moduł cyfrowy sterowania symulatora czujników termorezystancyjnych

moduł cyfrowy sterowania symulatora czujników termorezystancyjnych

Nr 58
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 58
Studia i Materiały
Nr 25
2005
symulator czujnika Pt-100,
sterowanie cyfrowe
Jerzy BARTOSZEWSKI*, Daniel DUSZA *
F
F
MODUŁ CYFROWY STEROWANIA SYMULATORA
CZUJNIKÓW TERMOREZYSTANCYJNYCH
Symulatory czujników termorezystancyjnych są układami sztucznie odtwarzającymi rezystancję
rzeczywistą czujników, których wyjściowy sygnał rezystancyjny jest funkcją temperatury. Symulatory są stosowane do kontroli i kalibracji mierników temperatury i ciepła współpracujących najczęściej
z termorezystorami platynowymi. W niniejszej pracy autorzy prezentują cyfrowy moduł sterowania
symulatora z analogowym 16 bitowym przetwornikiem rezystancji, odtwarzającym termometryczną
charakterystykę czujnika Pt-100.
WSTĘP
Symulator czujnika termorezystancyjnego zrealizowany jest dla czujnika Pt-100
o klasie tolerancji A, zakresie temperaturowym pracy 0..500 oC i rozdzielczości nastaw temperatury 1 oC.
Blok analogowy opisany w pracy [1], zbudowany jest w postaci 16 bitowego przetwornika rezystancji z precyzyjnych rezystorów załączanych kombinacyjnie kluczami
kontaktronowymi [4]. Rezystancyjny zakres pracy przetwornika 300 Ω i jego rozdzielczość 4,5 mΩ, umożliwiają odtworzenie 500 punktów charakterystyki termometrycznej czujnika Pt-100, zgodnie z wymaganiami normy [5].
Za sterowanie kluczami równolegle załączającymi tory rezystancyjne przetwornika
odpowiada program wpisany w blok procesorowego sterowania symulatora. Symulowana nastawa temperatury po wybraniu z klawiatury numerycznej jest zapisywana w
buforach pamięci EPROM. Sygnały z wyjść danych pamięci, zamykając odpowiednie
klucze torów rezystancyjnych powodują, że wypadkowa rezystancja torów jest funkcją zadanej temperatury.
__________
*
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów I Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław, ul.
Smoluchowskiego 19, [email protected], [email protected]
2. MODUŁ CYFROWY STEROWANIA SYMULATORA
Schemat blokowy sterowanego symulatora z rozdziałem na część cyfrową sterującą
i analogową wyjściową pokazany jest na rys.3 w pracy [1]. Część cyfrową realizującą
w układzie symulatora funkcje sterująco-wykonawcze tworzą mikrokontroler, zespół
przycisków sterujących, wyświetlacz symulowanej temperatury oraz wzmacniacz
sygnałów sterujących kluczami wyjściowego analogowego przetwornika rezystancji.
2.1. MIKROKONTROLER SYMULATORA
Do realizacji części sterującej wykorzystano mikrokontroler firmy ATMEL
AT89C51 należący do rodziny mikrokontrolerów 8051. Przez swoje porty komunikuje się on z wszystkimi pozostałymi częściami struktury symulatora. Uproszczony
schemat ideowy układu sterowania i wykorzystania portów mikrokontrolera pokazany
jest na rys.1.
US1
US2 A
US2 B
US2 C
US2 D
US3 IN1
US3 IN2
US3 IN3
D
PR RST
PR 1
PR 10
PR 100
PR ENTER
PR ESC
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
11MHz
1
2
19
20
C1
33nF
C2
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
US4 ULN2803
AT89C51
P0.0
P0.1
P0.2
P0.3
P0.4
P0.5
P0.6
P0.7
39
38
37
36
35
34
33
32
1
2
3
4
5
6
7
8
9
RST
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
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
K0
K1
K2
K3
K4
K5
K6
K7
10
US5 ULN2803
P2.0
P2.1
P2.2
P2.3
P2.4
P2.5
P2.6
P2.7
XTal2
PSEN
XTal1
ALE
GND
EA
28
27
26
25
24
23
22
21
1
2
3
4
5
6
7
8
29
9
30
31
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
K8
K9
K10
K11
K12
K13
K14
K15
10
VCC C3
100nF
Rys.1. Schemat układu sterowania
Fig.1. Diagram of the control system
Zastosowany mikroprocesor, układ US1, jest typowym układem z serii mikrokontrolerów ośmiobitowych typu MCS-51 [3]. Cechą charakterystyczną układu AT89C51
jest kasowalna wewnętrznie pamięć typu FLASH o pojemności 4 kB, z możliwością
wielokrotnego programowania. Dzięki wykorzystaniu wewnętrznej pamięci, możliwe
jest wykorzystanie wszystkich portów mikrokontrolera do komunikacji z układami
zewnętrznymi. Porty P0 i P2 służą do sterowania przekaźnikami kontaktronowymi
za pośrednictwem wzmacniaczy US4, US5 dopasowujących sygnał do odpowiedniego
poziomu. Port P1 służy do przesyłania wartości zadanej temperatury do modułu wyświetlacza, natomiast port P3 odpowiada za pięć przycisków sterujących układem
wyboru wartości symulowanej temperatury.
2.2. MODUŁ WYŚWIETLACZA SYMULOWANEJ TEMPERATURY
Układ podglądu aktualnie symulowanej temperatury pokazany jest na rys.2.
Wyświetlacz LED
US2
R=330 x7
13
12
11
10
9
15
14
8
a
b
c
d
e
f
g
GND
4511
VCC
VCC
A
B
C
D
LT
BL
LE
US1 P1.0
US1 P1.1
US1 P1.2
US1 P1.3
3
4
VCC
VCC
5
D1
LED0
16
15
14
13
12
11
10
9
US3
ULN2003
COM GND
OUT7
OUT6
OUT5
OUT4
OUT3
OUT2
OUT1
IN7
IN6
IN5
IN4
IN3
IN2
IN1
9
7
6
5
4
3
2
1
R=2k
US1 P1.7
US1 P1.6
US1 P1.5
US1 P1.4
Rys.2. Moduł wyświetlacza symulowanej temperatury
Fig.2. Module of the simulated temperature display
Głównym elementem układu jest potrójny, siedmiosegmentowy wyświetlacz LED
o sterowaniu multipleksowanym. Z portu P1 mikrokontrolera US1, sygnał jest podawany w kodzie BCD na dekoder US2 kodu BCD na kod siedmiosegmentowy i poprzez rezystory ograniczające prąd, sygnał ten jest przesyłany do wyświetlacza.
Kolejnymi trzema bitami portu P1, przez wzmacniacze US3, mikroprocesor steruje
kolejnością wyświetlania cyfr. Częstotliwość wyświetlania oraz czas ekspozycji każdej z cyfr są ustawiane programowo.
2.3. ZESPÓŁ PRZYCISKÓW STERUJĄCYCH
Zespół przycisków sterujących umożliwia nastawy wartości symulowanej temperatury. Składa się z pięciu przycisków dołączonych do portu P3 mikrokontrolera oraz
przycisku dodatkowego zerującego system. Schemat układu przedstawia rys.3.
VCC
PR 1
R=16k x5
VCC
US1 P3.0
PR 10
US1 P3.1
PR 100
PR RST
10uF
US1 P3.2
US1 RST
PR ENTER
US1 P3.3
PR ESC
R=8,2K
US1 P3.4
Rys. 3 Zespół przycisków sterujących
Fig. 3 System of controlling buttons
W stanie spoczynku na końcówkach portu P3 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 wyzerowanie systemu i powrót
do warunków początkowych.
3. REALIZACJA PROGRAMU MIKROKONTROLERA
Językiem programowania procesora w symulatorze jest asembler z rodziny 8051
[2]. Możliwe jest również programowanie w języku C, bliższym dla większości użytkowników, jest to przydatne w przypadku bardziej zaawansowanych rozwiązań.
Działanie programu opiera się na ciągłym powtarzaniu jednej z dwóch pętli, zgodnie z algorytmem działania programu pokazanym na rys.4.
Rys. 4. Algorytm działania programu
Fig.4. Algorithm of programme functioning
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 wyko-
nywania drugiej pętli . Naciśnięcie danego przycisku jest rozpoznawane przez mikroprocesor na podstawie zmiany bitów portu P3, co objawia się pojawieniem się zera
logicznego na jednym z wejść portu P3. 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 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 P0 i P2, po czym zostają
załączone odpowiednie rezystory drabinki części analogowej.
4. WYNIKI BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH
Zaprojektowany i zrealizowany symulator czujników termorezystancyjnych Pt-100
poddano badaniom kontrolnym dla wybranych nastaw symulowanej temperatury.
Do pomiaru rezystancji wyjściowej symulatora zastosowano mostek procentowy typu
MP-86 firmy INCO, o rozdzielczości względnej pomiaru rezystancji ±0,001%, kalibrowany uwierzytelnionymi wzorcami rezystancji.
Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Wyniki pomiarów kontrolnych symulatora czujnika Pt-100
Table 1. Results of control measurements of Pt-100 sensor simulator
Lp.
1
2
3
4
5
6
7
Lp.
8
t
o
C
0
1
2
5
10
15
20
t
o
C
25
Rwy
Ω
99,958
100,353
100,741
101,926
103,860
105,811
107,762
Rwy
Ω
109,698
RPN
Ω
100,000
100,391
100,781
101,953
103,902
105,849
107,793
RPN
Ω
109,734
δRwy
%
0,042
0,038
0,040
0,026
0,041
0,036
0,029
δRwy
%
0,033
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
50
99
100
110
125
150
200
250
300
400
420
450
499
119,350
138,059
138,446
142,218
147,885
157,233
175,794
193,985
211,949
246,951
253,801
264,004
280,468
117,395
138,121
138,500
142,286
147,944
157,315
175,840
194,074
212,019
247,038
253,902
264,112
280,563
0,038
0,045
0,039
0,048
0,040
0,052
0,026
0,046
0,033
0,035
0,050
0,041
0,034
W tabeli oznaczono:
t– cyfrowa nastawa temperatury symulatora,
Rwy – rezystancja wyjściowa symulatora,
RPN – rezystancja czujnika Pt-100 według Polskiej Normy,
δRwy =
Rwy − RPN
RPN
- względny błąd rezystancji wyjściowej.
5. WNIOSKI
Badania kontrolne symulatora potwierdzają prawidłowość działania części cyfrowej oraz poprawny dobór kombinacyjnie przełączanych rezystorów w bloku analogowym. Błąd odtworzenia w symulatorze rzeczywistej rezystancji czujnika Pt-100 określonej normą [5], nie przekracza wartości 0,05%. Symulator spełnia tym samym
wymagania normy dla czujników o klasie tolerancji A, dla których dopuszczalne odchyłki rezystancji nie powinny przekraczać wartości od 0,06% dla 100 Ω (0 oC) do
0,14% dla 281 Ω (500 oC).
Procesorowy system sterowania zastosowany w układzie umożliwia programową
rozbudowę układu i wykorzystanie go do symulacji temperatur nie tylko czujnika
Pt-100, ale również innych czujników termorezystancyjnych, np. Ni, Cu dla których
zmiany rezystancji nie przekraczają przedziału od 100 Ω do 300 Ω.
Możliwe jest również wykorzystanie symulatora do odtwarzania rezystancji dla całej rodziny czujników platynowych Pt-100, Pt-500 i Pt-1000, wymaga to jednak zaprojektowania innej struktury drabinkowego przetwornika rezystancji.
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] KRUK S., Programowanie w języku Assembler, PNJ, Warszawa, 1992.
[3] RYDZEWSKI A., Mikrokomputery jednoukładowe rodziny MCS-51, WNT,Warszawa,1995
[4] CP CLARE CORPORATION, Katalog 220, Electromagnetic Relays, 1991.
[5] PN-EN 60751+A2, Czujniki platynowe przemysłowych termometrów rezystancyjnych, GUM, Warszawa,1997
DIGITAL MODULE OF CONTROLLING THERMORESISTANT SENSOR SIMULATOR
Simulators of thermoresistance sensors are systems which imitate real resistance of sensors, where
the initial resistance signal is the function of temperature. The simulators are applied for controlling and
calibrating heat and temperature meters most frequently with platinum thermoresistors. In the paper the
authors present digital module of controlling the simulator with analogue 16 bit resistance processor,
imitating thermometric characteristics of the sensor Pt-100.