Projekt czujnika temperatury: Wprowadzenie

Jak wspomniałem wcześniej, uwielbiam zbierać dane. Czujniki temperatury wydają się być proste na pierwszy rzut oka, ale jest w nich dużo więcej, niż mogłoby się wydawać, w tym ogromna gama typów czujników. W tej serii zbudujemy szereg płytek PCB, które będą obejmować wszystkie typy czujników temperatury oraz obwody do ich implementacji. Zbudujemy również parę płyt mikrokontrolerów do zbierania danych i oceny czujników względem siebie. Na koniec zamontujemy wszystkie typy czujników na jednej z tych płyt głównych i wystawimy wszystkie czujniki na różne warunki środowiskowe. Pozwoli nam to zobaczyć, jak czujniki się porównują i zarekomendować, który czujnik jest odpowiedni dla Twoich potrzeb, zastosowań i budżetu.

Czujniki temperatury są niezbędne w wielu branżach. Nawet na Twojej płytce PCB czujnik temperatury może być używany do zapewnienia dokładnych danych z innych czujników, jak również do ochrony płyty przed przegrzaniem.

Typy czujników temperatury

• Termistory o ujemnym współczynniku temperatury (NTC)
• Termistory o dodatnim współczynniku temperatury (PTC)
• Czujniki temperatury oporowej (RTD)
• Układy scalone czujników temperatury analogowych
• Układy scalone czujników temperatury cyfrowych
• Termopary

Wszystkie czujniki użyte w tej serii projektów, a także wiele innych, znajdziesz w mojej otwartej bibliotece Celestial Altium Library, co pozwoli Ci szybko rozpocząć pracę nad projektem czujnika. Płytki ewaluacyjne do tej serii są dostępne na GitHub, razem ze wszystkimi przykładowymi obwodami czujników. Każda część tej serii jest wydana na licencji MIT, więc możesz swobodnie korzystać ze schematów do własnego projektu lub używać płyt do ewaluacji czujników.

Powyżej znajduje się projekt PCB, o którym będziesz czytać w Altium 365 Viewer; darmowy sposób na łączenie się z współpracownikami, klientami i przyjaciółmi z możliwością oglądania projektu lub pobrania za pomocą jednego kliknięcia! Wgraj swój projekt w ciągu kilku sekund i miej interaktywny sposób na dogłębne zapoznanie się bez potrzeby korzystania z obszernego oprogramowania czy dużej mocy obliczeniowej komputera.

Generyczne wytyczne dotyczące czujników

Zanim przejdziemy do konkretnych typów czujników, porozmawiajmy o ogólnych rozważaniach dotyczących używania czujników temperatury. Załóżmy, że próbujesz zmierzyć temperaturę zewnętrzną. W takim przypadku rozważania dotyczące układu będą inne niż w przypadku, gdy próbujesz zmierzyć temperaturę krytycznego komponentu lub obszaru PCB. Podobnie, jeśli mierzysz temperaturę poza swoją płytą PCB, pojawia się kolejny zestaw rozważań.

Dodatkowo, musisz również wziąć pod uwagę samonagrzewanie się czujnika i masę termiczną.

Mierzenie temperatury zewnętrznej, z poziomu PCB

Jeśli próbujesz zmierzyć temperaturę zewnętrzną, kluczowe jest jak największe izolowanie czujnika od PCB. Najbardziej powszechnym i skutecznym sposobem na to jest fizyczna izolacja czujnika. Samo umieszczenie czujnika temperatury na krawędzi płyty jest niewystarczające, jeśli zależy ci na dokładnym pomiarze temperatury lub na maksymalnym wykorzystaniu możliwości czujnika, ponieważ ciepło będzie przewodzić przez podłoże do czujnika. Wszystkie obwody generują ciepło poprzez straty rezystancyjne, niektóre płyty PCB znacznie więcej niż inne, dlatego fizyczna izolacja jest kluczowa.

Umieszczenie czujnika temperatury jak najdalej od jakiegokolwiek źródła ciepła na płytce obwodu jest fantastycznym pierwszym krokiem. Dodanie frezowanego otworu wokół czujnika temperatury dopełnia izolację. Upewnij się jednak, że zostawisz wystarczająco dużo PCB, aby czujnik nie odłamał się jak zakładka na panelu. Powinien być na tyle mocny, aby można było go obsługiwać, przechodził przez proces montażu i brał pod uwagę wymagania aplikacji - wstrząsy, wibracje i tym podobne.

Warto również rozważyć obudowę. Obudowa powinna zapewniać dobry przepływ powietrza do czujnika, ale jeśli to możliwe, nie dopuszczać do przepływu powietrza z reszty płytki obwodu. Obudowa również nie powinna przekazywać ciepła do czujnika, a więc nie dotykać żadnej części izolowanej płytki obwodu, na której znajduje się czujnik.

Kiedy zaczynasz pracować z czujnikami temperatury, możesz zacząć kwestionować samą rzeczywistość. Gdy zaczynasz próbować dokładnie mierzyć temperaturę bez znaczącego laboratorium, zaczynasz mieć wrażenie, że jest to niemożliwe. Co to jest 21°C? Skąd wiemy, że to nie jest właściwie 20,9°C lub 22°C, czy to ma znaczenie?

Czujniki temperatury na pokładzie

Załóżmy, że chcesz zmierzyć temperaturę określonego fragmentu PCB lub konkretnego komponentu z płyty obwodu. W takim przypadku będziesz chciał zrobić dokładnie odwrotnie niż sugerowano wcześniej. Oznacza to, że musisz zapewnić, aby Twój czujnik miał jak największe połączenie z danym obszarem. Będziemy rozmawiać o bardzo interesującym czujniku później w serii, Microchip EMC1833T, który pozwala na zdalne wykrywanie diody. Jest on specjalnie przeznaczony do pomiaru temperatury na krzemie dla układów scalonych, które to wspierają - włączając w to niestandardowe ASIC, które mogłeś opracować.

W przypadku większości czujników, będziesz chciał przekazać ciepło do krzemu lub elementu rezystancyjnego czujnika z jak najmniejszą opornością termiczną. Jeśli masz urządzenie z radiatorem, spróbuj podzielić ten radiator z czujnikiem temperatury. W przeciwnym razie umieść komponent czujnika jak najbliżej urządzenia lub obszaru o wysokiej temperaturze na płycie, i w idealnym przypadku miej połączenie elektryczne z warstwą miedzi, która pełni funkcję radiatora. To połączenie elektryczne, potencjalnie zasilanie lub masa, może pomóc przekazać ciepło bezpośrednio do krzemu czujnika.

Pomiar temperatury poza płytą

Gdy potrzebujesz zmierzyć temperaturę czegoś poza swoją płytą obwodu, na przykład maszyny, wybór typu czujnika może być absolutnie kluczowy dla sukcesu Twojego projektu. Większość typów rezystancyjnych czujników temperatury nie będzie idealnym wyborem, ponieważ oporność kabli może wpływać na zmierzoną temperaturę. Istnieją jednak czujniki, które można umieścić poza płytą i pozycjonować przez otwór w obudowie. Pomoże to zapewnić, że temperatura jest zbierana z dala od gorących komponentów na płycie.

 

Ogólnie, rozwiązania z użyciem kabli oferują znaczące wyzwania w środowisku przemysłowym, ponieważ indukowane napięcia i prądy na kablu przez zakłócenia elektromagnetyczne od sprzętu i maszyn mogą być szkodliwe dla dokładności pomiaru. Dla czujników, które mają analogowe wyjście, konieczne są odpowiednio ekranowane kable. Podobnie, cyfrowe czujniki z interfejsem I2C mogą nie być wykonalne, jeśli odległość między płytą a czujnikiem jest zbyt duża, ponieważ I2C nie jest dobrym wyborem dla długich ścieżek sygnałowych. W zależności od zakresu temperatur, użycie czujnika takiego jak termopara może być jedynym wyborem i doskonałym rozwiązaniem dla środowisk przemysłowych.

Samonagrzewanie się czujnika

Wszystkie komponenty na płytce obwodu generują pewną ilość ciepła podczas pracy. W przypadku czujnika temperatury może to być katastrofalne dla dokładnego odczytu temperatury, ponieważ własne straty rezystancyjne urządzenia mogą powodować przesunięcie temperatury w próbkowanej temperaturze. Jeśli wymagasz najwyższej dokładności, wybór urządzenia o bardzo niskim prądzie lub używanie urządzenia rezystancyjnego przy bardzo niskim prądzie da ci znacznie bardziej precyzyjne wyniki temperatury.

Masa termiczna

Pracowałem nad projektami, w których dodawaliśmy znaczne ilości masy termicznej do czujnika, aby mógł on dokładnie reprezentować temperaturę ważną dla projektu. Na przykład, w komercyjnej lodówce lub zamrażarce, dodanie masy termicznej do urządzenia monitorującego temperaturę produktów mięsnych pozwala na zebranie prawidłowej temperatury pomimo otwierania i zamykania drzwi. Masa termiczna działa niejako jak pojemność termiczna.

W innych sytuacjach, jakakolwiek ilość masy termicznej może sprawiać problemy, ponieważ temperatura odczuwana pozostaje w tyle za rzeczywistą temperaturą. Umieszczenie czujnika bezpośrednio na dużej płytce drukowanej lub obszarze miedzianym bez izolacji nie pozwoli łatwo wykryć małych lub szybkich zmian temperatury otoczenia. Czujnik i cała płyta muszą się nagrzać lub ochłodzić do nowej lokalnej temperatury, zanim będzie można uzyskać dokładny odczyt temperatury. Dla czujnika, który musi dokonywać pomiarów o wysokiej częstotliwości, które dokładnie odzwierciedlają środowisko, minimalizacja masy termicznej jest ważnym krokiem do podjęcia.

Tolerancja i precyzja czujnika

Zanim zbyt daleko zapuścisz się w dodawanie czujnika temperatury do swojego projektu lub oparcie swojego projektu na pomiarze temperatury, musisz zrozumieć jedną rzecz: nigdy nie będziesz w stanie zmierzyć temperatury za pomocą jakiegokolwiek układu scalonego czy komponentu montowanego na płytce. Wszystko, co możesz zmierzyć, to przybliżona temperatura - ważne jest, czy to przybliżenie temperatury jest dla Ciebie wystarczająco precyzyjne. Dla niektórych zastosowań czujnik dokładny do 5°C będzie wystarczający. Jeśli monitorujesz krytyczną temperaturę w procesie, dokładność 0,1°C może okazać się niewystarczająca. Poznanie dokładnej temperatury jest dla nas praktycznie niemożliwe, chodzi o to, ile stopni dokładności potrzebujesz, aby Twój projekt działał - to musisz zrozumieć. Większość czujników dostępnych na rynku nie zapewni Ci więcej niż jednego miejsca po przecinku precyzji, a wiele z nich nie zapewni więcej niż 1°C precyzji, niektóre mają trudności nawet z tą dokładnością. Wyższa precyzja zwykle wiąże się z wyższymi kosztami implementacji, czy to samego czujnika, czy też układu wspomagającego.

Poza dokładnością mamy również tolerancję. Możesz mieć bardzo dokładny czujnik temperatury z szerokim zakresem tolerancji lub czujnik o bardzo ścisłej tolerancji, ale z szerokim zakresem dokładności. Jeśli pomyślisz o łucznictwie, ścisła tolerancja, ale niska dokładność, może oznaczać, że wszystkie strzały są grupowane bardzo blisko siebie, a nawet każda strzała dzieli następną - ale nie są one bardzo blisko środka tarczy. Bardzo dokładny, ale o niskiej tolerancji czujnik, może oznaczać, że wszystkie twoje strzały grupują się wokół środka tarczy, ale nigdy nie trafiają dokładnie w to samo miejsce. Chociaż większość czujników będzie miała tendencję do bardzo wysokiej dokładności w połączeniu z bardzo ścisłymi tolerancjami lub bardzo niskiej dokładności z bardzo szerokimi tolerancjami, znajdziesz więcej niż kilka, które mają trochę jednego i drugiego.

Dla niektórych zastosowań bardzo ścisła tolerancja może być ważniejsza niż absolutna dokładność temperatury, którą zgłasza czujnik. Przesunięcie dokładności można obsłużyć w oprogramowaniu, jeśli czujnik został scharakteryzowany w laboratorium, aby wiedzieć, jak raportuje. Jeśli weźmiesz 1000 próbek, wszystkie są praktycznie identyczne, w bardzo ścisłej tolerancji, nawet jeśli wszystkie odczyty są o 2°C nieprawidłowe.

W innych zastosowaniach ważniejsze może być poznanie rzeczywistej temperatury. Jeśli weźmiesz 1000 odczytów z czujnika, wszystkie będą się nieco różnić, ale ogólnie będą oscylować wokół rzeczywistej temperatury. Możesz wziąć te odczyty i uśrednić je, aby lepiej zrozumieć rzeczywistą temperaturę; jednak każdy pojedynczy odczyt jest trochę nieprecyzyjny.

Tanie czujniki, takie jak termistory, mogą mieć słabą dokładność i tolerancję w porównaniu z innymi opcjami. Te czujniki mogą być akceptowalne w aplikacjach, gdzie potrzebujesz ogólnego pomysłu na temperaturę, takich jak termiczna ochrona płytki drukowanej. Korzystając z wcześniejszej analogii, czujniki tego typu są bardziej jak początkujący łucznik strzelający do celu, ich strzały są rozrzucone po całym tarczy, a niektóre mogą nawet całkowicie chybić… ale przynajmniej masz ogólne pojęcie o obszarze celu.

Płytka Testowa Czujnika

Każdego tygodnia będziemy uczyć się o innym typie czujnika temperatury. Jednak wszystkie będą miały wspólny interfejs, aby ułatwić ich testowanie. Będziemy mieli dwie różne płytki bazowe, jedna z nich będzie mogła łączyć się z wszystkimi różnymi czujnikami i monitorować je, a druga będzie mogła szybko testować pojedynczy czujnik. Obydwie opcje będą miały mikrokontroler z obsługą USB do zbierania danych.

Każdy czujnik będzie miał złącze mezzanine na górze i na dole, co pozwoli na ich układanie jeden na drugim, a także zestaw styków na końcu płytki, naprzeciwko czujnika. Te styki umożliwią podłączenie czujnika do złącza krawędziowego karty na pojedynczym hoście testowym czujnika.

Możliwość układania połączeń pozwoli na wysoką gęstość czujników na testerze wieloczujnikowym, zapewniając jednolitą temperaturę otoczenia wokół wszystkich czujników. W ten sposób możemy zmieścić wiele czujników na mniejszej powierzchni, idąc w pionie, ale nadal utrzymywać czyste powietrze wokół czujnika. Będziemy testować czujniki poza ich pełnym zakresem temperatur, jak również sprawdzać, jak szybko czujnik może reagować na zmiany temperatury, więc umieszczenie wszystkich czujników w czystym powietrzu, ale niezbyt daleko od siebie, pozwoli na lepsze porównanie.

Szablon Płytki Czujnika

Ponieważ będziemy tworzyć całą serię płyt czujników, pomyślałem, że dobrym pomysłem byłoby stworzenie projektu szablonu, który ma już zdefiniowane schemat i płytę z złączami. Zapewni to, że płytki będą dobrze się układać, łączyć oraz również zaoszczędzi dużo czasu na każdej płytce.

Szablony w Altium są niezwykle łatwe do wdrożenia. W innych programach (nie tylko pakietach ECAD) stworzenie szablonu może być prawdziwym problemem, podczas gdy Altium nie ma żadnych szczególnych typów plików czy wymagań dotyczących szablonu, wystarczy umieścić PCB, schemat lub pełny projekt w katalogu szablonów. Po następnym uruchomieniu będzie dostępny. Jedną rzecz, którą chciałbym zaznaczyć, to upewnienie się, że w swoim szablonie używasz tylko bibliotek, które masz zainstalowane lub są w Altium 365, aby Altium zawsze mogło znaleźć używane przez Ciebie obrysy i symbole. Biblioteka bazy danych lub skompilowana zintegrowana biblioteka, która została dodana do zakładki „Zainstalowane” w preferencjach biblioteki opartej na plikach, są świetnym rozwiązaniem, jeśli jeszcze nie przeszłeś na Altium 365.

Obie płytki czujników, analogowa i cyfrowa, będą miały ten sam układ płytki, jednak połączenia elektryczne na złączach będą różne. Używam złączy mezzanine serii Hirose DF12(3.0)-14D do układania płyt, ponieważ są one jednymi z najbardziej dostępnych i najtańszych złączy. Wysokość 3 mm między płytami jest idealna dla tych czujników, pozwalając na kompaktowe ułożenie, ale każdy z typów czujników powinien nadal pasować między płytkami bez wpływu od płytki znajdującej się powyżej lub poniżej.

Szablon Czujnika Temperatury Analogowej

Aby utworzyć szablon projektu, możemy zacząć od stworzenia projektu w zwykłym katalogu, tak jak każdy inny projekt. Następnie dodajemy schemat i PCB dokładnie tak, jak zwykle to robimy.

Kontynuując temat budowania projektu tak, jak zawsze, dodaj części schematu, które będą wspólne dla wszystkich projektów korzystających z tego szablonu. Możesz łatwo przechowywać i uzyskiwać dostęp do tego szablonu projektu za pomocą Altium 365. Najpierw musisz umieścić projekt w swojej Przestrzeni Roboczej Altium 365 za pomocą polecenia "Udostępnij Projekt Online" z Panelu Projektów.

To polecenie umieści projekt w Twojej Przestrzeni Roboczej Altium 365. Możesz również dodać projekt do formalnej kontroli wersji, więc wszelkie zmiany w tym szablonie projektu będą automatycznie śledzone.

Po umieszczeniu tego projektu szablonowego w Altium 365, możesz tworzyć nowe karty czujników, klonując bieżący projekt. Najłatwiejszym sposobem na to jest wejście do swojego Workspace poprzez przeglądarkę internetową i użycie polecenia "Klonuj". Spowoduje to utworzenie kopii projektu, który następnie możesz otworzyć i modyfikować w Altium Designer. Zawsze dobrym pomysłem jest trzymanie projektów szablonowych oddzielnie od projektów produkcyjnych, stosując gdzie to możliwe schemat nazewnictwa/numeracji. Kiedy klonujesz projekt, będziesz miał możliwość zmiany nazwy, dzięki czemu możesz śledzić różnice między szablonem a nowym projektem produkcyjnym.

Dodawanie Złącz

W tym projekcie dodaję oba złącza mezzanine o tym samym układzie. Kiedy tworzyłem obrysy w mojej bibliotece, upewniłem się, że pin numer jeden będzie pasował do pinu numer 1 złączonego złącza. Ta decyzja bardzo ułatwia tworzenie stosów, nawet jeśli może nie do końca pasować do numeracji pinów producenta z ich rysunku produkcyjnego.

Dzięki złączom 14-pinowym mogę mieć zarówno zasilanie 3,3V, jak i 5V, a także dziesięć kanałów analogowych. Chociaż mogłabym złożyć dziesięć płyt, kilka topologii czujników analogowych, które zamierzamy użyć, będzie mogło wykorzystać pary różnicowe dla wyjścia, a nasze płyty główne będą miały wejścia ADC, które mogą obsługiwać pary różnicowe.

Jak wspomniano wcześniej, chcę również móc podłączyć pojedynczą płytę do płyty, która może pracować z pojedynczą kartą czujnika, aby szybko i łatwo zweryfikować płytę lub przetestować czujnik. Aby to zrobić, chcę mieć styki na końcu płyty, aby można było ją podłączyć do złącza krawędziowego karty.

Ponieważ nie ma potrzeby posiadania 10 analogowych kanałów do złącza krawędzi karty, użyłem dwóch rezystorów o zerowej oporności jako złącza sieci, co pozwala mi również na ich wylutowanie, jeśli chcę izolować połączenia analogowe do końcowych padów startowych. Złącze krawędzi karty będzie typu TE 5650118-3, które oferuje łączność na 12 pinów. Chcę jednak mieć możliwość podłączenia płytki sensora w dowolnej orientacji bez ryzyka uszkodzenia czegoś, więc połączenia po stronie dolnej są takie same jak na górze - tylko odwrócone. W szablonie nie podaję żadnego wejściowego sygnału do rezystora, ponieważ będzie to zależało od konkretnej implementacji sensora na płytce i od tego, którego kanału analogowego używa. Dla połączenia sensora nieróżnicowego, strona ujemna może być po prostu połączona do masy w schemacie sensora.

Na PCB dodałem otwór montażowy o średnicy 3mm, więc zestaw nie jest podtrzymywany wyłącznie przez złącze mezzanine. Mam nadzieję, że rozmiar płytki jest wystarczająco duży dla każdej z topologii sensorów, które zamierzamy użyć, z płytką o szerokości 25mm i długości 50mm poza złączem krawędziowym.

Dodałem opis sitodruku dla kanałów, aby móc dodać obszar wypełnienia do każdego z pól kanałów analogowych, których będzie używał czujnik, aby upewnić się, że podczas budowania stosu czujników nie skończę z dwoma kanałami podłączonymi do tego samego portu analogowego. Dodałem również pewien tekst zastępczy, dzięki czemu każda płytka otrzyma opis typu i topologii czujnika w tym samym miejscu, co da mi na końcu ładnie dopasowany zestaw czujników.

Jak wspomniałem na początku tego artykułu, musimy zapewnić, aby czujnik był termicznie izolowany od reszty płytki. Dodałem 3mm rowek frezowany do warstwy trasowania, który zapewni izolację termiczną dla końca płytki. Pozwoli mi to umieścić wszelkie wzmacniacze lub inne źródła ciepła między otworem montażowym a rowkiem, z dala od elementu czujnika temperatury. Ważnym punktem, o którym należy pamiętać, dodając rowki do płytki, jest dodanie ścieżki wyłączenia, która jest identyczna ze ścieżką rowka. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby przypadkowo przeciąć przez rowek! Na szczęście w przeszłości zawsze udawało mi się wyłapać moje błędy tutaj podczas końcowych sprawdzeń przed wysłaniem pliku płytki do firmy produkcyjnej - ale bywało to bardzo blisko niejednokrotnie!

Testując szybkość reakcji czujników, chcę mieć spójną powierzchnię płytki, więc każdy czujnik jest traktowany równo - zamierzam starać się nie modyfikować tego rozmiaru rowka ani jego pozycji, gdy będziemy kontynuować budowanie płytek czujników.

Chociaż to wszystko wygląda ładnie i zapewni spójny układ - jedną z najpotężniejszych funkcji szablonu dla projektu tego typu, gdzie budujemy całą serię prawie identycznych płyt, jest możliwość posiadania wszystkich wspólnych trasowań na swoim miejscu.

Trasowanie nie zajmuje zbyt wiele czasu, ale gdy trzeba to zrobić 20 lub więcej razy, przy czym każda płyta jest taka sama, ten szablon zaoszczędzi dużo czasu!

Szablon Cyfrowego Czujnika Temperatury

Możemy użyć tego samego procesu do tworzenia szablonu projektu z cyfrową wersją tej karty czujnika temperatury. Zamiast używać dwóch napięć źródłowych do zasilania różnych analogowych czujników temperatury, użyjemy na płycie magistral I2C i SPI do interfejsu z cyfrowymi czujnikami temperatury. Poniżej pokazano projekt szablonu dla tej karty czujnika. Możesz również zauważyć na powyższym obrazie, że w szablonie uwzględniłem również funkcje panelizacji.

Dodałem nieplaterowane pady wzdłuż wycięć frezowanego otworu, aby stworzyć funkcje "mouse nibble", które utworzą zaczepy, które można łatwo odłamać, gdy projekt zostanie wyprodukowany. Chciałem, aby końce były czysto frezowane i nie chciałem, aby szorstka krawędź v-score przebiegała wzdłuż długich boków płytki - więc zaczepy "mouse nibble" były najlepszą opcją, aby zachować stosunkowo czystą krawędź płytki. Umieszczając wiercenia tuż nad obrysem płytki, zmniejszy to, jak bardzo zaczep wystaje z płytki. Te płytki nie będą umieszczane w obudowie o ścisłym dopasowaniu, więc słaba tolerancja wymiarowa odłamanego zaczepu płytki drukowanej nie spowoduje problemów z dopasowaniem lub funkcjonowaniem.

Ponieważ płytki czujników mają 3mm wysokość styku między płytkami, chcemy dodać regułę, która zapewni, że nie można umieścić żadnych komponentów, które mogłyby zderzyć się z komponentem powyżej. W najlepszym przypadku, możemy mieć jedną płytkę na stos z komponentem wyższym niż 3mm, najwyższy komponent.

Oprócz naszych zwykłych zasad projektowania, zmieniam również domyślną regułę Umieszczania/Wysokości, aby ograniczyć wysokość do 2,9 mm. W mojej Bibliotece Celestial Altium każdy komponent ma dokładny model 3D, w tym wszystkie kondensatory, co zapewni, że nie umieszczę przypadkowo kondensatora lub innego komponentu, który jest tylko trochę za wysoki.

Zamiast zaczynać od zera dla cyfrowego czujnika temperatury, zamiast tego skopiuję szablon projektu analogowego pokazanego powyżej i dokonam zmian w arkuszu schematycznym, który potrzebuję, a następnie wykonam trochę przekierowania na płycie.

Rozkład pinów złącza musi zostać całkowicie zmieniony, aby obsługiwać nasze dwa cyfrowe protokoły: SPI i I2C. Wszystkie dodatkowe piny są przeznaczone dla linii wyboru chipa dla czujników opartych na SPI. Oznacza to, że płyta wieloczujnikowa będzie musiała mieć firmware, który wie, który czujnik będzie na której linii wyboru chipa.

Złącze krawędzi karty nie jest tak eleganckie, jakbym tego chciał. Przez to, że płyta może być odwracalna w gnieździe, nie ma wystarczającej liczby kontaktów, aby jednocześnie udostępnić SPI i I2C. Nie udało mi się znaleźć łatwo dostępnego, taniego przełącznika dwubiegunowego, który spełniałby ograniczenie wysokości płyty wynoszące 3 mm - dlatego zamiast tego używam selektywnie zamontowanych rezystorów. Chociaż szablon zawiera wszystkie cztery rezystory, zamierzam całkowicie usunąć nieużywany rezystor na ostatecznych płytach.

Tak jak w przypadku projektu analogowego, mam rezystor jako złącze sieciowe dla linii wyboru układu, aby umożliwić poprawne mapowanie linii wyboru układu do pinu na złączu krawędzi karty. Płyta wygląda bardzo podobnie do płyty analogowej, ponieważ właśnie zaktualizowałem dla niej schemat, więc wszystko będzie spójne, gdy dojdziemy do etapu testowania projektu. Jest to ważne, aby upewnić się, że czujniki cyfrowe nie będą miały żadnych fałszywych pozytywów czy negatywów pod względem wydajności w porównaniu z ich analogowymi odpowiednikami ze względu na projekt płyty. Chcemy czystego porównania między czujnikami, a nie ich metodami montażu.

Podobnie jak w przypadku projektowania analogowego, mam sekcję sitodruku, aby oznaczyć, które linie wyboru układu (chip select) są wykorzystywane przez tę konkretną płytę, jeśli używa SPI. Pozwoli mi to upewnić się, że stos zawiera tylko unikalne linie wyboru układu.

Podobnie jak w przypadku płyty analogowej, posiadanie już ukończonego trasowania złącz dla każdej płyty czujnika zaoszczędzi mi dużo czasu. Pozwoli mi to skupić się na czujnikach, a nie na trasowaniu złącz dla każdej płyty.

Zapisywanie obu projektów jako szablony projektów

Inną opcją ponownego wykorzystania tych kart czujników jest stworzenie dla każdej z nich Szablonu Projektu. To nie to samo, co projekt używany jako szablon, tj. projekt, który klonujesz, a następnie modyfikujesz, jak zrobiliśmy to tutaj.

Inny sposób na szybkie zastosowanie ustawień i plików używanych w naszej istniejącej karcie czujnika to użycie polecenia "Zapisz projekt na serwerze jako szablon" z menu Plik. Spowoduje to utworzenie nowego szablonu z twojego projektu w folderze "Managed Content\Templates\Project Templates" w twojej przestrzeni roboczej Altium 365. Teraz, gdy chcesz stworzyć nową kartę czujnika dla czujnika analogowego lub cyfrowego, możesz zastosować ten szablon do swojego nowego projektu z poziomu Altium Designer.

Rodzaje czujników temperatury

W ramach tej serii artykułów będziemy zagłębiać się w używanie wszystkich głównych typów czujników. Zbudujemy karty czujników, korzystając ze szablonów utworzonych tutaj dla każdej głównej topologii używania danego typu czujnika, abyśmy mogli porównać je wszystkie w rzeczywistych warunkach. Chociaż niektóre topologie są zdecydowanie lepsze od innych, będzie interesujące zobaczyć, jak bardzo ma to znaczenie, gdy stawimy czoła rzeczywistym warunkom.

Będziemy oceniać:

• Termistory o negatywnym współczynniku temperatury (NTC)
• Termistory o pozytywnym współczynniku temperatury (PTC)
• Rezystancyjne czujniki temperatury (RTD)
• Analogowe układy scalone czujników temperatury
• Cyfrowe układy scalone czujników temperatury
• Termopary

Na koniec serii zaprojektujemy dwie płyty główne, a następnie będziemy mieli okazję porównać wszystkie czujniki w różnorodnych nieprzyjemnych ekstremalnych warunkach temperaturowych!

Zbuduj własną kartę czujnika

Możesz zbudować swoje czujniki, korzystając z tych szablonów i używać ich z płytami głównymi, które stworzymy na końcu serii. Sprawdź repozytorium na GitHub, aby pobrać szablony i używać ich lokalnie.

Znajdziesz również wszystkie karty czujników, które opracowujemy w tej serii, w tym samym repozytorium GitHub, więc możesz zerknąć, co będzie następne w serii, sprawdzając repozytorium!

Jak zawsze, te projekty są open source, wydane na licencji MIT, co pozwala na ich używanie z bardzo niewielkimi ograniczeniami. Kiedy będziesz gotowy, aby zbudować swoją kartę czujnika temperatury i płytę procesora, użyj narzędzi do projektowania PCB w Altium Designer®. Kiedy zakończysz projektowanie i będziesz chciał podzielić się swoim projektem z kolegami z zespołu, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i dzielenie się projektami. Dotknęliśmy tylko powierzchni tego, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu dla bardziej szczegółowego opisu funkcji lub jednego z Webinarów na Żądanie.

Czujniki zewnętrzne mogą potrzebować możliwości "zaglądania" przez obudowę i być umieszczone nieco dalej od procesora. Przykładem czujnika jest a