Jste zde

Jak se navrhuje digitální teploměr?

Jan Robenek, 3. Srpen 2010 - 7:08

V článku zmiňujeme základní principy činnosti vybraných digitálních přístrojů, používaných k měření tělesné teploty, včetně jejich blokového diagramu, doporučených čidel a také polovodičů. Nechybí ani několik praktických poznámek k samotnému vývoji.

Pomůcky, používané k určení tělesné teploty, vyhodnocují odezvu lidského těla, pohybující se v relativně malém provozním rozsahu se středem někde okolo +37 °C. Během posledních 10 až 15 let docházelo k výrazné náhradě klasického rtuťového sloupce digitálními přístroji a jejich novými technologiemi, umožňujícími rychlejší a také pohodlnější měření bez rizika, které pro životní prostředí rtuť bezesporu představuje. Mezi základní typy digitálních teploměrů, dostupných na trhu, patří

osvědčená „klasika“ (Probe, ilustrační příklad digitální klasiky v nabídce GM Electronic naleznete např. zde)

a také

ušní typy (Ear, ilustrační příklad ušního teploměru v nabídce GM Electronic naleznete např. zde).

Na pozici dalších alternativ se rovněž začaly objevovat

typy, měřící na spáncích (Temple) nebo také čele (Forehead, ilustrační příklad čelního teploměru v nabídce GM Electronic naleznete např. zde).

Pokud jde o prvně zmíněnou „klasiku“, nemusíme používat mnoho slov. Teploměr provozujeme způsobem, srovnatelným s tradičním rtuťovým přístupem, přičemž měříme buď

orálně (v ústech),
rektálně (však my víme kde...)

nebo také

v podpažních jamkách (stojí za zmínku, že výraz, překládaný jako „armpit“ - podpaží, se v přeneseném významu užívá také pro „největší díru“ či „zapadákov“).

Pod označením ušního typu si zase představujeme bezkontaktní měření, využívající infračervenou energii, vyzařovanou ze zvukovodu. Spánkové nebo také čelní typy pak obvykle řadíme k teploměrům kontaktním, přičemž i ony vyhodnocují energii v infračervené oblasti, která však nyní pochází z jiného místa, tj. čela nebo spánku.

Příklad digitální „klasiky“ pro měření tělesné teploty (Probe-type Digital Thermometer)

A jdeme měřit...

Klasické digitální teploměry ke své činnosti obvykle vyžadují

termistor,

umístěný na špičce samotné sondy. Termistorem rozumíme rezistor, u jehož odporu požadujeme vhodnou teplotní změnu (zde je závislost na teplotě dokonce žádoucí, což ovšem tak nelibě neseme ve zbývající většině elektronických aplikací). Napěťový dělič, složený ze sériové kombinace termistoru a přesného rezistoru, budíme ze zdroje referenčního napětí. Výsledné měření pak provádíme buď na

samotném středu děliče (Single – ended)

nebo

rozdílově, přímo na termistoru.

Abychom eliminovali chyby, způsobené „ujížděním“ referenčního napětí v čase, můžeme se v různých zapojeních rovněž setkat s přídavnými precizními rezistory, podporujícími činnost stejného referenčního zdroje. Budeme – li zase k podpoře termistorového děliče a připojeného A/D převodníku využívat stejné referenční napětí, můžeme se bez přesně kalibrovaných rezistorů obejít. V takovém případě z teplotní kalkulace vypadává zdroj referenčního napětí a my tak můžeme snížit požadavky, kladené na tento normál.

Správná interpretace měření na termistoru využívá služeb přirozeného logaritmu, což ovšem znamená další výpočetní cykly včetně rozšíření nezbytného kódu mikrokontroléru. Vhodnou alternativou k přesnému určení teploty se tak jeví lookup tabulka, obvykle vedoucí k rychlejšímu výpočtu a také kompaktnějšímu kódu. Každopádně i zde musíme hovořit o určitém

kompromisu mezi velikostí tabulky a chybou interpolace vstupních údajů,

kde rostoucí počet bodů v tabulce chybu interpolace snižuje. V této věci obvykle vystačíme s A/D převodníkem a jeho

12bitovým, případně ještě větším rozlišením.

Pokud jde o zesilovací stupeň, tak ten je zde volitelný, přičemž odráží požadavky na rozsah měření a také požadovanou přesnost.

Ilustrační příklad ušního teploměru (Ear-type Digital Thermometer)

Teploměry ušního typu ke své činnosti vyžadují

termočlánky,

resp. také

termistory.

Pojmem termočlánek zde přitom myslíme několik prvků zapojených do série pro účinné zvýšení výstupního napětí. Generované výstupní napětí termočlánků pak bude odpovídat absorbované energii. Hovoříme zde o fyzikálním principu

vyzařování černého tělesa,

podle něhož předměty s teplotou větší než je absolutní nula budou vyzařovat energii – v našem případě tedy infračervené spektrum, které již umíme vyhodnotit. Infračervené záření je ze zvukovodu soustředěno a směrováno na povrch termočlánku, jehož výstupní, nízkoúrovňové napětí následně zesílíme a digitalizujeme A/D převodníkem s 12bitovým nebo ještě větším rozlišením.

K určení tělesné teploty zde slouží termočlánky a také termistory, přičemž o termistorech hovoříme v souvislosti se studeným spojem termočlánku (viz také 5dílné zpracování námětu Teplotní čidla v praxi, které jsme na hw.cz publikovali nedávno).

Zařízení, určené k měření teploty přiložením na čelo (Forehead-type Digital Thermometer)

I teploměry spánkového či čelního typu při své činnosti vyhodnocují infračervené vyzařování, stejně jako tomu bylo v případě ušních teploměrů, jen k tomu nyní budeme potřebovat jinou část těla. Speciální čelní teploměry, nazývané také teploměry spánkovými, pracují s teplotou spánkové tepny a také teplotou okolí, přičemž oba příspěvky následně promítnou do výpočtu tělesné teploty.

Ve srovnání s klasickým rtuťovým přístupem můžeme říci, že číslicové teploměry budou mnohem rychlejší. V některých případech se dokonce můžeme setkat s

předehřívaným termistorem,

který tímto způsobem rychleji dosahuje finální teploty. K samotnému určení teploty se často rovněž využívají

prediktivní algoritmy.

Místo toho, abychom trpělivě čekali na konečné ustálení teplotního čidla, zkusíme vhodným algoritmem, odrážejícím počáteční odezvu a také charakteristiky použitého termistoru, finální teplotu rovnou předpovědět.

Příklad možného provedení osobního, bezkontaktního digitálního teploměru, který svá měření rozšířil i na povrchy s teplotou od 0 °C až do +60 °C. V nabídce GM Electronic jej naleznete např. zde.

Bez napájení to neměří...

Klasické digitální teploměry ke své činnosti obvykle vyžadují mincový nebo také dva knoflíkové články, přičemž ušní verze zpravidla vystačí s mincovým článkem, resp. dvěma alkalickými bateriemi typu AAA. Oba systémy pak mohou z baterie pracovat buď

přímo

nebo se ještě

opřou o zvyšující spínaný měnič (závisí na zvolených obvodech).

Některé čelní typy zase zaměstnaly 9 V baterie, čímž zároveň zvolily cestu, vedoucí přes

snižující spínané měniče,

resp.

lineární stabilizátory.

V souvislosti s dlouhou výdrží napájecích článků se jako kritické jeví

nízké odběry v režimech shutdown

a také

schopnost deaktivovat spínaný měnič, není – li jeho asistence zrovna nezbytně nutná.

Napěťové dohlížecí obvody zase mohou sledovat aktuální kondici napájecího zdroje a vyhlásit reset, dostane – li se napětí baterie pod ještě bezpečnou provozní úroveň, definovanou mikrokontrolérem. Dalším možným řešením je přídavný vstup A/D převodníku, který bude měřit velikost napájecího napětí a s určitým předstihem tak informovat uživatele, že nadešel čas pro výměnu.

...nepípá...

Akustickou signalizaci využíváme v případě připravenosti k samotnému měření nebo také po ukončení měření. Nejedná se o nic jiného než o „pípátko“ či miniaturní bzučák (Buzzer), buzený buď oproti zemi (Single – ended) nebo rozdílově přímo z výstupů použitého mikrokontroléru.

...nesvítí a ani nezobrazuje!

Ve všech digitálních teploměrech najdeme jednoduchý LCD displej, který může být řízen mikrokontrolérem s přímo vestavěným budičem. Pro podsvětlení lze s výhodou použít jedinou bílou LED (WLED), buzenou samostatným obvodem nebo také EL (Electroluminescent) Sheet a jeho budič.

Blokový diagram digitálního teploměru; přehled doporučených možností řešení v režii Maximu naleznete na www.maxim-ic.com/thermometer.

Mezi doporučené obvody s logem Maximu řadíme např.

MAX11600 2.7V to 3.6V and 4.5V to 5.5V, Low-Power, 4-/8-/12-Channel, 2-Wire Serial 8-Bit ADCs
MAX11605 2.7V to 3.6V and 4.5V to 5.5V, Low-Power, 4-/8-/12-Channel, 2-Wire Serial 8-Bit ADCs
MAX1162 16-Bit, +5V, 200ksps ADC with 10μA Shutdown
MAX1227 12-Bit 300ksps ADCs with FIFO, Temp Sensor, Internal Reference
MAX1229 12-Bit 300ksps ADCs with FIFO, Temp Sensor, Internal Reference
MAX1231 12-Bit 300ksps ADCs with FIFO, Temp Sensor, Internal Reference
- MAX1393 1.5V to 3.6V, 312.5ksps, 1-Channel True-Differential/2-Channel Single-Ended, 12-Bit, SAR ADCs
- MAX1396 1.5V to 3.6V, 312.5ksps, 1-Channel True-Differential/2-Channel Single-Ended, 12-Bit, SAR ADCs
MAX1415 16-Bit, Low-Power, 2-Channel, Sigma-Delta ADCs
MAX1416 16-Bit, Low-Power, 2-Channel, Sigma-Delta ADCs
MAX1574 180mA, 1x/2x, White LED Charge Pump in 3mm x 3mm TDFN
MAX1722 1.5μA Iq, Step-Up DC-DC Converters in Thin SOT23-5
MAX1724 1.5μA Iq, Step-Up DC-DC Converters in Thin SOT23-5
MAX1832 High-Efficiency Step-Up Converters with Reverse Battery Protection
MAX1835 High-Efficiency Step-Up Converters with Reverse Battery Protection
MAX1947 Low Input/Output Voltage Step-Up DC-DC Converter with Active-Low RESET
MAX1984 Ultra-Efficiency White LED Drivers
MAX1986 Ultra-Efficiency White LED Drivers
MAX8569 200mA Step-Up Converters in 6-Pin SOT23 and TDFN
MAX8625 High-Efficiency, Seamless Transition, Step-Up/Down DC-DC Converter
MAXQ2000 Low-Power LCD Microcontroller nebo také
MAXQ2010 16-Bit Mixed-Signal Microcontroller with LCD Interface.