UNIWERSALNY SYMULATOR PLATYNOWYCH CZUJNIKÓW

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Nr 60
Politechniki Wrocławskiej
Nr 60
Studia i Materiały
Nr 27
2007
Termometr termorezystancyjny,
symulator czujnika Pt-100, Pt-500, Pt-1000
Jerzy BARTOSZEWSKI*, Daniel DUSZA*
UNIWERSALNY SYMULATOR PLATYNOWYCH
CZUJNIKÓW TEMPERATURY
Symulatory czujników termorezystancyjnych są układami sztucznie odtwarzającymi rezystancję
rzeczywistych czujników, których wyjściowy sygnał rezystancyjny jest funkcją temperatury. W
niniejszej pracy autorzy prezentują sterowany cyfrowo układ symulujący rezystancję dla rodziny
termorezystorów platynowych Pt 100, 500 i 1000.
1. WSTĘP
Czujniki wykonane z metali o właściwościach termometrycznych charakteryzują
się zmianą rezystancji Rt rezystora metalowego pod wpływem zmiany temperatury t.
Najpopularniejszymi wśród nich są termorezystory platynowe o ściśle
znormalizowanej charakterystyce przetwarzania Rt=f(t) i jej dopuszczalnej
niedokładności [4].
Realizację cyfrowo sterowanego symulatora czujnika Pt-100 autorzy opisali w
pracach [1,2]. Niniejsze opracowanie stanowi rozwinięcie tematu - rozszerza
rezystancyjny zakres pracy symulatora umożliwiając tym samym jego zastosowanie
dla odtwarzania rezystancji również czujników Pt-500 i 1000, wprowadza dodatkową
opcję zewnętrznego sterowania nastaw temperatury poprzez port RS 232.
Uniwersalny symulator rodziny czujników Pt zrealizowany jest w klasie tolerancji
A [4], w zakresie temperaturowym pracy 0...500 °C i rozdzielczości nastaw
temperatury 1 °C.
__________
*
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów I Pomiarów Elektrycznych, ul. Wybrzeże
Wyspiańskiego 27, 50-372 Wrocław, [email protected], [email protected]
2. SYMULATOR CZUJNIKÓW PLATYNOWYCH
Ogólny schemat blokowy sterowanego symulatora termorezystancyjnych
czujników platynowych pokazany jest na rys. 1. Układ składa się z dwóch
zasadniczych części: wyjściowej analogowe i sterującej cyfrowej.
Część cyfrowa
Interfejs RS232
Część analogowa
Moduł wyświetlacza
Układ
sterowania
Zespół
kontaktronów
Zespół
rezystorów
Rwy
Zespół przycisków
sterujących
Zasilanie układu
Rys. 1 Schemat blokowy sterowanego symulatora czujników platynowych
Fig.1. Block scheme of the platinum sensor controlled simulator
Część analogowa, zrealizowana w postaci 16. bitowego przetwornika rezystancji
składa się z wysokostabilnych rezystorów precyzyjnych i sterujących ich załączaniem
przekaźników kontaktronowych. Do jej konstrukcji wykorzystano zmodyfikowaną
wersję przetwornika opisanego w pracy [1].
Część cyfrową realizującą w układzie symulatora funkcje sterująco-wykonawcze
tworzą mikroprocesorowy układ sterowania, moduł wyświetlacza symulowanej
temperatury, zespół przycisków sterujących, interfejs standardu RS 232 oraz wzmacniacz sygnałów kluczy kontaktronowych. Jest to zmodyfikowana i rozbudowana wersja systemu sterowania opisana przez autorów w pracy [2].
Integralną częścią urządzenia jest program sterujący pracą mikroprocesora.
3. MODUŁ ANALOGOWY SYMULATORA
Zgodnie z normą [4] równanie charakterystyki między temperaturą t a rezystancją
Rt czujnika platynowego dla temperatury pracy 0...850 °C wyraża zależność:
(
)
Rt = R0t 1 + At + Bt 2 ,
(1)
w której: R0t - jest rezystancją czujnika Pt w temperaturze 0 °C,
A, B - wartości stałych wg normy [4].
Wartości rezystancji R0t dla czujników Pt-100, 500 i 1000 wynoszą odpowiednio
100 Ω, 500 Ω i 1000 Ω. Zatem dla przyjętego temperaturowego przedziału pracy
0...500 °C, zgodnie z zal. (1), konieczny zakres zmian rezystancji wyjściowej Rwy
symulatora wynosi odpowiednio dla Pt-100: 100...281 Ω, Pt-500: 500...1405 Ω
i Pt-1000: 1000...2810 Ω.
Analogowy moduł symulatora pokazany jest na rys. 2.
Rwy
Vcc
Rw
Rp
K0
K1
R1
K2
Układ
sterowania
R0
K15
R2
R15
Rys. 2 Moduł analogowy symulatora
Fig 2. Analogue module of the simulator
Jest to moduł zrealizowany na bazie przetwornika opisanego w pracy [1].
Drabinka rezystorów składa się ze stałego rezystora Rw o wartości rezystancji
3 kΩ, rezystora Rp o wartości 350 Ω załączanego kluczem zewnętrznym tylko w
przypadku symulacji rezystancji czujnika Pt-100 oraz identycznego jak w pracy [1]
16. bitowego przetwornika rezystancji zbudowanego z rezystorów R0...R15
załączanych kombinacyjnie z układu sterowania kluczami kontaktronowymi K0...K15.
Wartości rezystorów przetwornika tworza ciąg geometryczny o ilorazie 2, od
wartości rezystora R0=250 Ω do R15=215R0=8,192 MΩ.
Wypadkową rezystancję wyjściową Rwy symulatora opisują zależności:
dla Pt-100
Rwy =
Rwp R0
15
R0 + Rwp
∑a 2
,
(2)
,
(3)
−i
i
i =0
dla Pt-500 i Pt-1000
Rwy =
R w R0
15
R0 + R w
∑a 2
−i
i
i=2
w których: Rwp jest wypadkową rezystancją równolegle załączonych rezystorów
Rw i Rp,
a i ∈ {0,1} , 0 - rezystor przetwornika rozłączony, 1 - rezystor załączony.
Przyjęte w pracy rozwiązanie pozwala w pełni wykorzystać właściwości 16.
bitowego przetwornika rezystancji w układzie symulacji czujnika Pt-100. Uzyskany
wówczas zakres zmian rezystancji wyjściowej, zgodnie z zal. (2), obejmuje przedział
90...313 Ω przy rozdzielczości nastawy tej rezystancji 3,4 mΩ.
W układzie symulacji pracy czujników Pt-500 i Pt-1000 wykorzystanych jest 14.
bitów przetwornika (bity a0 i a1 są wyłączone). Zakres zmian rezystancji wyjściowej,
zgodnie z zal. (3), wynosi 428... 3000 Ω przy rozdzielczości nastawy 157 mΩ.
Zależności (2) i (3) stanowią podstawę do budowy tablicy kombinacji załączeń
torów drabinki dla oczekiwanych wartości rezystancji wyjściowej Rwy symulatora.
Pozwalają również na analizę niedokładności odtworzenia przez symulator rezystancji Rt czujnika po uwzględnieniu niedokładności rezystorów składowych przetwornika Rw, Rp, R0...R15 oraz jego rozdzielczości.
Wynikające z rozdzielczości przetwornika błędy względne symulatora dla
najmniej korzystnych przypadków odtwarzania rezystancji 100, 500 i 1000 Ω nie
przekraczają wartości 0,004 % dla Pt-100, 0,032 % dla Pt-500 i 0,016 % dla Pt-1000.
4. MODUŁ CYFROWY STEROWANIA SYMULATORA
Część cyfrową realizującą w układzie symulatora funkcje sterująco-wykonawcze
tworzą mikrokontroler, interfejs standardu RS232, zewnętrzna kasowalna pamięć
EPROM, zespół przycisków sterujących, wyświetlacz symulowanej temperatury oraz
wzmacniacz sygnałów sterujących kluczami wyjściowego analogowego przetwornika
rezystancji.
4.1. MIKROKONTROLER SYMULATORA
Do realizacji części sterującej wykorzystano mikrokontroler ACMOS firmy
Siemens SAB80C535 należący do rodziny mikrokontrolerów 8051. Dzięki dużej
liczbie portów (sześć) może komunikować się on z wszystkimi pozostałymi częściami
struktury symulatora. Uproszczony schemat ideowy układu sterowania i
wykorzystania portów mikrokontrolera pokazany jest na rys.3.
US4
100nF 1
3
100nF 4
5
11
VCC
V+
R1
9
R2
GND
V-
2
US5
Vcc
13 RxD
1
2
3
4
5
6
7
8
8
9
7
T2
12
16
2
14 TxD
T1
10
15
6
C1+
C1C2+
C2-
6
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
OUT0
OUT1
OUT2
OUT3
OUT4
OUT5
OUT6
OUT7
GND
COM
6
18
17
16
15
14
13
12
11
6
2
2
6
6
2
2
6
10
6
2
2
ULN2803
6
2
6
2
100nF
MAX232AESE
US1C
INT0
INT1
WR
RO
Vcc
GND
12MHz
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
RESET
VaRef
VaGND
P6.7
P6.6
P6.5
P6.4
P6.3
P6.2
P6.1
P6.0
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
VCC
VSS
XTAL2
XTAL1
P2.0
P2.1
P2.2
P4.7
P4.6
P4.5
P4.4
P4.3
PE
P4.2
P4.1
P4.0
VCC
P5.0
P5.1
P5.2
P5.3
P5.4
P5.5
P5.6
P5.7
P0.7
P0.6
P0.5
P0.4
P0.3
P0.2
P0.1
P0.0
EA
ALE
PSEN
P2.7
P2.6
P2.5
P2.4
P2.3
9
8
7
6
5
4
3
2
1
68
67
66
65
64
63
62
61
60
59
58
57
56
55
54
53
52
51
50
49
48
47
46
45
44
W1,1
Vcc
US2
1
11
2
3
4
5
6
7
8
9
Vcc
US7,A
US7,B
US7,C
US7,D
US8,1
US8,2
US8,3
Dioda LED
10
OE
LE
VCC
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
20
28
2
23
21
24
25
3
4
5
6
7
8
9
10
19
18
17
16
15
13
12
11
14
20
22
27
19
18
17
16
15
14
13
12
GND
74HCT573
GND
A15
A14
A13
US3
Vcc
A12
A11
A10
A9
A8
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
I/07
I/06
I/05
I/04
I/03
I/02
I/01
I/00
GND
CE
OE
R/W
Code Memory 8k x8
Vcc
GND
ESC
ENTER
PR100
PR10
PR1
PR PT100
PR PT500
PR PT1000
Code Memory 8kx8
SAB 80C535
22pF
US6
1
2
3
4
5
6
7
8
9
6
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
OUT0
OUT1
OUT2
OUT3
OUT4
OUT5
OUT6
OUT7
GND
COM
18
17
16
15
14
13
12
11
6
6
6
2
2
6
10
2
2
6
6
Vcc
2
2
2
ULN2803
6
2
Rys.3. Schemat układu sterowania
Fig.3. Diagram of the control system
Układ US1 jest typowym mikrokontrolerem znajdującym szerokie zastosowanie w
technice pomiarowej, automatyce i dydaktyce. Porty P1 oraz P4 służą do sterowania
przekaźnikami kontaktronowymi za pośrednictwem wzmacniaczy US5, US6
dopasowujących sygnał do odpowiedniego poziomu. Możliwość obsługi operacji 16-
wujących sygnał do odpowiedniego poziomu. Możliwość obsługi operacji 16-bitowej
uzyskano przy pomocy dwóch ośmiobitowych portów P4 (bity od 0 do 7) oraz P1
(bity od 8 do 15). Porty P0 i P2 wykorzystano do obsługi zewnętrznej pamięci
EPROM zawierającej łącznie 64kB pamięci. Port P5 służy do przesyłania wartości
zadanej temperatury do modułu wyświetlacza, natomiast port P6 odpowiada za pięć
przycisków sterujących układem wyboru wartości symulowanej temperatury. Dwa
bity portu P3 odpowiadają za komunikację symulatora z komputerem klasy PC przy
pomocy interfejsu szeregowego.
4.2. MODUŁ WYŚWIETLACZA SYMULOWANEJ TEMPERATURY
Układ podglądu aktualnie symulowanej temperatury pokazany jest na rys.4.
R=330 x7
Wyświetlacz LED
US7
13
12
11
10
9
15
14
GND
VCC
VCC
A
B
C
D
LT
BL
LE
US1,67
US1,66
US1,65
US1,64
3
4
VCC
5
VCC
8
a
b
c
d
e
f
g
4511
16
R=2k
15
14
13
12
11
10
9
US8
ULN2003
GND
COM
OUT7
OUT6
OUT5
OUT4
OUT3
OUT2
OUT1
IN7
IN6
IN5
IN4
IN3
IN2
IN1
8
7
6
5
4
3
2
1
US1,60
US1,61
US1,62
US1,63
Rys.4. Moduł wyświetlacza symulowanej temperatury
Fig.4. Module of the simulated temperature display
Moduł wyświetlacza został szczegółowo opisany w pracy [2]. Z portu P5
mikrokontrolera US1, sygnał jest podawany w kodzie BCD na dekoder US7 kodu
BCD na kod siedmiosegmentowy i poprzez rezystory ograniczające prąd, sygnał ten
jest przesyłany do wyświetlacza. Kolejnymi trzema bitami portu P5, przez
wzmacniacze US8, mikroprocesor steruje kolejnością wyświetlania cyfr.
Częstotliwość wyświetlania oraz czas ekspozycji każdej z cyfr, podobnie jak
czas ekspozycji każdej z cyfr, podobnie jak przedstawiono w pracy [2], są ustawiane
programowo.
4.3. ZESPÓŁ PRZYCISKÓW STERUJĄCYCH
Zespół przycisków sterujących umożliwia nastawy wartości symulowanej
temperatury. Składa się z ośmiu przycisków dołączonych do portu P6 mikrokontrolera
oraz przycisku dodatkowego zerującego system. Schemat układu przedstawia rys.5.
VCC
PR 1
R=16k x8
US1,17
PR 10
US1,16
PR 100
US1,15
PR ENTER
US1,14
PR ESC
US1,13
PR PT100
US1,18
PR PT500
US1,19
PR PT1000
US1,20
Rys. 5 Zespół przycisków sterujących
Fig. 5 System of controlling buttons
W stanie spoczynku na końcówkach portu P6 mikroprocesora występuje stan
wysoki. Po zwarciu przycisku do masy na końcówkach portu pojawia się stan niski –
mikroprocesor dostaje informację o naciśnięciu przycisku.
Każdy z przycisków pełni określoną rolę w układzie. Przyciski 1,10,100 służą
do ustawienia interesującej użytkownika wartości temperatury. Przycisk ENTER
powoduje zatwierdzenie wartości zadanej temperatury co powoduje zmianę
rezystancji wyjściowej symulatora, na rezystancję odpowiadającą temperaturze
wyświetlanej na wyświetlaczu. Przycisk ESC powoduje wyświetlenie aktualnie
nastawionej wartości temperatury. Naciśnięcie przycisku RESET powoduje
temperatury. Naciśnięcie przycisku RESET powoduje wyzerowanie systemu i powrót
do warunków początkowych. Przyciski PR PT100, PR PT500, PR PT1000
odpowiadają za dobór odpowiednich wartości 16 bitowego przetwornika uzyskując
odpowiednie wartości do symulowania czujników odpowiednio Pt-100, Pt-500, Pt1000.
4.4. INTERFEJS STANDARDU RS232
Pokazany na rys. 3. układ US4 MAX232 umożliwia komunikację z komputerem
klasy PC za pomocą standardowych funkcji oraz z wykorzystaniem przerwania 14.
Zastosowany port szeregowy może pracować synchronicznie (z sygnałem taktującym)
lub asynchronicznie (tryb full duplex). Transmisja danych z symulatora odbywa się z
prędkością 1200 bodów, przy częstotliwości oscylatora 12MHz, z kontrolą bitu
parzystości.
5. REALIZACJA PROGRAMU MIKROKONTROLERA
Językiem programowania procesora w symulatorze jest asembler z rodziny 8051
[3]. Możliwe jest również programowanie w języku C, bliższym dla większości
użytkowników, jest to przydatne w przypadku bardziej zaawansowanych rozwiązań.
Działanie programu opiera się na ustaleniu początku tablicy stanów wyjściowych
portów mikroprocesora oraz na ciągłym powtarzaniu jednej z dwóch pętli, zgodnie z
algorytmem działania programu pokazanym na rys.6.
Przy pomocy przycisków PR PT100, PR PT500, PR PT1000 następuje ustalenie
początku tablicy stanów wyjściowych portów mikroprocesora dla poszczególnych
symulowanych czujników termorezystancyjnych, a przy wyborze czujnika Pt-100
dodatkowo zostaje dołączony rezystor RP.
W sytuacji, gdy nie został naciśnięty żaden przycisk sterujący, program wykonuje
tylko operację odświeżania wskazania wyświetlanej temperatury. Jest to stan
spoczynkowy układu. Po wciśnięciu dowolnego przycisku program przechodzi do
wykonywania drugiej pętli . Naciśnięcie danego przycisku jest rozpoznawane przez
mikroprocesor na podstawie zmiany bitów portu P6, co objawia się pojawieniem się
zera logicznego na jednym z wejść portu P6. Następuje programowe sprawdzenie,
który przycisk został naciśnięty, po czym zostaje wykonana grupa instrukcji związana
z tym przyciskiem. Grupy instrukcji przypisane przyciskom 1,10,100 są praktycznie
takie same, różnią się jedynie wartościami stałych w nich zawartymi. Głównym ich
zadaniem jest obsługa trzech 8-bitowych rejestrów R0,R1,R2 mikrokontrolera, w
których zawarta jest informacja o wyświetlanej na wyświetlaczu temperaturze. Grypa
instrukcji dotycząca przycisku ENTER dotyczy zatwierdzenia zmian wprowadzonych
przy pomocy przycisków 1,10,100. Zadana temperatura zapisana w kodzie BCD
pomocy przycisków 1,10,100. Zadana temperatura zapisana w kodzie BCD zostaje
przekształcona do postaci binarnej i zapisana w rejestrach R4 i R5 procesora. Kolejne
instrukcje powodują pobranie z tablic danych informacji o kombinacji równolegle
załączanych kontaktronów. Informacja ta trafia do portów P1 i P4, po czym zostają
załączone odpowiednie rezystory drabinki części analogowej.
P1
NIE
Czy naciśnięty
przycisk 1?
TAK
Obsługa
przycisku 1
START
NIE
Ustawienie
warunków
początkowych
NIE
Czy naciśnięty
PT100?
Czy naciśnięty
przycisk 10?
TAK
Obsługa
przycisku 10
TAK
Załączenie RP
Ustalenie
początku TAB
na PT100
NIE
Czy naciśnięty
przycisk 100?
TAK
Obsługa
przycisku 100
NIE
Czy naciśnięty
PT500?
TAK
Ustalenie
początku TAB
na PT500
P1
NIE
Czy naciśnięty
przycisk ENTER?
TAK
Obsługa
przycisku
ENTER
NIE
Czy naciśnięty
PT1000?
TAK
Ustalenie
początku TAB
na PT1000
NIE
Czy naciśnięty
przycisk ESC?
TAK
Obsługa
przycisku ESC
STOP
Wyświetlanie
temperatury
NIE
Czy naciśnięty
jakiś przycisk?
Rys. 6. Algorytm działania programu
Fig.6. Algorithm of programme functioning
TAK
6. WNIOSKI
Badania kontrolne symulatora rodziny czujników platynowych Pt-100, Pt-500, Pt1000 potwierdziły prawidłowość działania sterowania cyfrowego oraz poprawny
dobór kombinacyjnie przełączanych rezystorów w bloku analogowym.
Niepewność odtworzenia rzeczywistej rezystancji czujników, w zależności od
nastawy symulowanej temperatury i typu czujnika, nie przekracza wartości z
przedziału 0,04%...0,08%. Tym samym symulator spełnia wymagania normy dla obu
klas tolerancji A i B czujników.
Uniwersalność opracowanego systemu pozwala w prosty sposób dopasować
symulator również do innego temperaturowego przedziału pracy, niż zaproponowany
przez autorów.
LITERATURA
[1] BARTOSZEWSKI J., Sterowany symulator czujników termorezystancyjnych, Prace Naukowe I-29
PWr nr 54, Seria Studia i Materiały 2003, nr 23, s.329-334.
[2] BARTOSZEWSKI J., DUSZA D., Moduł cyfrowy sterowania symulatora czujników
termorezystancyjnych, Prace Naukowe I-29 PWr nr 58, Seria Studia i Materiały 2005, nr 25, s.449[3] KRUK
456. S., Programowanie w języku Assembler, PNJ, Warszawa, 1992.
[4] PN-EN 60751+A2, Czujniki platynowe przemysłowych termometrów rezystancyjnych, GUM,
Warszawa,1997
UNIVERSAL SIMULATOR OF PLATINUM TEMPERATURE SENSORS
The simulators of thermoresistance sensors are artificially reproducing of the real sensors resistance
arrangements, which the resistance output signal is the function of temperature. In the paper the authors
present the steered digitally system which simulating resistance for the platinum thermoresistors family
Pt-100, 500 I 1000.