Μετατροπέας θερμοκρασίας σε συχνότητα DIY: 4 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Οι αισθητήρες θερμοκρασίας είναι ένα από τα πιο σημαντικά είδη φυσικών αισθητήρων, επειδή πολλές διαφορετικές διαδικασίες (και στην καθημερινή ζωή) ρυθμίζονται από τη θερμοκρασία. Επιπλέον, η μέτρηση της θερμοκρασίας επιτρέπει τον έμμεσο προσδιορισμό άλλων φυσικών παραμέτρων, όπως ο ρυθμός ροής της ύλης, το επίπεδο ρευστού κ.λπ. Συνήθως, οι αισθητήρες μετατρέπουν τη μετρημένη φυσική τιμή σε αναλογικό σήμα και οι αισθητήρες θερμοκρασίας δεν αποτελούν εξαίρεση εδώ. Για επεξεργασία από την CPU ή τον υπολογιστή, το αναλογικό σήμα θερμοκρασίας πρέπει να μετατραπεί σε ψηφιακή μορφή. Για μια τέτοια μετατροπή χρησιμοποιούνται συνήθως ακριβοί μετατροπείς αναλογικού-ψηφιακού ψηφίου (ADC).

Ο σκοπός αυτού του Instructable είναι να αναπτύξει και να παρουσιάσει μια απλοποιημένη τεχνική για άμεση μετατροπή του αναλογικού σήματος από αισθητήρα θερμοκρασίας σε ψηφιακό σήμα με αναλογική συχνότητα χρησιμοποιώντας το GreenPAK. Στη συνέχεια, η συχνότητα ενός ψηφιακού σήματος που ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία μπορεί στη συνέχεια να μετρηθεί πιο εύκολα με αρκετά υψηλή ακρίβεια και στη συνέχεια να μετατραπεί στις απαιτούμενες μονάδες μέτρησης. Ένας τέτοιος άμεσος μετασχηματισμός παρουσιάζει ενδιαφέρον κατά πρώτο λόγο από το γεγονός ότι δεν υπάρχει ανάγκη για χρήση ακριβών μετατροπέων αναλογικού σε ψηφιακό. Επίσης, η μετάδοση ψηφιακού σήματος είναι πιο αξιόπιστη από την αναλογική.

Παρακάτω περιγράψαμε τα βήματα που απαιτούνται για να κατανοήσουμε πώς το τσιπ GreenPAK έχει προγραμματιστεί για τη δημιουργία του μετατροπέα θερμοκρασίας σε συχνότητα. Ωστόσο, εάν θέλετε απλώς να λάβετε το αποτέλεσμα προγραμματισμού, κατεβάστε το λογισμικό GreenPAK για να δείτε το ήδη ολοκληρωμένο GreenPAK Design File. Συνδέστε το GreenPAK Development Kit στον υπολογιστή σας και πατήστε το πρόγραμμα για να δημιουργήσετε το προσαρμοσμένο IC για τον μετατροπέα θερμοκρασίας σε συχνότητα.

Βήμα 1: Ανάλυση σχεδιασμού

Διαφορετικοί τύποι αισθητήρων θερμοκρασίας και τα κυκλώματα επεξεργασίας σήματος τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανάλογα με τις συγκεκριμένες απαιτήσεις, κυρίως στο εύρος θερμοκρασίας και την ακρίβεια. Τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα είναι τα θερμίστορ NTC, τα οποία μειώνουν την τιμή της ηλεκτρικής τους αντίστασης με την αύξηση της θερμοκρασίας (βλέπε σχήμα 1). Έχουν σημαντικά υψηλότερο συντελεστή αντίστασης θερμοκρασίας σε σύγκριση με τους αισθητήρες ανθεκτικών μετάλλων (RTDs) και κοστίζουν πολύ λιγότερο. Το κύριο μειονέκτημα των θερμίστορ είναι η μη γραμμική εξάρτησή τους από το χαρακτηριστικό "αντίσταση έναντι θερμοκρασίας". Στην περίπτωσή μας, αυτό δεν παίζει σημαντικό ρόλο αφού κατά τη μετατροπή, υπάρχει μια ακριβής αντιστοιχία της συχνότητας στην αντίσταση του θερμίστορ, και επομένως, της θερμοκρασίας.

Το σχήμα 1 δείχνει τη γραφική εξάρτηση της αντίστασης του θερμίστορ έναντι της θερμοκρασίας (τα οποία ελήφθησαν από τα φύλλα δεδομένων του κατασκευαστή). Για το σχεδιασμό μας, χρησιμοποιήσαμε δύο παρόμοια θερμίστορ NTC με τυπική αντίσταση 10 kOhm στους 25 ° C.

Η βασική ιδέα του άμεσου μετασχηματισμού του σήματος θερμοκρασίας σε ψηφιακό σήμα εξόδου αναλογικής συχνότητας είναι η χρήση του θερμίστορ R1 μαζί με τον πυκνωτή C1 στο κύκλωμα ρύθμισης συχνοτήτων R1C1 της γεννήτριας, ως μέρος ενός κλασικού δακτυλίου ταλαντωτής που χρησιμοποιεί τρία λογικά στοιχεία "NAND". Η σταθερά χρόνου του R1C1 εξαρτάται από τη θερμοκρασία, γιατί όταν αλλάζει η θερμοκρασία, η αντίσταση του θερμίστορ θα αλλάξει ανάλογα.

Η συχνότητα του ψηφιακού σήματος εξόδου μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τη Φόρμουλα 1.

Βήμα 2: Μετατροπείς θερμοκρασίας σε συχνότητα με βάση το SLG46108V

Αυτός ο τύπος ταλαντωτή προσθέτει τυπικά μια αντίσταση R2 για να περιορίσει το ρεύμα μέσω των διόδων εισόδου και να μειώσει το φορτίο στα στοιχεία εισόδου του κυκλώματος. Εάν η τιμή αντίστασης του R2 είναι πολύ μικρότερη από την αντίσταση του R1, τότε δεν επηρεάζει πραγματικά τη συχνότητα παραγωγής.

Κατά συνέπεια, με βάση το GreenPAK SLG46108V, κατασκευάστηκαν δύο παραλλαγές του μετατροπέα θερμοκρασίας σε συχνότητα (βλέπε σχήμα 5). Το κύκλωμα εφαρμογής αυτών των αισθητήρων παρουσιάζεται στο σχήμα 3.

Ο σχεδιασμός, όπως έχουμε ήδη πει, είναι αρκετά απλός, είναι μια αλυσίδα τριών στοιχείων NAND που σχηματίζουν έναν ταλαντωτή δακτυλίου (βλέπε εικόνα 4 και εικόνα 2) με μία ψηφιακή είσοδο (PIN#3) και δύο ψηφιακές εξόδους (PIN #6 και PIN#8) για σύνδεση σε εξωτερικά κυκλώματα.

Οι θέσεις φωτογραφιών στο Σχήμα 5 δείχνουν τους ενεργούς αισθητήρες θερμοκρασίας (ένα νόμισμα ενός σεντ είναι για κλίμακα).

Βήμα 3: Μετρήσεις

Έγιναν μετρήσεις για την αξιολόγηση της σωστής λειτουργίας αυτών των ενεργών αισθητήρων θερμοκρασίας. Ο αισθητήρας θερμοκρασίας μας τοποθετήθηκε σε ελεγχόμενο θάλαμο, η θερμοκρασία στο εσωτερικό του οποίου θα μπορούσε να αλλάξει σε ακρίβεια 0,5 ° C. Η συχνότητα του ψηφιακού σήματος εξόδου καταγράφηκε και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Σχήμα 6.

Όπως φαίνεται από το διάγραμμα που φαίνεται, οι μετρήσεις συχνότητας (πράσινα και μπλε τρίγωνα) συμπίπτουν σχεδόν πλήρως με τις θεωρητικές τιμές (μαύρες και κόκκινες γραμμές) σύμφωνα με τον τύπο 1 που δόθηκε παραπάνω. Κατά συνέπεια, αυτή η μέθοδος μετατροπής της θερμοκρασίας σε συχνότητα λειτουργεί σωστά.

Βήμα 4: Τρίτος ενεργός αισθητήρας θερμοκρασίας με βάση το SLG46620V

Επίσης, κατασκευάστηκε ένας τρίτος ενεργός αισθητήρας θερμοκρασίας (βλέπε σχήμα 7) για να καταδείξει τη δυνατότητα απλής επεξεργασίας με ορατή ένδειξη θερμοκρασίας. Χρησιμοποιώντας το GreenPAK SLG46620V, το οποίο περιέχει 10 στοιχεία καθυστέρησης, έχουμε δημιουργήσει δέκα ανιχνευτές συχνότητας (βλέπε σχήμα 9), καθένας από τους οποίους έχει διαμορφωθεί για να ανιχνεύει ένα σήμα μιας συγκεκριμένης συχνότητας. Με αυτόν τον τρόπο, κατασκευάσαμε ένα απλό θερμόμετρο με δέκα προσαρμόσιμα σημεία ένδειξης.

Το σχήμα 8 δείχνει το σχηματικό ανώτατο επίπεδο του ενεργού αισθητήρα με δείκτες οθόνης για δέκα σημεία θερμοκρασίας. Αυτή η πρόσθετη συνάρτηση είναι βολική επειδή είναι δυνατή η οπτική εκτίμηση της θερμοκρασίας χωρίς να αναλυθεί ξεχωριστά το δημιουργημένο ψηφιακό σήμα.

Συμπεράσματα

Σε αυτό το Instructable, προτείναμε μια μέθοδο για τη μετατροπή ενός αναλογικού σήματος αισθητήρα θερμοκρασίας σε ψηφιακό σήμα με διαμόρφωση συχνότητας χρησιμοποιώντας προϊόντα GreenPAK της Dialog. Η χρήση θερμίστορ σε συνδυασμό με το GreenPAK επιτρέπει προβλέψιμες μετρήσεις χωρίς τη χρήση ακριβών μετατροπέων αναλογικού σε ψηφιακό και αποφεύγοντας την απαίτηση μέτρησης των αναλογικών σημάτων. Το GreenPAK είναι η ιδανική λύση για την ανάπτυξη αυτού του τύπου προσαρμόσιμου αισθητήρα, όπως φαίνεται στα παραδείγματα πρωτοτύπων που κατασκευάστηκαν και δοκιμάστηκαν. Το GreenPAK περιέχει μεγάλο αριθμό λειτουργικών στοιχείων και μπλοκ κυκλωμάτων που είναι απαραίτητα για την εφαρμογή διαφόρων λύσεων κυκλώματος και αυτό μειώνει σημαντικά τον αριθμό των εξωτερικών εξαρτημάτων του κυκλώματος τελικής εφαρμογής. Η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, το μικρό μέγεθος τσιπ και το χαμηλό κόστος είναι ένα επιπλέον μπόνους για την επιλογή του GreenPAK ως του κύριου ελεγκτή για πολλά σχέδια κυκλωμάτων.