Conversor de temperatura para frequência DIY: 4 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Os sensores de temperatura são um dos tipos mais importantes de sensores físicos, porque muitos processos diferentes (também na vida cotidiana) são regulados pela temperatura. Além disso, a medição de temperatura permite a determinação indireta de outros parâmetros físicos, como taxa de fluxo de matéria, nível de fluido, etc. Normalmente, os sensores convertem o valor físico medido em um sinal analógico e os sensores de temperatura não são exceção aqui. Para processamento pela CPU ou computador, o sinal analógico de temperatura deve ser convertido em formato digital. Para tal conversão, conversores analógico-digitais caros (ADCs) são comumente usados.

O objetivo deste Instrutível é desenvolver e apresentar uma técnica simplificada para a conversão direta do sinal analógico de um sensor de temperatura em um sinal digital com frequência proporcional usando GreenPAK ™. Posteriormente, a frequência de um sinal digital que varia dependendo da temperatura pode então ser medida mais facilmente com uma precisão bastante alta e então convertida para as unidades de medida necessárias. Essa transformação direta é interessante em primeiro lugar pelo fato de que não há necessidade de usar conversores analógico-digitais caros. Além disso, a transmissão do sinal digital é mais confiável do que a analógica.

Abaixo, descrevemos as etapas necessárias para entender como o chip GreenPAK foi programado para criar o conversor de temperatura para frequência. No entanto, se você deseja apenas obter o resultado da programação, baixe o software GreenPAK para visualizar o arquivo de design GreenPAK já concluído. Conecte o GreenPAK Development Kit ao seu computador e acesse o programa para criar o IC personalizado para o conversor de temperatura para frequência.

Etapa 1: Análise de Projeto

Diferentes tipos de sensores de temperatura e seus circuitos de processamento de sinal podem ser usados dependendo dos requisitos específicos, principalmente na faixa de temperatura e precisão. Os mais usados são os termistores NTC, que reduzem o valor de sua resistência elétrica com o aumento da temperatura (ver Figura 1). Eles têm um coeficiente de resistência de temperatura significativamente mais alto em comparação com sensores resistivos de metal (RTDs) e custam muito menos. A principal desvantagem dos termistores é sua dependência não linear da característica "resistência vs. temperatura". Em nosso caso, isso não desempenha um papel significativo, pois durante a conversão, há uma correspondência exata da frequência com a resistência do termistor e, portanto, a temperatura.

A Figura 1 mostra a dependência gráfica da resistência do termistor em relação à temperatura (que foram tiradas das planilhas do fabricante). Para o nosso projeto, usamos dois termistores NTC semelhantes com uma resistência típica de 10 kOhm a 25 ° C.

A ideia básica da transformação direta do sinal de temperatura no sinal digital de saída de uma frequência proporcional é o uso do termistor R1 junto com o capacitor C1 no circuito R1C1 de ajuste de frequência do gerador, como parte de um anel clássico oscilador usando três elementos lógicos “NAND”. A constante de tempo de R1C1 depende da temperatura, porque quando a temperatura muda, a resistência do termistor muda de acordo.

A frequência do sinal digital de saída pode ser calculada usando a Fórmula 1.

Etapa 2: Conversores de temperatura para frequência baseados em SLG46108V

Este tipo de oscilador normalmente adiciona um resistor R2 para limitar a corrente através dos diodos de entrada e reduzir a carga nos elementos de entrada do circuito. Se o valor da resistência de R2 for muito menor do que a resistência de R1, isso não afetará realmente a frequência de geração.

Consequentemente, com base no GreenPAK SLG46108V, foram construídas duas variantes do conversor de temperatura para frequência (consulte a Figura 5). O circuito de aplicação desses sensores é apresentado na Figura 3.

O projeto, como já dissemos, é bastante simples, é uma cadeia de três elementos NAND que formam um oscilador em anel (ver Figura 4 e Figura 2) com uma entrada digital (PIN # 3) e duas saídas digitais (PIN # 6 e PIN # 8) para conexão com circuitos externos.

As fotos na Figura 5 mostram os sensores de temperatura ativos (uma moeda de um centavo é para escala).

Etapa 3: Medições

As medições foram feitas para avaliar o funcionamento correto desses sensores de temperatura ativos. Nosso sensor de temperatura foi colocado em uma câmara controlada, cuja temperatura interna pode ser alterada para uma precisão de 0,5 ° С. A frequência do sinal digital de saída foi registrada e os resultados são apresentados na Figura 6.

Como pode ser visto no gráfico mostrado, as medições de frequência (triângulos verdes e azuis) coincidem quase completamente com os valores teóricos (linhas pretas e vermelhas) de acordo com a Fórmula 1 fornecida acima. Conseqüentemente, este método de conversão de temperatura em frequência está funcionando corretamente.

Etapa 4: Terceiro sensor de temperatura ativo baseado em SLG46620V

Além disso, um terceiro sensor de temperatura ativo foi construído (consulte a Figura 7) para demonstrar a possibilidade de processamento simples com indicação de temperatura visível. Usando o GreenPAK SLG46620V, que contém 10 elementos de atraso, construímos dez detectores de frequência (consulte a Figura 9), cada um dos quais configurado para detectar um sinal de uma determinada frequência. Desta forma, construímos um termômetro simples com dez pontos de indicação personalizáveis.

A Figura 8 mostra o esquema de nível superior do sensor ativo com indicadores de exibição para dez pontos de temperatura. Esta função adicional é conveniente porque é possível estimar visualmente o valor da temperatura sem analisar separadamente o sinal digital gerado.

Conclusões

Neste Instructable, propomos um método para converter um sinal analógico de sensor de temperatura em um sinal digital modulado em frequência usando produtos GreenPAK da Dialog. O uso de termistores em conjunto com GreenPAK permite medições previsíveis sem o uso de conversores analógico-digitais caros e evitando a necessidade de medir os sinais analógicos. O GreenPAK é a solução ideal para o desenvolvimento deste tipo de sensor customizável, conforme mostram os exemplos de protótipos construídos e testados. GreenPAK contém um grande número de elementos funcionais e blocos de circuito necessários para a implementação de várias soluções de circuito, e isso reduz muito o número de componentes externos do circuito de aplicação final. Baixo consumo de energia, chip pequeno e baixo custo são um bônus adicional por escolher o GreenPAK como o controlador principal para muitos projetos de circuito.