Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 35
Текст из файла (страница 35)
6.4 показана типичная нагревательная система с ОС и МП. Нагревательный элемент воздействует на объект, к которому подключен датчик температуры. МП включает и выключает нагреватель, управляя, таким образом, температурой объекта. чу Термсдезистпр иии другой температурный датчик Рис. 6.4. Нагреватель, управляемый микропроцессором "Самое простое оказывается самым интересным. Самые простые схемы — самые гениальные, подсказывает мне опыт разработчика. (Прим. науч. редб 186 ° глава б.
Соленоиды, реле и другие исполнительные устройства 6.2.1. Обрыв нагревателя Что случится, если нагреватель перегорит? В этом случае вы не сможете нагреть объект. Как проконтролировать перегоранне нагревателя? На Рис. 6.5 показан один из методов определения факта обрыва нагревателя в результате его перегорания. Резистор К1 подключен через управляющий МОП-транзистор к земле. Величина К1 должна быть выбрана много больше, чем сопротивление нагревателя, например в 1О раз. Когда нагреватель выключен, напряжение в точке соединения нагревателя, МОП-транзистора н резистора К1 практически равно +Ч, поскольку сопротивление нагревателя много меньше сопротивления К1.
На выходе компаратора — НИЗКИЙ логический уровень. Если нагреватель перегорает, сопротивяение его становится бесконечно большим, и на выходе компаратора появляется ВЫСОКИЙ логический уровень. Нагреватель К точке соединения транзистораш1 с нагревателем делитель напряжвни снижает напряжени на аноде компаратор ьт1 МОП-транзистор с канавки л-типа Рис. б.5. Определение факта обрыва нагревателя Если уровень входных сигналов выше диапазона работы компаратора, можно подать на компаратор повышенное напряжение питания, например.
Можно также изменить величину резистора К1 делителя напряжения в сторону увеличения, чтобы поднять напряжение на измеряемом входе компаратора. Естественно, такая схема позволяет проконтролировать условие обрыва только у выключенного нагревателя. Поэтому ПО должно проводить данный тест до подачи нагрева на объект. В любом случае, если оказывается, что нагреватель включен постоянно (на 100%), программа должна выключить нагреватель с сообшением о тесте проверки исправности нагревателя.
6.2. Нагревательные элемеааты ° 187 6.2.2. Обрыв датчика Что случится, если в нагревательной системе сломается датчик? Большинством температурных датчиков (термисторы, полупроводниковые температурные датчики, термопары) это событие воспринимается как очень низкая температура. Такое событие может привести скорее всего к пожару„поскольку миропроцессор установит в данном случае 100%-ный нагрев.
Существуют определенные методы контроля такой неисправности. В программное обеспечение можно ввести измерение времени нагрева и выдавать сообщение об ошибке при слишком длительном разогреве. Такой подход гарантирует успех только в том случае, если за выбранное время не произойдет разрушения от перегрева. Если диапазон рабочих температур ограничен, вы сможете зарегистрировать слишком низкую температуру как обрыв датчика. Сигнал обрыва тврморвзисторв, к входу 2 АЦП Вмходнов напряжение Чо, к входу 1 АЦП Тврморвзистор Язл Рис.
6.6. Регистрация факта обрыва термисторв На Рис. 6.6 показана используемая мною электрическая схема. Зто схема масштабирования, уже рассмотренная ранее, для преобразования напряжения термистора в диапазон 0...5 В, требуемый для АЦП микроконтроллера. Зги уровни соответствуют диапазону рабочих температур 30...50'С. Я не мог просто декларировать температуру 25'С как ошибку.
Хотя она выходит за пределы диапазона измерений, но вполне допустима до тех пор, пока система не нагреется. Я добавил дополнительный ОУ, включенный по схеме буферного каскада (без усиления и масштабирования), подключаемого к входу термистора. Выходной сигнал термистора подавался на второй канал АЦП. При обрыве термистора напряжение Ч1 станет равным опорному напряжению Чдер, то есть 2.5 В. В данной систе- 188 ° Глава б. Соленоиды, реле и другие исполнительные устройства ме напряжение ниже 2.5 В соответствует температуре ниже 0'С, находящейся вне рабочего диапазона прибора.
Таким образом, МП использует усиленный и масштабируемый сигнал для измерения температуры и напряжение выше 2 В для регистрации обрыва датчика. При отсутствии второго канала АЦП можно использовать компаратор. В этом случае один из входов компаратора подсоединяется к термистору, а другой — к опорному напряжению ь2 В. Выход компаратора подключается к цифровому входу микропроцессора. 6.2.3. Нагреватель на основе термометра сопротивления Нагреватель на основе термометра сопротивления или ТС-нагреватель (Кеяагапсе Тешрегагпге Регесгог, КТ1)) — специальный тип нагревательного элемента, выполненный из температурно-зависимого материала, например сплава железо-никель.
Такой нагревательный элемент может одновременно работать и как терморезистор. Такие нагреватели, как правило, выполняются в микроминиатюрном исполнении и часто наносятся в виде пленки на гибкую подложку. Поскольку не требуется дополнительный терморезистор, общие затраты на систему с такими элементами снижаются. На Рис. б.7а показан один из методов контроля ТС-нагревателя. МОП- транзистор, управляемый микропроцессором, включает и выключает нагреватель. Сопротивление нагревательного элемента зависит в свою очередь от температуры.
Когда нагреватель включен, ток через него равен где Яь — сопротивление нагревателя, Я, — измеряемое сопротивление. Сопротивление нагревателя может быть определено измерением падения напряжения на К, с помощью дифференциального усилителя. Примечательно то, что цепь измерения температуры уже встроена в нагреватель.
На Рис. 8.7б показано измерение температуры ТС-нагревателя при выключенном нагревателе. МОП-ключи с каналом р-типа подключают напряжение питания Чь к нагревателю. Когда нагреватель выключен, диод Р1 подает на нагреватель низкое хорошо отрегулированное напряжение. Для нагревателя с номинальным рабочим напряжением 24 В измерительное напряжение составит 2.5 В. Измерительное напряжение должно быть значительно меньше рабочего лля предотвращения нагрева. Альтернативный метод — использовать МОП-транзисторы с каналом п-тнпа, подключить параллельно МОП-транзистору резистор с высоким сопротивлением.
Дня определения сопротивления (температуры) нагрева- 6.2. Нагревательные элементы ° 189 КАЦП Резистор— датчик тока Вход» вЂ” — ~ ~тт МОП-транзистор с каналом л-типа л1 Вход К АЦП 61 Рис. 6.7. ТС-нагреватель 190 ° Глава б. Соленоиды, реле и другие исполнительные устройства теля измеряется падение напряжения на этом резисторе. Недостаток данного метода в том, что сопротивление резистора должно быть гораздо больше, чем сопротивление ТС-нагревателя, в результате придется регистрировать незначительные изменения напряжения при весомых изменениях температуры. Наконец, некоторые МОП-транзисторы снабжены четвертым выводом, отводящим часть тока, протекающего по транзистору.
При соединении этого вывода с землей через резистор, по падению напряжения на нем можно определить величину тока через нагреватель. Это может служить для измерения температуры включенного нагревателя. Фирма Гнгегнаг!она! Кесгг)1ег производит целую серию таких МОП-транзисторов, называемых ЯЕс!ЧЕГЕТ. ТС-нагреватели обладают и недостатками. Первый из недостатков— это разброс параметров нагревателей. В отличие от температурных датчиков — термисторов — ТС-нагреватели обычно наносятся на гибкую ленту.
Обычно, разброс параметров составляет величину порядка !0% Хотя некоторые изготовители предлагают за отдельную плату элементы с разбросом в 5% Другой недостаток ТС-нагревателей — зависимость измерения температуры нагрева от напряжения питания. Нестабильность напряжения питания (+24 В) в 5% приводит к погрешностям в измерениях также на уровне 5%. Данную проблему можно обойти, применив дополнительный канал АПП для измерения питающего напряжения с последующей коррекцией измеряемого значения. Эти измерения можно выполнить с помощью дополнительного делителя.
В зависимости от того, какая применена измерительная цепь, измерения температуры можно производить, только если нагреватель включен, либо, только если выключен, но не в обоих случаях одновременно. Если производится измерение температуры при включенном ТС-нагревателе, нагреватель следует включать ежеминутно, поскольку невозможно использовать 0%-ный рабочий цикл. При измерениях на выключенном ТС- нагревателе, следует выключать нагреватель периодически для избежания другого крайнего значения — 100%-ного рабочего цикла.
В любом случае на программу возлагается ответственность за своевременное включение и выключение нагревателя. Наконец, при использовании ТС-нагревателя, измеряется температура нагревателя, а не объекта. Такие измерения предполагают хороший тепловой контакт нагревателя и объекта. В случае плохого контакта или его отсутствия, система не сможет отследить действительных условий нагрева. б.3. Охладигпели ° 191 6.3. Охладители 6.3.1.
Охладитель Пельтье Полупроводниковый гпермоэлектрический охладитель <Пелыяье) состоит из набора р-п-переходов, обычно на основе теллурида висмута. Эти полупроводниковые структуры могут передавать тепло с одной стороны кристалла к другой. Управление охладителем Пельтье во многом схоже с управлением нагревателем при использовании в качестве измерителя температуры термистора. Также для управления охладителем может быть использована ШИМ, однако во избежание температурного перегрева полупроводниковых структур обычно оговаривается минимальная частота ШИМ, например 2 кГц.
Посмотрим, что произойдет с охладителем Пельтье, если сломается терморезистор. В отличие от нагревателя, это устройство не переохладится, но никогда не включится. Это может нанести вред вашим образцам. Если ваше приложение рассчитано на температуру немного выше нижнего предела терморезистора, можно использовать такие же методы измерения, как и в случае с нагревателем — поиск температуры вне установленного диапазона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
