Es geht um die Sensorik

Smarte Thermostate mithilfe eines Mikrocontrollers bauen

01. August 2018, 12:32 Uhr   |  Britta Ruelander, Texas Instruments-Systems Engineer & Bhargavi Nisarga, Texas Instruments-Systems Engineer


Fortsetzung des Artikels von Teil 2 .

Einsatz des integrierten ADC zum Einlesen der Temperaturinformation

Bevor es mit der Einstellung und Konfiguration des ADC weitergeht, sollten Sie ein paar Berechnungen anstellen, um zu überprüfen, ob der ADC eine genügend hohe Auflösung bietet, um die geringfügigen Änderungen des Sensorausgangs zuverlässig zu messen. Eine zweiteilige Artikel-Serie mit dem Titel „It’s in the math: how to convert an ADC code to a voltage” hilft Ihnen hierbei.

Als Hilfestellung beim Abarbeiten der verschiedenen Einstellungen an dem integrierten ADC sind hier zunächst vier Fragen aufgeführt, mit denen wir uns befassen müssen:  

1. Wie wird die Abtast- und Haltezeit des ADC festgelegt?

Unter der Abtastzeit eines ADC versteht man die Zeit, die die Eingangsquelle eines ADC benötigt, um den eingebauten Kondensator des ADC auf einen stabilen Wert zu laden, damit ein genaues Umwandlungsergebnis entsteht. Die Mindest-Abtastzeit sollte dabei unter Berücksichtigung der Ausgangsimpedanz des Abtastkondensators im ADC und des Widerstands des Eingangs-Multiplexers gewählt werden. Beide Werte sind im Datenblatt des Bausteins angegeben. Die Abtastzeit des ADC ist (in Taktzyklen) konfigurierbar und lässt sich festlegen, indem man die ADC-Taktquelle und die Abtastzeit entsprechend einstellt.  

Wenn der interne Abtastkondensator zu einem bestimmten Zeitpunkt auf den Wert der Eingangsquelle aufgeladen ist, wird die Zahl der Taktzyklen, die zum Umwandeln dieser Ladung in eine digitale Ausgangsinformation benötigt wird, als die Halte- oder Umwandlungszeit bezeichnet. In der Regel handelt es sich bei dieser Umwandlungszeit um eine bestimmte Zahl von ADC-Taktzyklen.  

2. Wie wird der richtige ADC-Umwandlungsmodus gewählt?

Integrierte ADCs unterstützen mithilfe eines Eingangs-Multiplexers meist mehrere Eingangskanäle. Über den ADC-Umwandlungsmodus können Sie wählen, ob einer oder mehrere Kanäle abgetastet werden sollen. Die Zahl der verwendeten Kanäle und die Reihenfolge, in der sie abgetastet werden, ist von der Anwendung abhängig. Für das intelligente Thermostat mit nur einem Eingangssignal verwenden Sie den Einkanal-Modus. Sollen dagegen mehrere Eingangsgrößen gemessen werden (z. B. neben der Temperatur auch die Luftfeuchte), müssen mehrere ADC-Eingänge nacheinander abgetastet werden, wofür die entsprechende Betriebsart gewählt werden muss.  

Über den ADC-Umwandlungsmodus können Sie auch wählen, ob der oder die ADC-Eingangskanäle nur einmal oder wiederholt abgetastet werden soll(en). Die Anzahl der Umwandlungen hängt vom Triggersignal und der Anwendung ab. Im Fall eines Thermostaten können Sie sich für den Single-Conversion-Modus entscheiden, in dem immer nur eine Umwandlung veranlasst wird.  

3. Wie wird das richtige Triggersignal für die Umwandlung gewählt? 

Allgemein kann der ADC per Software (d. h. durch Setzen eines Registerbits) oder automatisch per Timer getriggert werden. Im vorigen Abschnitt wurde erläutert, wie die Triggerung per Timer genutzt wird und weshalb dies eine komfortable Option für ein intelligentes Thermostat ist, der periodische Temperaturmessungen vornehmen soll.  

4. Wie werden die Umwandlungsergebnisse zur Weiterverarbeitung weitergeleitet?

Das ADC-Setup erfordert die Zuweisung von Speicher im ADC für die Umwandlungsergebnisse. Abhängig vom jeweiligen ADC-Modul ist im ADC-Speicher entweder Platz für einige Umwandlungsresultate vorhanden, bevor diese vom System ausgelesen werden, oder es kann nur ein Ergebnis zwischengespeichert werden. Achten Sie darauf, die ADC-Umwandlungsergebnisse immer zunächst auszulesen, bevor sie durch neue Ergebnisse überschrieben werden. Mehr zu diesem Thema finden Sie im nächsten Beitrag.  

Dieser Beitrag enthielt also kurzgefasst alles, was Sie wissen müssen, um mit dem Sensor-Teil der Thermostat-Applikation zu beginnen. Weitere Details zur Konfiguration finden Sie natürlich im Anwenderhandbuch und im Datenblatt der MCU.  

Hier noch einmal in Kurzfassung die wichtigsten Aussagen dieses Beitrages über intelligente Thermostate:  

•    Eignen Sie sich ein Verständnis der Sensor- und Messkette an. 

•    Entscheiden Sie sich für einen Temperatursensor, der optimal auf die Anforderungen Ihrer Anwendung abgestimmt ist. 

•    Berücksichtigen Sie die Genauigkeit, den Stromverbrauch und die Kosten der gesamten Sensor- und Messkette, anstatt nur auf die einzelnen Bauteile zu achten. 

•    Ein integrierter ADC ist weitreichend konfigurierbar. Setzen Sie sich mit den Einstellmöglichkeiten auseinander und wählen Sie das passende Setup für Ihre Applikation.  

Das Thema des nächsten Beitrages ist die Datenverarbeitung.

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1. Smarte Thermostate mithilfe eines Mikrocontrollers bauen
2. Festlegung der Abtastfrequenz
3. Einsatz des integrierten ADC zum Einlesen der Temperaturinformation

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