Регулирование и автоматизация многих промышленных процессов требует точного и достоверного измерения влажности. Управляемые микропроцессором датчики влажности и давления представляет собой универсальное решение для измерение влажности и давления в экстремальных условиях эксплуатации. Благодаря простоте обслуживания, обширному набору функций и возможности расширения эти датчики доказывает свою надежность в различных технологических процессах. Данные приборы используются в промышленных процессах сушки, системах контроля и управления, климатических установках стерильных и складских помещений, лабораториях и др.

Потребности различных отраслей промышленности покрываются за счет семи различных типов применения. Возможно использование датчиков совместно с прочным алюминиевым корпусом со степенью защиты IP 65,коротрый обеспечивает защиту датчиков от пыли и брызг воды. Корпус также обеспечивает электромагнитную совместимость при напряженности поля до 10 В/м. По конструкции датчики различаются на модели с настенным вариантом монтажа и модели с длиной кабеля 2, 5 или 10 м, позволяющего устанавливать датчики в вентиляционных каналах или других технологических линиях. Специальные варианты сенсоров позволяют использовать датчики в вакууме и при избыточном давлении от 0 до 100 бар и рабочей температуре до 180°С. Первичные выходные значения датчиков представляют собой измерения давления и относительной влажности. Микропроцессор с помощью дополнительного программного обеспечения позволяет выполнять расчет абсолютных величин, таких как относительное давление в помещении, абсолютная влажность а (г/м³), содержание влаги х (г/кг), теплосодержание h (кДж/кг). Датчики имеют два аналоговых выхода, по которым можно в любой комбинации передавать измеренные значения. Имеется возможность масштабирования диапазона измерения и выходных сигналов в пределах заданных границ. Датчики могут оснащаться ЖК-дисплеем/ панелью управления, предназначенными для отображения измеряемых значений и выполнения различных операций, например, калибровки. Имеется также конфигурация с последовательным интерфейсом и возможность управления датчиком с компьютера, на котором установлена любая программа терминала (ОС Windows). Дополнительно вместо последовательного интерфейса датчики могут оборудоваться токовой петлей 20 мА, что позволяет подключать их к сети. Используемые сенсоры отличаются повышенной точностью, надежностью и стабильностью. Большое значение в технологических процессах имеет стойкость к загрязнениям частицами пыли и различными химическими веществами. Кроме того, с помощью дополнительной функции восстановления имеется возможность восстановления сенсора после воздействия высококонцентрированных химических веществ, которые могут повредить сенсоры. Восстановление выполняется с помощью программируемой процедуры кратковременного нагрева, во время которой с поверхности сенсора испаряются молекулы посторонних веществ.

1. Разработка структурной схемы

Структурная схема представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Структурная схема

Условные обозначения рисунка 1.1:

ДД – датчик давления;

ДВ – датчик влажности;

МК – микроконтроллер.

2. Выбор элементной базы

2.1 Выбор микроконтроллера

В данной задаче будет использоваться микроконтроллер 51 семейства от фирмы Analog Devices ADuC 812.

Общие сведения о микроконтроллере ADuC812 [1]

ADuC812 - интегральная 12-разрядная система сбора информации, включающая в себя прецизионный многоканальный АЦП с самокалибровкой, два 12-разрядных ЦАП и программируемое 8-битное микропроцессорное ядро (совместимое с 8051, MCU). MCU поддерживается внутренними 8К FLASH ЭРПЗУ программ, 640 байт ЭРПЗУ памяти данных и 256 байт статической памяти данных с произвольной выборкой (RAM).

MCU поддерживает следующие функции: сторожевой таймер, монитор питания и канал прямого доступа к памяти для АЦП. Для мультипроцессорного обмена и расширения ввода/вывода имеются 32 программируемые линии, I2C, SPI и UART интерфейсы. Для гибкого управления в приложениях с низким потреблением в MCU и аналоговой части предусмотрены 3 режима работы: нормальный, холостой и дежурный. Продукт специфицирован для +3/+5В работы в индустриальном диапазоне температур и поставляется 52-выводном пластмассовом корпусе (PQFP).

На рисунке 2.1 приводится функциональная блок схема используемого микроконтроллера.

Рисунок 2.1 – Функциональная блок схема

На рисунке 2.2 приводится внешний вид корпуса микроконтроллера ADuC812.

Рисунок 2.2 – Внешний вид корпуса ADuC812

В таблице 2.1 приведено расположение контактов контроллера ADuC812.

Таблица 2.1 – Расположение контактов ADuC812

Использование памяти данных

Память данных пользователя состоит из 640 байт, которые составляют 160 (от 00Н до 9FН) четырехбайтовых страниц, как показано на рисунке 2.3. Как и для прочей периферии, доступ к этой памяти производится через SFR регистры. Группа из 4-х регистров (EDATA1-4) используется для хранения данных четырех байт страницы из последнего обращения. EADRL используется для хранения адреса страницы, куда будет осуществляться доступ. И, наконец, ECON – 8-разрядный регистр управления, в который записывается одна из пяти команд управления доступом к памяти, допускающие различные операции чтения, записи, стирания и верификации. Блок-схема регистрового интерфейса к памяти показана на рисунке 2.4.

Рисунок 2.3 – Конфигурация FLASH/EE памяти пользователя

Рисунок 2.4 – Управление FLASH/EE памятью пользователя

Для управления памятью используется регистр ECON, который является интерпретатором команд и в него можно записать одну из пяти чтения, программирования и стирания, как указано в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Регистр управления памятью ECON

При использовании данная память может быть запрограммирована в составе системы побайтно, при этом, она предварительно должна быть стерта страничными блоками. Типовой цикл доступа к FLASH/EE памяти включает в себя установку адреса страницы доступа EADRL SFR, запись данных для программирования в EDATA 1-4 (в случае чтения - не записываются) и, наконец, запись команды в ECON, инициирующей действие в соответствие с таблицей 2.2.Следует отметить, что заданный режим работы инициируется по записи слова команды в ECON SFR. При этом микропроцессорное ядро переходит в холостой режим и находится там до тех пор, пока выполнение команды не завершится.На практике это означает, что даже если режим работы с FLASH/EE памятью инициируется двумя машинными циклами (инструкция MOV для записи в ECON SFR), следующая инструкция будет выполнена только после окончания цикла обслуживания FLASH/EE памяти (т.е. спустя 250 мкс или 20 мс). Это означает, что ядро не будет обслуживать запросы на прерывание до тех пор, пока операция с FLASH/EE памятью не завершится, хотя функции управления ядра периферией будет выполняться, как, например, продолжение счета времени/событий Счетчиками/Таймерами на протяжении всего псевдохолостого режима.

Для программирования одного байта в FLASH/EE памяти необходимо чтобы сначала этот байт был стерт, т.е. в ячейке записано FFH. Вследствие особенности архитектуры FLASH/EE памяти, стирание можно производить только для 1 страницы (минимум 4-байта) при инициировании Команды Стирания.

Пример процесса побайтного программирования графически показан на рисунке 2.5. В этом примере во второй байт на странице 03Н пользовательской FLASH/EE памяти записывается код F3H. Однако страница 03Н уже содержит данные в четырех байтах, а пользователю требуется изменить только содержимое одного байта; всю страницу следует сначала прочитать с тем, чтобы можно было стереть содержимое этой страницы без потери данных. Затем новый байт записывается в EDATA SFR вслед за циклом стирания. Если попытаться начать цикл Программирования (ECON=02H), не выполняя цикла Стирания (ECON=05H), то в этом случае будут модифицированы только те разряды, которые содержат единицы, т.е. для правильной записи массива необходимо выполнить его предварительное стирание. Следует отметить, что циклы стирания страницы и всей памяти имеют одинаковую длительность – 20 мс.

Рисунок 2.5 – Пример программирования байта памяти пользователя

Ассемблерный код приведенного примера выглядит следующим образом:

MOV EADRL, #03H ;Установка указателя страницы MOV ECON, #01H ;Команда чтения страницы MOV EDATA2, #0F3H ;Запись нового байта MOV ECON, #02H ;Команда стирания страницы MOV ECON, #05H ;Команда программирования страницы

Использование прерываний

ADuC812 обеспечивает восемь источников и два уровня прерываний. В таблице 2.3 приводятся адреса векторов прерываний и уровни приоритетов.

Таблица 2.3 – Адреса векторов прерываний

Для обработки любого из прерываний следует предпринять следующие три действия:

1. Расположить процедуру обслуживания прерывания по адресу соответствующего прерывания.

2. Установить бит разрешения всех прерываний (ЕА) «1» в регистре IE SFR.

3. Установить бит разрешения индивидуального прерывания в «1» в IE или IE2 SFR.

Для разрешения и установки приоритета различных прерываний используются три регистра SFR.

Счетчик временных интервалов TIC

Важной особенностью прибора является наличие счетчика временных интервалов (TIC), позволяющего отсчитывать временные интервалы большие, чем способны стандартные таймеры – длительностью до 255 часов. Упрощенная схема TIC представлена на рисунке 2.6.

Работа с TIC осуществляется при помощи следующих регистров:

TIMECON – регистр управления TIC (назначение битов TIMECON и набор режимов работы представлены в таблице 2.4);

INTVAL – регистр пользовательского временного интервала;

HTHSEC – регистр сотых долей секунды (инкрементируется через каждую 1/128 секунды, после значения 127 сбрасывается, инкрементируя регистр SEC);

SEC - регистр секунд (после значения 59 сбрасывается, инкрементируя регистр MIN);

MIN – регистр минут (после значения 59 сбрасывается, инкрементируя регистр HR);

HOUR – регистр часов (сбрасывается на 0 после значения 23 или 255 – в зависимости от режима работы).

Рисунок 2.6 - Упрощенная схема TIC

Таблица 2.4– Назначение битов TIMECON

№ бита

обозначение

назначение

Зарезервирован

TFH

Бит выбора 24-часового режима (Twenty-Four Hour Select Bit). Если установлен – регистр HOUR сбрасывается после значения 23, иначе – после значения 255.

5-4

TS1, TS0

Биты выбора единиц измерения интервалов (Interval Timebase Selection Bits). Определяют частоту обновления 8-битного счетчика временных интервалов.

TS1	TS0
0	0	1/128 секунды
0	1	секунды
1	0	минуты
1	1	часы

STI

Бит единичного временного интервала (Single Time Interval Bit). Устанавливает режим единичного временного интервала, когда бит TIEN сбрасывается при первом таймауте.

TII

Бит прерывания TIC (TIC Interrupt Bit). Устанавливается когда значение 8-битного счетчика временных интервалов совпадает с INTVAL.

TIEN

Бит включения 8-битного счетчика временных интервалов (Time Interval Enable Bit).

TCEN

Бит включения таймера (Time Clock Enable Bit).

2.2 Выбор датчика давления

Цифровые датчики давления газов (или воздуха) серии ASDX [2] выпускаются в стандартных DIP корпусах и предоставляют информацию о чувствительности, температурном коэффициенте и нелинейности в цифровом виде.

Цифровые датчики давления калиброваны и, наряду со специальной микросхемой (ASIC), имеют схему температурной компенсации. Цифровой датчик давления поддерживает SPI совместимый интерфейс, что делает его совместимым практически с любым микроконтроллером и микропроцессором.

Датчики давления имеют точность ±2,5% полной шкалы и предназначены для использования в корозионно-устойчивых неионногенных газовых средах, например, в воздухе или в сухих газах.

Датчики серии ASDX DO предназначены для измерений абсолютного, дифференциального и относительного давления в широком диапазоне до 100 psi, серия датчиков избыточного и дифференциального давления ASDXL DO измеряет малые давления в дюймах водяного столба.

Датчики абсолютного давления измеряют давление относительно внутреннего опорного значения. Датчики дифференциального давления измеряют давление, приложенное к разным сторонам измерительной диафрагмы и могут использоваться для измерений избыточного или дифференциального давления.

Особенности:

· абсолютные датчики давления

· датчики для измерения дифференциального и избыточного давления

· калиброванный и компенсированный выходной сигнал

· SPI- совместимый последовательный интерфейс

· диапазоны измеряемого давления 0…±5, 0…10, 0…±10 д.вод.ст.

· время отклика 8 мс

· стандартный DIP корпус

Таблица 2.5- серийные свойства

Внешний вид	Серия	Диапазон измеряемого давления	Метод измерения*	Напряжение питания, В пост. тока	Максимальная погрешность, %
	ASDX DO	0…100 psi	А, Д, И	5,25	±2,0
	ASDXL DO	±5" вод.ст. ±10" вод.ст. 0…10" вод.ст.	Д, И	5	±2,0

*А – абсолютное, И – избыточное (относительное), Р – разрежения, Д – дифференциальное

Основные характеристики представлены в таблице 2.6

Таблица 2.6

Параметр	ASDXL DO	ASDX DO
Макс. допустимое давление	3 PSI	100 PSI
Напряжение питания	4,75…5,25 В пост. тока
Макс. напряжение питания	6,5 В пост. тока
Потребляемый ток	6 мА
Выходной ток	2 мА
Высокий уровень входа	4,5 В
Низкий уровень входа	0,5 В
SCL частота	100 кГц
Виброустойчивость	10 g в диапазоне 20…2000 Гц
Добротность	1 млн. циклов в минуту
Температурная компенсация	0…85°С
Диапазон рабочих температур	-20…105°С

Выберем датчик ASDX100G24R-DO серии ASDX DO как предназначенный для измерений абсолютного, дифференциального и относительного давления в широком диапазоне до 100 psi.

Внешний вид датчика представлен на рисунке 2.7

Его параметры представлены в таблице 2.7

Таблица 2.7

Параметр	Обозначение	Условия	Min.	Typ.	Max.		Unit
Input High Level	VIH		4.5	–	1		Vs
Input Low Level	VIL		0	–	0.5		Vs
Output Low Level	VOL	Open Drain IOL = -4 mA		–	0.1		Vs
Pull up Current	VOH	Pin SCL and SDA	5	–	20		μA
Load Capacitance SDA	CL_SDA		-	–	400		pF
SCL clock frequency	fSCL		-	–	100		kHz
Bus free time between STOP and START condition	tBUF		4.7	–	–		μs
Hold time (repeated) START condition	tHD,STA	To first clock pulse	4.0	–		–	μs
LOW period of SCL	tLOW		4.7	–	–		μs
High period of SCL	tHIGH		4.0	–	–		μs
Setup time repeated START condition	tSU, STA		4.7	–	–		μs
Data hold time	tHD, DAT		0	–	–		ns
Data setup time	tSU, DAT		250	–	–		ns
Rise time of both SDA and SCL	tR		–	–	300		ns
Fall time of both SDA and SCL			–	–	300		ns
Setup time for STOP condition	tSU, STO		4	–	–		μs
Input filter spike suppression	tsp	Spikes on SDA or SCL of that length are suppressed	–	–		50	μs

Страницы: 1, 2