Дисциплина: « Микропроцессоры и микропроцессорные системы»
Практическое занятие № 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 практического занятия;
-
Иллюстративный материал: «процесс ввода информации с датчиков»
-
Методические указания по выполнению практического занятия:
-
Последовательность выполнения работы:
-
Изучить и законспектировать основные теоретические положения по теме, используя описание работы;
-
Выполнить практическую часть практического занятия. При этом использовать описание работы, практический блок ПК, иллюстративный материал; В практической части отработать следующие подразделы:
-
Рассмотреть методы изучения процесса ввода информации с датчиков
-
Выполнить примеры изучения процесса ввода информации с датчиков и отразить в отчёте
-
Проанализировать результат изучения процесса ввода информации с датчиков; сделать выводы.
-
Ответить на контрольные вопросы.
-
Сделать выводы.
-
Подготовить отчёт по установленной форме.
-
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 производства 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:
-
железо-константан (тип .J),
-
медь-константан (тип Т)
-
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.