Kategori arşivi: Sensörler

LMT01 ile Sıcaklık Probu

LMT01 sıcaklık probu / temperature probe
LMT01 Temperature Probe

LMT01 TI’nin yüksek doğruluklu dijital sıcaklık algılayıcı çipidir. Benim bir sıcaklık ölçüm probu yapma işine soyunduğumda bu malzemeyi seçmiş olmamın ana sebebi, bunun doğruluğunun yüksek olması. İkinci seçim sebebim, bunun dijital çıkışının pulse-count olması. Bu sayede probu ilave bir önlem almaksızın uzatabilirim. Bir üçüncü sebep de, bu sensörün fiziksel yapısı ve malzemesi sayesinde ısıl eylemsizliğinin düşük olması, yani tepki süresinin hızlı olması. Kullanım alanına göre, bu çok önem kazanabilir (ileride anlatacağım). Belki bir seçim sebebi sayılmaz ama TO92 kılıfta geliyor olması da mekanik işleri kolaylaştırıyor.

Pulse count interface, sıcaklık ölçüm sonucunu pulse sayısı olarak çıkış vermek demek. Ayrıca, çipin kendisi de bu arayüzden besleniyor. Pulse çıkışı akım değişimi olarak oluşturuluyor. Bir ölçüm + veri yollama periyodu 104ms sürüyor. Kullanmadığımız zaman çipin enerjisini kesebiliyoruz. Enerjiyi vermeye devam ettiğimiz müddetçe çevrim 104ms’de bir tekrarlanıyor (yani örnekleme frekansı 9,6Hz olarak sabit).

LMT01 bir pulse yollamak için 125uA, boşta durum için 34uA akım çıkışı yapar. Bu akımları gerilime dönüştürmenin en basit yolu bir direnç üzerinden çıkışı toprağa bağlamaktır. Direnç uçlarındaki gerilim sensörün çıkış dalga şekli olacaktır. Bu direnci seçerken LMT01’in uçları arasında 2,15V’luk bir potansiyel farkının korunmasına dikkat etmek gerek. POWER (Vp) ucuna 3V vereceğimizi düşünürsek ölçüm direncimizin uçlarında 125uA çıkış akımı için en fazla 850mV bir gerilim düşümüne hakkımız olduğunu görürüz.

Ben bu mevkide oynatmak için E96 serisinden 6k19 değerinde bir direnç seçtim. Bu direncin uçlarında 125uA pulse’ı yollanırken 774mV gerilim oluşacaktır. Ancak, fark ettiğiniz üzere bu voltaj, bir mikroişlemci girişi tarafından doğrudan lojik olarak okunmaya uygun bir seviye değildir, özellikle de bahsettiğimiz seviyelere bir gürültü marjının da eşlik edeceğini hesaba katarsak..

Gerilim değişimi doğrudan seviye okumaya uygun olmadığında MCU ‘nun comparator modülünü kullanmak uygundur. Ancak isminden de anlaşılacağı gibi, comparator modülünün diğer ucuna da bir referans gerilim bağlamamız gerekecek. Ben bu tarafı da programlanabilir yapmak için şöyle bir yol düşündüm:

LMT01’in çıkışına koyduğumuz direncin aynısından bir tane daha kullanıyoruz ve bunun üstünden de akım çıkışlı DAC ile ayarladığımız bir referans akımı geçiriyoruz. Dirençler aynı değerde oldukları için artık seçeceğimiz eşik değerini son derece güvenilir biçimde akım cinsinden belirleyebiliriz. Sıcaklıkla değişim gibi şeyleri de dert etmek zorunda kalmayız.

Referans akımı 34uA ile 125uA arasında bir yerlerde olmalı. Tam orta noktayı (80uA) seçmek mantıklı gibi gözüküyor.

EFM8SB1’deki DAC 1uA ya da 8uA (Hi current mode) çözünürlükle çalıştırılabiliyor.

EFM8SB1 IDAC module

EFM8SB1’deki akım referansı modülünü Hi-Current mode’da çalıştırıyorum. Bu durumda modül 8uA’lik adımlarla akım çıkışı üretiyor. Modülün akım ayarı 6 bit olarak tanımlanıyor. IREF0DAT = 10 (desimal) yazmakla 80uA çıkış elde ediyorum.

Güç tasarrufu sağlamak için, akım kaynağını yalnızca ölçüm yapacağım zaman açıyorum. Ek olarak, akım kaynağının sürdüğü direncin paralelinde bir kondansatör de olduğu için komparatör çıkışını saymaya başlamadan bir süre önce akım kaynağını açmış olmam gerek.

IREF0CN0 = 0x4A;    // 8*10=80uA akım referansı

Akım kaynağı modülünü 80uA ile çalıştırdığımda iki direncin uçlarındaki gerilim yukarıdaki gibi gözüküyor. Bu seviyenin şimdilik uygun olduğunu düşünüyorum. Şimdilik yazdım çünkü bu denemede LMT01’i 1m uzunluğunda bir kablonun ucuna taktım. Bir de, sensör çıkışındaki dirence paralel 100pF bir kondansatörüm var.

Referans seviyemizi de ayarladığımıza göre artık comparator module’e bakabiliriz:

EFM8SB1 Comparator module

Bizim uygulamada comparator’ün iki girişini de port pinlerine bağlıyorum. Çıkışın asenkron halini de aynı şekilde port pinlerinden birine alıyorum. Interrupt kullanmıyorum. Ama anlayacağınız gibi, eğer pin sayısını azaltma gibi bir gereksinim olsa idi, bu kesmelerden birini kullanarak, sayma işini interrupt handler’a yaptırabilir ve kullanılan modül sayısını azaltabilirdim.

Comparator async. output sinyalini de crossbar üzerinden portlardan birine çıkış veriyorum. Artık burada, komut cycle’ından bağımsız fazlı şekilde LMT01’in count pulse sinyalini görebilirim.

CMP0MD = 0x80;      // fastest response, edge interrupt'lar kullanilmiyor
CMP0MX = 0x44;      // P11 = CMXN, P10 = CMXP
CMP0CN0 = 0x81;		// bunu yapmak comp. modülünü açar ve 5mV negatif hystersiz verir

Comparator modülünü yalnızca sensörü okumak istediğim zaman açıyorum (enerji tasarrufu). 5mV negatif hysteresis (düşen kenar) eklemek, eşik değerini biraz daha yüksek seçsem bile darbe genişliğinin çok azalmamasını sağlıyor (aslında sayma hızım bu mertebelerin çok üstünde olsa da).

5mV’luk düşen kenar hystersis’inin dalga şeklinin duty cycle’ını neredeyse %50’ye getirdiğini görebilirsiniz. Düşen kenardaki overshoot’u benim comparator çıkış pini (CPO) üzerinden ölçüm almam yüzünden görüyorsunuz. CPO pinini T0 girişine 100 ohm gibi bir direnç üzerinden bağlamanın neden iyi olduğunu da açıklıyor (T0 yüksek giriş empedanslı bir sonlandırma ve pull down direnci de bulunmuyor). Elbette burada tüm bu bağlantılar birkaç mm içinde hallolduğu için hiçbir şeyi dert etmeniz gerekmez. Ben genel konuşuyorum, amacımız bu basit sensörü çalıştırmak değil, büyük resmi görün.

Sıcaklık sensöründen gelen pulse’ları lojik seviyeye çevirdikten sonra, şimdi onları saymamız gerekiyor. Karşılaştırıcının çıkışını bir pine alıp onu da işlemcinin sayıcı olarak ayarlayabildiğim bir girişine bağladığımda artık LMT01 pulse’larını kesme falan koşturmadan sayabilirim:

EFM8SB1 T0 Mode0/1

8051 ‘de T0 ve T1 modülleri harici sayaç ya da gated counter olarak ayarlanabiliyor. Bir pini, crossbar’da T0 counter girişine route edip T0’ın CT0 bitini 1 yapmak girişteki pulse’ları saymak için yeterli.

TMOD = 0x25;        // TMR1: mode 2, TMR0: 16 bit counter, TMR0 T0 pin counter mode
TH0 = 0;
TL0 = 0;
TCON_TF0 = 0;
TCON_TR0 = 1;   

Geriye tek bir şey kalıyor: MCU’nun pinlerinden birini, LMT01’i beslemek için çıkış yapmak. Bu pini 0 yaptığımda sensör devre dışı kalmış olacak.

Bu donanım düzenlemelerini yaptıktan sonra pulse count interface ile okuma yapmam için gereken firmware işlemleri şunlar:

1) Sensörü enerjilendir.
2) Akım kaynağını aç.
3) 20ms bekle.
4) Karşılaştırıcıyı aç.
5) Sayıcıyı devreye al.
6) Sayıcının, 180ms boyunca gelen pulse’ları saymasını bekle.
7) 180ms sonunda sayıcıyı kapat. Karşılaştırıcıyı kapat. Akım kaynağını kapat.
8) Gelen pulse sayısı iki ardışık ölçüm sonucunun toplamıdır.

Bir sıcaklık sensöründen sürekli arka arkaya ölçüm almak istemeyiz. Çünkü;
1) Bu zaten gereksizdir çünkü sıcaklık denen fiziksel nitelik genellikle çok hızlı değişen bir şey değildir. (Ortam sıcaklığı gibi şeyler ölçtüğümüzü varsaydığımızda)
2) Enerji bütçemiz kısıtlıdır. 2V – 34uA besleme ile çalışan bir sensör kullanıyorsam düşük güç tüketimi gerektiren bir uygulamam var demektir. Tasarım kriterini bu yönde olabildiğince ileride karşılamaya çalışırım.
3) Dijital bir sensörü sürekli çalıştırırsam onun kendi kendini ısıtmasına neden olurum. Doğruluğu bu mertebede olan bir çipte bu belirgin bir hata yaratacaktır.

Çipi sürekli enerjili tutarsak LMT01 yukarıda göreceğiniz hızla çalışıyor. Bu, olabilecek en yüksek ölçüm hızımızdır. Bir hatta akan suyun sıcaklığını ya da kimyasal bir tepkimenin sıcaklığını ölçmeniz gerekiyorsa 120ms’de bir ölçüm yapabileceğinizi bilmeniz gerek.

Bu sensörün ölçümlerini başka bir sensörle kıyaslayan basit bir uygulama hazırladım. Aşağıdaki trend grafiğinde gördüğünüz 32 *C’lik plato, LMT01’i parmaklarımın arasına alıp birkaç saniye tutmam sonucunda oluşan sıcaklık değişimi.

Bu çalışmayı aşağıdaki sensör board’u ile yaptım:

Kablolu ve kablosuz olarak bir host aygıta sıcaklık ve nem ölçümleri gönderen bir uygulamaya dair bilgileri burada paylaşacağım.

Ayrıca LMT01 kullanan hassas el termometresi tasarımına dair notlarımı da burada paylaşacağım.