Dự án Cảm biến Nhiệt độ: Giới thiệu

Như tôi đã đề cập trước đây, tôi rất thích thu thập dữ liệu. Cảm biến nhiệt độ có vẻ rất đơn giản bề ngoài, nhưng thực tế chúng có nhiều điều phức tạp hơn bạn có thể nghĩ, bao gồm một loạt các loại cảm biến khác nhau. Trong loạt bài này, chúng ta sẽ xây dựng một loạt các PCB sẽ bao gồm tất cả các loại cảm biến nhiệt độ và mạch để triển khai chúng. Chúng ta cũng sẽ xây dựng một cặp bảng microcontroller để thu thập dữ liệu và đánh giá các cảm biến so với nhau. Cuối cùng, chúng ta sẽ lắp tất cả các loại cảm biến khác nhau lên một trong những bảng chủ đó, và phơi bày tất cả các cảm biến với các điều kiện môi trường khác nhau. Điều này sẽ cho phép chúng ta xem cách các cảm biến so sánh và đưa ra khuyến nghị về cảm biến nào phù hợp với nhu cầu, ứng dụng và ngân sách của bạn.

Cảm biến nhiệt độ rất quan trọng đối với nhiều ngành công nghiệp. Ngay cả trên PCB của bạn, một cảm biến nhiệt độ có thể được sử dụng để đảm bảo dữ liệu chính xác từ các cảm biến khác cũng như bảo vệ một bảng mạch khỏi quá nhiệt.

Loại Cảm Biến Nhiệt Độ

• Cảm biến nhiệt độ hệ số nhiệt độ âm (NTC)
• Cảm biến nhiệt độ hệ số nhiệt độ dương (PTC)
• Cảm biến đo nhiệt độ điện trở (RTD)
• Mạch tích hợp cảm biến nhiệt độ tương tự (Analog)
• Mạch tích hợp cảm biến nhiệt độ số (Digital)
• Thermocouple

Bạn có thể tìm thấy tất cả các cảm biến được sử dụng trong loạt dự án này, và nhiều hơn nữa, trong thư viện mã nguồn mở của tôi Celestial Altium Library, để giúp bạn bắt đầu nhanh chóng với thiết kế cảm biến của mình. Bạn có thể tìm thấy các bảng đánh giá cho loạt bài này trên GitHub, với tất cả các mạch cảm biến ví dụ. Mỗi phần của loạt bài này được phát hành dưới giấy phép MIT, vì vậy bạn có thể tự do tận dụng các sơ đồ cho dự án của mình, hoặc sử dụng các bảng để đánh giá cảm biến một cách tự do.

Phía trên là thiết kế PCB mà bạn sẽ đọc về trong Altium 365 Viewer; một cách miễn phí để kết nối với đồng nghiệp, khách hàng, và bạn bè với khả năng xem thiết kế hoặc tải xuống chỉ với một cú nhấp chuột! Tải lên thiết kế của bạn trong vài giây và có một cách tương tác để xem xét kỹ lưỡng mà không cần phần mềm nặng nề hay sức mạnh máy tính.

Hướng dẫn Cảm biến Chung

Trước khi bắt đầu với các loại cảm biến cụ thể, hãy nói về những xem xét chung khi sử dụng cảm biến nhiệt độ. Giả sử bạn đang cố gắng cảm nhận nhiệt độ bên ngoài. Trong trường hợp đó, các xem xét về bố trí sẽ khác biệt so với khi bạn đang cố gắng cảm nhận nhiệt độ của một thành phần hoặc khu vực quan trọng trên PCB. Tương tự, nếu bạn đo nhiệt độ từ PCB của mình, thì sẽ có một bộ xem xét khác.

Ngoài ra, bạn cũng cần phải xem xét đến việc tự làm nóng của cảm biến và khối lượng nhiệt.

Cảm Nhận Nhiệt Độ Bên Ngoài, từ PCB

Nếu bạn đang cố gắng cảm nhận nhiệt độ bên ngoài, điều quan trọng là bạn phải cô lập cảm biến khỏi PCB càng nhiều càng tốt. Cách phổ biến và hiệu quả nhất để làm điều này là cô lập cảm biến một cách vật lý. Chỉ đơn giản là đặt cảm biến nhiệt độ ở rìa bảng mạch của bạn là không đủ nếu bạn muốn đo nhiệt độ chính xác hoặc càng chính xác càng tốt như cảm biến của bạn có thể cung cấp, vì nhiệt sẽ dẫn qua chất nền vào cảm biến. Tất cả các mạch đều tạo ra nhiệt thông qua tổn thất điện trở, một số bảng mạch tạo ra nhiều hơn những bảng mạch khác, do đó, việc cô lập vật lý là rất quan trọng.

Đặt cảm biến nhiệt độ càng xa nguồn nhiệt trên bảng mạch của bạn càng tốt là bước đầu tiên tuyệt vời. Thêm một khe phay xung quanh cảm biến nhiệt độ của bạn để hoàn thiện việc cách ly. Tuy nhiên, hãy chắc chắn rằng bạn để lại đủ PCB sao cho cảm biến không chỉ đơn giản bị gãy ra như một tấm bảng trong một bảng điều khiển. Nó phải đủ mạnh để có thể xử lý và trải qua quá trình lắp ráp và cũng cần xem xét các yêu cầu của ứng dụng - chấn động, rung động, và những thứ tương tự.

Bạn cũng nên xem xét bất kỳ vỏ bảo vệ nào. Vỏ bảo vệ nên cho phép luồng khí tốt đến cảm biến, nhưng không cho phép luồng khí từ phần còn lại của bảng mạch nếu có thể. Vỏ bảo vệ cũng không nên có khả năng truyền nhiệt đến cảm biến, và do đó không chạm vào bất kỳ phần nào của bảng mạch cách ly mà cảm biến đặt trên.

Khi bạn bắt đầu làm việc với cảm biến nhiệt độ, bạn có thể bắt đầu nghi ngờ chính bản chất của thực tại. Khi bạn bắt đầu cố gắng đo nhiệt độ một cách chính xác mà không cần thiết bị phòng thí nghiệm đáng kể, bạn bắt đầu cảm thấy rằng việc đó là không thể. 21°C là gì? Làm sao chúng ta biết nó không phải thực sự là 20.9°C hoặc 22°C, chúng ta có quan tâm không?

Cảm Nhận Nhiệt Độ Trên Bo Mạch

Giả sử bạn muốn cảm nhận nhiệt độ của một phần mạch in hoặc một linh kiện cụ thể từ chính bảng mạch. Trong trường hợp đó, bạn sẽ muốn làm điều ngược lại với lời khuyên ở trên. Điều đó có nghĩa là đảm bảo rằng cảm biến của bạn có càng nhiều kết nối với khu vực đó càng tốt. Chúng tôi sẽ nói về một cảm biến rất thú vị sau này trong loạt bài, Microchip EMC1833T, cho phép bạn cảm nhận một diode từ xa. Nó được nhắm mục tiêu cụ thể cho việc cảm nhận nhiệt độ trên chíp cho các IC hỗ trợ nó - bao gồm cả ASIC tùy chỉnh mà bạn có thể đã phát triển.

Trong trường hợp của hầu hết các cảm biến, bạn sẽ muốn đưa nhiệt vào chíp hoặc phần tử cảm biến với điện trở nhiệt càng thấp càng tốt. Trong trường hợp có thiết bị với tản nhiệt, hãy cố gắng chia sẻ tản nhiệt đó với cảm biến nhiệt độ của bạn. Nếu không, hãy đặt linh kiện cảm biến càng gần thiết bị hoặc khu vực nhiệt độ cao của bảng mạch càng tốt, và lý tưởng nhất là có kết nối điện với lớp đồng đang hoạt động như một tản nhiệt. Kết nối điện này, có thể là nguồn cấp điện hoặc mạng lưới tiếp đất, có thể giúp đưa nhiệt trực tiếp vào chíp cảm biến.

Cảm Biến Nhiệt Độ Ngoài Bảng Mạch

Khi bạn cần đo nhiệt độ của một vật gì đó nằm ngoài bảng mạch của mình, chẳng hạn như một máy móc, việc lựa chọn loại cảm biến có thể hoàn toàn quyết định thành công của dự án của bạn. Hầu hết các loại cảm biến nhiệt độ có điện trở không phải là lựa chọn lý tưởng, vì điện trở của cáp có thể ảnh hưởng đến nhiệt độ được cảm nhận. Có một số cảm biến có thể đặt cách xa bảng mạch và có thể được đặt qua một lỗ mở trong vỏ bảo vệ. Điều này sẽ giúp đảm bảo nhiệt độ được thu thập xa các thành phần nóng trên bảng mạch.

 

Nói chung, các giải pháp sử dụng cáp đều đặt ra những thách thức đáng kể trong môi trường công nghiệp, vì điện áp và dòng điện được gây ra trên cáp từ nhiễu điện từ từ thiết bị và máy móc có thể gây hại cho độ chính xác của việc cảm nhận. Đối với các cảm biến có đầu ra tương tự, việc sử dụng cáp được bảo vệ phù hợp là cần thiết. Tương tự, các cảm biến số với giao diện I2C có thể không khả thi nếu khoảng cách giữa bảng mạch và cảm biến quá dài, vì I2C không phải là lựa chọn tốt cho các đường truyền tín hiệu dài. Tùy thuộc vào phạm vi nhiệt độ, việc sử dụng một loại cảm biến như thermocouple có thể là lựa chọn duy nhất của bạn và hoàn hảo cho môi trường công nghiệp.

Tự Nhiệt Cảm Biến

Tất cả các linh kiện trên một bảng mạch đều phát ra một lượng nhiệt nhất định khi hoạt động. Trong một cảm biến nhiệt độ, điều này có thể là thảm họa cho việc đo nhiệt độ chính xác, vì sự mất mát điện trở của chính thiết bị có thể gây ra sự chênh lệch nhiệt độ trong nhiệt độ được lấy mẫu. Nếu bạn yêu cầu độ chính xác cao nhất, thì việc chọn một thiết bị dòng điện thấp rất thấp, hoặc vận hành một thiết bị điện trở ở một dòng điện rất thấp sẽ mang lại kết quả nhiệt độ chính xác hơn nhiều.

Khối Lượng Nhiệt

Tôi đã làm việc trên các dự án nơi chúng tôi đã thêm một lượng lớn khối lượng nhiệt vào cảm biến, để nó có thể chính xác đại diện cho nhiệt độ quan trọng với dự án. Ví dụ, trong một tủ lạnh hoặc tủ đông thương mại, việc thêm khối lượng nhiệt vào thiết bị đang theo dõi nhiệt độ của các sản phẩm thịt cho phép nhiệt độ chính xác được thu thập bất chấp việc cửa được mở và đóng. Khối lượng nhiệt hoạt động giống như một loại dung lượng nhiệt.

Trong các tình huống khác, bất kỳ lượng khối nhiệt nào cũng có thể gây ra vấn đề cho bạn vì nhiệt độ cảm nhận chậm trễ so với nhiệt độ thực tế. Việc gắn cảm biến trực tiếp vào một bo mạch lớn hoặc khu vực đồng mà không có sự cách ly sẽ không cho phép bạn dễ dàng phát hiện những thay đổi nhỏ hoặc nhanh chóng trong nhiệt độ môi trường xung quanh. Cảm biến và toàn bộ bo mạch cần phải nóng lên hoặc nguội đi xuống đến nhiệt độ địa phương mới trước khi bạn có thể nhận được một đọc nhiệt độ chính xác. Đối với một cảm biến cần thực hiện các đọc nhiệt độ tần suất cao mà chính xác phản ánh môi trường, việc giảm thiểu khối lượng nhiệt là một bước quan trọng cần thực hiện.

Độ Chịu Đựng và Độ Chính Xác của Cảm Biến

Có một điều bạn cần hiểu trước khi bắt đầu thêm cảm biến nhiệt độ vào dự án của mình hoặc xây dựng dự án dựa trên việc cảm nhận nhiệt độ; đó là bạn sẽ không bao giờ có thể đo nhiệt độ chính xác với bất kỳ IC hoặc thành phần gắn trên bo mạch nào. Tất cả những gì bạn có thể đo là nhiệt độ ước lượng - điều quan trọng là liệu ước lượng nhiệt độ đó có đủ chính xác cho bạn không. Đối với một số ứng dụng, việc có một cảm biến chính xác đến 5°C có thể sẽ đủ. Nếu bạn đang theo dõi nhiệt độ quan trọng trong một quy trình, 0.1°C có thể không đủ tốt. Việc biết chính xác nhiệt độ là điều gần như không thể đối với chúng ta, đó là vấn đề bạn cần hiểu bao nhiêu độ chính xác là cần thiết để dự án của bạn hoạt động. Hầu hết các cảm biến trên thị trường sẽ không cung cấp cho bạn nhiều hơn một điểm thập phân của độ chính xác, và nhiều cảm biến sẽ không cung cấp cho bạn nhiều hơn 1°C độ chính xác, một số thậm chí còn khó khăn với chính xác đến mức đó. Độ chính xác cao hơn thường đi kèm với chi phí triển khai cao hơn, hoặc là ở chính cảm biến hoặc là ở mạch hỗ trợ.

Ngoài độ chính xác, chúng ta còn có dung sai. Bạn có thể có một cảm biến nhiệt độ rất chính xác với phạm vi dung sai rộng, hoặc một cảm biến có dung sai chặt chẽ nhưng phạm vi độ chính xác rộng. Nếu bạn nghĩ về Bắn cung, một dung sai chặt chẽ nhưng độ chính xác thấp có thể là việc nhóm tất cả các mũi tên rất gần nhau, hoặc thậm chí mỗi mũi tên chia đôi mũi tiếp theo - nhưng không rất gần trung tâm. Một cảm biến rất chính xác nhưng dung sai thấp có thể là nơi tất cả các cú bắn của bạn nhóm lại gần trung tâm nhưng không bao giờ chính xác trúng cùng một điểm. Mặc dù hầu hết các cảm biến sẽ có xu hướng có độ chính xác rất cao kết hợp với dung sai chặt chẽ hoặc độ chính xác rất thấp với dung sai rộng, bạn sẽ tìm thấy không ít sản phẩm có một chút của mỗi loại.

Đối với một số ứng dụng, dung sai chặt chẽ có thể quan trọng hơn độ chính xác tuyệt đối của nhiệt độ mà cảm biến báo cáo. Sự chệch lệch của độ chính xác có thể được xử lý trong phần mềm nếu cảm biến đã được đặc tính trong phòng thí nghiệm để biết cách nó báo cáo. Nếu bạn lấy 1000 mẫu, tất cả chúng đều hầu như giống hệt nhau, trong một dung sai rất chặt chẽ, ngay cả khi tất cả các bản đọc đều lệch 2°C.

Trong các ứng dụng khác, việc biết chính xác nhiệt độ có thể quan trọng hơn. Nếu bạn lấy 1000 lần đọc cảm biến, chúng sẽ có sự biến đổi nhỏ nhưng nói chung, sẽ tập trung quanh nhiệt độ thực tế. Bạn có thể lấy những lần đọc này và tính trung bình chúng để có cái nhìn tốt hơn về nhiệt độ thực tế; tuy nhiên, mỗi lần đọc tức thời đều sai lệch một chút.

Các cảm biến giá rẻ như thermistors có thể có độ chính xác kém và dung sai kém so với các lựa chọn khác. Những cảm biến này có thể chấp nhận được cho các ứng dụng nơi bạn cần một ý tưởng chung về nhiệt độ, như trong bảo vệ nhiệt cho một bảng mạch. Để sử dụng phép so sánh trước đây, cảm biến như thế này giống như một cung thủ mới bắt đầu bắn vào mục tiêu, các phát bắn của họ lệch khắp mục tiêu, và một số thậm chí có thể lệch hẳn… nhưng ít nhất bạn có một ý tưởng chung về khu vực mục tiêu.

Bảng Thử Nghiệm Cảm Biến

Mỗi tuần chúng ta sẽ tìm hiểu về một loại cảm biến nhiệt độ khác nhau. Tuy nhiên, tất cả chúng sẽ có một giao diện chung để tạo điều kiện cho việc thử nghiệm của chúng. Chúng ta sẽ có hai bảng chủ khác nhau, một có thể kết nối và giám sát tất cả các cảm biến khác nhau, và một khác có thể nhanh chóng thử nghiệm một cảm biến đơn lẻ. Cả hai lựa chọn sẽ có một vi điều khiển được kích hoạt USB để thực hiện việc thu thập dữ liệu.

Mỗi cảm biến sẽ có một kết nối mezzanine ở phía trên và dưới để cho phép chúng được xếp chồng lên nhau, cũng như một bộ tiếp xúc ở phía cuối của bảng mạch đối diện với cảm biến. Những tiếp xúc này sẽ cho phép cảm biến được cắm vào một kết nối cạnh thẻ trên bộ kiểm tra cảm biến đơn lẻ.

Các kết nối có thể xếp chồng này sẽ cho phép mật độ cao của cảm biến trên bộ kiểm tra đa cảm biến, đảm bảo rằng nhiệt độ xung quanh tất cả các cảm biến là đồng nhất. Như vậy, chúng ta có thể lắp đặt nhiều cảm biến vào một khu vực nhỏ hơn bằng cách đi theo chiều dọc, nhưng vẫn duy trì không khí sạch xung quanh cảm biến. Chúng tôi sẽ kiểm tra cảm biến vượt qua phạm vi nhiệt độ đầy đủ được đánh giá cũng như xem xét tốc độ phản ứng của cảm biến với sự thay đổi nhiệt độ nhanh như thế nào, vì vậy việc có tất cả các cảm biến trong không khí sạch nhưng không quá xa nhau sẽ cho phép so sánh tốt hơn.

Mẫu Bảng Mạch Cảm Biến

Vì chúng tôi sẽ tạo ra một loạt các bảng mạch cảm biến, tôi nghĩ rằng sẽ là một ý tưởng tốt để tạo ra một dự án mẫu có sơ đồ và bảng mạch đã định nghĩa sẵn các kết nối. Điều này sẽ đảm bảo rằng các bảng mạch xếp chồng lên nhau tốt, kết nối tốt, và cũng tiết kiệm được nhiều thời gian cho mỗi bảng mạch.

Các mẫu trong Altium rất dễ dàng để triển khai. Trong các phần mềm khác (không chỉ là các gói ECAD), việc tạo một mẫu có thể là một vấn đề thực sự, trong khi Altium không yêu cầu bất kỳ loại tệp nào cụ thể hay yêu cầu đặc biệt nào cho một mẫu, chỉ cần đặt một PCB, sơ đồ mạch hoặc toàn bộ dự án vào thư mục mẫu của bạn. Khi khởi động lại lần tiếp theo, nó sẽ sẵn sàng. Một điểm tôi muốn lưu ý là đảm bảo trong mẫu của bạn chỉ sử dụng các thư viện bạn đã cài đặt hoặc có trong Altium 365 để Altium luôn có thể tìm thấy các footprint và biểu tượng bạn sử dụng. Một thư viện cơ sở dữ liệu hoặc thư viện tích hợp đã biên dịch được thêm vào tab “Đã Cài Đặt” của Tùy Chọn Thư Viện Dựa Trên Tệp là cách tốt để tiến hành nếu bạn chưa chuyển sang Altium 365.

Cả bảng cảm biến analog và số sẽ có cùng bố cục bảng mạch, tuy nhiên, các kết nối điện trên các kết nối sẽ khác nhau. Tôi đang sử dụng các kết nối mezzanine loạt Hirose DF12(3.0)-14D để xếp chồng các bảng mạch vì chúng là một trong những kết nối phổ biến và rẻ nhất. Khoảng cách 3mm giữa các bảng mạch là hoàn hảo cho các cảm biến này, cho phép xếp chồng gọn gàng nhưng mỗi loại cảm biến vẫn nên có thể vừa vặn giữa các bảng mạch mà không bị ảnh hưởng bởi bảng mạch phía trên hoặc phía dưới.

Mẫu Cảm Biến Nhiệt Độ Analog

Để tạo một mẫu dự án, chúng ta có thể bắt đầu bằng cách tạo một dự án trong thư mục quen thuộc của bạn giống như bất kỳ dự án nào khác. Sau đó, thêm một sơ đồ và PCB chính xác như bạn thường làm.

Tiếp tục với chủ đề chỉ đơn giản là xây dựng một dự án như bạn vẫn làm, thêm vào những phần của sơ đồ mà sẽ chung cho tất cả các dự án sử dụng mẫu này. Bạn có thể dễ dàng lưu trữ và truy cập mẫu dự án này sử dụng Altium 365. Đầu tiên, bạn sẽ phải đặt dự án vào Không gian Làm việc Altium 365 của bạn bằng cách sử dụng lệnh "Làm Dự án Có sẵn Trực tuyến" từ Bảng Dự án.

Lệnh này sẽ đặt dự án vào Không gian Làm việc Altium 365 của bạn. Bạn cũng có thể thêm dự án vào kiểm soát phiên bản chính thức, vì vậy bất kỳ thay đổi nào đối với mẫu dự án này sẽ được theo dõi tự động.

Sau khi bạn đã đặt dự án mẫu này vào Altium 365, bạn có thể tạo các thẻ cảm biến mới bằng cách nhân bản dự án hiện tại. Cách dễ nhất để làm điều này là truy cập vào Workspace của bạn qua trình duyệt web và sử dụng lệnh "Clone". Điều này sẽ tạo ra một bản sao của dự án, mà sau đó bạn có thể mở và chỉnh sửa trong Altium Designer. Luôn là một ý tưởng tốt khi giữ các dự án mẫu của bạn tách biệt khỏi các dự án sản xuất của bạn bằng cách sử dụng một hệ thống đặt tên/đánh số nếu có thể. Khi bạn nhân bản dự án, bạn sẽ có cơ hội áp dụng thay đổi tên để bạn có thể theo dõi sự khác biệt giữa mẫu và dự án sản xuất mới của bạn.

Thêm Các Kết Nối

Đối với dự án này, tôi đang thêm cả hai loại kết nối mezzanine với cùng một bố trí. Khi tôi tạo các footprint trong thư viện của mình, tôi đã đảm bảo rằng chân số một sẽ khớp với chân số 1 của kết nối ghép nối. Quyết định này làm cho việc tạo các chồng kết nối trở nên thực sự dễ dàng, ngay cả khi nó có thể không hoàn toàn khớp với số chân của nhà sản xuất từ bản vẽ sản xuất của họ.

Với các kết nối 14 chân, tôi có thể có cả nguồn 3.3V và 5V cũng như mười kênh tương tự. Mặc dù tôi có thể xếp chồng lên nhau mười bảng mạch, một số cấu trúc cảm biến tương tự mà chúng tôi sẽ sử dụng sẽ có thể tận dụng các cặp vi sai cho đầu ra, và bảng mạch chủ của chúng tôi sẽ có đầu vào ADC có thể hỗ trợ các cặp vi sai.

Như đã đề cập trước đó, tôi cũng muốn có thể cắm một bảng mạch đơn vào một bảng mạch có thể làm việc với một thẻ cảm biến đơn để kiểm tra nhanh chóng và dễ dàng bảng mạch hoặc kiểm tra cảm biến. Để làm điều này, tôi muốn có các điểm tiếp xúc ở cuối bảng mạch để nó có thể được cắm vào một kết nối cạnh thẻ.

Vì không cần đến 10 kênh tương tự cho kết nối cạnh thẻ, tôi đã sử dụng hai điện trở không ôm như là nối mạng, điều này cũng cho phép tôi gỡ chúng ra nếu muốn cô lập các kết nối tương tự với các bệ phóng cuối. Kết nối cạnh thẻ sẽ là TE 5650118-3, cung cấp 12 chân kết nối. Tuy nhiên, tôi muốn có khả năng cắm bảng cảm biến theo bất kỳ hướng nào mà không làm hỏng thứ gì, vì vậy các kết nối ở mặt dưới giống hệt như mặt trên - chỉ đảo ngược. Đối với mẫu, tôi không cung cấp bất kỳ đầu vào mạng nào cho điện trở, vì điều đó sẽ phụ thuộc vào việc triển khai cảm biến bảng cụ thể và kênh tương tự nào mà nó sử dụng. Đối với kết nối cảm biến không chênh lệch, phía âm có thể chỉ được kết nối với mặt đất trong sơ đồ cảm biến.

Trên PCB, tôi đã thêm một lỗ gắn 3mm, vì vậy bộ xếp không chỉ được hỗ trợ bởi kết nối mezzanine. Tôi hy vọng đã thiết kế bảng đủ lớn cho mỗi cấu trúc cảm biến mà chúng tôi sẽ sử dụng, với bảng rộng 25mm và dài 50mm so với kết nối cạnh.

Tôi đã thêm một màn hình lụa khóa cho các kênh, để tôi có thể thêm một khu vực lấp đầy vào mỗi hộp kênh tương tự mà cảm biến sẽ sử dụng, nhằm đảm bảo khi xây dựng một chồng cảm biến, tôi không kết thúc với hai kênh được kết nối với cùng một cổng tương tự. Tôi cũng đã thêm một số văn bản giả để mỗi bảng mạch sẽ nhận được một loại cảm biến và mô tả cấu trúc được thêm vào cùng một vị trí, điều này sẽ mang lại cho tôi một bộ cảm biến phù hợp đẹp mắt ở cuối.

Như tôi đã đề cập ở đầu bài viết này, chúng ta cần đảm bảo rằng cảm biến được cách nhiệt với phần còn lại của bảng mạch. Tôi đã thêm một khe cắt 3mm vào lớp định tuyến sẽ cung cấp cách nhiệt nhiệt cho phần cuối của bảng mạch. Điều này sẽ cho phép tôi có bất kỳ bộ khuếch đại hoặc nguồn nhiệt nào khác giữa lỗ gắn và khe, với phần tử cảm biến nhiệt độ được đặt xa chúng. Một điểm quan trọng cần nhớ khi bạn thêm khe vào bảng mạch là thêm một đường cấm đi qua giống hệt như đường khe. Không có gì ngăn cản bạn vô tình định tuyến qua khe cắt! May mắn thay, trong quá khứ, tôi luôn kịp thời phát hiện ra những sai sót của mình ở đây khi kiểm tra cuối cùng trước khi gửi tệp bảng mạch cho công ty sản xuất - nhưng đôi khi nó đã rất sát sao!

Khi kiểm tra tốc độ phản hồi của các cảm biến, tôi muốn có một khu vực bảng mạch nhất quán, vì vậy mỗi cảm biến được xử lý công bằng - Tôi sẽ cố gắng không thay đổi kích thước hoặc vị trí của khe này khi chúng tôi tiến hành xây dựng các bảng mạch cảm biến.

Mặc dù tất cả trông rất đẹp và sẽ đảm bảo một bố cục nhất quán - một trong những tính năng mạnh mẽ nhất của một mẫu cho dự án như thế này, nơi chúng ta đang xây dựng một loạt các bảng mạch gần như giống hệt nhau, là khả năng có tất cả các đường dẫn chung của bạn được đặt sẵn.

Việc định tuyến không mất quá nhiều thời gian, nhưng khi bạn cần thực hiện việc này 20 lần hoặc nhiều hơn với mỗi bảng mạch giống nhau, mẫu này sẽ tiết kiệm rất nhiều thời gian!

Mẫu Cảm Biến Nhiệt Độ Kỹ Thuật Số

Chúng ta có thể sử dụng cùng một quy trình để tạo một dự án mẫu với phiên bản kỹ thuật số của thẻ cảm biến nhiệt độ này. Thay vì sử dụng hai nguồn điện áp để cung cấp năng lượng cho các cảm biến nhiệt độ tương tự, chúng tôi sẽ sử dụng các bus I2C và SPI trên bảng mạch để kết nối với các cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số. Dự án mẫu cho thẻ cảm biến này được hiển thị bên dưới. Bạn cũng có thể nhận thấy trong hình ảnh trên rằng tôi cũng đã bao gồm các tính năng ghép bảng trong mẫu.

Tôi đã thêm các pad không mạ dọc theo các khoảng cắt của rãnh phay để tạo ra các tính năng giống như răng chuột, sẽ tạo ra các tab có thể dễ dàng gãy ra khi thiết kế được sản xuất. Tôi muốn giữ cho các đầu được cắt gọt sạch sẽ, và không muốn một cạnh v-score thô suốt dọc theo các cạnh dài của bảng mạch - vì vậy các tab răng chuột là lựa chọn tốt nhất để giữ cho cạnh bảng mạch tương đối sạch sẽ. Bằng cách đặt các lỗ khoan ngay trên đường viền bảng mạch, nó sẽ giảm bớt phần tab mở rộng ra từ bảng mạch. Những bảng mạch này sẽ không được đặt vào trong một vỏ bọc chật chội, vì vậy độ chính xác kích thước kém của một tab bảng mạch bị gãy ra sẽ không gây ra bất kỳ vấn đề nào về khớp nối hoặc chức năng.

Vì các bảng mạch cảm biến có khoảng cách ghép nối giữa các bảng mạch là 3mm, chúng tôi muốn thêm một quy tắc để đảm bảo rằng không có linh kiện nào được đặt có thể va chạm vào linh kiện phía trên. Tối đa, chúng ta có thể có một bảng mạch trên mỗi chồng với một linh kiện cao hơn 3mm, linh kiện trên cùng.

Ngoài các quy tắc thiết kế thông thường, tôi cũng sẽ thay đổi quy tắc Mặc định về Vị trí/Cao độ để giới hạn chiều cao ở mức 2.9mm. Trong Thư Viện Altium Celestial của tôi, mỗi linh kiện đều có mô hình 3D chính xác, bao gồm tất cả các tụ điện, điều này sẽ đảm bảo rằng tôi không vô tình đặt một tụ điện hoặc linh kiện nào khác có chiều cao chỉ hơi cao một chút.

Thay vì bắt đầu từ đầu cho cảm biến nhiệt độ số, tôi sẽ sao chép mẫu dự án tương tự như analog được hiển thị ở trên và thực hiện các thay đổi cần thiết trên sơ đồ mạch, sau đó thực hiện một ít việc định tuyến lại trên bảng mạch.

Cần phải thay đổi hoàn toàn bố trí chân kết nối để hỗ trợ hai giao thức số của chúng tôi: SPI và I2C. Tất cả các chân phụ được dành riêng cho các dòng chọn chip cho các cảm biến dựa trên SPI. Điều này có nghĩa là bảng cảm biến đa năng sẽ cần phải có firmware biết cảm biến nào sẽ ở trên dòng chọn chip nào.

Bộ kết nối cạnh thẻ không được thanh lịch như tôi mong muốn. Bằng cách cho phép bo mạch có thể đảo ngược trong ổ cắm, không đủ liên hệ để có cả SPI và I2C được tiếp xúc cùng một lúc. Tôi không thể tìm thấy một công tắc đôi có sẵn, giá rẻ phù hợp với hạn chế chiều cao 3mm của thiết kế bo mạch - vì vậy thay vào đó tôi sử dụng các điện trở được lựa chọn cài đặt một cách có chọn lọc. Mặc dù bản mẫu có tất cả bốn điện trở, tôi dự định sẽ loại bỏ hoàn toàn điện trở không sử dụng trên các bo mạch cuối cùng.

Như trên thiết kế tương tự, tôi có một điện trở như một nối mạng cho dòng chọn chip, để cho phép dòng chọn chip đúng được ánh xạ đến chân trên bộ kết nối cạnh thẻ. Bo mạch trông rất giống với bo mạch tương tự vì tôi chỉ cập nhật sơ đồ mạch cho nó, vì vậy mọi thứ sẽ được nhất quán khi chúng tôi tiến đến giai đoạn kiểm tra thiết kế. Điều này quan trọng để đảm bảo rằng các cảm biến số sẽ không có bất kỳ tín hiệu dương hay âm giả nào về hiệu suất so với các cảm biến tương tự do thiết kế bo mạch. Chúng tôi muốn một sự so sánh sạch sẽ giữa các cảm biến, không phải phương pháp lắp đặt của chúng.

Giống như thiết kế analog, tôi có một phần silkscreen để đánh dấu dòng chọn chip nào mà bo mạch này đang sử dụng nếu nó sử dụng SPI. Điều này sẽ giúp tôi đảm bảo rằng chồng chỉ chứa các chọn chip duy nhất.

Giống như bo mạch analog, việc đã hoàn thành việc định tuyến kết nối cho mỗi bo mạch cảm biến sẽ giúp tôi tiết kiệm được rất nhiều thời gian. Điều này sẽ cho phép tôi tập trung vào các cảm biến thay vì việc định tuyến kết nối cho mỗi bo mạch.

Lưu Cả Hai Dự Án Dưới Dạng Mẫu Dự Án

Một lựa chọn khác để tái sử dụng các thẻ cảm biến này là tạo một Mẫu Dự Án cho mỗi thẻ này. Điều này không giống như một dự án được sử dụng làm mẫu, tức là một dự án mà bạn sao chép và sau đó chỉnh sửa như chúng tôi đã làm ở đây.

Cách khác để nhanh chóng áp dụng các cài đặt và tệp được sử dụng trong thẻ cảm biến hiện tại của chúng tôi là sử dụng lệnh "Lưu Dự Án lên Máy chủ Dưới Dạng Mẫu" trong menu Tệp. Điều này sẽ tạo một mẫu mới từ dự án của bạn trong thư mục "Managed Content\Templates\Project Templates" trong Altium 365 Workspace của bạn. Bây giờ, khi bạn muốn tạo một thẻ cảm biến mới cho một cảm biến analog hoặc số, bạn có thể áp dụng mẫu này cho dự án mới của mình từ bên trong Altium Designer.

Các Loại Cảm Biến Nhiệt Độ

Trong loạt bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu sâu về việc sử dụng tất cả các loại cảm biến chính. Chúng ta sẽ xây dựng các thẻ cảm biến sử dụng các mẫu đã tạo ở đây cho mỗi kiểu cấu trúc chính để sử dụng loại cảm biến đó, sao cho chúng ta có thể so sánh tất cả chúng trong thế giới thực. Mặc dù một số kiểu cấu trúc chắc chắn tốt hơn những kiểu khác, nhưng sẽ thú vị khi xem xét mức độ quan trọng của chúng khi đối mặt với điều kiện thực tế.

Chúng ta sẽ đánh giá:

• Cảm Biến Nhiệt Độ Hệ Số Nhiệt Độ Âm (NTC) Thermistors
• Cảm Biến Nhiệt Độ Hệ Số Nhiệt Độ Dương (PTC) Thermistors
• Cảm Biến Nhiệt Độ Điện Trở (RTD)
• Mạch Tích Hợp Cảm Biến Nhiệt Độ Tương Tự
• Mạch Tích Hợp Cảm Biến Nhiệt Độ Số
• Thermocouples

Vào cuối loạt bài, chúng ta sẽ thiết kế hai bảng mạch chủ, và sau đó có cơ hội đặt tất cả các cảm biến đối đầu qua nhiều điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt!

Xây Dựng Thẻ Cảm Biến Của Bạn

Bạn có thể xây dựng cảm biến của mình sử dụng những mẫu này và sử dụng chúng với các bảng mạch chủ mà chúng ta sẽ tạo vào cuối loạt bài. Hãy kiểm tra kho lưu trữ trên GitHub để tải xuống các mẫu và sử dụng chúng một cách địa phương. 

Bạn cũng sẽ tìm thấy tất cả các thẻ cảm biến mà chúng tôi phát triển trong loạt bài này trong cùng một kho lưu trữ GitHub, vì vậy bạn có thể sẽ có cái nhìn trước về những gì sẽ xuất hiện tiếp theo trong loạt bài bằng cách kiểm tra kho lưu trữ!

Như mọi khi, các dự án này là mã nguồn mở, được phát hành dưới giấy phép MIT cho phép bạn sử dụng chúng với rất ít hạn chế. Khi bạn sẵn sàng để xây dựng thẻ cảm biến nhiệt độ và bảng xử lý của mình, hãy sử dụng công cụ thiết kế PCB trong Altium Designer®. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế của mình, và bạn muốn chia sẻ thiết kế của mình với các đồng đội, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ các dự án của bạn trở nên dễ dàng. Chúng tôi chỉ mới khám phá bề mặt của những gì có thể làm được với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Hội thảo Trực tuyến Theo Yêu cầu.