W artykule przedstawimy działanie czujnika temperatury TMP006 produkowanego przez Texas Instruments. Za bazę sprzętową posłuży nam zestaw startowy LaunchPad: TM4C123G, oraz płytka rozszerzeniowa BoosterPack: BOOSTXL-SENSHUB. O module LaunchPad oraz płycie BoosterPack pisaliśmy w artykule.

Czujnik TMP006

Czujnik temperatury TMP006 produkowany jest w obudowie BGA o wymiarach 1,6 na 1,6 mm. Wyprowadzenia pinów czujnika (8 sztuk) znajdują się na obwodzie obudowy, co ułatwia montaż czujnika na laminacie PCB.  Schemat obudowy czujnika wraz z opisem wyprowadzeń pokazano na rysunku 1. Montując czujnik na liniach SCL, SDA, oraz #DRDY należy zastosować  rezystory podciągające do V+ (typowa wartość to 10 k?), a na linii A3 kondensator do masy (zalecana wartość to nie mniej niż 0,01uF).

Rys. 1. Obudowa czujnika TMP006 wraz z opisem wyprowadzeń

Schemat blokowy czujnika TMP006 pokazano na rysunku 2. Wewnątrz układu zintegrowano  sensor do pomiaru temperatury otoczenia, czujnik promieniowania podczerwonego IR, wzmacniacz, przetwornik A/C, źródło napięcia referencyjnego.

Rys. 2. Schemat blokowy układu TMP006

Układ TMP006 może być zasilany napięciem z przedziału 2,2…5,5 Volt. Komunikacja z czujnikiem realizowana jest za pomocą interfejsu I2C. Zakres  pomiaru temperatury wynosi od –40 do +125?C.

Czujnik TMP006 mierzy temperaturę otoczenia, oraz temperaturę obiektu, który znajduje się w pewnej odległości od czujnika (pobór prądu to zaledwie 240 uA.). Podczas bezdotykowego pomiaru temperatury wykorzystywane jest zjawisko promieniowania podczerwonego IR. Wówczas wykonywany jest pomiar emisji promieniowania podczerwonego obiektu i na podstawie wyniku pomiaru obliczana jest temperatura obiektu. Maksymalny współczynnik promieniowania podczerwonego wynosi 1 (obiekt idealny tzw. black body). Żeby układ TMP006 poprawnie zmierzył temperaturę współczynnik promieniowania podczerwonego obiektu powinien być większy niż 0.7 a najlepiej aby przekraczał wartość 0.9.  W tabeli 1 pokazano współczynniki promieniowania podczerwonego dla wybranych materiałów.

Tab. 1. Współczynniki promieniowania podczerwonego wybranych materiałów

Jeśli chcemy korzystając z czujnika TMP006 zmierzyć temperaturę obiektu wykonanego z materiału o niskim współczynniku promieniowania podczerwonego (przykładowo obiektu wykonanego z miedzi, której współczynnik promieniowania wynosi 0.08) to powinniśmy pomalować obiekt  farbą  z dodatkiem sadzy (przykładowo malujemy miedź tzw. farbą lampblack, której współczynnik promieniowania podczerwonego wynosi 0.96).

Istotny wpływ na wynik bezdotykowego pomiaru temperatury ma kąt położenia czujnika TMP006 względem powierzchni mierzonego obiektu. W graficzny sposób zależność prezentuje rysunek 3. Najlepsze parametry pomiaru temperatury uzyskamy gdy czujnik TMP006 będzie ułożony równolegle (pod zerowym kątem) do powierzchni mierzonego obiektu. Wówczas czujnik TMP006 będzie pochłaniał 100% promieniowania podczerwonego emitowanego przez obiekt pomiarowy.

Rys. 3. Charakterystyka absorbcji promieniowania podczerwonego przez czujnik TMP006 w zależności od kąta położenia czujnika względem obiektu pomiarowego

Kolejnym parametrem który ma wpływ na wynik bezdotykowego pomiaru temperatury jest odległość czujnika TMP006 od powierzchni obiektu pomiarowego. W graficzny sposób zależność prezentuje rysunek 4. W przypadku, gdy odległość czujnika od obiektu jest mniejsza niż połowa promienia obiektu (d < r/2), to czujnik TMP006 pochłania ponad 90% promieniowania podczerwonego emitowanego przez obiekt pomiarowy, a wynik  bezdotykowego pomiaru temperatury jest prawidłowy.

Rys. 4. Charakterystyka absorbcji promieniowania podczerwonego przez czujnik TMP006 w zależności od odległości czujnika od powierzchni obiektu pomiarowego

Reasumując, aby wynik bezdotykowego pomiaru temperatury był prawidłowy należy spełnić  następujące warunki:

1. Obiekt pomiarowy musi być wykonany z materiału o wysokim (najlepiej powyżej  wartości 0.9) współczynniku promieniowania podczerwonego (ew. pomalowany farbą).
2. Kąt położenia czujnika względem powierzchni mierzonego obiektu powinien być jak najmniejszy (najlepiej jakby był zerowy – czujnik i obiekt położone równolegle).
3. Odległość czujnika od obiektu pomiarowego powinna być  mniejsza niż połowa promienia obiektu (wówczas czujnik pochłania ponad 90% promieniowania podczerwonego emitowanego przez obiekt pomiarowy)

Komunikacja z czujnikiem temperatury TMP006 odbywa się przy pomocy interfejsu I2C. W czujniku zaimplementowano 5 rejestrów danych o rozmiarze 16 bitów każdy, oraz jeden rejestr adresu (Pointer) o rozmiarze 8 bitów. Przed operacją odczyty/zapisu rejestru danych w rejestrze Pointer  ustawiamy adres rejestru. Rejestry danych czujnika temperatury TMP006 prezentuje tabela 2.