DIY อุณหภูมิเพื่อแปลงความถี่: 4 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

เซ็นเซอร์อุณหภูมิเป็นหนึ่งในประเภทที่สำคัญที่สุดของเซ็นเซอร์ทางกายภาพ เนื่องจากกระบวนการต่างๆ (ในชีวิตประจำวันเช่นกัน) จะถูกควบคุมโดยอุณหภูมิ นอกจากนี้ การวัดอุณหภูมิยังช่วยให้สามารถกำหนดพารามิเตอร์ทางกายภาพอื่นๆ ทางอ้อมได้ เช่น อัตราการไหลของสสาร ระดับของเหลว ฯลฯ โดยปกติ เซ็นเซอร์จะแปลงค่าทางกายภาพที่วัดได้เป็นสัญญาณแอนะล็อก และเซ็นเซอร์อุณหภูมิก็ไม่มีข้อยกเว้นในที่นี้ สำหรับการประมวลผลโดย CPU หรือคอมพิวเตอร์ สัญญาณอุณหภูมิแอนะล็อกจะต้องแปลงเป็นรูปแบบดิจิทัล สำหรับการแปลงดังกล่าว มักใช้ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) ที่มีราคาแพง

จุดประสงค์ของคำแนะนำนี้คือการพัฒนาและนำเสนอเทคนิคที่ง่ายขึ้นสำหรับการแปลงสัญญาณอะนาล็อกโดยตรงจากเซ็นเซอร์อุณหภูมิเป็นสัญญาณดิจิตอลที่มีความถี่ตามสัดส่วนโดยใช้ GreenPAK™ ต่อจากนั้น ความถี่ของสัญญาณดิจิตอลที่แปรผันตามอุณหภูมิสามารถวัดได้ง่ายขึ้นด้วยความแม่นยำที่ค่อนข้างสูงและแปลงเป็นหน่วยการวัดที่ต้องการ การแปลงโดยตรงดังกล่าวเป็นสิ่งที่น่าสนใจตั้งแต่แรกเนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลราคาแพง นอกจากนี้ การส่งสัญญาณดิจิตอลมีความน่าเชื่อถือมากกว่าแบบแอนะล็อก

ด้านล่างนี้ เราได้อธิบายขั้นตอนที่จำเป็น ทำความเข้าใจวิธีการตั้งโปรแกรมชิป GreenPAK เพื่อสร้างเครื่องแปลงอุณหภูมิเป็นความถี่ อย่างไรก็ตาม หากคุณต้องการเพียงแค่ผลลัพธ์ของการเขียนโปรแกรม ให้ดาวน์โหลดซอฟต์แวร์ GreenPAK เพื่อดูไฟล์การออกแบบ GreenPAK ที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว เสียบ GreenPAK Development Kit เข้ากับคอมพิวเตอร์ของคุณและกดโปรแกรมเพื่อสร้าง IC แบบกำหนดเองสำหรับตัวแปลงอุณหภูมิเป็นความถี่

ขั้นตอนที่ 1: การวิเคราะห์การออกแบบ

สามารถใช้เซ็นเซอร์อุณหภูมิประเภทต่างๆ และวงจรประมวลผลสัญญาณได้ ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะ โดยเฉพาะในช่วงอุณหภูมิและความแม่นยำ เทอร์มิสเตอร์เทอร์มิสเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือ NTC ซึ่งลดค่าความต้านทานไฟฟ้าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น (ดูรูปที่ 1) พวกมันมีค่าสัมประสิทธิ์การต้านทานอุณหภูมิที่สูงกว่าอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเทียบกับเซ็นเซอร์ต้านทานโลหะ (RTD) และมีราคาที่ถูกกว่ามาก ข้อเสียเปรียบหลักของเทอร์มิสเตอร์คือการพึ่งพาแบบไม่เชิงเส้นของลักษณะ "ความต้านทานเทียบกับอุณหภูมิ" ในกรณีของเรา สิ่งนี้ไม่มีบทบาทสำคัญเนื่องจากในระหว่างการแปลง มีความสอดคล้องที่แน่นอนของความถี่ต่อการต้านทานเทอร์มิสเตอร์และดังนั้น อุณหภูมิ

รูปที่ 1 แสดงการพึ่งพาแบบกราฟิกของความต้านทานเทอร์มิสเตอร์เทียบกับอุณหภูมิ (ซึ่งนำมาจากเอกสารข้อมูลของผู้ผลิต) สำหรับการออกแบบของเรา เราใช้เทอร์มิสเตอร์ NTC ที่คล้ายกันสองตัวที่มีความต้านทานทั่วไปที่ 10 kOhm ที่ 25 °C

แนวคิดพื้นฐานของการแปลงสัญญาณอุณหภูมิโดยตรงเป็นสัญญาณดิจิตอลเอาท์พุตของความถี่ตามสัดส่วนคือการใช้เทอร์มิสเตอร์ R1 ร่วมกับตัวเก็บประจุ C1 ในวงจร R1C1 ที่กำหนดความถี่ของเครื่องกำเนิดซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวงแหวนคลาสสิก ออสซิลเลเตอร์โดยใช้องค์ประกอบตรรกะ “NAND” สามองค์ประกอบ ค่าคงที่เวลาของ R1C1 ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ เพราะเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ก็จะเปลี่ยนไปตามนั้น

ความถี่ของสัญญาณดิจิตอลเอาท์พุตสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร 1

ขั้นตอนที่ 2: ตัวแปลงอุณหภูมิเป็นความถี่ตาม SLG46108V

ออสซิลเลเตอร์ประเภทนี้มักจะเพิ่มตัวต้านทาน R2 เพื่อจำกัดกระแสผ่านไดโอดอินพุตและลดภาระขององค์ประกอบอินพุตของวงจร หากค่าความต้านทานของ R2 น้อยกว่าความต้านทานของ R1 มาก จะไม่ส่งผลต่อความถี่ในการสร้าง

ดังนั้น ตาม GreenPAK SLG46108V จึงมีการสร้างตัวแปรอุณหภูมิเป็นตัวแปลงความถี่สองแบบ (ดูรูปที่ 5) วงจรการใช้งานของเซ็นเซอร์เหล่านี้แสดงไว้ในรูปที่ 3

การออกแบบอย่างที่เราได้กล่าวไปแล้วนั้นค่อนข้างง่าย เป็นห่วงโซ่ขององค์ประกอบ NAND สามองค์ประกอบที่สร้างออสซิลเลเตอร์แบบวงแหวน (ดูรูปที่ 4 และรูปที่ 2) ที่มีอินพุตดิจิตอลหนึ่งตัว (PIN#3) และเอาต์พุตดิจิตอลสองตัว (PIN #6 และ PIN#8) สำหรับเชื่อมต่อกับวงจรภายนอก

ตำแหน่งภาพถ่ายในรูปที่ 5 แสดงเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่ทำงานอยู่ (เหรียญหนึ่งเซ็นต์สำหรับมาตราส่วน)

ขั้นตอนที่ 3: การวัด

ทำการวัดเพื่อประเมินการทำงานที่ถูกต้องของเซ็นเซอร์อุณหภูมิแบบแอกทีฟเหล่านี้ เซ็นเซอร์อุณหภูมิของเราถูกวางไว้ในห้องควบคุม ซึ่งอุณหภูมิภายในสามารถเปลี่ยนเป็นความแม่นยำ 0.5 °С ความถี่ของสัญญาณดิจิตอลเอาท์พุตถูกบันทึกและแสดงผลลัพธ์ในรูปที่ 6

ดังที่เห็นได้จากแผนภาพที่แสดง การวัดความถี่ (สามเหลี่ยมสีเขียวและสีน้ำเงิน) เกือบจะตรงกับค่าทางทฤษฎี (เส้นสีดำและสีแดง) เกือบทั้งหมดตามสูตร 1 ที่ให้ไว้ข้างต้น ดังนั้น วิธีการแปลงอุณหภูมิเป็นความถี่นี้จึงทำงานได้อย่างถูกต้อง

ขั้นตอนที่ 4: เซ็นเซอร์อุณหภูมิที่ใช้งานตัวที่สามตาม SLG46620V

นอกจากนี้ยังมีการสร้างเซ็นเซอร์อุณหภูมิแอกทีฟตัวที่สาม (ดูรูปที่ 7) เพื่อแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการประมวลผลอย่างง่ายพร้อมตัวบ่งชี้อุณหภูมิที่มองเห็นได้ การใช้ GreenPAK SLG46620V ซึ่งมีองค์ประกอบการหน่วงเวลา 10 รายการ เราได้สร้างตัวตรวจจับความถี่สิบตัว (ดูรูปที่ 9) ซึ่งแต่ละเครื่องได้รับการกำหนดค่าให้ตรวจจับสัญญาณของความถี่หนึ่งๆ ด้วยวิธีนี้ เราจึงสร้างเทอร์โมมิเตอร์แบบง่ายพร้อมจุดบ่งชี้ที่ปรับแต่งได้สิบจุด

รูปที่ 8 แสดงแผนผังระดับบนสุดของเซ็นเซอร์ที่ทำงานอยู่พร้อมตัวบ่งชี้การแสดงผลสำหรับจุดอุณหภูมิสิบจุด ฟังก์ชันเพิ่มเติมนี้สะดวกเพราะสามารถประมาณค่าอุณหภูมิด้วยสายตาได้โดยไม่ต้องแยกวิเคราะห์สัญญาณดิจิตอลที่สร้างขึ้น

บทสรุป

ในคำแนะนำนี้ เราเสนอวิธีการแปลงสัญญาณแอนะล็อกของเซ็นเซอร์อุณหภูมิเป็นสัญญาณดิจิทัลที่มอดูเลตความถี่โดยใช้ผลิตภัณฑ์ GreenPAK จาก Dialog การใช้เทอร์มิสเตอร์ร่วมกับ GreenPAK ช่วยให้สามารถคาดการณ์การวัดได้โดยไม่ต้องใช้ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลที่มีราคาแพง และหลีกเลี่ยงข้อกำหนดในการวัดสัญญาณแอนะล็อก GreenPAK เป็นโซลูชันในอุดมคติสำหรับการพัฒนาเซ็นเซอร์ประเภทนี้ตามที่แสดงในตัวอย่างต้นแบบที่สร้างและทดสอบ GreenPAK มีองค์ประกอบการทำงานและบล็อกวงจรจำนวนมากที่จำเป็นสำหรับการนำโซลูชันวงจรต่างๆ ไปใช้ ซึ่งจะช่วยลดจำนวนส่วนประกอบภายนอกของวงจรการใช้งานขั้นสุดท้ายได้อย่างมาก การใช้พลังงานต่ำ ขนาดชิปขนาดเล็ก และต้นทุนต่ำเป็นโบนัสเพิ่มเติมสำหรับการเลือก GreenPAK เป็นตัวควบคุมหลักสำหรับการออกแบบวงจรจำนวนมาก