Proto Invention
Electronics วรพจน์ กรแก้ววัฒนกุล กองบรรณาธิการ
Thermometer sensor á¼งวงจรวัดอุ³หÀูมิáบบให้¼ลเ»šนáรงดันä¿¿‡า
สรางแผงวงจรวัดอุณหภูมทิ ใี่ ชตวั ตานทานแปรคา ผกผันกับอุณหภูมิหรือเทอรมิสเตอรแบบ NTC ที่จุมนํ้าได ใหผลการทํางานเปนแรงดันไฟฟาที่ เที ย บเคี ย งกั บ ค า อุ ณ หภู มิ จ ริ ง ในหน ว ยองศาเซลเซียส นี่คือโครงงานตัวอยางที่ผานขั้นตอน การพัฒนามาอยางครบถวน ตั้งแตการออกแบบ จากความรูทางทฤษฎี สูการทดสอบ และมีการ ปรับแตงเพื่อใหผลการทํางานที่ไดใกลเคียงกับ การทดสอบจําลองการทํางานดวยซอฟตแวร สมัยใหม นี่ คื อ หนึ่ ง ในโครงงานที่ TPE ภู มิ ใ จน� า เสนอ ชื่ อ ของโครงงานอาจดู ธรรมดา..ธรรมดา ครั บ มั น คื อ แผงวงจรวั ด อุ ณ หภู มิ ที่ นั ก เล่ น โครงงาน อิเล็กทรอนิกส์รุ่นเกาหน่อยคุ้นเคย และอาจมีประสบการณ์ในการสร้างมา หลายวงจร หลายแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับวงจรวัดอุณหภูมิที่ใช้ตัวตรวจ จับที่เป็นตัวต้านทานแปรค่าผกผันกับอุณหภูมิหรือเทอร์มิสเตอร์ ซึ่งเป็นที่ ทราบกันอยู่ว่า ผลการท�างานของวงจรเมื่อใช้เทอร์มิสเตอร์ มักให้การท�างาน ที่ไม่เป็นเชิงเส้น 30
The Prototype Electronics
แต่ที่เป็นพิเศษของโครงงานนี้คือ ใช้วงจรที่ได้รับการออกแบบเพื่อ แก้ไขปญหาความไม่เป็นเชิงเส้นของผลการท�างานให้ได้ผลการท�างานที่ ใกล้เคียงกับความเป็นเชิงเส้นมากขึ้น จนอาจกล่าวได้ว่า มีผลการท�างาน เป็นแบบเชิงเส้นได้ในที่สุด
¤Ø³Êมºัติ·Òงà·¤¹ิ¤ • ใช้ตัวตรวจจับแบบเทอร์มิสเตอร์ชนิด NTC ที่มีค่าความต้านทาน 10kΩ ที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส (R_25oC) ±3% มีค่าคงที่ B เท่ากับ 3435K ±2% มีการต่อสายยาวประมาณ 50 เซนติเมตร • ปลายวัดอุณหภูมิมีพลาสติกอีพ็อกซี่หุ้ม กันน�้าและความชื้นได้ • ให้ผลการท�างานเป็นแรงดัน แปรผันตรงกับอุณหภูมิ มีความเป็นเชิงเส้นสูง วัดเทียบอุณหภูมิได้ง่าย • ขั้วต่อเอาต์พุตแบบ JST ปองกันการต่อสลับขั้ว และเชื่อมต่อกับแผงวงจร ไมโครคอนโทรลเลอร์ได้อย่างรวดเร็ว • ใช้ไอซีออปแอมปแรงดันต�่าพิเศษ MCP6002 จึงใช้กับไฟเลี้ยงได้ตั้งแต่ +1.8 ถึง +5 V • ขนาดเล็ก 2 x 4 เซนติเมตร
à·อÃ มิÊàตอÃ ¤ือตัÇ¡ÒÃ ความไม่เป็นเชิงเส้นของวงจรวัดอุณหภูมิที่ใช้เทอร์มิสเตอร์มาจาก ตัวเทอร์มิสเตอร์เอง เนื่องจากโดยปกติค่าความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ จะเปลี่ ย นแปลงเพิ่ ม ขึ้ น หรื อ ลดลงจะขึ้ น กั บ อุ ณ หภู มิ ที่ วั ด ได้ และการ เปลี่ยนแปลงนั้นไม่มีความเป็นเชิงเส้น ดังรูปที่ 1 เป็นกราฟคุณสมบัติของ เทอร์มิสเตอร์ ดังนั้นหากน�าเทอร์มิสเตอร์มาใช้งานโดยไม่มีการจัดวงจร เข้าช่วยอย่างเหมาะสม ผลการวัดอุณหภูมิเมื่อเทียบกับค่าความต้านทาน ที่ได้ก็จะไม่มีความเป็นเชิงเส้น ในรูปที่ 2 เป็นวงจรใช้งานเทอร์มิสเตอร์อย่าง ง่าย เอาต์พุตที่เป็นแรงดันไฟตรงที่ได้หรือ Vt จะไม่มีความเป็นเชิงเส้น เมื่อ น�าไปต่อเข้ากับอินพุตอะนาลอกของไมโครคอนโทรลเลอร์ การอ่านค่าเพื่อ น�าไปแปลงเป็นค่าอุณหภูมิจริงเป็นเรื่องที่ไม่ง่ายนัก ต้องมีการวิเคราะห์ด้วย รูปที่ 1 ตัวอย่างกราฟคุณสมบัติการท�างานของเทอร์มิสเตอร์ สมการเส้นตรง และใช้การหาจุดตัดกราฟ ณ ต�าแหน่งอุณหภูมิที่ผู้พัฒนา สนใจ จากนั้นจึงน�าค่าความต้านทานที่ได้จากจุดตัดกราฟมาค�านวณหาค่า อะนาลอกที่ต้องการน�าไปก�าหนดเงื่อนไขการท�างานต่อไป ดังนั้นเพื่อลดความยุ่งยากในการเขียนโปรแกรมลง จึงต้องใช้วงจร ออปแอมปเข้ามาต่อเพื่อปรับแรงดันไฟตรงที่ไม่เป็นเชิงเส้นให้มีความเป็น เชิงเส้นมากขึ้น นั่นจึงเป็นที่มาของโครงงานนี้
รูปที่ 2 วงจรใช้งานเทอร์มิสเตอร์อย่างง่าย
Çง¨ÃáลСÒ÷ํÒงÒ¹ รูปที่ 3 แสดงวงจรสมบูรณ์ของแผงวงจรวัดอุณหภูมิที่เราจะสร้างกัน อุ ป กรณ์ ที่ ท� า หน้ า ที่ ต รวจจั บ อุ ณ หภู มิ คื อ SENS1 เทอร์ มิ ส เตอร์ เ บอร์ NTSE0103HZ182 ซึ่งป็นเทอร์มิสเตอร์แบบ NTC (Negative Temperature Co-efficient) นั่นคือมีค่าความต้านทานแปรผกผันกับอุณหภูมิ ค่าความ ต้านทานที่อุณหภูมิห้องหรือที่ 25 องศาเซลเซียสเท่ากับ 10kΩ มีตาราง แสดงคุณสมบัติทางเทคนิคแสดงในตารางที่ 1 และมีหน้าตาแสดงดังรูปที่ 4 เทอร์มิสเตอร์ SENS1 ถูกต่อเข้ากับวงจรขยายความแตกต่างเพื่อจัด การสัญญาณให้เป็นเชิงเส้น โดยวงจรนี้ใช้ไอซีออปแอมปแบบ Rail-to-Rail เบอร์ MCP6002 (ออปแอมปแบบ Rail-to-Rail คือ ออปแอมปที่สามารถ ให้สัญญาณเอาต์พุตมีระดับสูงเท่ากับไฟเลี้ยงทั้งด้านบวกและลบ) มีตัว ต้านทาน R4 ต่อขนานกับ SENS1 เพื่อช่วยให้การเปลี่ยนแปลงของเทอร์ มิสเตอร์มีความเป็นเชิงเส้นมากขึ้น สัญญาณจาก IC1/1 จะส่งต่อไปยัง IC1/2 ซึ่งเป็นวงจรบัฟเฟอร์เพื่อให้แรงดันเอาต์พุตมีเสถียรภาพมากขึ้น แรงดันเอาต์พุตของวงจรวัดอุณหภูมิมีค่า 0.7 ถึง 3.96V ที่ไฟเลี้ยง +5V ซึ่งเท่ากับอุณหภูมิ 0 ถึง 85 องศาเซลเซียส
+Vcc
R1 1k
SENS1 NTSE0103HZ182 Thermistor NTC 10k
C2 0.1/63V
R2 100k 5 R3 10k
IC1/1
IC1/2 7
3
C1 0.01/63V
2
6
8
1
Vout
4
K2 OUT
K1 R4 12k
R5 10k
รูปที่ 3 วงจรสมบูรณ์ของแผงวงจรวัดอุณหภูมิ
รูปที่ 4 หน้าตาของเทร์มิสเตอร์เบอร์ NTSE0103HZ182
ไฟเลี้ ย งของวงจรนี้ ใ ช้ ไ ด้ ตั้ ง แต่ +2 ถึ ง +5V เนื่ อ งจาก IC1 เบอร์ MCP6002 เป็นไอซีออปแอมปแบบไฟเลี้ยงต�่า เมื่อออกแบบวงจรเสร็ จ เพื่ อ ให้ แ น่ ใ จว่ า วงจรนี้ ส ามารถให้ ผ ลการ ท�างานตามที่ต้องการได้ จึงน�าวงจรนี้ไปผ่านการทดสอบจ�าลองการท�างาน ด้วยโปรแกรมจ�าลองการท�างานของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งมีผลการท�างาน สรุปได้ดังตารางที่ 2
ตารางที่ 1 ตารางคุณสมบัติของเทอร์มิสเตอร์เบอร์ NTSE0103HZ182 ที่ใช้ในโครงงานนี้
ตารางที่ 2 ผลการท�างานของวงจรที่ได้จากการจากการค�านวณบนโปรแกรมจ�าลอง การท�างาน โดยแสดงเปนสัดส่วนเปอร์เซ็นต์ของแรงดันไฟเลี้ยงที่อุณหภูมิ -20 ถึง 85 องศาเซลเซียส The Prototype Electronics
31
¡ÒÃÊÃŒÒงáลÐต‹อ㪌งÒ¹
ง่ายมากๆ ครับ เพราะออกแบบให้ใช้เป็นวงจรจรพิมพ์แบบหน้าเดียวมีลายทองแดงและแบบการลงอุปกรณ์แสดงในรูปที่ 5 จะเห็นได้ว่า มีอุปกรณ์ไม่มาก การบัดกรีจึง ไม่ยุ่งยาก การต่อใช้งาน เทอร์มิสเตอร์ SENS1 จะต้องต่อสายเข้าที่คอนเน็กเตอร์ K1 ส่วน คอนเน็กเตอร์ K2 ให้ต่อเข้ากับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่จุดต่ออินพุตอะนาลอก อาทิ บอร์ด POP-Interface หรือ JX-POP168 ส�าหรับใช้งานกับโมดูล Arduino POP-168 หรือบอร์ดอื่นๆ ที่มีใช้คอนเน็กเตอร์แบบ JST เพื่อความสะดวกและรวดเร็ว รวมถึงใช้งาน กับโครงงาน MeterMod ที่แนะน�าให้สร้างกันใน TPE ฉบับที่ 14 หากใช้กับบอร์ดอื่นๆ ที่ไม่มีจุดต่อแบบ JST ก็ให้ท�าการบัดกรีสายสัญญาณเพื่อเชื่อมต่อ 3 เส้นคือ +V (ใช้ได้ รูปที่ 7 ตัวอย่างการต่อใช้งานกับ MeterMod (โครงงาน TPE ฉบับที่ 14) ตั้งแต่ +2 ถึง +5V), สายกราวด์ และสายเอาต์พุต Vout
¼ล¡Ò÷ํÒงÒ¹ ในการทดสอบการท�างานได้ท�าการต่อเอาต์พุตของแผงวงจรวัดอุณหภูมิเข้ากับ อินพุตของโครงงาน MeterMod ดังรูปที่ 7 จากนั้นน�าเทอร์มิสเตอร์วัดอุณหภูมิตามสภาพ แวดล้อมต่างๆ จากรูปวัดในห้องที่เปิดเครื่องปรับอากาศระดับ Low วัดได้ค่า 45.1% ซึ่งเท่ากับอุณหภูมิ 29 องศาเซลเซียส จากการทดสอบการท� า งานได้ ผ ลการท� า งานออกมาดั ง กราฟรู ป ที่ 8 ซึ่ ง มี ก าร เปรียบเทียบกับค่าที่ได้จากการค�านวณบนโปรแกรมจ�าลองการท�างาน
¢Œอá¹Ð¹ํÒ¡‹อ¹¡ÒÃ㪌งҹ㹤Ãั้งáá
จากกราฟเปรียบเทียบระหว่างค่าที่อ่านได้กับค่าที่ได้จากการค�านวณ สังเกตกราฟ มีลักษณะขนานกัน เป็นค่าคงที่ในช่วงกราฟเส้นตรง (จากตัวอย่างกราฟคือ +3 องศา เซลเซียส) ซึ่งเป็นค่าผิดพลาดแบบ Offset error อันเนื่องมาจากความคลาดเคลื่อนของ แผงวงจรวัดอุณหภูมิแต่ละชุด ที่แตกต่างกันได้ ดังนั้นเพื่อความถูกต้องของค่าอุณหภูมิที่อ่านได้ ผู้ใช้ควรเทียบค่าที่อ่านได้กับ เทอร์โมมิเตอร์แบบกะเปาะแก้วที่เชื่อถือได้ ท�าการอ่านค่าที่อุณหภูมิห้องที่ไม่มีลมพัด หรือจุ่มลงในน�้าเป็นเวลา 1 นาที เปรียบเทียบกัน แล้วดูว่าเกิด Offset error หรือไม่ ถ้า มีก็สามารถน�าค่า Offset ที่แตกต่างกันมาเพิ่มหรือหักออกจากค่าที่อ่านได้ในการใช้งาน จริง ค่าที่ได้จากแผงวงจรวัดอุณหภูมิชุดนี้ก็จะให้ผลลัพธ์ที่ถูกต้องมากขึ้น
นับจากนี้เราจะมีแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ส�าหรับวัดอุณหภูมิที่ให้ผลการท�างาน ที่ น ่ า เชื่ อ ถื อ ได้ มี ค วามเป็ น เชิ ง เส้ น สู ง วั ด ค่ า อุ ณ หภู มิ ใ นน�้ า และอากาศได้ ภายใต้ งบประมาณสบายกระเปา
รูปที่ 5 ลายทองแดงและแบบการลงอุปกรณ์ของโครงงานวงจรวัดอุณหภูมิ
รูปที่ 8 กราฟแสดงค่าที่อ่านได้ในรูปความละเอียด 10 บิต (0 ถึง 1023) กับอุณหภูมิ ของโครงงานแผงวงจรวัดอุณหภูมิ - กราฟเส้นทึบเปนค่าที่อ่านได้จริงจากแผงวงจรวัดอุณหภูมิ - กราฟเส้นประคือค่าที่ได้จากการค�านวนบนโปรแกรมจ�าลองการท�างาน รายการอุปกรณ R1 - ตัวต้านทาน 1kΩ ขนาด1/8W 5% หรือ 1% R2 - ตัวต้านทาน 100kΩ ขนาด 1/8W 5% หรือ 1% R3 และ R5 - ตัวต้านทาน 10kΩ ขนาด 1/8W 5% หรือ 1% 2 ตัว R4 - ตัวต้านทาน 12kΩ ขนาด 1/8W 5% หรือ 1% C1 - ตัวเก็บประจุ 0.01µF 50V หรือ 63V โพลีเอสเตอร์ C2 - ตัวเก็บประจุ 0.1µF 50V หรือ 63V โพลีเอสเตอร์ K1 - คอนเน็กเตอร์ JST 2 ขาตรง 2.5 มม. ตัวผู้ รหัส 100102ST/RH K2 - คอนเน็กเตอร์ JST 3 ขางอ 2 มม. ตัวผู้ IC1 - ไอซี MCP6002 SENS1 - เทอร์มิสเตอร์เบอร์ NTSE0103HZ182 พร้อมสายต่อ ซ็อกเก็ตไอซี 8 ขา, แผ่นวงจรพิมพ์
หมายเหตุ
รู ป ที่ 6 ตั ว อย่ า งการต่ อ ใช้ ง านร่ ว มกั บ เทอร์ มิ ส เตอร์ NTSE0103HZ182 และบอร์ดพัฒนาโครงงานส�าหรับ POP-168 หรือบอร์ด JX-POP168 (โครงงานใน TPE ฉบับที่ 14) 32
The Prototype Electronics
- K1 และ SENS1 มีจ�าหน่ายที่ อีเลคทรอนิคส์ ซอร์ซ บ้านหม้อ (www.es.co.th) โทรศัพท์ 0-2623-9460 - K2 และ IC1ดูรายละเอียดในหน้า TPE shop ท้ายเล่ม - แผงวงจรส�าเร็จรูปพร้อมใช้งานชื่อ ZX-THERMOMETER มีจ�าหน่ายที่ บริษัท อินโนเวเตีฟ เอ็กเพอริเมนต์ จ�ากัด (www.inex.co.th) หรือติดต่อผ่านตัวแทน จ�าหน่าย
www.tpemagazine.com