افزودن قابلیت اندازه گیری دما به طراحی جمع آوری انرژی حسگرهای دما بی سیم

　　پایش دما نقش مهمی در طیف وسیعی از کاربردها ایفا می کند. برای سیستم های الکترونیکی، دماهای بالاتر یا پایین تر از مشخصات می تواند عملکرد اسمی مدارها و سیستم ها را تحت تأثیر قرار دهد. فراتر از این کاربردهای سنتی مدیریت حرارتی، اندازه گیری دما از یک عملکرد پایش گاه به گاه سیستم به یک عملکرد اصلی برای کاربردهایی مانند اینترنت اشیا (IoT) تغییر یافته است. در اینجا، حسگرهای دمای بی سیم برای تأمین انرژی جهت اندازه گیری داده های حسگر و انتقال بی سیم به فناوری برداشت انرژی تکیه دارند. برای این طراحی های کم مصرف، مهندسان می توانند آی سی های حسگر یکپارچه را از شرکت هایی مانند ADI، Maxim Integrated، Microchip Technology و Texas Instruments پیدا کنند.

　　برای کاربردهای عمومی اندازه گیری دما، مهندسان می توانند از میان حسگرهای دمایی مختلف از جمله ترموکوپل ها، RTDها، ترمیستورها و حسگرهای IC انتخاب کنند. ترموکوپل ها معمولا برای سنجش دمای بالا استفاده می شوند؛ RTD برای بازه های دمایی پایین تر مناسب است؛ و ترمیستورها حسگرهای ترجیحی برای تشخیص دقیق در بازه دمایی باریک هستند. هر نوع می تواند اندازه گیری های دقیقی برای اکثر کاربردها ارائه دهد، اما مهندسان با مجموعه ای از چالش ها در تولید داده های دما قابل اعتماد و دقیق مواجه هستند.

　　اندازه گیری دما

　　برای طراحان، پیاده سازی کاربردهای حسگر نیازمند ساخت مدارهای تنظیم سیگنال برای فراهم کردن داده های مناسب برای کاربردهای پایین دستی است. معمولا مدارهای شرطی سازی سیگنال باید شامل تقویت کننده ها، فیلترها، مقایسه گرها، ارجاعات ولتاژ و مبدل های مبدل در مسیر سیگنال باشند. علاوه بر این، بسته به نوع حسگر، طراحان باید جبران دمای سرد را بررسی کنند، منابع تحریک جریان یا ولتاژ را ارائه دهند و جداول جستجو برای خطی سازی را مدیریت کنند (شکل ۱).

　　افزودن قابلیت اندازه گیری دما به طراحی برداشت انرژی حسگرهای دمایی بی سیم شکل ۱: با استفاده از حسگرهای دمای سنتی در طراحی، مهندسان باید الزامات تحریک و بارگذاری حسگرها را برآورده کرده و زنجیره سیگنالی بسازند که قادر به تبدیل مقادیر غیرخطی حسگر به داده های دقیق دما باشد (ارائه شده توسط Maxim Integrated). اگرچه این دستگاه ها بسیار پیچیده هستند و می توانند برای عملیات پیچیده پایش دما در سطح سیستم استفاده شوند، مهندسان می توانند ICهای حسگر دما ساده تری پیدا کنند. این دستگاه ها به طور خاص برای اندازه گیری دما طراحی شده اند و طراحی را با ترکیب حسگرهای دمای روی تراشه با مدارهای تنظیم سیگنال مجتمع ساده می کنند و نیاز طراحان به حل جزئیات کلیدی شرطی سازی سیگنال و تبدیل داده در کاربردهای ساده حسگر را از بین می برند. این دستگاه های یکپارچه خروجی آنالوگ یا دیجیتال را ارائه می دهند، از جمله تمام عملکردهای پردازش سیگنال که برای تولید خروجی خطی دقیق در بازه دمایی وسیع لازم است. این دستگاه ها معمولا نیازهای کلی مصرف انرژی حسگرها را کاهش می دهند و معمولا حالت های مصرف انرژی فوق العاده پایین مورد نیاز برای طراحی حسگرهای بی سیم با فناوری برداشت انرژی را فراهم می کنند.

　　حسگر دمای Texas Instruments LM74 یک حسگر دمای باندگپ و یک ADC ۱۲ بیتی ΔΣ را با منطق کنترل مرتبط، رجیسترها و رابط سریال سه سیمه سازگار با SPI (شکل ۲) ادغام می کند. به طور پیش فرض، دستگاه در حالت سوئیچینگ پیوسته روشن می شود.

　　مصرف ۲۶۵ میکروآمپر (مقدار معمول) برای افزودن قابلیت اندازه گیری دما به طراحی برداشت انرژی حسگرهای دمای بی سیم. شکل ۲: حسگرهای دمای IC طراحی کاربردهای حسگر دما را با یکپارچه سازی حسگرها، مدارهای تنظیم و تبدیل روی تراشه (ارائه شده توسط Texas Instruments) ساده می کنند. با این حال، از آنجا که کاربردهای حسگر دما نیازمند نمونه برداری دوره ای هستند، مهندسان می توانند LM74 را روی حالت خاموش کردن مصرف کم مصرف با مصرف برق کمتر از ۱۰ میکروآمپر تنظیم کنند (مقدار معمول بسته های DSBGA در ۳.۳ ولت و ۸ میکروآمپر برای بسته های SOIC در ۵ ولت). در این حالت، رابط سریال فعال باقی می ماند و دستگاه آخرین خوانش های دما را در رجیسترهای داخلی خود حفظ می کند. بنابراین، مهندسان می توانند LM74 را فراخوانی کنند، دما را کامل کنند و دستگاه را به حالت خاموش شدن بازگردانند. در هر زمان، حتی در حالت خاموشی، هر واحد میکروبی سی می تواند از رابط های سریال برای جمع آوری جدیدترین داده های دما استفاده کند.

　　پیکربندی های متنوع

　　مهندسان می توانند انواع مختلفی از حسگرهای دمای IC را بیابند که زنجیره های سیگنال کامل را با مناطق مختلف یکپارچه می کنند (دوباره به شکل ۱ مراجعه کنید)، همچنین زنجیره های سیگنال که عملکردهای اضافی ارائه می دهند. AD22100 ADI یک زنجیره سیگنال آنالوگ کامل بدون مدارهای آنالوگ اضافی برای تنظیم دقیق، بافرینگ یا خطی سازی فراهم می کند. در این نوع دستگاه، مهندسان باید قابلیت های تبدیل جداگانه ای ارائه دهند که اغلب به MCU هایی با ADCهای یکپارچه متکی است.

　　AD22100 خروجی متناسب را فراهم می کند، به طوری که ولتاژ خروجی متناسب با دمای ولتاژ تغذیه دستگاه است: وقتی دستگاه با یک منبع تغذیه +5.0 ولت تغذیه می شود، از 0.25 ولت در -50 درجه سانتی گراد به +4.75 ولت در +150 درجه سانتی گراد تغییر می کند. استفاده از حسگرهای نسبت استفاده از ADC را ساده تر می کند زیرا همان منبع تغذیه می تواند به عنوان مرجع برای ADC عمل کند بدون نیاز به مرجع ولتاژ دقیق جداگانه و گران قیمت (شکل ۳).

　　افزودن قابلیت اندازه گیری دما به طراحی برداشت انرژی حسگرهای دمای بی سیم شکل ۳: AD22100 ADI، IC حسگر دمای متناسب است که اجازه می دهد منبع تغذیه +۵ ولت یکسانی برای هر دو ولتاژ مرجع AD22100 و ADC بدون نیاز به مرجع ولتاژ دقیق جداگانه (ارائه شده توسط Analog Devices) داشته باشد. تغییرات کوچک در ولتاژ منبع تغذیه تأثیر چندانی ندارد چون هم AD22100 و هم ADC از منبع تغذیه به عنوان مرجع استفاده می کنند. برای کاربردهای معمول برداشت انرژی مبتنی بر MCU های یکپارچه، مهندسان می توانند به طور مشابه از ADCهای یکپارچه MCU بدون نیاز به ارجاعات دقیق ولتاژ استفاده کنند، اگرچه ممکن است یک فیلتر RC ساده برای ایمنی در برابر نوسانات سرعت بالا لازم باشد. پین ورودی ADC MCU.

　　به همین ترتیب، سری MCP9700 فناوری میکروچیپ راه حل ساده ای برای اندازه گیری دما ارائه می دهد. بر اساس فناوری ترمیستور فعال خطی Microchip، سری IC حسگرها بر وابستگی دمایی دیودهای داخلی برای تولید سطوح ولتاژ خروجی وابسته به دما تکیه دارد. ضریب دمایی دیود داخلی باعث می شود ولتاژ خروجی با دمای نسبی محیط بین -40° تا 150°C مرتبط باشد. برای MCP9700، تغییرات ولتاژ در این بازه دمایی را می توان به ضریب دمایی ۱۰.۰ میلی ولت بر درجه سانتی گراد (مقدار معمول) تنظیم کرد. در حالی که مدارهای کنترل حرارتی بسیار پیچیده قابل استفاده هستند، بیشتر آن ها عملکردهایی برای پایش سیستم های بزرگ ارائه می دهند که فراتر از محدوده طراحی های معمول حسگرهای بی سیم است. با این حال، حتی کاربردهای ساده حسگر دما نیز ممکن است خطر کار با انحرافات دمایی فراتر از محدودیت های طراحی را به همراه داشته باشند. برای این کاربردها، طراحان می توانند مدارهای حسگر دما مانند Texas Instruments (TI) LM75A را انتخاب کنند که عملکرد پایش حرارتی را بدون سربار تجهیزات پیچیده تر پایش حرارتی ارائه می دهند.

　　مهندسان می توانند از دستگاه هایی مانند LM75A برای اندازه گیری دما استفاده کنند، اما مدارهای حساس در صورت داغ شدن بیش از حد غیرفعال می شوند. به همین ترتیب، فناوری میکروچیپ TCN75A نه تنها به طراحان امکان اندازه گیری دما را می دهد، بلکه سیگنال های خروجی هشدار را که هنگام عبور دما از آستانه مشخص شده فعال می شوند نیز نظارت می کند.

　　آی سی های حسگر دما می توانند پیاده سازی برنامه های اندازه گیری دما را به طور قابل توجهی ساده کنند. از سوی دیگر، آن ها از حسگرهای دمای روی تراشه استفاده می کنند، به این معنی که اگر مسیر حرارتی بهینه از پین هایشان عبور کند، اندازه گیری های دستگاه در نهایت دمای برد مدار چاپی که روی آن نصب شده (یا حتی خود تراشه) را منعکس می کند. بنابراین، تولیدکنندگان معمولا توصیه می کنند از قطعاتی که در پلاستیک کپسوله شده اند استفاده شود، زیرا پلاستیک به عنوان عایق حرارتی مؤثرتری بین حسگر و برد مدار چاپی عمل می کند. برای ایزولاسیون بیشتر، مهندسان می توانند آی سی های حسگر را در یک محفظه حرارتی مهر و موم شده نصب کرده و در محیط های مورد نظر قرار دهند.

　　برای کاربردهایی که نیاز به جداسازی کامل اندازه گیری حرارتی دارند، مهندسان همچنان می توانند دستگاه هایی پیدا کنند که زنجیره سیگنال کاملی را یکپارچه کنند اما به حسگرهای خارجی متکی باشند. MAX6682 و MAX6674 Maxim Integrated به ترتیب از ترمیستورها و ترموکوپل های خارجی برای تولید داده های دمایی دیجیتال استفاده می کنند. طراحان فقط باید ورودی دستگاه را به حسگر دمای مناسب متصل کنند و خروجی سه سیمه سازگار با SPI دستگاه را به MCU وصل کنند تا حسگر دمای کامل را به دست آورند (شکل ۴).

　　افزودن قابلیت اندازه گیری دما به طراحی برداشت انرژی حسگرهای دمای بی سیم شکل ۴: کاربردهایی که نمی توانند از حسگرهای دمای یکپارچه استفاده کنند، می توانند به ICهای یکپارچه مانند Maxim Integrated MAX6682 و MAX6674 تبدیل شوند که زنجیره سیگنال کامل را یکپارچه می کنند اما به ترتیب به ترمیستورها و ترموکوپل های خارجی متکی اند (ارائه شده توسط Maxim Integrated). » خلاصه: آی سی های حسگر دما راه حلی ساده و کم مصرف برای کاربردهای پایه اندازه گیری دما ارائه می دهند. با یکپارچه سازی حسگرهای دمای روی تراشه با سطح آنالوگ یا حتی دیجیتال کل زنجیره سیگنال، این دستگاه ها می توانند اندازه گیری های دما را به عنوان خروجی ولتاژ یا مقادیر نهایی دیجیتال در نظر بگیرند. با وجود ICهای حسگر یکپارچه موجود، مهندسان می توانند به راحتی قابلیت های اندازه گیری دما را به طراحی های حسگرهای بی سیم کم مصرف که از فناوری برداشت انرژی استفاده می کنند، اضافه کنند.