Temperaturni senzori Autor Miloš Jurošević   

Temperatura je fizička veličina koja predstavlja stepen zagrejanosti tela. Senzore temperature delimo na termoelemente, ekspanzione, otporničke i poluprovodničke senzore temperature i druge. Ekspanzioni senzori temperature su termometri čiji se radni medij grejanjem širi, a hladjenjem skuplja, tako da linearno menja svoje geometrijske dimenzije.      Ukoliko je radni medij smešten u prostor sa konstantnom zapreminom, tada se umesto promene dimenzija javlja promena pritiska. Imamo gasne, parne, dilatacione i bimetalne i senzore sa tečnošću. Razlikuju se po mediju koji se skuplja odnosno širi sa promenom temperature.

   Prvobitna namena termoelemenata bila je merenje visokih temperatura (500-1000 C). I danas je njihov značaj najveći u merenju tih temperatura, ali je primena uspešno proširena i na vrlo niske temperature od 1K, pa do visokih do 4000C. Zbog dobrih osobina termoelementi imaju mnogobrojne praktične primene u merenju i regulaciji temperautre. U tabeli 1 dati su materijali koji se koriste za izradu termoelemenata, a na slici 1 data je konstrukcija i neki od tipova termoelemenata. Postoje i poluprovodnički termoelementi koji se uglavnom koriste kod detektovanja infracrvenog zračenja. 

Tabela 1. Termoelektrični materijali i njihovi termoelektrični naponi u spoju sa platinom  

Slika 1. Termoelementi: a)konstrukcija, b) termoelement sa zavarenim žicama na toplom kraju, c) termoelement sa zalemljenim žicama na toplom kraju, d) tankoslojni, e) izgled

   

   Otpornički senzori temperature rade na principu promene otpornosti elementa usled promene temperature. Najčešće se vezuju u Vitstonov most. Najpoznatiji otpornički senzor temperature je Pt-100. On na 0C ima otpornost od 100 oma i u opsegu do stotinak C ima linearnu karakteristiku. Pored platine, otpornički senzori se prave i od nikla i bakra. Postoje i poluprovodnički otpornički senzori. To su termistori, temperaturno osetljivi otpornici, koji se prave od čistog germanijuma, oksida metala hroma, kobalta, železa, nikla i dr. Promena otpora se temperaturom kod ovih senzora je eksponencijalna.     Poluprovodnički senzori nisu klasični senzori već su to poluprovodničke komponente (diode i tranzistori) kod kojih se jačine struja menjaju sa promenom temperature. Postoje i integrisani senzori (analogni ili digitalni) koji objedinjuju temperaturni senzor sa još nekim komponentama. O jednom od njih će u narednom tekstu biti više reči. Treba spomenuti i senzore infracrvenog zračenja koji služe za bezkontaktno merenje površinske temperature tela, bez narušavanja

njegovog temperaturnog polja.

U nastavku teksta biće opisan integrisani digitalni temperaturni senzor DS18S20.

Integrisani digitalni temperaturni senzor DS18S20

   Uredjaji bazirani na mikrokontrolerima postali su nezaobilazni u upravljanju industrijskim procesima i uredjajima. Pošto su mikrokontroleri digitalne komponente javila se potreba za senzorom temeperature koji će umesto analognog davati digitalan signal.

   DS18S20 je temperatruni senzor koji meri temperaturu i u digitalnom obliku je šalje mikrokontroleru. Jednostavan je za korišćenje, ima veliki temperaturni opseg i dovoljnu tacnost za najcešca mesta primene. DS18S20 komunicira preko 1-Wire magistrale pa je za komunikaciju sa mikrokontrolerom potrebna samo jedna linija. Meri temperature u opsegu od -55C do +125C. Greška pri merenju je +-0.5C u opsegu od -10C do 85C. Vreme konverzije signala temperature u digitalni oblik iznosi maksimalno 750ms. Senzor se može napajati direktno preko linije za podatke ("parazitno napajanje"), eliminišući tako potrebu za eksternim napajanjem.

     Svaki DS18S20 senzor ima jedinstven 64-bitni serijski kod, koji dozvoljava da na jednu 1-Wire magistralu bude priključeno više senzora. Ovim je omogućeno da jedan mikrokontroler nadgleda više senzora postavljenih na različitim mestima.

   Senzor se proizvodi sa dva tipa kućišta: TO-92 i SO. Izgledi kućišta i raspored pinova na kućištima dati su na slici 1. U tabeli 1. opisane uloge svih pinova za oba kućišta.  

  Slika 1. Izgled kućišta senzora DS18S20

   

     Tabela 1. Opis pinova senzora DS18S20

   

   Na slici 2. prikazan je blok dijagram senzora DS18S20. 64-bitni ROM čuva jedinstven serijski kod senzora, a u scratchpad memoriji se nalazi 2-bitni temperaturni registar u kome se smešta digitalni izlaz temperaturnog senzora.  

  Slika 2. Blok dijagram senzora DS18S20

   

   DS18S20 koristi Maxim-ov 1-Wire bus protokol preko kog komponenta komunicira sa mikrokontrolerom koristeći jedan kontrolni signal. U ovom sistemu mikroprocesor identifikuje i adresira senzore na magistrali koristeći jedinstven 64-bitni kod svakog senzora. Pošto svaki senzor ima jedinstven kod, broj senzora koji mogu biti adresirani je praktično beskonačan.    

Napajanje senzora DS18S20  

   Velika prednost ovog senzora je mogućnost da radi bez eksternog napajanja. Napajanje senzora se vrši 1-Wire pullup otpornikom preko DQ pina kada je signal na magistrali visok. Visok signal takodje puni interni kondenzator (Cpp), koji onda napaja senzor kada je na magistrali nizak signal. Ova metoda napajanja preko 1-Wire magistrale poznata je kao "parazitivno napajanje". Naravno DS18S20 se može napajati i preko eksternog napajanja dovedenog na Vdd. Na slici 3. prikazana je šema parazitivnog napajanja senzora, a na slici 4. šema napajanja senzora pomoću eksternog napajanja.  

 

Slika 3. Parazitivno napajanje senzora  

  Slika 5. Napajanje senzora pomoću eksternog napajanja

   

   Kada se mere temperature oko 100C nije preporučljivo parazitivno napajanje senzora zato što je moguće da senzor ne bude u stanju da ostvari komunikaciju sa mikrokontrolerom zbog jake struje curenja koja se javlja pri ovim temperaturama. Tada se strogo preporučuje da se senzor naspaja pomoću eksternog napajanja.    

"Alarm" triger  

   Još jedna korisna opcija ovog senzora je "Alarm" triger. Senzor ima mogućnost da šalje signal odredjenog oblika ukoliko se temperatura nalazi u odredjenim granicama koje definiše korisnik. U svom EEPROM-u senzor ima dva registra u koje korisnik pomoću mikroprocesora može upisati donju i gornju temperaturnu granicu. Kada dobije signal od mikroprocesora, senzor meri temperaturu i dobijenu vrednost uporedjuje sa granicama koje je postavio korisnik. Ako se temperatura nalazi u granicama, senzor šalje mikrokontroleru odredjen signal.    

Programiranje mikroprocesora za prihvatanje podataka sa senzora      Zbog veoma česte upotrebe ovog senzora mnogi C-kompajleri imaju gotove biblioteke funkcija koje su prilagodjene za rad sa senzorom DS18S20. Npr. C-kompajler "CodeVision" (kompajler namenjen "Atmel-ovim" mikrokontrolerima) ima biblioteku funkcija "ds18s20.h" u kojoj se nalaze funkcije pomoću kojih mikrokontroler može da:- vrši proveru senzora;- šalje senzoru signal da očita temperaturu i smesti je u svoj interni RAM;- preuzima izmerenu temperaturu;- postavlja gornju i donju granicu alarm-trigera.   I kompajleri za druge mikrokontrolere imaju slične biblioteke. Ovo je veoma korisno, imajući u vidu činjenicu da je komunikacija senzora i mikroprocesora serijska.