Czujnik BME280

Czujnik BME280

Stacje pogodowe są urządzeniami bardzo często samodzielnie projektowanymi i wykonywanymi przez hobbystów. Nie ma w tym niczego dziwnego, pomiar temperatury, ciśnienia atmosferycznego, czy wilgotności jest przydatny w codziennym życiu. Na podstawie tych parametrów można realizować także inne funkcje na przykład sterowanie domową automatyką ogrzewania, klimatyzacji i wentylacji (inteligentne domy) czy sterowanie pracą pieca grzewczego. Pomiar ciśnienia jest jedną z prostszych metod określania wysokości względem układu odniesienia, na przykład płyty lotniska. Mierząc zmiany ciśnienia atmosferycznego można określić prędkość pionową (wznoszenia, lub opadania). Metoda jest powszechnie stosowana w lotnictwie i w dronach. Ciśnienie jest także ważnym parametrem w medycynie, na przykład w spirometrach w czasie wyznaczania objętości płuc. 

Czujniki pomiarowe przekształcają mierzone wielkości ciśnienia, wilgotności i temperatury na sygnał elektryczny. Może to być zmiana napięcia proporcjonalna do zmian mierzonej wartości, lub zmiana rezystancji i w konsekwencji również zmiana napięcia. Sygnał napięciowy z czujnika można mierzyć przetwornikami analogowo cyfrowymi, a potem cyfrowo obrabiać i prezentować. Jednym z problemów pomiarowych są odchyłki od liniowej charakterystyki przetwarzania w całym zakresie pomiarowym, a co za tym idzie degradacja precyzji pomiaru. Cyfrowa reprezentacja wielkości mierzonej pozwala na relatywnie prostą kompensację pomiaru na podstawie danych kalibracyjnych dostarczanych razem z czujnikiem, lub wyznaczanych samodzielnie.

W ostatnim czasie popularne stały się czujniki z cyfrowymi interfejsami komunikacyjnymi (SPI, I2C, 1-wire itp.). Wtedy konwersja analogowo cyfrowa jest wykonywana przez dedykowany przetwornik umieszczony w strukturze sensora, a wynik konwersji można odczytać przez interfejs komunikacyjny. Konwersja analogowo cyfrowa jest również obarczona błędami, w tym błędami nieliniowości. Producent sensora zna charakterystyki swojego czujnika oraz przetwornika i może uzyskać lepsze parametry pomiaru niż w układach z uniwersalnymi przetwornikami stosowanymi w mikrokontrolerach.

Na rynku dostępnych jest bardzo wiele czujników z wyjściami analogowymi, lub cyfrowymi. Zdecydowana większość służy do pomiaru temperatury, ale są także takie, które mierzą jednocześnie kilka parametrów. Jednym z nich jest czujnik BME280 oferowany przez firmę BOSCH Sensortec, mierzący jednocześnie temperaturę ciśnienie i wilgotność. Umieszczony jest w metalowej obudowie o wymiarach 2,5×2,5 mm z wyprowadzeniami LIG – rysunek 1. Taka konstrukcja jest przeznaczona do profesjonalnego montażu i bardzo utrudnia zastosowanie w konstrukcjach amatorsko-hobbystycznych. Jednak czujnik stał się na tyle popularny, że pojawiły minimoduły w postaci małych płytek z przylutowanym układem i sygnałami wyprowadzonymi w przystępny sposób.

Parametry czujnika

Sensor BME280 przy zasilaniu w zakresie od 1,7...3,6 V charakteryzuje się małym poborem energii. Przy pomiarach co 1 sekundę pobór prądu wynosi:

• 1,8 mA dla wilgotności i temperatury,
• 2,8 mA dla ciśnienia i temperatury,
• 3,6 mA dla wilgotności, temperatury i ciśnienia.

Poszczególne sekcje pomiaru temperatury ciśnienia i wilgotności mogą być niezależnie programowo wyłączane. Przy wyłączeniu wszystkich czujników pobór prądu spada do 0,1 mA. Te parametry sprawiają, że może być stosowany w układach zasilanych bateryjnie na przykład w urządzeniach końcowych IoT.

Zakresy pomiarowe wynoszą:

• dla temperatury jest to przedział –40...+85°C. Pomiar z największą dokładnością dotyczy przedziału 0...65°C. Przy 25°C dokładność pomiaru wynosi ±0,5°C przy rozdzielczości pomiaru 0,01°C. Wartość temperatury jest stosowana do kompensacji pomiarów ciśnienia oraz wilgotności i może służyć do pomiaru temperatury otoczenia;
• dla wilgotności jest to pełny zakres 0...100%, czas pomiaru 1 sekunda, dokładność pomiaru ±3% a zakres temperaturowy dla pomiaru wynosi 0...60°C;
• dla ciśnienia jest to przedział 300...1100 hPa, dokładność pomiaru ±1 hPa.

Dokładne dane techniczne zawierające między innymi informacje na temat nieliniowości pomiaru, szumów, dryftów itp. można znaleźć w dokumentacji układu.

Na rysunku 3 pokazano schemat blokowy sensora. Wydzielono tu trzy niezależne tory czujników przekształcających ciśnienie, temperaturę i wilgotność na sygnał napięciowy. Każdy z sygnałów napięciowych jest kolejno konwertowany przez jeden wspólny przetwornik analogowo cyfrowy ADC. Dane z wyjścia ADC są kierowane do bloku logiki a z niego trafiają do układów interfejsu komunikacyjnego. Układ oscylatora OSC generuje sygnał zegara taktującego pracę układu, układ POR jest przeznaczony do generowania sekwencji zerowania w trakcie załączania napięcia zasilającego. W bloku nieulotnej pamięci NVM są zapisane dane niezbędne do wyliczania kompensacji pomiarów.

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik grudzień 2019

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio grudzień 2019

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje grudzień 2019

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna listopad 2019

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich grudzień 2019

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów