在自动化世界里,除了人机接口及产品基本功能为主要设计要素外, 还有一个常被多数人遗忘的幕后英雄:传感器(sensors)。举凡在自动化设备,测量仪器,汽车与家用电器等等,无处不在的传感器,成就了便利及丰富人类生活的梦想。本文除了介绍基本传感器型式以外,还介绍如何由传感器的物理量变化,转变为电子及数字资料,因为没有传感器便没有测量,而没有测量则没有自动化产品,故传感电路之好坏决定了自动化系统性能。

在此介绍一种将电阻及电容转为频率信号(resistance/capacitance to frequency conversion),以方便MCU计数,直接测量,此方法简单易行,外部组件少,成本低廉而且适合量产。

盛群(Holtek)半导体公司所推出HT47系列,即是内建R to F转换器(resistance/capacitance to frequency converter)的MCU,产品主要应用于消费类家电产品如温湿度计,体温计,压力计,电子体重计,遥控器等,亦有提供OTP版本(HT47R20),详细资料可参考http://www.holtek.com.tw。

HT47系列功能包括:

堆栈缓存器(Stack Register);

计时计数器(Timer/Event Counter);

看门狗定时器(Watchdog Timer);

外部中断(External Interrupt);

振荡器(Oscillator);

省电模式(Power Down Operation-HALT);

重置(Reset)。

为了进行R to F转换, 在HT47C20/HT47C20L/HT47R20中有一缓存器(ADCR)用来控制R to F转换器之功能,使用者可经由设定ADCR缓存器, 控制计时计数器用途, 中断来源及R to F振荡器之各种振荡模式, 以达到R to F测量之目的。

在HT47系列中比较特殊的地方就是A/D converter共有2组电阻(电容)对频率转换器,亦即特殊之RC振荡器。主要测量原理为将受测电阻RT与一个参考电阻RS分别再与参考电容CS组成RC振荡器,因RT-CS振荡与RS-CS振荡共享CS电容,故CS之误差可消除, 而RS因为是参考电阻故必需使用精密电阻。至于如何将热敏电阻换算推导其A/D转换器数值,先令RT:传感器电阻,RS:精密电阻(参考电阻),KT:RT-CS振荡计数值,KS:RS-CS振荡计数值,设RS/KT=2n, 所以KT= RS/2n(Timer B初始值可由RS及2n算出),

==> RT×KT = RS×KS ==> RT = RS×KS/KT = KS×(RS/KT) = KS×2n,

同样,若为受测电容,则将受测电容CT与一个参考电容CS分别再与参考电阻RS组成RC振荡器,因CT-RS振荡与CS-RS振荡共享RS电阻,故RS之误差可消除,而CS因为是参考电容故必需使用精密电容,设CS/KT=2n, 所以KT=CS/2n(Timer B初始值可由CS及2n算出), 关系式如下:

==>CT×KT=CS×KS ==> CT=CS×KS/KT=KS×(CS/KT)= KS×2n,

RT或CT值的测量可由Timer B测量值(KS)向左移n位(二进制单位), 由传感器转换表建一表格即可直 接转为物理量,因Timer A及Timer B为16bit 计数器, 故最大值 FFFFH = 65535, 使用者必需仔细设计以免计数值发生溢出, 举例如下,

例如一传感器(负温度系数)在 -50℃～150℃,其阻值为8.2MΩ～1.2KΩ,当其为最高温时,电阻最小,故其在固定T时间内,计数值最大,反之当其为最低温时,电阻最大,故其在固定T时间内,计数值最小,为维持测量精度及缩短测量时间,故在传感器电阻值范围内,必需分为几段,以不同之n计算出KT值来进行测量,以达到最高分辨率及最适当之测量时间。

故测量高温时(RT值较小, 频率较快),n值须取小(KT值取大), 以求最高精率,测量低温时(RT值较大,频率较慢),n值须取大(KT值取小),以尽量缩短测量时间。除此之外,整体测量的耗电量亦必需考虑。

因电子测量电路之不理想, 导致在理论值与实际值有所差异,虽然HT47系列已经针对误差及多组RC振荡器间之互相干扰情形进行排除,但主要由电路负载效应及组件饱和所造成的不理想仍不可避免,但是此一不理想性所产生之影响,是一个几乎固定不会漂移之误差量,故可用查表补偿方式予以修正,修正方式如下:

RT×KT = RS×KS, T1 =KT×RT×CS,T2= KS×RS×CS,

取T1=T2 ==> KT×RT×CS = KS×RS×CS ==> KT×RT = KS×RS (ideal case)

修正 ==> set (RT''×KT)/(RS×KS) = KR

==> RT'' = KR×KS×RS/KT = KR×RT, RT = KS ×RS/KT = KS×2n

==> 将最后求出之已校正之RT'', 与sensor生产厂商所提供之阻值表对应, 以求出相对之物理量值(例: 温度), 故在建KT Table时, 不同RT值必须带入不同KR值, 以便获得准确之测量数值。

HT47C20/HT47C20L除了能适用于大范围之传感器外,还可同时用以测量三个传感器,而不会产生互相干扰导致测量不准确, 在省电方面亦为其重要特性之一, 其中HT47C20L更是适合单颗1.5V电池或太阳能电池之应用, 另外,以MCU为基础之设计,更能根据使用者需求自行设计,而OTP,使得设计更加简便,风险更低。■