Referat FTKL-Projektarbeit - Dokumentation, Verstärkerschaltung, Subtrahierschaltung

FTKL-Projektarbeit                         

Dokumentation:

Aufgabenstellung war die Messung des Luftdrucks, wobei das vom Sensor erhaltene Signal temperaturkompensiert werden sollte. Die dazu notwendige Temperatur, wurde dabei über den I²C-Bus erhalten. Der ermittelte Wert des aktuellen Luftdrucks, sowie die Werte für den je aufgetretenen maximalen bzw. minimalen Druck, sollten über den I²C-Bus auf 3 4-stelligen 7-Segment LED Anzeigen dargestellt werden.

Das erste Problem, war die Temperaturkompensation, wobei man aus den erhaltenen Datenblättern das Verhalten des Drucksensors (MPX 700) bei verschiedenen Temperaturen feststellen konnte. In diesem Diagramm war der Verlauf der ausgegebenen Spannung über dem steigenden Luftdruck dargestellt. Man erkannte außerdem, daß der Drucksensor in einem Temperaturbereich von -40°C bis +125°C einsetzbar war. Da der gesamte Temperaturbereich ausgenützt werden sollte, aber nur die Steigungen der Kennlinien von -40°C, +25°C und 125°C gegeben waren, war es nötig sich in Hinsicht auf die Programmierung einen Korrektur-faktor zu errechnen.

Dazu war es nötig die Steigungen der drei gegebenen Kennlinien zu berechnen, wozu man die Länge der Spannungsänderung ins Verhältnis mit der Länge der Druckänderung brachte. In den Datenblättern wird sehr oft mit der Einheit PSI gerechnet, und nicht wie üblich mit der allgemein gebräuchlicheren Einheit Pascal. Am Rande sei noch die Umrechnung erwähnt, sie beträgt:

1.0 kPa = 0.145 PSI

                       k Steigung der Kennlinie

Dx..Wert der Spannungsänderung in mV

Dy..Wert der Druckänderung in PSI bzw. kPa

Es ergab sich für:

+25°C -40°C: +125°C:

- eine Steigung von:

k = 30mV / 50 PSI = 0.5 mV/PSI                     k = 0,75 mV/PSI k = 0.43 mV/PSI

Weiters wurde die maximale Temperaturänderung berechnet:

DT = T_max -T_min = 125°C - (-40°C) = 165°C

Die maximale Anderung der Steigung betrug damit:

Dk = k_max - k_min = 0,75 - 0,43 = 0,32 mV/PSI

k_max Steigung bei -40°C

k_min. Steigung bei +125°C

Bringt man nun diese beiden Werte ins Verhältnis, so erhält man den Korrekturfaktor

Will man nun z.B. die Steigung der Kennlinie bei +35°C ermitteln, so berechnet sich diese nach:

k₃₅ = k₂₅ - 10. k_korr = 0,5 -10. 0,0019 = 0,481 mV/PSI

Demnach würde die Steigung der Kennlinie bei 35°C etwa 0,481 mV/PSI betragen. Diese Überlegungen ermöglichen erst die später kommende Programmierung.

Nachfolgend wurde jedoch die Peripherie rund um den Druckmeßsensor behandelt, wobei dieser nur Spannungen von 0 bis 100mV ausgeben kann, und so für eine sinnvolle Messung mit dem ADC nicht in Frage kommt. (Mögliche Messung mit ADC von 0- 5V ) Die Schluß-folgerung war einen nichtinvertierenden Verstärker zu verwenden, der den oben erwähnten Spannungsbereich abdeckt, ihn dabei jedoch um den Faktor 50 verstärkt. Um letzteren Schritt zu gewährleisten, wurde deshalb nachfolgende Dimensionierung durchgeführt:

Verstärkerschaltung:

                    V = 50 -> 49. R₁ = R₂

R1 = 49 kW, R2 = 1kW

Da es keinen 49k Widerstand gibt, dieser Wert für das Erreichen einer Verstärkung von 50 aber in diesem Fall wichtig ist, wurde die Schaltung mit einem 47k Widerstand und einem 2k2 Widerstand in Serie dazu versehen. Ganz wichtig für die Funktion der Schaltung, waren die Filterkondensatoren gegen GND sowohl bei der + Versorgung, als auch bei der - Ver-sorgung des OPV's, da ansonsten Störungen auftraten. Die Größe der Kondensatoren wurde mit 33n angenommen.

Ein weiteres Problem stellte die Signalverarbeitung des Sensors dar, da dieses sich aus zwei Signalen, dem vom + Output und dem vom - Output, zusammensetzte. Daher war es nötig eine Subtraktion der beiden Signale durchzuführen, um das gewünschte Sensorsignal zu er-halten. Hierfür wurde eine Subtraktionsschaltung verwendet, die mittels zweier OPV's arbeeitete. Die Beschaltung der OPV's erfolgte einheitlich mit 10k, da die Verstärkung von 50 sowieseo schon von der vorher besprochenen Schaltung übernommen wurde.

Subtrahierschaltung:

Die Subtrahierschaltung funktionierte wie erwartet und lieferte die gewünschte Sensorspannung im Bereich von 0-100mV. Direkt an diese Schaltung, wurde die Verstärkerschaltung angeschlossen, sodaß man an deren Ausgang wie gefordert die 0-5Volt erhielt, welche für die Messung mittels ADC benötigt wurde.

Die Referenzspannung für den ADC (5,12V) erhält man über den mP-Kit, da die Ausgangs-spannung des Drucksensors aber von seiner Versorgespannung abhängt, war es nötig einen eigenen Referenzspannungsregler für 3 Volt in die Meßschaltung aufzunehmen. Der Sensor war zwar von +3V - +6V Versorgespannung zu betreiben, doch waren die dargestellten Kennlinien im Datenblatt für drei Volt ausgelegt, da dies die typische Versorgespannung war. Der Referenzspannungsregler sollte nun ausgehend von den 10 Volt Versorgespannung, die 3 Volt für die den Drucksensor liefern. Dabei wurden im wesentlichen die Daten des Referenz-spannungsreglers vom Kitt übernommen, die einzige Ausnahme stellte der Wert des Potentiometers dar, welcher von 10k auf 50k vergrößert wurde.

Schaltung des Referenzspannungsreglers:

 

Diese Anforderungen an die Peripherie zur Messung mit dem Drucksensor wurden gestellt, und konnten auch bewerkstelligt werden.

Weitere Anforderungen an die Pheripherie, wurden durch die benötigte Ausgabe über I2C-Bus gestellt, welche über 3 4-stellige 7-Segment Anzeigen erfolgen sollte. Diese Anzeigen müssen jede für sich von einem Treiberbaustein namens IDSAA1064 gesteuert werden. Daher wurden für die Messung 3 Bausteine der Serie SAA1064 benötigt und 6 Bausteine der Serie LB-5310, welche jeweils in sich zwei BCD7 Segmente vereinigen. Das System des SAA1064

beruht darauf, daß über die SCL, SDA Pins Signale über I²C-Bus an den Baustein geliefert werden. Der Baustein selbst kann die Signale für je zwei BCD7-Anzeigen auf einmal über die MUX- Pins steuern, wobei die zwei Transistoren, von den Signalen die von den MUX-Pins kommen durchgeschalten werden.

Da wie gesagt eine Anzeige für Minimal-, Maximal- und Normalwert vorhanden sein sollte, war es nötig dem Baustein über den Adresspin eine eigene Adresse zuzuordnen damit er nacher vom I2C-Bus auch angesprochen werden konnte. Dafür gab es mehre Möglichkeiten nämlich die Plusversorgung, sprich +5 Volt, was einer Adresse von 76h für das Lesen und 77h für das Beschreiben vom Baustein entspricht.

Analog kann für die Spannungen:

Adr(lesen) Adr(schreiben)

V_EE 70h 71h

3/8 V_CC 72h 73h

5/8 V_CC 74h 75h

V_CC 76h 77h

Für die Schaltung wurden daher die Adresspins der einzelnen Bausteine mit V_CC, 3/8 V_CC und V_EE beschalten. Um das Verhältnis 3/8 V_CC zu realisieren, war es nötig einen Spannungsteiler mit dem Widerständen 330E zu 820E aufzubauen und an ihm die 3/8 V_CC Spannung abzu-nehmen. Eine eigene Beschaltung der einzelnen Segmente der BCD7 Anzeige mit Vorwiderständen, konnte entfallen. Für diese Schaltung, wurde als Test ein eigenes Programm geschrieben, welches einen bestimmten Wert auf der Anzeige erscheinen lassen sollte. Dieses Programm wurde nachher in das Hauptprogramm eingefügt.

Die Spannungsversorgung des SAA1064 betrug +5V bzw. GND, welche wieder über einen Filterkondensator vom Wert 33n 'entstört' wurde. Außerdem war es nötig einen externen Kondensator vom Wert 3n3 an den Pin Cext anzuschließen um eine Funktion zu erreichen.

Testprogramm zur Wertdarstellung über die 7-Segmentanzeigen:

$include (80c552.def)

ok                bit 07h

save data 31h

anz_byte data 32h

sla_adr        data 34h

zd                data 35h

org 8000h

JMP INIT

org 802Bh

MOV save,A

MOV a,s1sta

RR A

RR A

MOV DPTR,#TABELLE

JMP @A+DPTR

org 8100h

* * * * * * * * * *

* INITALISIERUNG *

* * * * * * * * * *

INIT:

SETB ES1 ; Serielles Interrupt-Enable setzen

SETB EA ; Generelles Interrupt-Enable

SETB Ex0

SETB IT0 ; Flankentriggerung

SETB P1.6

SETB P1.7

CLR ok

MOV zd,#04h

MOV anz_byte,#06h

MOV R0,#51h

MOV @R0,#32h

INC R0

MOV @R0,#31h

INC R0

MOV @R0,#32h

INC R0

MOV @R0,#39h

MOV S1CON,#01000111b ; 75kHz, Enable

LCALL SETDISPLAY

MAIN:

JMP MAIN

* * * * * * * * * * * * * *

* DARSTELLUNG AUF DISPLAY *

* * * * * * * * * * * * * *

SETDISPLAY:

MOV sla_adr,#076h ;Display - Adresse f�r Schreiben

MOV R0,#04Fh

MOV @R0,#00h ;Instruction Byte

INC R0 ;50h

MOV @R0,#01000111b ;Control Register Initialisieren

INC R0

UMSETZUNG:

MOV A,@R0

CJNE A,#30h,w1

MOV @R0,#00111111b ;0

JMP wend

w1: CJNE A,#31h,w2

MOV @R0,#00110000b ;1

JMP wend

w2: CJNE A,#32h,w3

MOV @R0,#01101101b ;2

JMP wend

w3: CJNE A,#33h,w4

MOV @R0,#01111001b ;3

JMP wend

w4: CJNE A,#34h,w5

MOV @R0,#01110010b ;4

JMP wend

w5: CJNE A,#35h,w6

MOV @R0,#01011011b ;5

JMP wend

w6: CJNE A,#36h,w7

MOV @R0,#01011111b ;6

JMP wend

w7: CJNE A,#37h,w8

MOV @R0,#00110001b ;7

JMP wend

w8: CJNE A,#38h,w9

MOV @R0,#01111111b ;8

JMP wend

w9:

MOV @R0,#01111011b ;9

JMP wend

wend:

INC R0

DJNZ zd,long

MOV zd,#04h

MOV R0,#04Fh

SETB sta ; Start

WARTE:

JNB ok,WARTE

CLR ok

RET

long: LJMP UMSETZUNG

* * * * * *

* TABELLE *

* * * * * *

TABELLE:

AJMP stat_00

AJMP stat_08

AJMP stat_10

AJMP stat_18

AJMP stat_20

AJMP stat_28

AJMP stat_30

AJMP stat_38

* * * * * *

* I2C-BUS *

* * * * * *

stat_00:

JMP i2c_end

stat_08:

MOV S1DAT,sla_adr

CLR sta

CLR SI

CLR sto

JMP i2c_end

stat_10:

JMP i2c_end

stat_18:                                ; SLA+W transmitted, ACK received

MOV S1DAT,@R0 ; 1. Datenbyte @R0

CLR sta

CLR SI

CLR sto

JMP i2c_end

stat_20:                                ; SLA+W transmitted, NOT ACK received

clr sta

setb sto

clr si

JMP i2c_end

stat_28:                                ; S1DAT transmitted, ACK received

send:

DJNZ anz_byte,WEITER

CLR STA

CLR SI

SETB sto

SETB ok

JMP i2c_end

WEITER:

INC R0

MOV S1DAT,@R0

CLR sta

CLR SI

JMP i2c_end

stat_30:                                ; S1DAT transmitted, NOT ACK received

CLR sta

CLR si

SETB sto

SETB ok

JMP i2c_end

stat_38:

JMP i2c_end

i2c_end:

MOV A,save

RETI

END

Da die Schaltung durch den Aufbau auf Laborsteckbrett nicht richtig funktionierte, wurde sie auf Lochrasterplatte mit Hilfe von Lötzinn und Fädelstift erneut aufgebaut. Durch diesen Aufbau waren keine Wackelkontakte mehr möglich, und der Wert, der im Programm eingestellt wurde, konnte ohne weitere Probleme auf der Anzeige ausgegeben werden.

Aufbau des Hauptprogramms:

$include (80c552.def)

* * * * * * * * * * * * * * *

* DEFINITION DER VARIABLEN *

* * * * * * * * * * * * * * *

S1        data 30h

S2        data 31h

out       code 273ch

* * * * * * * * * * *

* INTERRUPTVEKTOREN *

* * * * * * * * * * *

org 8000h

LJMP INIT

org 8053h

LJMP MESSUNG

org 8100h

* * * * * * * * * *

* INITIALISIERUNG *

* * * * * * * * * *

INIT:

MOV A,#00h ;

MOV B,#00h ;

MOV S1,#00h ; Variablen und Akku 0 setzen

MOV S2,#00h ;

MOV S3,#00h ;

MOV IEN0,#0C0h ;EA , EAD im Interrupt-Enable-Register 0 setzen

MOV ADCON,#08h ;MUX auf Eingang 0 und ADC setzen

HAUPT:

JMP HAUPT

* * * * * * * * * * *

* MESSUNG ÜBER ADC *

* * * * * * * * * * *

MESSUNG:

MOV a,#' '

LCALL 273ch

MOV a,#' '

LCALL 273ch

MOV a,#' '

LCALL 273ch

MOV a,#' '

LCALL 273ch

MOV R6,#00h ;Register R6 0 setzen

MOV R7,#00h ;Register R7 0 setzen

;Umwandlungen Temperaturkompensation

MOV A,ADCH ;ADCH auslesen

LCALL hex_byte_out

MOV A,#'*'

LCALL char_out

MOV B,#03h ;Wert 3 ins B-Register schreiben

DIV AB ;ADCH durch 3 dividieren

MOV s1,A ;ADCH/3 in S1 speichern

MOV A,B ;Rest der Division in Akku schreiben

MOV B,#38h

MUL AB ;Divisionsrest mit 56d (38h) multiplizieren

MOV s2,B ;Divisionsrest*56, sberlauf in S2 abspeichern

MOV A,s1

MOV B,#0EH ;ADCH/3 mit 14d (0Eh) multiplizieren

MUL AB

MOV R6,B ;den Multiplikationsüberlauf in R6 abspeichern

MOV R0,s2

ADD A,R0 ;Divisionsrest*56 Überlauf + ADCH/3*14

MOV R7,A

CLR C

SUBB A,#0E0h ;Subtraktion von R7 233d (E9h)

MOV R7,A ;Ergebnis wird in das R7 Register geschrieben

JC ERSTE ;gibt es einen Überlauf - in ERSTE springen

JNC AUS ;gibt es keinen Überlauf - in AUSGABE springen

ERSTE:

MOV A,R6 ;R6 in AKKU laden

SUBB A,#01h ;von R6 ein sberlaufbit abziehen

MOV R6,A ;in R6 zurückschreiben

AUS:

MOV A,R6

LCALL Hex_Byte_Out

MOV A,R7

LCALL Hex_Byte_Out

LCALL DOUT

LCALL CLRSCR

MOV ADCON,#08h

RETI

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

* UMWANDLUNG VON HEXADEZIMAL IN DEZIMAL *

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

$include (out1.inc)

* * * * * * * * * * * * * * *

* LÖSCHUNG DES BILDSCHIRMES *

* * * * * * * * * * * * * * *

CLRSCR:

MOV a,#1Bh

LCALL 273ch

MOV a,#5Bh

LCALL 273ch

MOV a,#48h

LCALL 273ch

MOV a,#1Bh

LCALL 273ch

MOV a,#5Bh

LCALL 273ch

MOV a,#4Ah

LCALL 273ch

RET

END