Sensori e Controllo Temperatura – Progetto Smart Home

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    Per il controllo della temperatura abbiamo inserito nella nostra casa un trasduttore di temperatura capace di rilevare temperature dai 0°C a 100 °C. Il valore acquisito dal PIC verrà convertito in un valore decimale e visualizzato su un display LCD Alfanumerico. Inoltre è presente un sistema di condizionamento ottenuto mediante una ventola, che si avvia quando la temperatura supera un certo valore, da noi impostato. La ventola è pilotata da un transistor, in quanto la corrente assorbita dal motorino elettrico si aggira sui 200mA.

    Trasduttori di temperatura

    I trasduttori di temperatura, ci permettono di trasformare una variazione di temperatura in una variazione di grandezza elettrica. In commercio ne esistono di molti tipi, i più usati sono:

    • termocoppie
    • termoresistenze
    • termistori
    • Sensori di temperatura integrati

    Termocoppie

    Le termocoppie sono forse i sensori più diffusi, nonostante il basso valore del segnale di uscita e la linearità non sempre soddisfacente, specialmente se sono impiegate per ampi intervalli di temperatura; presentano infatti diversi pregi fra cui un costo ridotto e una buona resistenza alle sollecitazioni dell’ambiente. Il suo principio di funzionamento è basato sull’effetto Seebeck-Peltier o effetto termoelettrico. Questo effetto consiste nel fatto che in una coppia di materiali differenti, saldati ad una estremità (giunto caldo), si manifesta, tra le estremità libere (giunto freddo), una differenza di potenziale che dipende, oltre che dai materiali a contatto, dalla temperatura a cui si trova la giunzione. Al fine di poter effettuare una misura assoluta di temperatura il giunto freddo della termocoppia andrà mantenuto ad una temperatura nota e rigorosamente costante mentre il giunto caldo verrà sottoposto alla temperatura da misurare. Tutto questo comporta parecchie complicazioni pratiche per cui normalmente il giunto freddo viene sottoposto a temperatura ambiente e compensato mediante opportuni circuiti  elettronici.

    Termoresistenze

    La termoresistenza o RTD (Resistance Temperature Detector) è un dispositivo sensibile alla temperatura, la cui resistenza aumenta all’aumentare della temperatura a cui è sottoposto. Una termoresistenza è realizzata con del filo metallico avvolto a spirale su un substrato ceramico; il conduttore può essere anche un film (cioè un sottile strato) di metallo depositato su substrato ceramico. Una RTD può essere costruita con diversi tipi di metallo, ma il materiale di gran lunga più utilizzato è il platino. Esso può infatti sopportare temperature elevate, mantenendo un’ottima stabilità. Il valore nominale della resistenza, a una temperatura di O °C di una RTD al platino realizzata con la tecnologia di deposizione di un film sottile è 100; per questo motivo tali dispositivi  vengono anche indicati con la sigla PTIOO.

    Termistori

    II termistore è un dispositivo costituito materiali semiconduttori, quali gli ossidi di ferro, di cromo, di manganese, di cobalto e di nichel. Allo stato puro questi ossidi presentano resistività elevata, tuttavia possono essere trasformati in materiali semiconduttori aggiungendo piccole quantità di un metallo con diversa valenza. II principale vantaggio presentato dai termistori nella misura della temperatura è la loro notevole sensibilità. Un altro vantaggio è rappresentato dalle dimensioni ridotte del componente, e quindi dalla presenza di una massa termica molto piccola che permette una risposta rapida alle variazioni di temperatura.

    Esistono due tipi di termistori con un comportamento diverso in funzione del coefficiente di temperatura:

    • i termistori NTC (Negative Temperature Coefficient), che hanno coefficiente di temperatura negativo, per i quali in corrispondenza a un aumento di temperatura si verifica una diminuzione della resistenza;
    • i termistori PTC (Positive Temperature Coefficient), che hanno coefficiente positivo, per i quali l’aumento della temperatura determina l’aumento della resistenza. Tale caratteristica è presente, però, solo in un determinato campo di temperature, all’esterno del quale il dispositivo torna a presentare un coefficiente di temperatura negativo

    Sensori di temperatura integrati

    La proprietà di alcuni dispositivi a semiconduttore di variare i propri parametri di funzionamento con la temperatura, ha consentito di realizzare sensori di temperatura integrati o IC sensor, che forniscono in uscita sia corrente sia tensione, in funzione della temperatura a cui sono posti. Si tratta di dispositivi che hanno una caratteristica di funzionamento lineare e buona sensibilità.

    Trasduttore integrato LM35

    Il sensore utilizzato nel nostro sistema di controllo è l’ LM35, ovvero un trasduttore di temperatura integrato, la cui tensione di uscita è lineare alla temperatura misurata, con una sensibilità di 10mV/°C. Quindi con 10mV d’uscita ci troveremmo ad una temperatura di 1 grado, mentre con 100mV ci troveremmo ad una temperatura di 10 gradi, fino ad un massimo di 150°C pari a 1,5 Volt.

    Il vantaggio di questo sensore è il fatto che il segnale di uscita non necessita di particolari trattamenti  per poter essere portato in una scala appropriata e non necessita di nessuna particolare calibrazione o regolazione. In uscita eroga una corrente di 10mA e può essere interfacciato direttamente con il nostro PIC. Il sensore è alimentabile sia con tensioni positive che vanno dai 5V ai 20V, sia con tensioni duali, che permettono la lettura di temperature al di sotto dello 0. Questo comporta però una modifica del circuito come mostrato in figura. Il campo di funzionamento di questo sensore è da un minimo di -50°C a un massimo di 150°C.

    Considerando l’esempio pratico che vedremo, dove il nostro PIC sarà alimentato a 5 Volt, decidendo di alimentare con la stessa tensione il sensore di temperatura, utilizzando come tensione di riferimento per L’A/D converter 0-2,5Volt (tramite un apposito trimmer), riusciremo a coprire tranquillamente tutto il range di lavoro del sensore, in quanto alla temperatura di 100°C, l’uscita del sensore sarà di 1 Volt.

    A rigor di tecnica, il segnale del sensore dovrebbe essere condizionato, in modo da sfruttare tutta la scala di conversione del convertitore, ovvero bisognerebbe fare in modo di ottenere a 0°C, 0 Volt d’ingresso al convertitore, ed a 100°C 2,5Volt d’ingresso al convertitore. Per ragioni di semplicità circuitale ed anche per ragioni legate ad eventuali non linearità che si introdurrebbero con il blocco di condizionamento, per l’applicazione in esame è sufficiente interfacciare direttamente il sensore al microcontrollore per ottenere una risoluzione più che accettabile.

    Rete di collegamento LM35 per letture positive a sinistra e positive/negative a destra