Der 1Wire2Voltage ist ein universeller Sensor-Signal-Konverter, der digitale 1-Wire-Messwerte in einen geregelten 0–10 V Analog-Ausgang umsetzt.
1wire Sensor DS18B20 an analogen Eingang betreiben?
1wire Sensor DS18B20 an SPS anschließen?
1wire Sensor DS18B20 auf 0-10V Messumformer?
Der 1Wire2Voltage PWM-Konverter bietet eine universelle Lösung zur digitale 1wire Sensor zu Analog-Transformation mit hoher Präzision, geringer Restwelligkeit und breitem Einsatzspektrum in der Automations- und Prozesswelt.
Herzstück der Umsetzung ist ein PWM-gesteuerter D/A-Konverter mit anschließender Glättung.
Diese Bauweise erlaubt eine hochpräzise, temperaturunabhängige Analogspannung für Regel- und Automationssysteme.
Inhaltsübersicht
- Zielsetzung und Einsatzgebiet
- Anwendungsbeispiele
- Funktionsprinzip des PWM-Konverters
- Glättung und Filtertechnik
- Softwareintegration und PWM-Steuerung
- Schaltung
- Zusammenbau
- Inbetriebnahme
Zielsetzung und Einsatzgebiet
Der 1Wire2Voltage wurde entwickelt, um Sensordaten aus dem weit verbreiteten 1-Wire-Bus (z. B. DS18B20 Temperatur) in ein sauberes, geregeltes 0–10 V Analogsignal zu wandeln.
Dies ist eine zentrale Anforderung in der Gebäude- und Industrieautomation, wo klassische Analogeingänge (0–10 V) zur Ansteuerung von Steuerungen, Regelventilen oder aktiven Elektroniken verwendet werden.
Viele Steuerungen können keine digitalen 1-Wire-Signale auswerten.
Dort kommt der 1Wire2Voltage zum Einsatz, indem er die PWM eines Mikrocontrollers zur Erzeugung einer Analogspannung nutzt.
Anwendungsbeispiele
- Anbindung digitaler 1-Wire-Sensorik an klassische Gebäude-Regler
- Integration in SPS-, HLK- oder Energiemanagementsysteme
- Zuverlässige Signalaufbereitung ohne zusätzliche D/A-Wandler-ICs
- Billige Alternative zu teuren PT100 Sensoren
- PIC12F1572 mit 16Bit PWM Ausgänge (Frequenz: 16kHz)
Funktionsprinzip des PWM-Konverters
Der Konverter arbeitet auf dem Prinzip der Pulsweitenmodulation (PWM).
Ein Mikrocontroller erzeugt eine Rechteckspannung mit variabler Tastbreite (Duty Cycle).
Diese PWM repräsentiert über das Verhältnis von „HIGH“ zu „LOW“ den gewünschten Analogwert zwischen 0 % und 100 %.
Beispiel: Ein PWM-Signal mit 50 % Duty-Cycle liefert im zeitlichen Mittel halb so viel Energie wie ein Dauersignal. Nach Glättung entspricht dies etwa 5 V bei einer Referenz von 10 V.
Der 1Wire2Voltage nutzt diese PWM, um eine Spannung proportional zum Sensormesswert zu erzeugen. Mittels RC-Filter wird das PWM-Rechteck in eine Analogspannung zwischen 0 und 10V DC umgewandelt.
Glättung und Filtertechnik
Damit aus dem PWM-Signal eine stabile Analogspannung wird, ist ein Glättungs-Filter notwendig.
Die Schaltung verwendet ein passives RC-Netzwerk, das aus einem Widerstand und einem Kondensator besteht.
Die Grenzfrequenz des Filters sollte so gewählt werden, dass sie deutlich unter der PWM-Frequenz liegt, aber hoch genug, um schnelle Änderungen im Messwert ohne Verzögerung verarbeiten zu können.
Berechnung des RC-Tiefpasses
Ein RC-Tiefpass glättet PWM-Impulse gemäß der Formel:
fc = 1 / (2·π·R·C)
Dabei gilt:
- fc = Grenzfrequenz des Filters
- R = Widerstandswert
- C = Kapazität des Kondensators
Im 1Wire2Voltage ist ein RC-Filter dimensioniert auf ca. 10 Hz. Beispielrechnung:
- R = 4,7 kΩ
- C = 220 µF
Einsetzen in die Formel ergibt:
fc ≈ 1 / (2·π·4 700·0,00022) ≈ 1,54 Hz
Diese Frequenz ist weit unter typischen PWM-Frequenzen und sorgt für eine sehr geringe Restwelligkeit (Ripple) im Ausgangssignal, gleichzeitig bleibt der Regelkreis schnell genug für Messwertänderungen. Dadurch entsteht ein sauberes 0–10 V DC Ausgangssignal, trotz digitaler PWM-Erzeugung.
Restwelligkeit (Ripple)
Die Restwelligkeit kann über das Verhältnis von PWM-Frequenz zu Filter-Grenzfrequenz abgeschätzt werden. Je höher die PWM-Frequenz und je tiefer die Filter-Grenzfrequenz, desto geringer ist das Rest-Ripple am Ausgang.
Softwareintegration und PWM-Steuerung
Die Funktion des PWM-Konverters wird softwareseitig durch die Firmware gesteuert.
Ein Mikrocontroller (z. B. PIC oder AVR) liest Periodisch die Sensordaten (z. B. DS18B20 Temperatursensor) aus und berechnet daraus den gewünschten PWM-Duty-Cycle.
Die zugehörige Software ist im Downloadpaket enthalten und implementiert:
- 1-Wire Bus-Initialisierung
- Temperaturmessung
- Berechnung des PWM-Duty-Cycles proportional zum Messwert
- Ausgabe des PWM-Signals an den Glättungs-Filter
Durch die PWM-Erzeugung in Software ist der Konverter vollständig anpassbar.
Die Firmware ist Open Source und in der Downloadabteilung verfügbar.
Achtung: Die Firmware, welche mit der „Setter“ Software kompatibel ist, muss ich leider als Closed Source herausgeben, da wir einfach nicht die Manpower haben um Fehler zu suchen, die bei einer Erweiterung des SourceCode durch den Endbenutzer mit eingeflossen sind.
Die Standardskalierung ist in der „Setter“ Software jeweils der Sensortyp 13.
Dies entspricht jeweils einen Eingangsbereich von -20°C bis +80°C und einen Ausgangsspannungsbereich von 0V – 10V.
Bei einem Fühlerfehler oder Aderbruch zum Sensor, wird der Ausgang automatisch auf 0V gesetzt.
Als DutyCyle, wurde als Maximum, 1000 festgelegt, was einer theoretischen PWM Frequenz von 16kHz entspricht.
Schaltung
Zusammenbau
Der Bausatz wurde wieder so dimensioniert, das ein Zusammenbau für Anfänger genauso möglich ist, wie für den Vollprofi.
Also lasst uns beginnen.
Wie immer bei der Bestückung:
Die niedrigsten Bauteile zuerst, danach erst dann die Hohen. Ansonsten ist immer etwas im Weg !
• Schritt 1
Legen Sie alle Bauteile auf und überprüfen Sie sorgfältig, ob alle vollständig vorhanden sind.
TIP: Besonders kleine Bauteile können sich manchmal in der Verpackung oder anderen Bauteilen verstecken.
Durch vorsichtiges Schütteln der Verpackung oder der Bauteile lässt sich das versteckte Bauteil leicht entdecken.
Die Bestückung kann aus der „Bestückungshilfe“ herausgelesen werden:
• Schritt 2
Es wird mit den zwei 1k Widerständen R4 und R8 (Widerstand 1k – Farbcodierung: Br/Bk/Bk/Br/Br) begonnen.
• Schritt 3
Danach kommen die Widerstände R1,R2,R5,R6,R9,R10,R11 (Widerstand 4k7 – Farbcodierung: Ye/Vi/Bk/Br/Br).
• Schritt 4
Gefolgt von den Kondensatoren C6, C7 (Kapazität: 470 nF – Beschriftung: 474).
• Schritt 5
Danach C2,C3,C4 (Kapazität: 100 nF – Beschriftung: 104) und der Spannungsregler IC1 (Type: 7805/LP2950 – Beschriftung: 7805/LP2950)
• Schritt 6
Bestücken Sie die Potentiometer R3,R7 (Widerstand: 10 kOhm – Beschriftung: 103), die Elektrolytkondensatoren C1,C5 (Kapazität: 100 µF / 35 V) und den 2 poligen Jumper „ADJ“ für die spätere Justage.
• Schritt 7
Bestücken Sie noch den Mikrocontroller IC2 (Type: PIC12F1572 – Beschriftung: PIC12F1572), den Operationsverstärker IC3 (Type: LM358 – Beschriftung: LM358), die 3 poligen Schraubklemmen X1 und X3, sowie die 4 polige Schraubklemme X3.
Der Bausatz ist nun fertig für die Inbetriebnahme.
ACHTUNG: Beachten Sie die Ausrichtung der IC-Sockel. Diese muss dem Bestückungsdruck auf der Platine entsprechen:
• Schritt 8
DIN Schienenhalterung (Optional)
Bei Bedarf kann noch gleich der DIN-Schienen Halter mit montiert werden.
Inbetriebnahme
Die Inbetriebnahme erfolgt in zwei Teilen.
Justage / Kalibrierung
Messung
Justage/Kalibrierung:
Steckt den Jumper „ADJ“ neben dem ICSP Sockel.
Durch drehen des jeweiligen Potis, wird nun am Ausgang 7.5V eingestellt (messen!).
Out 1 = R3, Out 2 = R7
Für den richtigen Betrieb ist es wichtig, das der Jumper „ADJ“ wieder entfernt wird.
Messung:
Hierfür wird Out 1 und GND mit meinem neuen Handhelp Oszi verbunden, um zu kontrollieren, wie die Signale aussehen.
Messung 1: PIN5 = PWM3 Ausgang des PICs
Hier ist das PWM Signal sehr schön zu erkennen.
Messung 2: Out1 Ausgang des Moduls
Hier ist noch die Restwelligkeit des PWM Signal zu erkennen.
Da diese unter 0.2V (=0.2°C) liegt ist mein Auftrag geglückt!
EDIT: Wollt ihr das Schwingen im Ausgangssignal verkleinern, so kann dies durch Ergänzung eines externen 10µF Kondensator von Out1 (oder Out2) gegen GND erfolgen.
Die Firmware ist Open Source und in der Downloadabteilung verfügbar.
Es gibt eine Version in MikroC und MikroBasic.
Wenn Ihr die Software weiterverbreitet, bitte einen Link auf meine Seite setzen 😉
Achtung: Die Firmware, welche mit der „Setter“ Software kompatibel ist, muss ich leider als Closed Source herausgeben, da wir einfach nicht die Manpower haben um Fehler zu suchen, die bei einer Erweiterung des SourceCode durch den Endbenutzer mit eingeflossen sind.
Der Bausatz des „1wire2Voltage Konverters“ kann in unserem Shop bezogen werden.
Bei Wünschen und Anregungen könnt Ihr euren Kommentar absetzen.
Wenn Ihr die Skalierung des Moduls anpassen wollt, so kann dafür die „Setter“ Software verwendet werden. Eine Anleitung dazu findet ihr hier.