Microkontrolör Tabanl S cakl k Ölçümünde Termistör Kullan m Prof. Dr. Doğan İbrahim Yak n Doğu Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, KKTC ÖZET Gu nu mu zde sicaklik senso ru olarak c ok deg is ik senso rler kullanilmaktadir. Bu yazimizda oldukc a yaygin olarak kullanilan termisto r sicaklik senso rlerine go z atacag iz. Yazida ayrica termiso r senso rlerin teorisi ve bu senso rlerin mikro kontrolo r tabanli sistemlerde kullanimlari ac iklanmis tir. 1. GİRİŞ Sicaklik senso rleri sicaklik o lc u m ve sicaklik kontrol uygulamalarinda kullanilmaktadirlar. Piyasada c es itli sicaklik senso rleri bulmak mu mku ndu r. Sicaklik senso rleri vermis olduklari c ikis tipine go re ikiye ayrilmaktadirlar: Analog senso rler ve sayisal dijital senso rler. Analog senso rler genellikle algilamis olduklari sicaklig a bag li olarak bir gerilim veya akim u retmektedirler. Bu tip senso rleri mikrois lemci veya mikro kontrolo r sistemlerinde kullanmazdan o nce c ikis gerilimini analog-sayisal do nu s tu ru cu A/D kullanarak dijitale do nu s tu rmek gerekir. Dijital senso rler dijital c ikis vermektedirler ve bu senso rler direk olarak mikrois lemci veya mikro kontrolo r giris portlarina bag lanabilirler. Genel olarak as ag idaki sicaklik senso rleri yaygin olarak kullanilmaktadir: Yari I letken Entegre Devre Sicaklik Senso rleri Genellikle 0-100 C arasinda kullanilan bu senso rler yari iletken entegre olarak yapilmis tirlar. Bu tip senso rler sicaklik ile dog ru orantili olarak akim veya gerilim u retmektedirler. O rneg in, LM35DZ modeli entegre senso r 3 bacakli olup c ikis gerilimi 10mV/ C dir. O rneg in, 20 C sicaklikta c ikis gerilimi 200mV ve 30 C sicaklikta ise c ikis 60 EMOBİLİM gerilimi 300 MV kadardir. Entegre devre sicaklik senso rlerin dezavantajlari c ok yu ksek veya c ok du s u k sicakliklari o lc mede kullanilmalarinin mu mku n olmayis idir. Termokupil Sicaklik Senso rleri Termokupil sicaklik senso rleri normal sicakliklara ilaveten c ok yu ksek ve c ok du s u k sicaklilari o lc mede kullanilmaktadirlar. O rneg in bu tip senso rlerle 2000 C veya u zeri sicakliklari o lc ebiliriz. Termokupil senso rlerin elektronik devrelerde kullanimlari genellikle dig er senso rlerden daha komplekstir. RTD Senso rler RTD senso rlerin c alis ma prensipleri metallerin direnc lerinin sicaklikla deg is imine dayanmaktadir. RTD senso rler de genellikle hassas ve yu ksek sicaklik o lc u mlerinde kullanilmaktadirlar. Bu tip senso rlerin dezavantaji dig er senso rlere kiyasla daha pahali olmalaridir. En yaygin olarak kullanilan RTD metali platinyumdur. Bir platinyumun sicaklik ve direnc deg is imi s u bag inti ile go sterilmektedir as ag idaki formu l sadece 0 C ve 650 C arasinda gec erlidir : R = R 0 [1 + At + Bt 2 ] (1) Burada, R, t sicaklig indaki direnc R 0, 0 C daki platinyum direnci t, sicaklik A = 3.9083 x 10-3 B = -5.775 x 10-7 Termisto r Senso rler Termisto rler sicaklik senso ru olarak en yaygin olarak kullanilan senso r tipleridir. Bu senso rlerin standart bir direnc gibi iki bacag i bulunmaktadir. Termisto r sicaklikla direnci deg is en bir direnc tipidir. I ki tip termisto r bulunmaktadir:
PTC: Bu termisto rler Pozitif Sicaklik Katsayili termisto r olarak da bilinmektedirler. Bu tip termisto rlerin direnci sicaklikla dog ru orantili olarak deg is mektedir. Sicaklik arttikc a direnc artmakta ve sicaklik azalikc a ise direnc azalmaktadir. NTC: Bu termisto rler Negatif Sicaklik Katsayili termisto r olarak da bilinmektedirler. Bu tip termisto rlerin direnci sicaklikla ters orantili olarak deg is mektedir. Sicaklik arttikc a direnc azalmakta ve sicaklik du s tu kc e direnc artmaktadir. NTC tipi senso rler esas olarak sicaklik o lc u mu nde kullanildiklari ic in bu senso rlerin teorisine ve elektronik devrelerde kullanimlarina detayli olarak go z atacag iz. S ekil 1 de tipik termisto rler go sterilmis tir. Hassasiyet Orta Yu ksek Orta Respons Ortayu ksek Orta Orta Lineerlik Du s u k I yi Du s u k Isinma Yok Du s u k Yu ksek Bu yu klu k Ku c u k Orta Ku c u k 2. NTC TERMİSTÖR SENSÖRLER NTC termistor kullanarak sicaklig i o lc mek ic in ilk olarak termisto ru n direncini bulmamiz gerekmektedir. Direnci bulduktan sonra ise termisto ru n sicaklig ini bulmak ic in as ag ida da ac iklandig i gibi genellikle 3 deg is ik metot bulunmaktadir. METOD 1 Steinhart-Hart Denklemi NTC termisto rlerde sicaklik ve direnc arasindaki bag inti Steinhart-Hart denklemi olarak bilinir ve s u s ekilde yazilabilir: 1/T = A + B*ln(R) + C*[ln(R)] 3 2 S ekil 1. Tipik termisto rler Yaygin olarak kullanilan sicaklik senso rlerinin kars ilas tirilmalari Tablo 1 de verilmis tir. Tablodan da go ru leceg i gibi c ok yu ksek veya c ok du s u k sicaklik o lc u mlerinde termokupil sec ilmelidir. Tablo 1. Sicaklik senso rlerinin kars ilas tirilmasi Burada, T sicaklik Kelvin olarak R direnc ohm olarak A,B,C katsayilar Yukaridaki denklemde A,B ve C katsayilarini bulmak ic in 3 deg is ik deg erdeki sicaklik deg erlerini ve kars ilik gelen direnc deg erlerini bilmemiz yeterlidir. O rneg in, kullanacag imiz termisto ru n as ag idaki tabloda verilen sicaklik ve direnc deg erlerini buldug umuzu kabul edelim: Bulmus oldug umuz deg erleri 2 nolu denkleme yeles tirirsek, Termokupil RTD Termisto r Fiyat Du s u k Yu ksek Du s u k Sicaklik aralig i -350 C dan +3500 C -400 C dan +1200 C -100 C dan +500 C Stabilite Du s u k I yi Du s u k 0 C için: 1/273=A+ B*ln(1330)+C*[ln(16330)] 3 25 C için: 1/298=A+B*ln(5000)+C*[ln(5000)] 3 50 C için: 1/323=A+B*ln(1801)+C*[ln(1801)] 3 Yukaridaki 3 bilinmeyenli 3 denklemi c o zersek, A, B, ve C katsayilarini s u s ekilde bulmus oluruz: EMOBİLİM 61
A = 0.001284 B = 2.364 x 10-4 C = 9.304 x 10-8 Bo ylece, sicaklik ve direnc arasindaki bag intimiz s u s ekilde olmus olur: 1/T= 0.001284+2.364 x 10-4 *ln R + 9.304 x 10-8 * ln R 3 3 S ekil 2 de katsayilarini bulmus oldug umuz termisto ru n sicaklik-direnc grafig i verilmis tir. METOD 2 BETA Deg erinin Kullanilmasi Termistor uygulamalarinda kullanilan bir dig er metot ise termisto ru n Beta deg erini kullanilmasidir. U retici firmalar genellikle u retmis olduklari termisto rlerin Beta deg erlerini vermektedirler. Bu deg er sicaklig a da bag li oldug u ic in deg is ik sicaklik araliklarinda deg is ik Beta deg erleri verilmektedir. U retici firmalar genellikle termisto ru n 25 C daki sicaklik ve direnc deg erlerini esas olarak almaktadirlar. Herhangi bir sicakliktaki termisto r direnci ise Beta katsayisi kullanilarak s u s ekilde hesaplanmaktadir: 4 S ekil 2. Termisto ru n sicaklik-direnc grafig i Sicaklig i o lmek ic in termisto ru n direncini bulup 3 nolu formu le koyup tersini almamiz yeterlidir. Formulde logaritma is lemi yapmak gerekmekte olup hemen her program derleyici logaritma is lemlerini desteklemektedir. Termisto rlerin sicaklik-direnc grafikleri genellikle logaritmik olarak verilmektedir. S ekil 3 de bir termisto ru n tipik sicaklikdirenc deg is iminin u retici firma tarafindan nasil verildig i go sterilmis tir. Burada R25, 25 C daki direnc T25, 25 C T, sicaklik R, direnc Yukaridaki formu lu sicaklik cinsinden yazarsak, 5 Bo ylece, β katsayisini ve 25 C daki direnci bilirsek, o lc u lmu s olan direnci 5 nolu formu le koyup sicaklig i kolaylikla hesaplayabiliriz. O rneg in, verilen bir termisto ru n β=2930 ve 25 C da direncinin 100 ohm oldug unu kabul edelim. Direncin 52 ohm olarak o lc u ldu g u bir ortamda sicaklig in ne kadar oldug unu hesaplayalim. 5 nolu formu lden, S ekil 3 Termisto r sicaklik-direnc deg is imi 62 EMOBİLİM Veya, sicaklik Santigrat olarak 46.2 C bulunur. Genel olarak Beta metodu Steinhart- Hart metodu kadar hassas netice vermemektedir.
METOD 3 Sicaklik-Direnc Tablosu Kullanarak Termisto r u reten firmalar genellikle u retmis olduklari termisto rlerin direnc lerinin sicaklik ile deg is imini bir tablo halinde sunmaktadirlar. Bo yle bir tablodan alinan bir kesinti Tablo 2 de go sterilmis tir tablolar genellikle termisto ru n c alis mis oldug u tu m sicaklik aralig ini kapsamaktadirlar. Tablo 2 O rnek termisto r sicaklik tablosu Tablodan da go ru leceg i gibi sicaklik arttikc a direnc azalmaktadir. Tabloda olmayan herhangi bir direnc deg erine kars ilik gelen sicaklig i bulmak ic in interpolasyon teknig ini kullanabiliriz. O rneg in, termisto r direncinin 79 ohm olarak o lc u ldu g u nu kabul edersek termisto ru n sicaklig inin 30 C ve 35 C arasinda oldug unu biliriz. Sicaklig i hassas olarak interpolasyon metodu ile s u s ekilde bulabiliriz: C es itli interpolasyon teknikleri bulunmaktadir. I nterpolasyon yapacag imiz noktalarin bir dog ru ile birles tirildig inde hassas netice vereceg ini kabul edersek, verilen x0, y0 ve x1, y1 gibi iki nokta arasinda interpolasyon yapmak ic in Newton un bo lu nmu s fark interpolasyon metodunu kullanarak s u formu lu yazabiliriz: Bu o rnekte x o =84.97, x 1 =72.53 f x o =30, f x 1 =35, ve x= 79dur. Bo ylece, yukaridaki formu lu kullanarak 79 ohm dirence kars ilik gelen sicaklig i s u s ekilde hesaplayabiliriz: Buradan da, Sicaklik = 32.4 C olarak bulunur. Tablo metodunu kullanirken tablodaki deg erler birbirlerine ne kadar yakin olursa o kadar hassas netice elde ederiz. 3. NTC TERMİSTÖRLE SICAKLIK ÖLÇÜM DEVRELERİ Termistorle sicaklik o lc ebilmek ic in ilk olarak termisto ru n direncini o lc ebilmemiz gerekmektedir. Direnci bilince, yukarida bahsedilen herhangi bir metot kullanilarak termisto ru n sicaklig i kolaylikla hesaplanabilir. Termisto ru standart bir direnc olarak kabul edersek verilen bir termisto ru n direncini o lc mek ic in en kolay yo ntem S ekil 4 de go sterildig i gibi termisto rden sabit bir akim gec irip termisto ru n gerilimini o lc mektir. Sabit akimin I ve termisto r geriliminin V T oldug unu kabul edersek, termisto ru n direnci R kolaylikla bulunabilir: R = V T / I 6 S ekil 4 Termistorden sabit akim gec irmek Termisto r direncini o lc mek ic in kullanilan bas ka bir devre ise potansiyel bo lu cu devresidir. Bu devrede S ekil 5 de go ru leceg i gibi termisto rle seri olarak bir direnc kullanilmakta ve devreye sabit bir gerilim verilmektedir. Termisto r c ikis indaki gerilim s u s ekilde hesaplanabilir: EMOBİLİM 63
7 Veya termisto ru n direnci s u s ekilde hesaplanabilir: 8 R3 Termisto r S ekil 5. Potansiyel bo lu cu termisto r devresi Bo ylece, termisto ru n c ikis indaki gerilimini, devrede kullanilan direncinin deg erini ve sabit geriliminin deg erini bilince termisto ru n direncini bulmus oluruz. S ekil 5 de hassas netice elde etmek ic in dikkat edilmesi gereken nokta direncinin c ok hassas olmasi ve 8 nolu formu lu n sabit gerilime bag li oldug u ic in bu gerilimin deg is memesidir. S ekil 6 da termisto ru n direncini bulmak ic in ko pru devresinde kullanimi go sterilmis tir. Burada ko pru devresi balans olduktan sonra termisto ru n direnci s u formu lden hesaplanabilir: 9 S ekil 6 da oldug unu kabul edersek ve ko pru yu balans yapmak ic in direncini deg is tirdig imizi kabul edersek, ko pru balans oldug unda termisto ru n direnci s u formu lle hesaplanabilir: (10) Bo ylece termisto ru n direnci direncine es it olmus olur. Ko pru devresinin avantaji devrenin balans olmasinin V gerilimine bag li olmamasidir. 64 EMOBİLİM S ekil 6. Termisto r ko pru devresi Bilgisayar destekli devrelerde termisto r c ikis i analog-sayisal do nu s tu ru cu A/D tarafindan sayisala do nu s tu ru lmektedir. En yaygin olarak kullanilan devrelerden biri S ekil 7 de go sterilen potansiyel bo lu cu ve A/D devresidir. Bu devrede potansiyel bo lu cu ve A/D c evirici ayni V r referans gerilim tarafindan beslenmektedir. Devrenin c alis masini s u formu llerle ac iklayabiliriz: (11) A/D c evirici sayisal c ikis ini s u formu lle go sterebiliriz: (12) O rneg in, 10 bitlik bir A/D kullanirsak, 2 N = 1024 olur, V r = 5.0 volt ve V T = 2.5 volt oldug unu kabul edersek ADC = 512 olur. 11 ve 12 nolu formu lleri birles tirirsek, (13) Termisto ru n direncini ise formu l 13 den s u s ekilde bulabiliriz: (14) Formu l 14 u kullanarak ilk olarak termisto ru n direncini bulabiliriz. Daha sonra termisto ru n sicaklig ini hassas bir s ekilde bulabiliriz.
14 kesme kaynag i USART SPI ve I 2 C modunda c alis ma 10 bit PWM 40 bacakli A/D S ekil 7. Termisto ru n A/D devresinde kullanimi 4. MİKROKONTROLÖR TABANLI SICAKLIK ÖLÇÜMÜ Bu yazimizda bir mikro kontrolo r ve termisto r senso r kullanarak sicaklig in nasil o lc u ldu g u ne go z atacag iz. Yazimizda, elektronik projelerde yaygin olarak kullanilan PIC mikro kontrolo r serisi kullanilmis tir. Sicaklik o lc u m sisteminin blok s emasi S ekil 8 de verilmis tir. Projenin elektrik devresi ise sekil 9 da verilmis tir. Termistor daha o nce ac iklandig i gibi bir potansiyel bo lu cu olarak bag lanmis ve termisto r c ikis i mikrokontolo ru n AN0 analog giris bacag ina bag lanmis tir. Termisto r devresinde isinmayi o nlemek ic in termisto rden gec en akimin oldukc a ku c u k olmasi gerekmektedir. S ekil 9 da termisto r ile seri olarak 10K bir direnc bag lanmis ve referans gerilimi olarak +5V sec ilmis tir. O lc u lmu s olan sicaklig i go stermek ic in devremize bir de LCD takilmis tir. Sicaklik o lc u m sistemimizin c alis masi oldukc a basit olup genel olarak s u s ekildedir: Termisto ru n c ikis gerilimi mikro kontrolo r ic erisinde bulunan A/D c eviri ile sayisala do nu s tu ru lu r. Termisto r PIC Mikro kontrolo r LCD 14 nolu formu l kullanilarak termisto ru n direncini ohm olarak buluruz. Burada, A/D c evirici 10 bit oldug u ic in 1024 adim bulunmaktadir. Direnci veren gerekli formu l ise 14 formu lu nu kullanarak s u s ekilde yazilabilir: 15 S ekil 8. Sicaklik o lc u m sistemi blok s emasi Devrede PIC16F877 modeli bir mikro kontrolo r kullanilmis tir. Bu mikro kontrolo ru n s u o zellikleri bulunmaktadir: 20MHz kadar c alis ma hizi 8K flash program belleg i 368 bayt RAM bellek 256 bayt EEPROM bellek 33 giris -c ikis portu 8 kanal, 10 bit A/D c evirici 3 zamanlayici Timer 2 nolu formu lu kullanarak daha o nceden termisto r katsayilarini bulduktan sonra termisto ru n sicaklig ini Kelvin olarak buluruz. Bulmus oldug umuz sicakliktan 273 c ikarip sicaklig i Santigrat cinsinden buluruz. Son olarak, bulmus oldug umuz sicaklig i LCD de go steririz. 1 saniye kadar bekledikten sonra yukaridaki is lemi tekrarlariz. Bu durumda sicaklik dinamik olarak ve gerc ek zamanda her saniye LCD de go sterilmis olur. EMOBİLİM 65
S ekil 9. Mikrokontrolo r tabanli sicaklik o lc u m sistemi devresi 5. SONUÇ Bu yazimizda termisto r sicaklik senso rlerinin teorisinden ve sicaklik o lc u m devrelerinde kullanimlarindan bahsettik. Birc ok avantajlari olan termisto rler sicaklik devrelerinde gu nu mu zde oldukc a yaygin olarak kullanilmaktadirlar. Yazimizda bir termisto ru n mikro kontrolo r tabanli bir sistemde nasil kullanilabileceg i detayli bir s ekilde ac iklanmis tir. 5. KAYNAKÇA 1. http://www.temperatures.com/rtds.html 2. http://www.temperatures.com/ thermistors.com 3. Thermistors in Single Supply Temperature Sensing Circuits, Microchip Application Note: AN685, http://www.microchip.com. 4. Lavenuta, G. Negative Temperature Coefficient Thermistors the Temp 66 EMOBİLİM Calibration Standard, Sensors, Sugust 1997, pp. 54 5. Lavenuta, G. Negative Temperature Coefficient Thermistors Measuring, Sensors, Sept. 1997. pp. 48 6. Baker, B. Temperature Sensing Technologies, AN679, Microchip Technology Inc. 1998. 7. NTC Thermistors, Advanced Thermal Products Inc. PO Box 249, 328 State Street, St Marys, PA 15857 8. Practical Temperature Measurements, Omega catalogue, p. Z-11 9. Cox, D. Implementing Ohmmeter/Temperature Sensor, AN512, Microchip Technology Inc. 10. A Simple Thermistor Interface to an SDC, Maxim Inc. Application Note: 1753. 11. Thermistor Temperature Transducer to ADC Application, Texas Instruments Inc., Analog Applications Journal, Nov. 2000