Датчики температуры

Температурный датчик помогает роботу заметить перегрев двигателя, проверить состояние аккумуляторного отсека или наблюдать за воздухом в теплице. Но число на экране не появляется мгновенно и не всегда относится к тому объекту, который мы собирались измерить.

Коротко

Датчик температуры измеряет температуру собственного чувствительного элемента. Аналоговый датчик передаёт её напряжением, а цифровой — готовым кодом. Точность результата зависит от модели, установки, времени реакции и самонагрева.

Зачем это нужно

Представим колёсного робота, который долго едет в горку. Двигатель нагревается, и программа должна уменьшить мощность до повреждения деталей. Если датчик висит рядом с мотором в воздухе, он измеряет в основном воздух. Если контактный датчик закреплён на корпусе, смысл показания уже другой.

Температуру измеряют в разных местах: на корпусе двигателя, около драйвера моторов, внутри аккумуляторного отсека, в потоке воздуха теплицы или в герметичной ёмкости с водой. Для каждой задачи нужен свой тип датчика.

Примеры датчиков

Датчик	Что измеряет в учебном проекте	Выход	Диапазон и особенности
LM35	температуру микросхемы или поверхности рядом с ней	аналоговое напряжение	обычно 10 мВ/°C; нужен АЦП и точная опора
DS18B20	воздух, жидкость или поверхность через герметичный зонд	1-Wire	-55...+125 °C, настраиваемое разрешение 9...12 бит
DHT22	температуру и влажность воздуха	цифровой однопроводный протокол	-40...+80 °C, медленный опрос, удобен для метеостанции
BME280	температуру, влажность и давление воздуха	I²C/SPI	хорош для среды, но температура платы может отличаться от воздуха

Главный вопрос: чем отличаются эти датчики для программы? LM35 даёт напряжение, DS18B20 и BME280 уже выполняют оцифровку внутри, а DHT22 объединяет температуру с влажностью, но обновляется медленно.

Главная идея

Чувствительный элемент сначала должен обменяться теплом с объектом или средой. Только после этого его собственная температура приблизится к измеряемой:

объект или среда -> теплообмен -> чувствительный элемент -> электрический сигнал -> контроллер

LM35 или TMP36 требуют входа АЦП, потому что контроллер видит напряжение. DS18B20, DHT22 и BME280 передают цифровой результат, но это не отменяет задержку теплообмена и проверку правильного места измерения.

Аналоговый и цифровой датчики

Свойство	Аналоговый датчик	Цифровой датчик
Выход	напряжение или ток	числовой код по интерфейсу
Что нужно контроллеру	АЦП и опорное напряжение	поддерживаемый интерфейс
Где выполняется оцифровка	в контроллере или внешнем АЦП	внутри датчика
Что особенно влияет	шум, длина провода, точность Vref	настройки измерения, адрес, контроль данных
Пример	LM35	DS18B20, BME280

Аналоговый датчик удобно проверить мультиметром, но напряжение ещё не является температурой. Цифровой датчик сокращает аналоговый участок цепи, но программа должна уметь прочитать правильный регистр, проверить ошибку обмена и не принять старое значение за новое.

Точность, разрешение и задержка — не одно и то же

Параметр	О чём говорит	Чего не гарантирует
Диапазон	в каких температурах устройство рассчитано работать	одинаковую точность во всём диапазоне
Разрешение	насколько мал шаг выходного кода	близость к истинной температуре
Точность	допустимое отклонение при заданных условиях	мгновенную реакцию
Время реакции	как быстро датчик следует за изменением среды	отсутствие шума и выбросов

Постоянная времени τ часто описывает реакцию датчика на скачок температуры. Число 63,2% берётся из экспоненциальной модели: через одно τ величина проходит долю 1 - e^-1, то есть примерно 0,632 от полного изменения. Если датчик переносится из 20 °C в 40 °C, то через одно τ он покажет около 32,6 °C, а не сразу 40 °C.

Называй переменные правильно

В коде полезно называть не просто temperature, а то, что реально представляет число:

Плохое имя	Лучше	Почему
temperature	motor_case_temperature_c	понятно, что это корпус двигателя, а не обмотка
temp	air_temperature_near_intake_c	видно место измерения воздуха
value	bme280_board_temperature_c	ясно, что датчик может греться вместе с платой
t	coolant_probe_temperature_c	видно, что это герметичный зонд в жидкости

Такое имя заставляет программу быть честной. Если переменная называется motor_winding_temperature_c, а датчик закреплён на корпусе, это не техническая мелочь, а ошибка смысла.

Пример: защита привода от перегрева

Контактный датчик закреплён на корпусе двигателя. Контроллер делает измерение раз в секунду, сохраняет исходное значение и коротко сглаженное значение. Управление строится не на одном магическом пороге, а на состояниях:

1. Нормальная работа — температура ниже предупредительного уровня.
2. Ограничение — привод получает меньшую команду после устойчивого превышения.
3. Остановка — контроллер отключает привод при аварийном уровне или потере достоверных данных.
4. Охлаждение — повторный запуск разрешён только после снижения до более низкого порога.

Разные пороги включения и возврата образуют гистерезис: робот не переключается туда-сюда из-за небольшого шума около границы.

Что запомнить про температуру

• Датчик сначала измеряет собственный чувствительный элемент.
• Аналоговому датчику нужен АЦП; цифровой датчик передаёт код по интерфейсу.
• Разрешение, точность и время реакции описывают разные свойства.
• 63,2% — это точка одной постоянной времени в экспоненциальной реакции.
• Название переменной должно отражать место и смысл измерения.

Практика

1. Сравните названия temperature, motor_case_temperature_c и air_temperature_c: какие ошибки легче заметить во втором и третьем варианте?
2. Запишите десять сырых кодов аналогового датчика и пересчитайте их через опорное напряжение АЦП.
3. Постройте график реакции датчика после переноса из холодной среды в тёплую и отметьте уровень 63,2%.

Проверьте себя

1. Почему датчик на плате рядом с процессором может плохо измерять температуру воздуха?
2. Чем разрешение отличается от точности?
3. Зачем LM35 нужен АЦП?
4. Что означает постоянная времени τ?
5. Почему температура корпуса двигателя не обязательно равна температуре обмотки?

Ориентиры для самопроверки

Сначала ответьте без подсказки. Ответ можно считать полным, если вы:

• формулируете основную мысль своими словами;
• называете важные условия, ограничения или меры безопасности;
• для схемы, кода или расчёта показываете ход решения и ожидаемый результат.

Если один из пунктов объяснить не получается, найдите соответствующую главу статьи, перечитайте её и повторите ответ.

Словарь статьи

• Чувствительный элемент — часть датчика, физическое состояние которой зависит от температуры.
• АЦП — преобразователь напряжения в цифровой код.
• Разрешение — минимальный шаг выходного представления.
• Точность — допустимое отклонение результата при заданных условиях.
• Постоянная времени — характеристика скорости реакции на скачок входной величины.
• Гистерезис — разные границы переключения туда и обратно.

Связанные темы

• АЦП — почему аналоговый датчик сначала даёт код, а не градусы.
• Датчики влажности — почему температуру часто измеряют вместе с влажностью.
• Калибровка датчиков — как проверять шкалу измерения.

Источники

• Texas Instruments. LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors.
• Analog Devices / Maxim Integrated. DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer.
• Bosch Sensortec. BME280 humidity sensor.