การตรวจวัดอุณหภูมิด้วยเทอร์โมคัปเปิล K-Type ด้วยไอซี AD595AQ

การตรวจวัดอุณหภูมิด้วยเทอร์โมคัปเปิล K-Type ด้วยไอซี AD595AQ 

โดย สมภพ สุขเฉลิม 5511400293 ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์

1. แนะนำเทอร์โมคัปเปิลและไอซี AD595AQ                                                                                                    ในการตรวจวัดการตรวจวัดอุณหภูมิจากเทอร์โมคัปเปิลแบบ K-Type ด้วยไอซี AD595AQ สัญญาณที่ได้จากไอซี AD595AQ นั่นเป็นสัญญาณอนาลอกซึ่งจะใช้ไอซี MCP2308 ในการแปลงสัญญาณอนาลอกเป็นดิจิตอล ซึ่งจะกล่าวในลำดับต่อไป 

                1.1 เทอร์โมคัปเปิล                                                                                                                                                     เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) เป็นทรานสดิวเซอร์ (Transducer) หรือ เซนเซอร์ (Sensor) สำหรับวัดอุณหภูมิ ได้จากการนำโลหะสองชนิดมาต่อเข้าด้วยกัน แบ่งเป็นสองขั้วคือ ด้าน T+ และด้าน T- ซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดโลหะที่นำมาใช้ และสามารถวัดความต่างศักย์หรือแรงดันไฟฟ้าได้ (Thermoelectric Voltage) ซึ่งอยู่ในช่วงที่ต่ำมาก (ระดับไมโครโวลต์ : μV) เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ จะทำให้แรงดันเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิแบบเชิงเส้น เทอร์โมคัปเปิลมีหลายชนิด เช่น K-, J-, N-, T-, S-, R-, or E-type เป็นต้น ซึ่งขึ้นอยู่กับวัสดุโลหะที่นำมาใช้งาน                                                                                                                      

               เทอร์โมคัปเปิล K-Type ประกอบด้วยโลหะผสมด้านบวก (T+) คือ Chromel (90% nickel +10% chromium) และโลหะผสมด้านลบ (T-) คือ Alumel (95% nickel + 2% manganese + 2% aluminum + 1% silicon) และใช้สำหรับวัดอุณหภูมิในช่วง -270 to +1370 °C โดยประมาณ                       

1.2 ไอซี AD595AQ                                                                                                                     สำหรับไอซี AD595AQ จะใช้กับเทอร์โมคัปเปิลแบบ K-Type ทุกการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ 1 ^OC จะทำให้แรงดันภายในไอซีเปลี่ยนแปลงไป 10 mV ไฟเลี้ยงตั้งแต่ 5V ถึง 15V

รูปที่ 1 แสดงการจัดเรียงขาไอซี AD595AQ

                1.3 ไอซี MCP2308                                                                                                                                                 ไอซี MCP2308 จะรับสัญญาณอนาลอกแล้วแปลงเป็นสัญญานดิจิตอล ไอซีตัวนี้สามารถรับค่าได้ 8 Channel โดยแปลงค่าเป็นข้อมูล 12 บิต (0-4096)  และสามารถกำหนดค่า Vref  ได้เองครับ (ค่าแรงดันสูงสุด หรือ 4096 ) ใช้ติดต่อแบบ Serial Peripheral Interface (SPI) นะครับ  ซึ่งประกอบด้วย CLK, DOUT, DIN, CS, DGND ไฟเลี้ยง 2.7V-5.5V

รูปที่ 2 แสดงการจัดเรียงขาไอซี MCP2308

2. วงจรการเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์                                                                           

               

รูปที่ 3 การเชื่อมต่อเทอร์โมคัปเปิลกับไอซี AD595AQและMCP3208 กับไมโครคอนโทรลเลอร์

3. การพัฒนาโปรแกรม                                  

    ในที่นี้ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล AVR (Attiny 2313) และใช้ Atmel Studio 6.0 ในการเขียนโปรแกรมควบบคุม ซึ่งจะแสดงผ่านหน้าจอเทอร์มินอลมอนิเตอร์                                             

      3.1 การจัดการเรื่องเวลา                                                                                                                                     

                 ในอันดับแรกนั้นจะกำหนด F_CPU ซึ่งขึ้นอยู่กับผู้ใช้ว่าต่อไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นกี่ MHz ในที่นี้จะใช้ 12MHz และจะใช้ฟังก์ชัน delay ในการหน่วงเวลา 

                                                                          

#define F_CPU 12000000UL          //define CPU clock

#include <util/delay.h>           //include delay library

      3.2 การเริ่มต้นเชื่อมต่อข้อมูล

        ในคู่มือสำหรับไอซีต่างๆนั้น จะมีรายละเอียดบอกการทำงานของไอซีว่าจะทำงานในช่วงไหน ในไอซี MCP3208 นี้ จะให้ DO CLK และ SS เป็นสัญญาณเอาท์พุต DI เป็นสัญญาณอินพุท สุดท้ายเซ็ตค่า DO เป็น high หรือ 1 รอคำสั่ง low หรือ 0 เพื่อรับค่าข้อมูลที่ได้

void spi_setup(void)

{

       USI_DIR_REG |=(1<<USI_DO_PIN)|(1<<USI_CLK_PIN)|(1<<USI_SS);

       USI_DIR_REG &=~(1<<USI_DI_PIN);

       USI_OUT_REG |=(1<<USI_DO_PIN);

}

       3.3 การเขียนและอ่านค่าข้อมูล

             ไมโครคอนโทรเลอร์จะอ่านค่าทีละ 8 บิต แต่ไอซี MCP3208 ให้ข้อมูล 12 บิต ดังนั้นจึงต้องอ่านข้อมูล 2 ครั้ง ไมโครคอนโทรลเลอร์จะอ่านข้อมูลได้ต้องส่งค่า SS เป็น low และส่งค่าๆหนึ่งเพื่อให้ไอซีทำงาน ครั้งแรกนั้นจะอ่านข้อมูลเป็น h_data แล้วบิตไปทางซ้ายไป 8 บิต ครั้งที่สองอ่านข้อมูลเป็น l_data แล้วสั่งให้ SS เป็น high เพื่อให้หยุดอ่านข้อมูล และนำข้อมูล h_data และ l_data มา and กัน จึงจะได้ค่า 12บิตที่เป็นข้อมูลอุณหภูมิของเรา

int main(void)

{

       USART_Init (12);

       spi_setup();

       uint16_t h_data;

       uint16_t hx_data;

       uint16_t l_data;

       uint16_t adc_data;

      

       while(1)

       {

              USI_OUT_REG &=~(1<<USI_SS);

              spi_transfer(0x06);

             

              h_data=spi_transfer(0x00);

              h_data &=0b00001111;

              hx_data = h_data<<8;

              l_data=spi_transfer(0x00);

              USI_OUT_REG |=(1<<USI_SS);

             

             

              adc_data = hx_data|l_data;

              USART_SHOW(adc_data);

             

             

       }

}

4. การแสดงผล        

                การแสดงผลในที่นี้จะแสดงออกมาทางหน้าจอเทอร์มินอลมอนิเตอร์ ข้อมูลนั้นมาจากการอ่านข้อมูลข้างตอนแล้วมาแปลงเป็นค่าอุณหภูมิอีกที ซึ่งจะได้เป็นค่าอุณหภูมิต้องคุณพารามิเตอร์เข้าไป จากการคำนวณ โดยคำนึงจากไอซี AD595AQ และไอซี MCP3208 แล้วค่าที่ต้องคูณเข้าคือ 1.22 จึงจะได้ค่าอุณหภูมิจริงออกมาทางหน้าจอเทอร์มินอลมอนิเตอร์

uint16_t USART_SHOW( uint16_t data )

{

       uint16_t      tdata;

       uint16_t      hdata;

       uint16_t      ddata;

       uint16_t      udata;

       data = data*1.22;

       tdata = data/1000;

       hdata =       (data%1000)/100;

       ddata = (data%100)/10;

       udata = (data%10);

      

       USART_Transmit(48+tdata);

       USART_Transmit(48+hdata);

       USART_Transmit(48+ddata);

       USART_Transmit(46);

       USART_Transmit(48+udata);

       USART_Transmit(9);

       USART_Transmit(67);

       USART_Transmit(0x0A);

       _delay_ms(900);

}

                                        รูปที่ 4 การแสดงค่าอุณหภูมิห้องที่วัดได้ผ่านหน้าจอเทอร์มินอล

อ้างอิง

[1] THERMOCOUPLE K-TYPE,  

      http://cpre.kmutnb.ac.th/esl/learning/index.php?article=max6675_thermocouple,2015

[2] AD595AQ Datasheet,

      http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD594_595.pdf,2015

[3] MCP3208 Datasheet,

      http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/21298c.pdf,2015

[3] ATMEL, ATtiny2313 Datasheet,

      http://www.atmel.com/images/doc2543.pdf, 2015.