UNIWERSALNY SYMULATOR PLATYNOWYCH CZUJNIKÓW TEMPERATURY

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 0 Politechniki Wrocławskiej Nr 0 Studia i Materiały Nr 00 Jerzy BARTOSZEWSKI *, Daniel DUSZA * Termometr termorezystancyjny, symulator czujnika Pt-0, Pt-00, Pt-00 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 0, 00 i WSTĘP Czujniki wykonane z metali o właściwościach termometrycznych charakteryzują się zmianą rezystancji R t rezystora metalowego pod wpływem zmiany temperatury t. Najpopularniejszymi wśród nich są termorezystory platynowe o ściśle znormalizowanej charakterystyce przetwarzania R t =f(t) i jej dopuszczalnej niedokładności []. Realizację cyfrowo sterowanego symulatora czujnika Pt-0 autorzy opisali w pracach [1,]. Niniejsze opracowanie stanowi rozwinięcie tematu - rozszerza rezystancyjny zakres pracy symulatora umożliwiając tym samym jego zastosowanie dla odtwarzania rezystancji również czujników Pt-00 i 00, wprowadza dodatkową opcję zewnętrznego sterowania nastaw temperatury poprzez port RS. Uniwersalny symulator rodziny czujników Pt zrealizowany jest w klasie tolerancji A [], w zakresie temperaturowym pracy C i rozdzielczości nastaw temperatury 1 C. * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów I Pomiarów Elektrycznych, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego, 0- Wrocław, jerzy.bartoszewski@pwr.wroc.pl, daniel.dusza@pwr.wroc.pl

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 RS Część analogowa Moduł wyświetlacza Układ sterowania Zespół kontaktronów Zespół rezystorów R wy 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 1. 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 oraz wzmacniacz sygnałów kluczy kontaktronowych. Jest to zmodyfikowana i rozbudowana wersja systemu sterowania opisana przez autorów w pracy []. Integralną częścią urządzenia jest program sterujący pracą mikroprocesora.

3 . MODUŁ ANALOGOWY SYMULATORA Zgodnie z normą [] równanie charakterystyki między temperaturą t a rezystancją R t czujnika platynowego dla temperatury pracy C wyraża zależność: ( + At ) Rt = R0t 1 + Bt, (1) w której: R 0t - jest rezystancją czujnika Pt w temperaturze 0 C, A, B - wartości stałych wg normy []. Wartości rezystancji R 0t dla czujników Pt-0, 00 i 00 wynoszą odpowiednio 0 Ω, 00 Ω i 00 Ω. Zatem dla przyjętego temperaturowego przedziału pracy C, zgodnie z zal. (1), konieczny zakres zmian rezystancji wyjściowej R wy symulatora wynosi odpowiednio dla Pt-0: Ω, Pt-00: Ω i Pt-00: Ω. Analogowy moduł symulatora pokazany jest na rys.. V cc R wy R w R p K 0 R 0 K 1 R 1 Układ sterowania K R K R Rys. Moduł analogowy symulatora Fig. Analogue module of the simulator Jest to moduł zrealizowany na bazie przetwornika opisanego w pracy [1]. Drabinka rezystorów składa się ze stałego rezystora R w o wartości rezystancji kω, rezystora R p o wartości 0 Ω załączanego kluczem zewnętrznym tylko w przypadku symulacji rezystancji czujnika Pt-0 oraz identycznego jak w pracy [1] 1. bitowego przetwornika rezystancji zbudowanego z rezystorów R 0...R załączanych kombinacyjnie z układu sterowania kluczami kontaktronowymi K 0...K. Wartości rezystorów przetwornika tworza ciąg geometryczny o ilorazie, od wartości rezystora R 0 =0 Ω do R = R 0 =,1 MΩ.

4 Wypadkową rezystancję wyjściową R wy symulatora opisują zależności: dla Pt-0 dla Pt-00 i Pt-00 R R R, () wp 0 wy = R 0 + R + R wp i= 0 w 0 wy = R 0 w i= a i a i i R R R, () w których: R wp jest wypadkową rezystancją równolegle załączonych rezystorów R w i R p, a 0,1, 0 - rezystor przetwornika rozłączony, 1 - rezystor załączony. i { } Przyjęte w pracy rozwiązanie pozwala w pełni wykorzystać właściwości 1. bitowego przetwornika rezystancji w układzie symulacji czujnika Pt-0. Uzyskany wówczas zakres zmian rezystancji wyjściowej, zgodnie z zal. (), obejmuje przedział Ω przy rozdzielczości nastawy tej rezystancji, mω. W układzie symulacji pracy czujników Pt-00 i Pt-00 wykorzystanych jest 1. bitów przetwornika (bity a 0 i a 1 są wyłączone). Zakres zmian rezystancji wyjściowej, zgodnie z zal. (), wynosi Ω przy rozdzielczości nastawy mω. Zależności () i () stanowią podstawę do budowy tablicy kombinacji załączeń torów drabinki dla oczekiwanych wartości rezystancji wyjściowej R wy symulatora. Pozwalają również na analizę niedokładności odtworzenia przez symulator rezystancji R t czujnika po uwzględnieniu niedokładności rezystorów składowych przetwornika R w, R p, R 0...R oraz jego rozdzielczości. Wynikające z rozdzielczości przetwornika błędy względne symulatora dla najmniej korzystnych przypadków odtwarzania rezystancji 0, 00 i 00 Ω nie przekraczają wartości 0,00 % dla Pt-0, 0,0 % dla Pt-00 i 0,01 % dla Pt-00. i. MODUŁ CYFROWY STEROWANIA SYMULATORA Część cyfrową realizującą w układzie symulatora funkcje sterująco-wykonawcze tworzą mikrokontroler, interfejs standardu RS, zewnętrzna kasowalna pamięć EPROM, zespół przycisków sterujących, wyświetlacz symulowanej temperatury oraz wzmacniacz sygnałów sterujących kluczami wyjściowego analogowego przetwornika rezystancji.

5 .1. MIKROKONTROLER SYMULATORA Do realizacji części sterującej wykorzystano mikrokontroler ACMOS firmy Siemens SAB0C należący do rodziny mikrokontrolerów 01. 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.. US 0nF 1 C1+ C1- V+ 0nF C+ C- T1 T 1 R1 1 1 TxD 1 RxD US 1 IN0 IN1 IN IN IN IN IN IN OUT0 OUT1 OUT OUT OUT OUT OUT OUT R COM V- ULN0 MAXAESE US1C RESET VaRef 1 Va 1 ESC P. 1 ENTER P. PR0 P. 1 PR P. 1 PR1 P. 1 PR PT0 P. 1 PR PT00 P.1 0 PR PT00 P.0 1 P.0 P.1 INT0 P. INT1 P. P. P. WR P. RO P. P1. 0 P1. 1 P1. P1. P1. P1. P1.1 P1.0 VSS XTAL 0 XTAL1 1 P.0 P.1 P. 1MHz 0nF P. P. P. P. P. PE P. P.1 P.0 P.0 P.1 P. P. P. P. P. P. P0. P0. P0. P0. P0. P0. P0.1 P0.0 EA ALE PSEN P. P. P. P. P US,A US,B US,C US,D US,1 US, US, Dioda LED A A1 A1 W1,1 US 1 OE LE D1 Q1 D Q D Q D Q D Q D Q D Q D Q HCT US A1 A 1 A A A A A A A A A A1 A0 1 I/0 1 I/0 1 I/0 1 I/0 I/0 1 I/0 1 I/01 I/ CE OE R/W Code Memory k x Code Memory kx pf SAB 0C US 1 1 IN0 OUT0 1 IN1 OUT1 1 IN OUT IN OUT 1 IN OUT 1 IN OUT 1 IN OUT IN OUT COM ULN0 Rys.. Schemat układu sterowania Fig.. Diagram of the control system Układ US1 jest typowym mikrokontrolerem znajdującym szerokie zastosowanie w technice pomiarowej, automatyce i dydaktyce. Porty P1 oraz P służą do sterowania przekaźnikami kontaktronowymi za pośrednictwem wzmacniaczy US, US dopasowujących sygnał do odpowiedniego poziomu. Możliwość obsługi operacji 1-

6 wujących sygnał do odpowiedniego poziomu. Możliwość obsługi operacji 1-bitowej uzyskano przy pomocy dwóch ośmiobitowych portów P (bity od 0 do ) oraz P1 (bity od do ). Porty P0 i P wykorzystano do obsługi zewnętrznej pamięci EPROM zawierającej łącznie kb pamięci. Port P służy do przesyłania wartości zadanej temperatury do modułu wyświetlacza, natomiast port P odpowiada za pięć przycisków sterujących układem wyboru wartości symulowanej temperatury. Dwa bity portu P odpowiadają za komunikację symulatora z komputerem klasy PC przy pomocy interfejsu szeregowego... MODUŁ WYŚWIETLACZA SYMULOWANEJ TEMPERATURY Układ podglądu aktualnie symulowanej temperatury pokazany jest na rys.. Wyświetlacz LED R=0 x US a b c d e f g A B C D LT BL LE US1, US1, US1, US1, 1 US ULN00 COM R=k OUT OUT OUT OUT OUT OUT OUT1 IN IN IN IN IN IN IN1 1 US1,0 US1,1 US1, US1, Rys.. Moduł wyświetlacza symulowanej temperatury Fig.. Module of the simulated temperature display Moduł wyświetlacza został szczegółowo opisany w pracy []. Z portu P mikrokontrolera US1, sygnał jest podawany w kodzie BCD na dekoder US kodu BCD na kod siedmiosegmentowy i poprzez rezystory ograniczające prąd, sygnał ten jest przesyłany do wyświetlacza. Kolejnymi trzema bitami portu P, przez wzmacniacze US, mikroprocesor steruje kolejnością wyświetlania cyfr. Częstotliwość wyświetlania oraz czas ekspozycji każdej z cyfr, podobnie jak

7 czas ekspozycji każdej z cyfr, podobnie jak przedstawiono w pracy [], są ustawiane programowo... ZESPÓŁ PRZYCISKÓW STERUJĄCYCH Zespół przycisków sterujących umożliwia nastawy wartości symulowanej temperatury. Składa się z ośmiu przycisków dołączonych do portu P mikrokontrolera oraz przycisku dodatkowego zerującego system. Schemat układu przedstawia rys.. PR 1 PR R=1k x US1,1 PR 0 US1,1 PR ENTER US1, PR ESC US1,1 US1,1 PR PT0 US1,1 PR PT00 US1,1 PR PT00 US1,0 Rys. Zespół przycisków sterujących Fig. System of controlling buttons W stanie spoczynku na końcówkach portu P 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,,0 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

8 temperatury. Naciśnięcie przycisku RESET powoduje wyzerowanie systemu i powrót do warunków początkowych. Przyciski PR PT0, PR PT00, PR PT00 odpowiadają za dobór odpowiednich wartości 1 bitowego przetwornika uzyskując odpowiednie wartości do symulowania czujników odpowiednio Pt-0, Pt-00, Pt INTERFEJS STANDARDU RS Pokazany na rys.. układ US MAX umożliwia komunikację z komputerem klasy PC za pomocą standardowych funkcji oraz z wykorzystaniem przerwania 1. Zastosowany port szeregowy może pracować synchronicznie (z sygnałem taktującym) lub asynchronicznie (tryb full duplex). Transmisja danych z symulatora odbywa się z prędkością 0 bodów, przy częstotliwości oscylatora 1MHz, z kontrolą bitu parzystości.. REALIZACJA PROGRAMU MIKROKONTROLERA Językiem programowania procesora w symulatorze jest asembler z rodziny 01 []. 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.. Przy pomocy przycisków PR PT0, PR PT00, PR PT00 następuje ustalenie początku tablicy stanów wyjściowych portów mikroprocesora dla poszczególnych symulowanych czujników termorezystancyjnych, a przy wyborze czujnika Pt-0 dodatkowo zostaje dołączony rezystor R P. 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 P, co objawia się pojawieniem się zera logicznego na jednym z wejść portu P. Następuje programowe sprawdzenie, który przycisk został naciśnięty, po czym zostaje wykonana grupa instrukcji związana z tym przyciskiem. Grupy instrukcji przypisane przyciskom 1,,0 są praktycznie takie same, różnią się jedynie wartościami stałych w nich zawartymi. Głównym ich zadaniem jest obsługa trzech -bitowych rejestrów R0,R1,R mikrokontrolera, w których zawarta jest informacja o wyświetlanej na wyświetlaczu temperaturze. Grypa instrukcji dotycząca przycisku ENTER dotyczy zatwierdzenia zmian wprowadzonych przy pomocy przycisków 1,,0. Zadana temperatura zapisana w kodzie BCD

9 pomocy przycisków 1,,0. Zadana temperatura zapisana w kodzie BCD zostaje przekształcona do postaci binarnej i zapisana w rejestrach R i R procesora. Kolejne instrukcje powodują pobranie z tablic danych informacji o kombinacji równolegle załączanych kontaktronów. Informacja ta trafia do portów P1 i P, po czym zostają załączone odpowiednie rezystory drabinki części analogowej. P1 przycisk 1? Obsługa przycisku 1 START Ustawienie warunków początkowych przycisk? Obsługa przycisku PT0? Załączenie R P Ustalenie początku TAB na PT0 przycisk 0? Obsługa przycisku 0 PT00? PT00? Ustalenie początku TAB na PT00 Ustalenie początku TAB na PT00 P1 przycisk ENTER? przycisk ESC? Obsługa przycisku ENTER STOP Obsługa przycisku ESC Wyświetlanie temperatury jakiś przycisk? Rys.. Algorytm działania programu Fig.. Algorithm of programme functioning

10 . WNIOSKI Badania kontrolne symulatora rodziny czujników platynowych Pt-0, Pt-00, Pt- 00 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 0,0%...0,0%. 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- PWr nr, Seria Studia i Materiały 00, nr, s.-. [] BARTOSZEWSKI J., DUSZA D., Moduł cyfrowy sterowania symulatora czujników termorezystancyjnych, Prace Naukowe I- PWr nr, Seria Studia i Materiały 00, nr, s.- [] KRUK. S., Programowanie w języku Assembler, PNJ, Warszawa, 1. [] PN-EN 01+A, Czujniki platynowe przemysłowych termometrów rezystancyjnych, GUM, Warszawa,1 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-0, 00 I 00.