Интерфейс МК с аналоговыми датчиками

Датчик — это устройство, которое преобразует некоторую физическую величину в электрический сигнал. Существуют датчики температуры, давления, ускорения, напряженности электрического поля, механического момента, и т.д. В главе 2 мы рассмотрели пример метеостанции, в которой выходы датчиков, поставляющих информацию о погоде, были подключены к МК семейства 68HC12. В том примере мы по умолчанию предположили, что датчики допускают непосредственное подключение ко входам МК. Однако на практике это условие почти всегда не выполняется. Поэтому необходимо разрабатывать дополнительную схему сопряжения, которая, в общем случае, состоит из усилителя со смещением уровня и фильтра. Подробное изучение способов преобразования аналоговых сигналов выходит за рамки данного раздела. Читатель может познакомиться с ними по книгам, приведенным в параграфе дополнительной литературы для данной главы. Мы остановимся только на общем рассмотрении масштабирования сигнала с выхода датчика.

На рис. 5.24 приведена обобщенная функциональная схема интерфейса для подключения аналогового датчика ко входу встроенного АЦП микроконтроллера. Датчик преобразует некоторую величину X в напряжение на выходе электронного преобразователя датчика. В последующих рассуждениях мы предположим, что электронный преобразователь имеет линейную передаточную характеристику. Если на входе присутствует некоторая физическая величина X₁, то на выходе электронного преобразователя формируется напряжение V_1min. При этом величина X₁ соответствует минимальному значению, которое может преобразовать рассматриваемый датчик. Если на входе датчика присутствует величина X₂, то на выходе электронного преобразователя формируется напряжение V_2min. И X₂ соответствует максимальному значению датчика. Все промежуточные значения величины X могут быть восстановлены по величине напряжения на выходе преобразователя V_1min < V < V_2min.

Рис. 5.24. Обобщенная функциональная схема интерфейса для подключения аналогового датчика ко входу встроенного АЦП МК

Для того чтобы значение напряжения на выходе датчика могло быть использовано в управляющей программе, его необходимо преобразовать в цифровой код при помощи модуля АЦП. Преобразование будет выполнено с максимально возможным разрешением, если V_1min будет равно 0 В, а V_2min — 5, 0 В. Поэтому между выходом датчика и входом АЦП следует установить дополнительный электронные усилитель со смещением уровня (рис. 5.24). Обозначим коэффициент усиления этого усилителя K, напряжение смещения — B. Для определения численных значений K и B составим два уравнения:

V_2max = V_2min & #215; K + B

V_1max = V_1min & #215; K + B,

где V_2max и V_1max напряжения верхнего и нижнего уровня шкалы на выходе усилителя со смещением. Решив уравнения, можно получить численные значения коэффициента усиления и напряжения смещения, а затем реализовать необходимую схему на операционных усилителях.

Пример. Представьте себе, что Вам необходимо подключить барометр метеостанции к микроконтроллеру 68HC12 для автоматизированного учета показаний прибора. Диапазон допустимых напряжений сигнала АЦП микроконтроллера составляет 0…5, 0 В. Минимальная величина показаний барометра равна 64 см ртутного столба, максимальная — 81 см. Барометр снабжен электронной схемой преобразования сигнала, которая формирует на выходе для показания 64 см напряжение –100 мВ, а для показания 81 см — напряжение +300 мВ. Передаточная характеристика этой электронной схемы преобразования линейная. Необходимо определить параметры дополнительного электронного преобразователя для сопряжения предоставленного барометра с МК семейства 68HC12.

В соответствие с ранее введенными обозначениями, можно записать: V_1min = –100 мВ, V_2min = 300 мВ, V_1max = 0 В, V_2max = 5, 0 В. Подставим эти численные значения в уравнения для определения коэффициента усиления и напряжения смещения дополнительного электронного преобразователя сигнала:

5 В = 300 мВ & #215; K + B

0 В = –100 мВ & #215; K + B

Решив два уравнения совместно, получим, что коэффициент усиления K = 12, 5, напряжение смещения B = 1, 25 В. Проверьте полученный результат, подставив полученные значения в исходные уравнения. Составьте схему на операционном усилителе, реализующую необходимые преобразования.

Применяя рассмотренный метод преобразования входного сигнала, помните, что реальная схема сопряжения может потребовать установки дополнительных фильтров с целью подавления нежелательных гармоник сигнала датчика.