W termometrii korzysta się z zaleŜności (2.1) opisującej napięcie na złączu w funkcji
temperatury, dla stałej wartości prądu złącza.
U BE =
k BT
I
ln E + U G
e
I 0 (T)
(2.1)
gdzie:
IE – prąd płynący przez złącze
I0 (T) – prąd wsteczny
T – temperatura w skali bezwzględnej
UBE – napięcie na złączu p-n
UG – stała materiałowa (dla krzemu UG = 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 UBE dla dwóch tranzystorów scalonych, przez które płynie prąd
emitera IE1 ≠ IE2, wyraŜa wzór (2.2).
∆U BE = U BE1 − U BE 2 =
k
k BT
I
k T
I
I
ln E1 − B ln E 2 =  B ln E1
e
I 0 (T )
e
I 0 (T )  e
I E2

T

(2.2)
Dla stałej wartości stosunku prądów IE1/IE2 róŜnica napięcia ∆UBE 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 ∆UBE do wymaganej wartości napięcia
Uwy = f(T) lub prądu wyjściowego Iwy = 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 (Uwy
lub Iwy ) produkowane są czujniki z wyjściowym sygnałem cyfrowym. Układ tworzący
taki czujnik zawiera: parę tranzystorów, których napięcie ∆UBE 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, I2 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
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. 3.1. 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
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. 3.2. 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.
3.2. 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.3.3.
5
a)
b)
Rys. 3.3. Czujnik TC77 w róŜnych obudowach, a) obudowa SOIC, b) obudowa SOT-23-5.
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. 3.4. 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.
3.3. 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 I2C, co sprawia Ŝe do jednej linii moŜe
6
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
(THYST). Wykorzystując tę właściwość moŜna sterować np. wiatraczkiem bez uŜycia
mikrokontrolera, wystarczy jedynie wcześniej zapisać odpowiednie wartości TOTI oraz THYST
do rejestrów czujnika jeŜeli domyślne wartości nie odpowiadają uŜytkownikowi (TOTI = 80°C,
THYST = 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. 3.5. 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. 3.6. Schemat blokowy budowy wewnętrznej czujnika AD7416.
7
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.
Tabela 4.1.
Parametry opisanych czujników.
Parametr
Interfejs
Napięcie zasilania
Prąd w stanie aktywnym
Prąd w stanie czuwania
Zakres pomiarowy
Maks. rozdzielczość
Dokładność (+25°C)
Maks. czas konwersji
DS18B20
1-wire
3.0 ÷ 5.5 [V]
1000 [µA]
0.75 [µA]
-55 ÷ 125 [°C]
12 [bit]
±0.5 [°C]
750 [mA]
TC77
SPI
2.7 ÷ 5.5 [V]
250 [µA]
0.1 [µA]
-55 ÷ 125 [°C]
12 [bit]
±1 [°C]
400 [mA]
AD7416
I 2C
2.7 ÷ 5.5 [V]
1000 [µA]
0.2 [µA]
-55 ÷ 125 [°C]
10 [bit]
±2 [°C]
40 [µA]
LITERATURA
[1] W.Nawrocki: Sensory i systemy pomiarowe, WPP, Poznań 2001.
[2] K. Jemielniak: Komputerowe pomiary wielkości nieelektrycznych, Politechnika Warszawska
[2] ELECTRONIC DESIGN – strona internetowa: www.elecdesign.com, 2005.
[3] MAXIM-DALLAS – strona internetowa: www.maxim-ic.com, katalogi 2001.
[4] ANALOG DEVICES – strona internetowa: www.analog.com, katalogi 2000.
[5] MICROCHIP – strona internetowa: www.microchip.com, katalogi 2002.
8