|
1-Wire Addressable Digital Instruments
for Environmental Monitoring
|
|
|
| Meteorologische gegevens over regenval, windsnelheid en -richting, zonnestraling, relatieve vochtigheid en barometrische druk kunnen worden verzameld, geconverteerd en verzonden via hetzelfde enkele getwiste paar dat de sensoren van stroom voorziet. |
| Er zijn onlangs verschillende 1-draads analoog-naar-digitaalomzetters (ADC's) geïntroduceerd die het mogelijk maken om een breed scala aan omgevings-eigenschappen te meten via een enkel getwist paar, en die de weg vrijmaken voor een nieuwe generatie transducers die adresseerbare digitale instrumenten worden genoemd (ADI's). |
| |
Een ADI bestaat uit een sensorelement of -elementen, een 1-Wire-chip die de
invoer omzet in een digitaal formaat, en enkele randapparatuur en beschermings-componenten. Een duidelijk voordeel van ADI's is dat ze allemaal op dezelfde manier met de master communiceren, ongeacht de specifieke eigenschap die wordt gemeten. Of het essentiële detectie-element nu gebaseerd is op spanning, stroom
of weerstand, alle communicatie vindt plaats via het net met behulp van het half-duplex 1-Wire-protocol. (Deze functie staat in contrast met methoden die een verscheidenheid aan signaalconditioneringscircuits bevatten, zoals instrumentatieversterkers en spanning-naar-frequentie-omzetters, een ontwerp
dat noodzakelijkerwijs hun uitgangen anders maakt en vaak een aparte kabel en stroombron per sensor vereist.) |
| |
De uniek ID-adres of serienummer van elke sensor is de sleutel voor de busmaster om te interpreteren welke parameter een bepaalde ADI meet. Met de ID kunnen
ook meerdere ADI's op dezelfde kabel worden geplaatst, waardoor installatie- en onderhoudskosten worden verlaagd. |
| |
Aangezien de wetenschap van de meteorologie een bekend voorbeeld is van een toepassing die verschillende sensoren vereist, zullen verschillende voorbeelden van
1-draads instrumentatie ontworpen voor gebruik in een weerstation dienen om de eenvoud en veelzijdigheid van hun ontwerp te illustreren. |
|
|
 |
| |
Adresseerbare digitale instrumenten maken het mogelijk om meerdere omgevingsvariabelen te meten via een enkele twisted-pair kabel. Het type en het aantal ingezette ADI's bepalen de systeemfunctie of het "genoom" van het systeem. De afbeelding illustreert een weerspecifiek 1-draads net ter vergelijking met een DNA-streng. |
|
|
|
| |
Naast de temperatuur en windsnelheid en -richting die een basisweerstation kan meten, meten omgevingsmonitors gewoonlijk ook regenval, vochtigheid, luchtdruk en zonnestraling. En veel systemen voegen verschillende andere sensoren toe om het dauwpunt te bepalen en blikseminslag
te detecteren. De hier gepresenteerde circuits laten niet alleen zien hoe de gespecificeerde sensorelementen in een ADI kunnen worden omgezet, maar illustreren ook het gemak waarmee de concepten kunnen worden uitgebreid naar andere niet beschreven instrumenten |
| |
| Merk op dat in het midden van elke ADI een chip zit die een invoer of invoer omzet in een digitaal formaat dat via het net communiceert met een gemeenschappelijk protocol. De DS2423-teller heeft bijvoorbeeld ingangen die reageren op logische niveauveranderingen of sluitingen van schakelaars, en bevat een 1-Wire interface front-end die hem geschikt maakt voor verschillende snelheids- of gebeurtenissensoren. |
| |
| Regenmeting en windsnelheidmeting |
| |
Veel evenementen vragen om meting van een totaal of een telling per tijdseenheid (snelheid). Voorbeelden zijn onder meer windsnelheid en
regenval of het aantal keren dat een wiel heeft gedraaid, waaruit het toerental en de afstand kunnen worden berekend. Een magnetisch bediende reed contact wordt als een input gebruikt aan een DS2423 teller die dergelijke gebeurtenissen eenvoudig kan meten. |
| |
Een basisschakeling van de reedcontact is geschikt voor een regenmeter of wind snelheidssensor zoals getoond in Figuur 1. De dubbele diode BAT54S dient om de schakeling tegen signalen te beschermen die onder de grond gaan, en, met C1, verstrekt een lokale bron van spanning.
Terwijl DS2423 een interne pull-up weerstand heeft om de input te stabiel te houden, zijn hoge waarde (~22 Mohm) kan het voor storing vatbaar maken. Het vermijden en valse tellingen tijdens de turn-on te minimaliseren,is er een externe pull-down van 1 MOhm weerstand wordt opgenomen. Behalve getoonde niet lithiumbatterij, is dit het schema dat in de 1-draad regenmeter wordt gebruikt. |
| |
| Een kleine permanente magneet beweegt zich voorbij de reedcontact elke keer wanneer de emmer zich leegmaakt. Dit sluiten van het reedcontact geeft de teller een waarde aan die overeenkomt met de gevallen regen. Een gelijkaardige schakeling wordt gebruikt in het 1-Wire weerstation om windsnelheid te meten. De DS2423 bevat ook 4096 bit van gebruiker toegankelijke SRAM die voor tijdelijke opslag kan worden gebruikt, of, waar de lithiumbatterij wordt gebruikt, voor kaliberbepaling, plaats, en routine inspectie informatie. |
|
|
 |
| |
De basis ADI-circuit met een DS2423-teller met een reed-schakelaaringang wordt gebruikt om snelheid te meten, zoals windsnelheid en regenval. |
|
|
|
| |
| Windrichtingmeting |
| |
Naast het kennen van de windsnelheid is vooral de richting waaruit de wind waait van belang en kan worden gemeten met een ADI. Terwijl het oorspronkelijke 1-Wire-weerstation een DS2401-siliciumserienummer gebruikte om elk van de acht magnetische reed-schakelaars in de windrichtingsensor te labelen, kan een enkele DS2450 quad ADC dezelfde functies uitvoeren. Net als in het DS2423-tellercircuit, beschermt een
dual-diode BAT54S het circuit tegen signalen die ondergronds gaan, en levert met C1 een lokale stroombron. Merk op dat C1 is verhoogd van 0,01 naar 10 µF om ervoor te zorgen dat de spanning over het weerstandsnetwerk relatief constant blijft. Zoals weergegeven in afbeelding 2, vervangt een enkele D2450 de acht oorspronkelijk gebruikte DS2401's met vijf vaste weerstanden. |
| |
Zoals aangetoond in Figuur, één enkele D2450 vervangt acht oorspronkelijk gebruikte DS2401s met vijf vaste weerstanden. Als de wind de windvaan roteert, een magneet die is gemonteerd op de rotor sluit één (of twee) van de reedcontacten. Wanneer het sluiten van een reedcontact, dan verandert de voltage die op de input van U1, DS2450. Bijvoorbeeld, als de magneet het contact S1 (het Noorden) sluit, het voltage dat op
punt-7 verandert aan Vcc tot 1/2 Vcc wordt gemerkt,
of ongeveer 5-2,5 Aangezien alle 16 posities van de windvin unieke 4-beetje signalen van ADC veroorzaken, het is een absolute indicator. |
| |
| Er is geen behoefte om de sensor te initialiseren of het opslaan van een code zoals door originele 1-Wire weerstation werd vereist. Het is noodzakelijk om op het Noorden bepalen, of de richting waar de windvaan wist. Tabel 1 is lijst van de voltages die bij de ADC input voor alle 16 hoofdpunten worden gezien. |
|
|
 |
| |
Een windrichtingsensor op basis van de DS2450 quad ADC verschilt van het vorige ontwerp doordat er geen initialisatie nodig is; elk kompaspunt genereert een unieke digitale code. |
|
|
|
| |
Omdat twee reedcontacten gesloten zijn wanneer de magneet tussen hen staat, worden er 16 kompaspunten gegeven met acht reedcontacten. Verwijzend positie 2 in het schema in tabel-1, wanneer S1 en S2 zijn gesloten, dat er op de ingang van de ADC een spanning van 3.3 V wordt toegepast. De reden is dat pull-up weerstanden R2 en R3 zijn
geplaatst en tegelijkertijd parallel staan en aan R1 worden verbonden om een voltageverdeler met 0,66 Vcc over R1 te vormen. Dit kan ook tweemaal bij schakelaarposities 4 en 16 voorkomen. |
|
|
|
Wind Vane Position vs. Voltage
(seen on the four DS 2450 inputs)
|
|
POS.
|
D
|
C
|
B
|
A
|
|
1
|
5
|
2.5
|
5
|
5
|
|
2
|
5
|
3.3
|
3.3
|
5
|
|
3
|
5
|
5
|
2.5
|
5
|
|
4
|
5
|
5
|
3.3
|
3.3
|
|
5
|
5
|
5
|
5
|
2.5
|
|
6
|
0
|
5
|
5
|
2.5
|
|
7
|
0
|
5
|
5
|
5
|
|
8
|
0
|
0
|
5
|
5
|
|
9
|
5
|
0
|
5
|
5
|
|
10
|
5
|
0
|
0
|
5
|
|
11
|
5
|
5
|
0
|
5
|
|
12
|
5
|
5
|
0
|
0
|
|
13
|
5
|
5
|
5
|
0
|
|
14
|
2.5
|
5
|
5
|
0
|
|
15
|
2.5
|
5
|
5
|
5
|
|
16
|
3.3
|
3.3
|
5
|
5
|
|
|
|
| |
| DS2438, een veelzijdige chip. |
| |
| Oorspronkelijk ontworpen om de toestand van een accu te meten, bevat de DS2438 twee ADC's en een temperatuursensor. De hoofd-ADC voert 10-bits conversie uit op een 0–10 V-ingang, of 9-bits conversie op een 0–5 V-signaal met een interne multiplexer waarmee hij de spanning kan lezen die op de voedingspen wordt toegepast. De andere ADC was bedoeld om de spanning te meten die wordt ontwikkeld door grote batterijstromen die over een externe weerstand van 0,05 vloeien met een nauwkeurigheid van 10 bits met een nauwkeurigheid van ± 250 mV op volledige schaal. |
| |
| De DS2438 bevat ook een 13-bits temperatuursensor vergelijkbaar met de DS18B20. Naast andere extra functies, zoals een real-time klok, biedt het onderdeel 40 bytes niet-vluchtig geheugen dat handig is voor het opslaan van kalibratie-, locatie- en functie-informatie. De introductie van dit onderdeel vereenvoudigt het ontwerp van veel ADI's, zoals geïllustreerd door de hieronder beschreven circuits. |
| |
| Zonnestraling meting |
| |
| De hoeveelheid zonlicht en zijn tijdsduur zijn extra parameters die voor meteorologen interessant zijn om te meten. Het hoeveelheid is een meting van lucht en hemel condities, de duur is verwant met de lengte van de dag. Hoewel de werktuigkundigen van het monteren en het filtreren complex is, zoals aangetoond word in de volgende twee voorbeelden, kan het met elektronica gemakkelijk worden uitgevoerd om op DS2438-Gebaseerde ADI te vormen. |
| |
| Figuur 3 illustreert een zonnestralingssensor gebruikend een fotodiode; Figuur 4 gebruikt een photovoltaic cel. In elk ontwerp een dubbele diode. BAT54S beschermt de schakeling tegen negative signalen, en met C1 van voeding voorziet. |
| |
In figuur 3 is een meetweerstand in serie geschakeld met een fotodiode en tussen de twee "huidige" ADC-pinnen. Licht dat op de fotodiode valt, genereert fotostromen die op hun beurt een spanningsval over de meetweerstand ontwikkelen die door de ADC wordt gelezen.
In commerciële eenheden worden meestal optische filters toegevoegd om de golflengte en banddoorlaat af te stemmen op de reactie van het menselijk oog (de CIE of fotopische curve). Meer geavanceerde eenheden voegen andere wenselijke functies toe, zoals een doorschijnende halve bol die licht opvangt zodat de sensor de lucht van horizon tot horizon kan bekijken. In dit geval richt de sensor zich feitelijk op de binnenkant van de halve bol om de meting te verkrijgen. |
|
|
 |
| |
3: De fotodiode in een ADI-zonnestralingssensor kan worden voorzien van optische filters of worden geselecteerd om gevoelig te zijn voor een bepaald deel van het spectrum. |
|
|
|
|
 |
| |
4: In een zonnestralingssensor op basis van fotovoltaïsche cellen vormen R1 en R2 een spannings-deler om de door U1 waar-genomen spanning binnen het maximale bereik te houden. |
|
|
|
| |
Een interessante variant van een zonnestralingssensor kan worden geconstrueerd met behulp van een standaard LED in omgekeerde bias-modus.
Er is een LED geselecteerd die acceptabele fotostroomniveaus genereert bij blootstelling aan de zon op het middaguur op een heldere dag.
De weerstand is gedimensioneerd om maximaal 250 mV te ontwikkelen met behulp van de formule: |
| |
| Rsens = E/I waar: E = 0.25 V I = maximale fotostroom |
| |
Een voorbeeld is de EFA5364X van Stanley (Irvine, CA). Dit is een superheldere oranje AlGaInP-led met een piekrespons bij 609 nm en een smal
(15°) spectraal gezichtsveld. Een detectieweerstand van 4,7 k levert acceptabele buitenprestaties, die kunnen worden verhoogd tot 100 k als de schakeling wordt gebruikt met binnenverlichting. LED's gemaakt van andere verbindingen zullen hun piekrespons hebben in een ander deel van het spectrum, wat nuttig kan zijn in bepaalde installaties. |
| |
Een zonnestralingssensor kan ook gebaseerd zijn op fotovoltaïsche cellen, die bij blootstelling aan licht elektriciteit opwekken. Zoals getoond in
figuur 4, is een geschikte zonnecel aangesloten op de "huidige" ADC-ingang van de DS2438 via spanningsdeler R1 en R2. De verdeler is nodig om de typische 0,45 V gegenereerd door een enkele zonnecel te beperken tot het absolute maximum van 300 mV dat is toegestaan op pin 2 en 3 van de DS2438. Weerstandswaarden voor de verdeler worden zodanig gekozen dat onnodige belasting van de vermogenscapaciteit van de cel wordt vermeden. Een voordeel van deze aanpak is dat verschillende cellen kunnen worden ingesteld om naar verschillende sectoren van de lucht te kijken voor horizon-tot-horizon dekking. De cellen zijn parallel geschakeld en R2 is zo gedimensioneerd dat maximaal zonlicht op de sensor(en) er niet meer dan 0,3 V over ontwikkelt, zoals hierboven beschreven. Als signaalfiltering vereist is in een bepaalde toepassing, kan dit in hardware worden gedaan, zoals aanbevolen in het DS2438-gegevensblad, of door middel van software. |
| Vochtigheid is niet alleen een belangrijke factor in veel verwerkings- en productieprocessen, maar heeft ook een rechtstreekse invloed op ons eigen comfort en welzijn. Te laag, en we hebben te maken met statische elektriciteit en ESD-problemen; te hoog, en schimmel, condensatie en benauwdheid beïnvloeden ons. Met het juiste meetelement kan de luchtvochtigheid eenvoudig worden gemeten met een ADI over het 1-draads net. Het hier gespecificeerde capacitieve detectie-element van Honeywell ontwikkelt een lineaire uitgangsspanning versus relatieve vochtigheid (RH) die ratiometrisch is ten opzichte van de voedingsspanning. Dat wil zeggen, wanneer de voedingsspanning varieert, volgt de uitgangsspanning van de sensor in directe verhouding. Dit vereist het meten van zowel de spanning over het sensorelement als de uitgangsspanning ervan. Bovendien vereist de berekening van de werkelijke RH kennis van de temperatuur bij het sensorelement. Omdat het alle benodigde meetfuncties bevat om de berekeningen te doen, is de DS2438 een uitstekende keuze voor een ADI vochtigheidssensor. |
In afbeelding 5 wordt de analoge uitgang van het HIH-3610 vochtigheidsgevoelige element geconverteerd naar digitaal door de hoofd-ADC-ingang van een DS2438. Net als bij andere ADI's beschermt een BAT54S met dubbele diode het circuit tegen signalen die ondergronds gaan, en levert met C1 een lokale stroombron. In dit geval is een waarde van 0,1 µF voor C1 voldoende om de door U2, de HIH-3610, vereiste bedrijfsstroom van 200 µA aan te kunnen. Het RC-netwerk op de uitgang van U2 is een laag-doorlaatfilter dat de low-level klokdoorvoer verwijdert uit de signaalconditioneringscircuits van het sensorelement. Als het gemiddelde echter in software wordt gedaan, kunnen R1 en C2 worden weggelaten en kan de uitgang van het meetelement rechtstreeks worden aangesloten op de Vad-pin van U1.
In bedrijf laat de busmaster eerst U1, de DS2438, het voedingsspanningsniveau rapporteren op zijn Vdd-pin, wat ook de spanning is over U2, het detectie-element. Vervolgens laat de master U1 de uitgangsspanning van U2 lezen en de lokale temperatuur van zijn onchip-sensor rapporteren. Ten slotte berekent de master de werkelijke RH uit de drie parameters die door U1 [5] worden aangeleverd. Aangezien de busmaster elke ADI identificeert aan de hand van zijn unieke serienummer, kunnen er veel vochtigheidssensoren op de lijn worden geplaatst. Dit is met name handig in toepassingen zoals kassen waar het wenselijk is om de luchtvochtigheid op meerdere locaties in de behuizing te kennen. |
|
|
 |
| |
Afb.eelding 5. In een vochtigheids-sensor op basis van de DS2438 vormen R1/C2 een laagdoorlaatfilter dat kan worden weggelaten als middeling in software wordt uitgevoerd. |
|
|
|
| Atmosferische of barometrische druk is een waardevolle indicator van dreigende weersverandering wanneer een front langs het instrument beweegt. Deze meteorologische parameter kan ook worden gemeten over een 1-Wire net met behulp van een ADI. Het selecteren van een druksensor die uitgebreide signaalconditionering op de chip bevat, maakt het circuit in figuur 6 heel eenvoudig. Net als het geval was met het vochtigheidsgevoelige element, is het voorgestelde drukgevoelige element ratiometrisch, wat vereist dat zowel de uitgangsspanning die de atmosferische druk vertegenwoordigt als de voedingsspanning over het element bekend zijn om de barometrische druk nauwkeurig te berekenen. |
| |
Zoals typisch is voor een ADI, beschermt een dual-diode BAT54S de circuits tegen signalen die ondergronds gaan, en levert met C1 een lokale stroombron. In dit geval, omdat U2, de MPXA4115-druksensor,
wel 10 mA bij 5 V nodig kan hebben, is een speciaal stroombeheercircuit (niet getoond) vereist, of is er
een externe voedingsbron nodig. Merk op dat de externe voeding ook is aangesloten op de voedingspen van de DS2438, waardoor het circuit de voedingsspanning kan meten die wordt toegepast op het drukgevoelige element. |
|
|
|
| |
Afbeelding 6. Een luchtdrukgevoelig element vereist een speciaal stroombeheercircuit (niet getoond), of er moet een externe stroombron worden geleverd. |
|
|
|
| |
| In veel installaties is het voorzien van externe voeding geen probleem, omdat de barometer binnen in de buurt van de busmaster en een stroombron wordt gemonteerd. Flexibele slangen kunnen dan worden geleid om de buitenluchtdruk te meten en ongewenste drukveranderingen (geluid) veroorzaakt door het openen en sluiten van deuren en ramen of bewegende liften in het gebouw te voorkomen. |
| |
| |
De introductie van 1-Wire ADI's maakt het mogelijk om verschillende omgevingsparameters te meten, de signalen lokaal om te zetten en de digitale gegevens over een gemeenschappelijke communicatieverbinding te verzenden. Meerdere ADI's die dezelfde of verschillende variabelen meten,
kunnen op hetzelfde twisted pair worden geplaatst dat ook de sensoren van stroom voorziet. Windsnelheid en regenval kunnen bijvoorbeeld worden gemeten door een ADI-teller; windrichting door een ADI DS2450 ADC; en vochtigheid, luchtdruk en zonnestraling door DS2438-gebaseerde ADI's. Elke ADI kan ook twee variabelen meten, zoals vochtigheid en zonnestraling. De mogelijkheid om verschillende instrumenten op een enkele kabel te monteren, verlaagt de installatie- en onderhoudskosten. Elke sensor heeft een uniek ID-adres waarmee de master de sensor en de omgevingsparameter die hij meet bijhoudt. Sensorspecifieke of kalibratie-informatie kan worden opgeslagen in het geheugen van de ADI,
of eventueel door te downloaden van het web met behulp van het ID-adres van het detectie-element als een URL-extensie. |
| |
| 1-Wire is een gedeponeerd handelsmerk van Dallas Semiconductor.
Dan Awtrey, Dallas Semiconductor. |
|
|
|
|
|
|
