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:

1. Изучить и законспектировать основные теоретические положения по теме, используя описание работы;

2. 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.

3. Ответить на контрольные вопросы.

4. Сделать выводы.

5. Подготовить отчёт по установленной форме.

6. 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:

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.