Wstęp - Dunat, Adam

WstĊp
Po zapoznaniu siĊ z tematem projektu sformuáowano nastĊpujące zaáoĪenia wstĊpne:
- zakres pomiaru ukáadu od 350 do 2000 ppm;
- liniowa zaleĪnoĞü pomiĊdzy stĊĪeniem dwutlenku wĊgla a sygnaáem wyjĞciowym;
- wynik pomiaru przedstawiony na wyĞwietlaczy cyfrowym;
- zasilanie ukáadu napiĊciem 5V.
Po analizie zaáoĪeĔ wstĊpnych powstaá nastĊpujący schemat blokowy ukáadu:
Jako
czujnik
pomiarowy
zastosowano
ukáad
TGS
4161
produkowany przez firmĊ Figaro Company. Dolna granica zakresu
pomiarowego ukáadu deklarowana w temacie projektu musiaáa
zostaü podwyĪszona do 350 ppm, ze wzglĊdu na zakres
przetwarzania czujnika. Element dostarczany jest w obudowie
czterokoĔcówkowej typu TO-4. Dwa wyprowadzane czujnika
sáuĪą do wyprowadzenia napiĊcia pomiarowego, dwa pozostaáe do
doprowadzenia prądu podgrzewającego czujnik. Charakterystyka
wyjĞciowa czujnika jest silnie nieliniowa (charakterystyka
poniĪej), dlatego zastosowano ukáad linearyzacji algorytmicznej za
pomocą mikrokontrolera 8051, po wczeĞniejszym przetworzeniu
sygnaáu na postaü cyfrową. Dodatkowo mikrokontroler steruje
wyĞwietlaczami LED.
Rys.1 Czujnik TGS 4161 Ĺ
Rys.2 Charakterystyka przetwarzania
czujnika ĺ
2
Opis i dziaáanie ukáadu
1.) Wzmacniacz pomiarowy.
Wzmacniacz pomiarowy zbudowano w oparciu o dwa wzmacniacze operacyjne uA741.
Pierwszy z nich obniĪa charakterystykĊ wyjĞciową czujnika o ok. 350mV (napiĊcie
regulowane dzielnikiem R1, R2). NapiĊcie 350mV panuje na wyjĞciu czujnika przy stĊĪeniu
dwutlenku wĊgla równym zero. PoniewaĪ napiĊcie wyjĞciowe wzmacniacza równe jest
350mV – U_, na jego wyjĞciu otrzymuje siĊ przyrost napiĊcia zaleĪny od stĊĪenia gazu.
NapiĊcie to zamyka siĊ w granicach 0V – 50mV. Kolejny wzmacniacz operacyjny pracujący
w konfiguracji nieodwracającej wzmacnia to napiĊcie ok. 100 razy (wzmocnienie ustalane
stosunkiem rezystancji R3, R4).
( 2)
(1)
(3)
Rys3. Schemat ukáadu wzmacniacza pomiarowego.
Obliczenia:
NapiĊcie w punkcie (1):
U I U 1B 5V
Wzmocnienie wzmacniacza U1A:
K U U 1A
R2
R1 R2
5V
1k
14,3k
350[mV ]
R3
V
1Meg
1
1 101[ ]
R4
V
10k
3
410
400
U OC (mV )
390
380
370
360
ppm CO2
350
350
550
750
950
1150
1350
1550
1750
1950
Rys4. NapiĊcie na wyjĞciu czujnika pomiarowego w funkcji zmian stĊĪenia dwutlenku wĊgla (punkt (1) na
schemacie przedwzmacniacza).
60
50
U O U 1B (mV )
40
30
20
10
ppm CO2
0
350
550
750
950
1150
1350
1550
1750
1950
Rys5. NapiĊcie na wyjĞciu ukáadu U1B (punkt (2) na schemacie przedwzmacniacza) w funkcji zmian stĊĪenia
dwutlenku wĊgla.
5
4,5
U O U 1 A (V )
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
300
ppm CO2
500
700
900
1100
1300
1500
1700
1900
2100
Rys6. NapiĊcie na wyjĞciu wzmacniacza pomiarowego (kolor czarny, punkt (3) na schemacie przedwzmacniacza) i
linearyzacja realizowana przez mikrokontroler (kolor niebieski).
4
2.) Ukáad pomiarowy
Sygnaá z wyjĞcia wzmacniacza pomiarowego podawany jest na wejĞcie przetwornika
analogowo cyfrowego PCF8591 a nastĊpnie poprzez magistralĊ szeregową I2C na porty
mikrokontrolera 89C2051. Mikrokontroler na podstawie danych z magistrali wystawia na
wyjĞcie portów P1.0 – P1.7 odpowiednie wartoĞci binarne, które poprzez ukáad 74HC541
(oĞmiokrotny buforowy wzmacniacz sterujący linia) sterują pracą segmentu LED.
WyĞwietlenie wyniku pomiaru realizowane jest w trybie multipleksowania. Odpowiedni
segment LED wybierany jest za pomocą portów P3.3 – P3.7. Pojawienie siĊ jedynki logicznej
na którymĞ z tych portów powoduje odblokowanie odpowiedniego tranzystora (T1…T4) i
przepisanie wartoĞci portu P1 mikrokontrolera na odpowiedni segment LED. Za pomocą
rezystorów R1 oraz R2 moĪna dokáadnie skalibrowaü ukáad.
W pamiĊci mikrokontrolera zawarta jest tablica wartoĞci, na podstawie której
dokonywana jest linearyzacja sygnaáu z wyjĞcia przetwornika A/C (rys. 6, kolor niebieski).
Jednoczenie dokonywane jest przeskalowanie wartoĞci mierzonej na wyĞwietlaną (wartoĞci
0V sygnaáu odpowiada wyĞwietlenie 350ppm, wartoĞci 4,7V odpowiada wyĞwietlenie
2000ppm).
Rys7. Schemat ukáadu pomiarowego i wizualizacji
5
3.) Zasilanie ukáadu
Ukáad zasilany jest napiĊciem staáym 5V. NapiĊcie to jest dodatkowo stabilizowane za
pomocą scalonego stabilizatora napiĊcia LM7805.
Rys8. Schemat zasilania ukáadu.
Kondensatory elektrolityczne filtrują napiĊcie, natomiast C9, C10, C12 i C13 stanowią filtry
przeciwzakáóceniowe.
Literatura:
1. „Czujniki i przetworniki pomiarowe” – Jan Zakrzewski; Wyd. Politechniki ĝląskiej
Gliwice 2004;
2. „Ukáady elektroniki profesjonalnej” – Gunther Klasche, Rudolf Homer; Wyd.
Komunikacji i àącznoĞci;
3. www.figarosensor.com
4. Noty katalogowe ukáadów:
a. uA741;
www.elfa.se
b. 89C2051;
www.atmel.com
c. PFC8591
www.elfa.se
d. 74HC541
www.elfa.se
e. 7805
www.elfa.se
6