Die Sensorgruppe hat die Aufgabe, die vier Sensoren als Messschaltung zu realisieren. Bis auf die Luftdruckmessung sind die Sensoren auf einer zusätzlichen kleinen Platine untergebracht, welche außerhalb des Gehäuses platziert wird. Die Verbindung zur Hauptplatine wird über ein gewöhnliches Twisted-Pair-Kabel und RJ-45-Buchsen realisiert. Die Messung der Temperatur findet mittels einer Messbrücke und einem Kaltleiter statt, die Helligkeit wird von einer Fotodiode erfasst und die Luftfeuchtigkeit über eine veränderliche Kapazität. Aus Gründen der Realisierbarkeit wird für die Luftdruckmessung auf einen fertigen Sensor zurückgegriffen. Alle Messschaltungen sollen am Ende einen linearen Spannungsverlauf zwischen 0-5V ausgeben.

Temperatur

Für die Temperaturmessung wird eine Messbrücke mit dem genormten Platin-Messwiderstand PT1000 genutzt. Da das zu erfassende Messintervall zwischen -10 bis 40 °C sehr klein ausfällt, verläuft die Kennlinie des Messwiderstands in diesem Bereich annähernd linear. Die Messbrücke wird auf der externen Sensorplatine platziert und mit 5V Betriebsspannung versorgt. Bei Änderung der Umgebungstemperatur verändert auch der PT1000 seinen Widerstandswert.

Die Schaltung wurde zunächst in LTSpice aufgebaut und konnte erfolgreich simuliert werden.

Helligkeit

Die Umgebungshelligkeit soll für den Messbereich von 0 lx (absolute Dunkelheit) und 1000 lx (sehr helle Zimmerbeleuchtung) erfasst werden. Dazu wird die Fotodiode SFH203 verwendet. Eine Fotodiode entspricht vereinfacht gesehen einem pn-Übergang unter Ausnutzung des inneren Fotoeffekts. Dabei generiert ein auftreffendes Photon ein Ladungsträgerpaar (Loch und Elektron). Die Spannung über der Raumladungszone trennt die beiden Ladungsträger und die Fotodiode wird zur Stromquelle. Unter der Annahme, dass ein Photon ein Ladungsträgerpaar generiert, verläuft der lichtabhängige Stromanstieg linear.

Die Fotodiode wird ebenfalls auf der Sensorplatine angeordnet und deren Strom über eine Ader der Verbindungsleitung auf die Auswertungsplatine geführt. Dort wird der lichtabhängige Strom mittels eines Transimpedanzverstärkers in eine zum Strom proportionale Spannung gewandelt. Über den Widerstand zwischen Ausgang und invertierenden Eingang wird die Verstärkung eingestellt. Bei einem maximalen Strom von 80µA wird ein Widerstand mit R = 62,5kΩ benötigt um eine Spannung zwischen 0-5V auszugeben.

 

Luftfeuchte

Für die Messung der relativen Luftfeuchte wird eine kapazitiver Sensor verwendet. Dieser Sensor besteht aus zwei Kondensatorplatten, die von einer hygroskopischen Schicht als Dielektrikum getrennt wird. Eine hygroskopische Schicht besteht aus einem wasseranziehenden Material, die der Luft Wasser entnimmt und die Eigenschaft des Dielektrikums ändert und somit auch der Wert des Dielektrikums, was zu einer Veränderung der Kapazität führt. Diese Kapazitätsänderung muss in eine messbare Gleichspannung umgewandelt werden.

Dafür werden mit einem Multivibrator M₁ Rechteckimpulse mit der Dauer t₁ erzeugt. Diese Dauer t₁ ist proportional zu einem einstellbaren Kondensator C_a der an diesem Multivibrator M₁ angeschlossen wird. C_a wird auf einen bestimmten Kapazitätswert C₀ abgeglichen. Der Multivibrator M₁ synchronisiert einen weiteren Multivibator M₂, an welchem der feuchtigkeitsabhängige Sensor angeschlossen ist. M₂ erzeugt ebenfalls Rechteckimpulse mit der Dauer t₂, die proportional zu C₀+ΔC (die veränderliche Kapazität) sind. Die Differenz zwischen den beiden Rechteckimpulsen hat eine Dauer t₃, die proportional zu ΔC ist.

Die endgültige Schaltung orientiert sich an der Umsetzung des vergangenen Projekts „Ich kann Wetter“ (2011), wobei andere Bauteilparameter gewählt wurden.

Als kapazitiven Feuchtmesser wurde der KFS 33-LC gewählt, da er ein günstiges Preis-Leistungsverhältnis hat, die Kennlinie linear ist und er eine gute Langzeitstabilität hat. Der Einsatzbereich liegt zwischen 0% und 100% relativer Luftfeuchte und die Ansprechzeit ist mit <15s gering. Die Nennkapazität dieses Sensors liegt bei 330pF und pro 0,6pF ändert sich die relative Luftfeuchtigkeit um einen Prozentpunkt.

 

Luftdruck

Die Wahl des Luftdrucksensors fiel auf den MPX-4115A. Dieser ist ein piezoresistiver Absolutdrucksensor und zeichnet sich dadurch aus, dass er den Absolutdruck über einen langfristigen Zeitraum in einem für uns angemessenen Messbereich ausgeben kann. Der piezoresistive Effekt bewirkt bei bestimmten Stoffen (z.B. Silizium) eine starke Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit des einwirkenden Druckes.

Der MPX-4115A wird mit einer Betriebsspannung von 5V versorgt und umfasst einen Messbereich zwischen 15 – 115 kPa. Der Luftdrucksensor gibt in diesem Messbereich eine annähernd lineare Ausgangsspannung von 0,2 – 4,8V aus. Die gemessene Spannung wird danach weiterverarbeitet und soll anschließend mittels einer LED-Anzeige den momentanen Druck anzeigen. Da der gemessenen Luftdruck für uns nur in einem gewissen Messbereich interessant ist, muss die Ausgangsspannung des Sensors angepasst werden. Ein Luftdruck von 98kPa soll 0 V und ein Luftdruck von 105kPa soll 5V entsprechen. Um dies zu erreichen, wird mittels eines Differenzenverstärkers die Ausgangsspannung angepasst (Offset) und verstärkt. Für die Simulation in LTSpice wurde statt des Sensors eine veränderliche Spannungsquelle verwendet.