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Es geht um die Sensorik: Smarte Thermostate mithilfe eines Mikrocontrollers bauen

In dieser Artikelserie wird erklärt, was beim Bau eines intelligenten Thermostaten zu beachten ist. Dieser Beitrag erläutert die Auswahl des richtigen Temperatursensors und die Messung der Ist-Temperatur mithilfe eines Mikrocontrollers (MCU).

High Level Block Diagram Bildquelle: © Texas Instruments

Für die Auswahl des richtigen Sensorelements muss zunächst entschieden werden, welche Sensor- und Messkette benötigt wird. Es stehen verschiedene Temperatursensoren zur Wahl. Die gängigsten Alternativen sind RTDs (Resistance Temperature Detectors), Thermoelemente, Thermistoren und IC-Sensoren mit digitalen und analogen Schnittstellen. Die Vor- und Nachteile dieser Temperatursensoren bezogen auf verschiedene Faktoren werden in diesem Beitrag (Englisch) ausführlich behandelt. Außerdem haben Sie online Gelegenheit, die unterschiedlichen Sensortypen und TI-Produkte kennen zu lernen.

Da das intelligente Thermostat hauptsächlich in Wohnungen oder Büros zum Überwachen und Regeln der Raumtemperatur benutzt werden soll, muss das Sensorelement nur einen schmalen Temperaturbereich unterstützen. Welche Auflösung und Genauigkeit benötigt wird, hängt davon ab, welchen Änderungen der Raumtemperatur das Thermostat folgen soll bzw. welche Temperaturgenauigkeit für Ihre Anwendung akzeptabel ist. Eine gute Wahl für ein intelligentes Thermostat wäre eine Auflösung von 1 °C und eine Genauigkeit von mindestens 0,6 °C.

Die Eigenheiten des Sensors entscheiden darüber, ob zusätzliche Schaltungen oder Korrekturfunktionen für die Temperaturmessung erforderlich sind, was wiederum die Kosten und die Komplexität der Sensor- und Messkette erhöhen kann. Ein weniger empfindlicher Sensortyp etwa macht es notwendig, die Signalkette mit Operationsverstärkern und hochauflösenden A/D-Wandlern (ADCs) auszustatten, damit die geringen Änderungen des Sensor-Ausgangssignals gemessen werden können. Ein nicht sehr linearer Sensor wiederum, dessen Ausgangssignal nicht über den ganzen Bereich proportional zur Temperatur ist, erfordert Linearisierungsfunktionen beispielsweise auf Basis einer Wertetabelle. Ungenauigkeiten, der Stromverbrauch und die Kosten der gesamten Signalkette (und nicht nur des Sensorelements selbst) müssen einkalkuliert werden.

Als ersten Schritt zur Entwicklung des intelligenten Thermostaten können Sie sich für einen Thermistor oder einen IC-Temperatursensor als Sensorelement entscheiden. In beiden Fällen kann die zu messende Spannungsänderung abhängig vom gemessenen Temperaturbereich und der Empfindlichkeit des Sensors sehr klein sein, sodass die Signalkette auf jeden Fall einen Operationsverstärker enthalten muss. Dieser verstärkt das Ausgangssignal des Sensors so, dass der Eingangsbereich des ADC komplett ausgenutzt wird. Da hierdurch mehr ADC-Bits zur Wiedergabe der Messgröße genutzt werden, verbessert sich die Gesamtauflösung der Messung. Ein Blick in das Anwenderhandbuch des TI-Referenzdesigns „Thermostat Implementation with FRAM Microcontroller“ zeigt erste Schritte beim Design einer Sensor- und Messkette auf der Basis eines Thermostaten.