41313

Изучение процесса ввода информации с датчиков

Практическая работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Такую характеристику внешней среды как температура приходится измерять довольно часто.Если говорить высоким стилем, то датчики создают «окно», сквозь которое микропроцессорные системы наблюдают за внешним миром. В этой рабрте рассматриваются различные типы датчиков, их применение и возможность сопряжения с микропроцессорами.

Русский

2013-10-23

3.74 MB

12 чел.

                  Дисциплина: « Микропроцессоры и микропроцессорные системы»

Практическая работа № 12

   Тема:     «Изучение процесса ввода информации с датчиков».

     Цель:       Практически исследовать процесс ввода информации с датчиков

     Время:                 2 часа

   Оборудование:    ПК, ПО.

   Методические материалы и литература:

  •  Методические указания по выполнению практических работ;
    •  Иллюстративный материал: «процесс ввода информации с датчиков»

Методические указания по выполнению практической работы:

  Последовательность выполнения работы:

  1.  Изучить  и законспектировать основные теоретические положения по теме, используя описание работы;
  2.  Выполнить практическую часть лабораторной работы. При этом  использовать описание работы, лабораторный блок ПК, иллюстративный материал; В практической части отработать следующие подразделы:
  •  Рассмотреть процесс ввода информации с датчиков
  •  Выполнить законспектировать в тетради процесс ввода информации с датчиков и отразить в отчёте
  •  Проанализировать процесс ввода информации с датчиков; сделать выводы.

  1.  Ответить на контрольные вопросы.
  2.  Сделать выводы.
  3.  Подготовить отчёт по установленной форме.
  4.  Представить отчёт для защиты преподавателю.

1. Основные теоретические положения

        Датчики

Если говорить высоким стилем, то датчики создают «окно», сквозь которое микропроцессорные системы наблюдают за внешним миром. В этой рабрте рассматриваются различные типы датчиков, их применение и возможность сопряжения с микропроцессорами.

   Температурные датчики

Такую характеристику внешней среды, как температура приходится измерять довольно часто.

Ход многих производственных процессов, от выплавки стали до производ-ства полупроводников, зависит от температуры.

  Некоторые электронные приборы нуждаются в измерении собственной температуры:

  •  персональные компьютеры, например, отслеживают температуру процессоров,
  •  контроллеры двигателей должны знать температуру ИС драйверов и т. д
  •  мы, тоже измеряем температуру своего тела...

  Во всех перечисленных примерах температуру измеряют температурные  датчики.

   Терморезисторы

 

 Терморезистор это температурный датчик, сопротивление которого       зависит от температуры. 

 Термисторами   называются терморезисторы с отрицательным  темпе-    ратурным коэффициентом сопротивления то есть      сопротивление таких  терморезисторов растет с      падением температуры.

 Позисторами     или кремниевыми датчиками температуры, по названию     технологии их изготовления, называется другая группа     терморезисторов с положительным температурным ко-    эффициентом сопротивления  имеющим прямо пропор-    циональную зависимость от температуры.

Из всех пассивных температурных датчиков, терморезисторы обладают наибольшей чувствительностью (изменение сопротивления на градус изменения температуры). Однако зависимость сопротивления от температуры у терморезисторов — нелинейная.

 Резистивные температурные датчики

Резистивный температурный датчик (РТД) относится к металлическим  термометрам сопротивления и представляет собой просто кусок металли- ческой проволоки, изменяющий свое сопротивление в зависимости от  температуры.

Типичными материалами для РТД являются:

  •  медь,
  •   платина,
  •   никель и
  •   сплав железо-никель.

Конструктивно элемент РТД может быть проволочным или пленочным, нанесенным или напыленым на подложку, например, из керамики.

В спецификации сопротивление РТД обычно дано при 0°С. Типичный платиновый РТД, имеющий сопротивление 100 Ом при 0°С, имел бы сопротивление 100.39 Ом при 1°С и 119.4 Ом при 50°С.

РТД имеют точность выше, чем у терморезисторов. Типичные погрешности РТД следующие:

при использовании платины — 0.01,..0.03%;

при использовании меди — 0.2%;

при использовании никеля и сплава железо-никель — 0.5%.

С учетом большей точности РТД и меньшего сопротивления, схемы подключения РТД к ОУ практически такие же, как и для терморезисторов.

   Термопары

Температурный датчик на основе термопары образуется сварным соединением (спаем) двух различных металлов. Томас Зеебек в 1821 году обнаружил термоэлектрический эффект, названный в его честь эффектом Зеебека} когда в месте между «горячим» и «холодным» спаем металлов с разными температурами возникает термо-ЭДС с небольшой разностью потенциалов (порядка нескольких мВ), которую можно измерить милливольтметром.

 Величина возбуждаемого напряжения зависит оттого, какие металлы соединены.

 Для образования термопар существует три наиболее распространенных комбинации металлов:

  1.  железо-константан (тип .J),
  2.   медь-константан (тип Т)
  3.  и хром-алюминий (тип К).

Напряжение, образуемое термопарой, имеет очень малую величину, обычно несколько милливольт. Напряжение термопары типа К изменяется всего на 40 мкВ на градус Цельсия.

Такие малые изменения напряжений термопары требуют прецизионных измерений: для обеспечения точности измерения температуры 0.1 °С требуется точность измерения напряжения порядка 4 мкВ.

С другой стороны, поскольку любые два разных металла образуют термо-пару при соединении, то точка соединения термопары с измерительной систе-мой также будет иметь свойства термопары в месте их соединения из-за разни-цы температур, измеряемой термопары и температуры окружающей среды.  Место соединения (колодка) начинает нагреваться и образует паразитную термопару из материала колодки и медных проводников, подсоединенных к ней. Под медными проводниками подразумеваются не только медные провода, но и медные дорожки печатной платы.

Данный эффект может быть сведен к минимуму размещением соединений в  изотермическом блоке, выполненном из теплопроводного материала (см. Рис.1).  Материал с высокой теплопроводностью снижает разность темпера-тур между точками соединения, уменьшая тем самым ошибку, вводимую мес-том соединения проводников. Распространенный способ компенсации темпера-турной зависимости изотермического блока — это размещение в блоке полу-проводникового диода и измерение на нем падения напряжения.

 Для усиления крайне малого сигнала термопары в десятые доли вольт необходим операционный усилитель, и обычно используется инструментальный усилитель в дифференциальном включении.

 Коэффициент усиления такого типа ОУ находится в диапазоне 100...300, и любой шум, воздействующий на термопару, будет усилен во столько же раз.  Такое включение инструментальных усилителей значительно снижают синфазные помехи проводов термопары и усиливает только сигналы термопа-ры. Правда, полностью снизить в реальных условиях синфазные помехи не уда-ется и синфазная помеха «просачивается» на выход усилителя, который ослаб-ляет помеху с определенным коэффициентом ослабления синфазных помех (КОСС).  

КОСС определяют в дБ. Инструментальные усилители по отношению к другим типам ОУ имеют повышенный КОСС.

Фирма Analog Devices выпускает специализированные усилители сигнала термопары типа J, такие как AD594/595. ИС AD594/595 не использует внешний

p-n переход для компенсации изотермического соединения, вместо этого, в са-мой микросхеме предусмотрено биметаллическое соединение, компенсирую-щее температурную зависимость соединения термопары с усилителем.

 

 ИС проводит измерения в температурном диапазоне 0.,.300°С. Для наилучшей компенсации соединение проводов термопары с входом усилителя должно быть выполнено на плате как можно ближе к выводам микросхемы.

 

   Рис. 1. Термопара

 Усиленный сигнал термопары, как и терморезистора, необходимо масштабировать, чтобы соответствовать входному диапазону АЦП.

Термопары относительно линейны в ограниченном диапазоне темпера-тур, однако если диапазон измерений достаточно широк, для компенсации нелинейностей понадобится дополнительное программное обеспечение.

 Зависимость напряжения термопары от температуры в этом случае можно будет представить полиномом, почти так же, как и зависимость сопротивления терморезистора от температуры.

  Полупроводниковые температурные датчики

В качестве простейшего полупроводникового датчика температуры может использоваться, например, p-n переход диода или транзистора.

 Если поддерживать постоянным ток через смещенный в прямом направлении кремниевый p-n -переход, прямое падение напряжения будет меняться на 1.88 мВ с каждым градусом Цельсия.

 По этому принципу работает ИС МАХ1617 фирмы  MAXIM/Dallas, которая измеряет температуру с использованием прямосмещенного p-n перехода внешнего транзистора, например типа 2N3904.

Транзистор может быть дискретным элементом вне микросхемы, а может входить в состав ИС. Выход микросхемы МАХ1617 имеет последовательный интерфейс SMBus.

ИС ИС LM335  (Рис. 2) от фирмы National Semiconductor формирует на выходе напряжение, пропорциональное температуре. Изменение выходного напряжения равно 10 мВ на градус Цельсия. При 0°С выходное напряжение составляет 2.73В, а при 100°С составляет 3.73В. ИС LM335   потребляет ток от 0.4 до 5 мА.

  

    

                 Рис. 2  ИС LM335

Датчики ИС LM34/35   получают питание от напряжений в диапазоне 4...20 В и формируют на выходе напряжение, пропорциональное температуре.

ИС LM34/35    формирует 500 мВ при 50°С и добавляет 10 мВ на каждый градус Цельсия.  ИС LM34 калибрована в температурной шкале Фаренгейта, а ИС LM35  — в градусах Цельсия.

 Выход ИС LM34/35    может быть непосредственно подключен к входу АЦП или компаратора.

ИС LM34/35   National Semiconductor содержит температурный датчик и 13-битный сигма-дельта АЦП и измеряет температуру в  диапазоне -55...+150°С.  Она имеет на выходе АЦП интерфейс SPI/Microware, которым соединяется с микропроцессором.

ИС LM34/35 поставляется в 8-выводном корпусе для поверхностного монтажа (SМТ).

Напряжение питания  микросхемы в зависимости от модификации — 3.3 или 5 В..

   Оптические датчики

 В качестве оптического датчика чаще всего выступает оптопара свето-диод-фотоприемник, называемая также оптроном. 

Выпускаются оптроны с закрытым (optoisolator) оптическим каналом (в монолитном микросхемном исполнении) и открытым оптическим каналом (щелевые и отражательные оптроны).

   Щелевой оптрон

На рис. 3. показан оптический датчик — щелевой оптрон (slotted optical switch). Фототранзистор и направленный на него светодиод укреплены на пластиковое основание и разделены промежутком так, что когда некий предмет движется в зазоре, он прерывает свет между светодиодом и датчиком.

 Щелевые оптроны часто используются для измерения скорости двигателя при помощи диска с прорезями, размещенного на оси двигателя.

Когда ось вращается, диск по очереди прерывает или, наоборот, не прерывает световой путь.

 Другое применение щелевого оптрона — это индикация, открыта или закрыта дверь или, например, кожух охранного прибора. Флажок на двери, попадая в щель, блокирует свет, когда дверь закрывается. Механическая компьютерная мышь также использует щелевые оптроны.

 Рис. 3.  оптический датчик — щелевой оптрон

    Отражательный оптрон

На рис. 4 показан другой тип оптического датчика — отражательный оптрон (reflective sensor). Принцип работы этого датчика такой же, как и щелевого, с той разницей, что фототранзистор собирает отраженный, а не прямой свет.  Большинство датчиков отражения характеризуются фокусным расстоянием — оптимальным расстоянием, на котором должен быть размещен отражающий объект от датчика. Это расстояние составляет обычно величину 0.254... 1.270 см (от 0.1 до 0.5 дюйма). Типичное применение отражательных оптронов — это регистрация вращения двигателя по нанесенным на его ось темным меткам.

 Поскольку фототранзистор довольно медленнодействующий оптический прибор, то данное обстоятельство ограничивает максимальную скорость регистрации.

 

 

 Рис. 4   Оптический        Рис. 4  Оптический датчик — отражательный оптрон

Типичное время включения фототранзистора 8 мкс, а выключения 50 мкс. Эти временные параметры определяются скоростью носителей под действием света в переходе база-эмиттер транзистора.

 

  Коэффициент усиления по току 

Оптопара светодиод-фототранзистор имеет ограниченный коэффициент усиления, обычно меньше единицы. Отношение тока, протекающего в коллекторе фототранзистора к току через светодиод, называется коэффициентом передачи по току, КПТ (Current transfer Ratio CTR).

 Типичное значение КПТ для щелевых оптронов составляет 0.1. Это значит, что при токе 10 мА, протекающем через светодиод. ток коллектора фототранзистора составит 1 ма   

 

  

  2  Практическая часть

  

  Управление несколькими датчиками

В некоторых системах можно обеспечить управление несколькими датчиками с помощью одного АЦП или цифрового входа. На Рис.5 четыре опти-ческих датчика подключены к одному входу микропроцессора.

 Каждый светодиод имеет отдельный выход. Это может быть отдельный бит порта или отдельный регистр.

 На рисунке показана 8-битная защелка регистра с четырьмя используе-мыми битами, которые управляют включением или выключением четырех светодиодов оптопар.

  Эмиттеры всех фототранзисторов оптопар заземлены, а коллекторы объе-динены вместе и подключены через общую нагрузку к +5 В. С общей коллек-торной нагрузки снимается сигнал и подается на входы микропроцессора или АЦП.

Для функционирования данной цепи светодиод каждого оптического дат-чика включается в определенный промежуток времени (мультиплексирование по времени), и считывается сигнал с общего вывода (если используется АЦП, то выполняется преобразование сигнала подключенного светодиода).

 

  После каждого считывания включается очередной светодиод. Данный  принцип накладывает следующие ограничения:

  •  Каждый светодиод должен быть включен длительное время перед счи
    тыванием, чтобы фототранзистор перешел в установившийся режим.
  •  После выключения светодиода следующее считывание не должно
    производиться до тех пор, пока фототранзистор не выключится. Но
    следующий светодиод может быть включен, после того как прочитан
    результат. Если не производится считывания два светодиода вполне
    могут работать одновременно.
  •  Из-за собственной утечки число включенных параллельно фототранзи-сторов должно быть ограничено.
  •  если на фототранзисторы падает окружающий свет, то результат счи-тывания будет недостоверным.

Во многих моделях современных микроконтроллеров АЦП присутствует в виде периферийного устройства. Как правило, АЦП реализованные в виде отдельной ИМС обладают более высокими показателями разрешающей способ-ности и быстродействия, но при этом усложняется реализация обмена данными между АЦП и вычислительным устройством (требуется использование про-граммной или аппаратной реализации  последовательного  или  параллельного  интерфейсов  обмена данными).Для измерения температуры с заданной   точностью вполне достаточно интегрированного АЦП. Поэтому наличие АЦП будет являться одним из критериев выбора микроконтроллера управляющего устройства (Рис 5).

  Рис. 5 Несколько оптронов с общим выходом

 

При работе микроконтроллера с датчиками, имеющими механические или электромеханические контакты (кнопки, клавиши, реле, клавиатуры и т.д.), возникает явление, называемое дребезгом контактов.

Оно заключается в том, что при замыкании контактов происходит их от-скок, под действием сил упругости, обратное соединение, повторный отскок и т.д. Это приводит к переходному процессу, при котором сигнал  с контакта может быть прочитан как случайная последовательность нулей и единиц (рис.6).  

 Подавить это нежелательное явление можно аппаратными либо программными способами.

 

     Рис. 6.  К пояснению эффекта дребезга контактов

Аппаратные способы заключаются в использовании схемы одновибратора (рис. 7, а), или фильтра нижних частот (рис.7, б) для сглаживания пульсаций, следующих с периодом меньшим, чем постоянная времени фильтра (RC-цепочки)  

   .

 Рис. 7. Способы аппаратного подавления дребезга контактов

Среди программных способов наибольшее распространение получили два:

1) подсчет заданного числа совпадающих значений сигнала;

2) временная задержка.

Суть  первого  способа  заключается  в  многократном  считывании сигнала с контакта. Подсчет удачных опросов (т.е. опросов, обнаруживших, что кон-такт замкнут) ведется программным счетчиком. Если после серии удачных опросов встречается неудачный, то подсчет начинается сначала. Контакт считается устойчиво замкнутым (дребезг устранен), если последовало N удачных опросов. Число N подбирается экспериментально для каждого типа используемых датчиков и лежит в пределах от 10 до 100.

 

Устранение  дребезга  контактов  путем  введения  временной  задержки заключается в том, что программа, обнаружив замыкание контакта, запреща-ет опрос состояния этого контакта на время, заведомо большее длительности переходного процесса.

 Время задержки подбирается  экспериментально  для  каждого  типа  дат-чиков  в  пределах 1…20 мс  и  реализуется  обычно  с  помощью  одного  из  таймеров\счетчиков.

Для системы терморегулирования остановимся на способе  подавления  дребезга  контактов  с  использованием  RC-цепочки, так как он требует минимальных аппаратных затрат и не усложняет программной реализации процедур обработки нажатия клавиш.

 Электрическая принципиальная схема подключения клавиатуры к микро-контроллеру приведена на рис. 8.

 

Рис. 8 Схема подключения клавиатуры к микроконтроллеру  управляющего       устройства

Выбор микроконтроллера системы регулирования температуры. В качестве микроконтроллера системы регулирования может быть использован один из 8-битных микроконтроллеров, широко применяемых в настоящее время для решения подобного рода задач.

Выбор микроконтроллера для реализации управляющих функций  систе-мы регулирования является вопросом неоднозначным, имеющим несколько вариантов решения.

 Основными характеристиками, которые при этом принимаются во вни-мание, являются:

  •    производительность, MIPS (MIPS  –   Million Instruсtions per

 Second – миллион инструкций в секунду);

  •    количество линий ввода/вывода;
  •    состав периферийных блоков;
  •    тактовая частота, MГц;
  •    энергопотребление, мВт/МГц;
  •    цена.

Пример выполнения схемы терморегулирования на оптронах  (рис.9)

  Рис. 9. Схема подключения оптронов

Для увеличения динамического диапазона сигнала температурных датчи-ков системы терморегулирования в каждом канале измерения использованы масштабирующие усилители (рис.10).

 

 Рис. 10 Схема входного усилителя терморегулятора

Для усиления малых дифференциальных сигналов (сигналы с выхода термо-пар), к которым могут быть примешаны большие синфазные  помехи приме-няются  инструментальные  усилители  

3. Ответить на контрольные вопросы

Что такое дребезг контактов?   

Какие способы применяют для подавления  дребезга контактов?

В каких случаях и для чего применяются масштабируемые усилители ?

Какой тип АЦП лучше применять в схемах терморегулирова-ния?

 

Перечислите критерии выбора для микроконтроллера, реализу-ющего функции управления в системах регулирования?

     


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84624. Анализ оборачиваемости оборотных средств 100.65 KB
  Проблема адаптации зарубежного опыта в области управления запасами к реалиям транзитивной экономики России является актуальной в настоящее время. Однако запасы нельзя исследовать в отрыве от других элементов оборотных средств. Научный подход к управлению оборотными средствами должен...
84626. Создание хозяйства по выращиванию грибов 6.69 MB
  Настоящим бизнес-планом предусматривается открытие хозяйства, занимающегося выращиванием, уборкой и последующим сбытом сельскохозяйственной продукции (грибов). Самоокупаемость (точка безубыточности) и рентабельность.
84627. Статьи конфедерации 1781 года – первая конституция США 261 KB
  Именно в настоящее время чрезвычайно важно изучение процессов формирования конституционного государства, опыта упрочения федеративной формы государственного устройства ведущих зарубежных стран. США как независимое государство возникли в результате освободительной воины 1775—1783 гг.
84628. Методические указания: Гидравлический и пневматический привод 255 KB
  Обязательно изображение схем цилиндров при прямом и обратном ходах с нанесением движущих сил и сил сопротивления движению. Возможно что для обеспечения заданных скоростей движения придётся предусмотреть ограничение потока поступающего в цилиндр расхода цилиндра.
84629. Система менеджмента организации 129.46 KB
  Самой важной составляющей частью работы всего коллектива является обеспечение высокого качества своей продукции. У предприятия сложились долголетние связи с поставщиками основных видов сырья. Все сырье, поступающее на завод, сертифицировано, соответствует требованиям Госстандарта, проходит контроль качества.
84630. Инженерное проектирование многофункционального устройства Еpson Stylus TX119 с функцией голосового управления 564.95 KB
  Цель исследования -– изучение инженерных методик на всех этапах жизненного цикла продукции. В работе отражены все этапы ЖЦП в которых было рассчитано оптимальное значение параметров при которых будет обеспечиваться качество готового продукта и качество сервисного обслуживания после продажи продукции потребителю.
84632. Монтаж электрооборудования и электропроводок в гражданских зданиях 814.57 KB
  Характерной особенностью воздушной линии напряжением до 1000 В является использование опор для одновременного крепления на них проводов радиосети наружного освещения телеуправления сигнализации.