Датчик освещенности

3. Датчик освещенности

Датчик освещенности построен на фототранзисторе.

Принцип работы фототранзистора основан на усилении генерируемого фототока в B раз (B – коэффициент усиления тока базы) для получения большего тока коллектора. Некоторая нелинейность усиления фототока объясняется зависимостью B от тока коллектора; кроме того, как и во всех транзисторах, темновой ток зависит от температуры. В последнее время в результате большого прогресса в технологии фотодиодов фототранзисторы отошли на второй план, но тем не менее они по-прежнему используются благодаря своему важному преимуществу – наличию внутреннего усиления.

На рис. 5.17 показана принципиальная схема простого измерителя освещенности на фототранзисторе.

Рис. 5.17. Датчик освещенности на базе MT2 7935.

Схема питается от источника с напряжением 5 В, установку подходящей точки обеспечивает резистор с сопротивлением 10 кОм. Выбор напряжения источника питания (5 В вместо 15 В) обусловлен необходимостью поддержания выходного напряжения ОУ в пределах рабочего диапазона аналогово-цифрового преобразователя. Сопротивление резистора (10 кОм) определено эмпирически. Напряжение на эмиттере фототранзистора буферизуется с помощью ОУ и затем подается на вход АЦП. Так как эта схема нелинейна, она откалибрована с помощью бытового фотоэкспонометра. Полученные численные значения занесены в виде переводной таблицы в ЭВМ, и уже когда ЭВМ получит данные, она преобразует их через переводную таблицу в фотографическую экспозицию.

Работа ЭВМ с подобными устройствами имеет два основных преимущества. Во-первых, даже самые непредсказуемые нелинейности легко компенсируются программным способом, путем использования соответствующей калибровочной схемы. Во-вторых если уж программа рассчитала текущую экспозицию (освещенность), то легко рассчитываются все другие связанные с ней параметры, например средняя освещенность за некоторый промежуток времени или интеграл от освещенности по времени.

Наиболее подходящее применение этой схемы – контроль световой энергии, падающей на светочувствительную поверхность. Например, если нам нужно контролировать количество света, получаемого растениям.

4. Датчик давления

Для практики представляют интерес недорогие кремниевые датчики давления. Имеющие входной сигнал чаще всего порядка нескольких вольт. Обычно такой датчик изготовляют из кремниевой пластины, часть которой вытравливают до образования тонкой мембраны. Методом ионной имплонтации на мембране выполняют резистивные элементы с межсоединениями. При изменении давления мембрана пригибается, и под действием пьезоэлектрического эффекта происходит изменение сопротивления резистивных элементов. Толщина мембраны, как и геометрическая форма резисторов, определяется областью допустимых давлений. Преимуществами широко распространенных датчиков этого типа являются:

-  высокая чувствительность;

-  хорошая линейность;

-  незначительные гистерезисные явления;

-  малое время срабатывания;

-  компактная конструкция;

-  экономичная планарная технология изготовления.

Основу датчика давления представляют четыре однотипных пьезорезистора, которые образуют мост, как показано на рис. 5.18. При этом отдельные резисторы (R1...R4) соединены так, что при прогибе мембраны сопротивление резисторов R1 и R3 возрастает, а у R2 и R4 - уменьшается. В результате достигается высокая чувствительность измерительного моста.

Рис. 5.18. Измерительный мост из четырех идентичных пьезорезисторов, составляющих в совокупности датчик давления

Выходное напряжение U_A соответствует тогда уравнению

Рис. 5.19. Характеристика кремниевого датчика давления при различных температурах (25 и 125 °С).

На рис. 5.19 графически представлена зависимость U_A (р) для типичного кремниевого датчика давления. Здесь же продемонстрировано и влияние температуры на чувствительность.

Поскольку в этом случае максимальное выходное напряжение составляет лишь 0.1 В , для дальнейшей обработки сигнала его нужно усилить еще примерно до 1 В. Такое 10-кратное усиление по напряжению с помощью стандартных операционных усилителей (741, LM358 и т.п.) не составляет проблемы, а поэтому согласование сигнала с измерительным прибором осуществляется легко. Для измерений с повышенной точностью следует дополнительно компенсировать температурную погрешность датчиков.

Существуют некоторые интересные варианты применения датчиков давления. К их числу относят измерение атмосферного давления. Предложенный ниже барометрический прибор пригоден для точного измерения давления атмосферы воздуха, которое на уровне моря равно 1013 мбар. С увеличением высоты (например, в горах) или при переменном состоянии погоды давление воздуха сильно изменяется. На высоте 10 км, например, оно падает до 256 мбар, а на 20 км – до 55 мбар. Изменение давления воздуха в зависимости от высоты (относительно уровня моря) описывается так называемым барометрическим уравнением:

где P – давление воздуха на высоте h,

P₀ – давление воздуха на уровне моря (1013 мбар),

H – константа.

Принципиальная схема электронного барометра изображена на рис. 5.20. Датчик давления (например, KPY 10 фирмы Siemens) питается стабилизированным напряжением 15 В. Выходное напряжение составляет при этом 0...300 мВ для диапазона давлений 0...2 бар. Диапазон измерения давления атмосферного воздуха составляет 50 мбар (±25 мбар), следовательно, выходное напряжение должно быть усилено в 50 раз. Для этого можно применить дифференциальный усилитель (например, LM363). При нормальном атмосферном давлении на вход усилителя подается напряжение DU = 150 мВ, которое повышается операционным усилителем ОР1 до »7,5 В. Вторым операционным усилителем (например, LM358) с помощью настроечного потенциометра Р₁ напряжение сигнала доводиться до 10 В. Сопротивления R₂ и P₁ равны 1 МОм, а сопротивление R₁ равно 100 кОм.

R5=R6=R7= 10кOм

Рис.5.20. Электронная схема барометра с датчиком давления KTY 10 Напряжение питания 15 В, стабилизированное. ОР — операционный усилитель

Установка нуля осуществляется делителем напряжения R₃ = R₄ = 20 кОм и Р₂==10 кОм.

Точная установка (калибровка) выходною сигнала U_a осуществляется на испытательном стенде, показанном на рис. 5.21.

С помощью U-образной манометрической трубки, заполненной водой, можно создать колебания давления ±25 мбар, необходимые для регулировки чувствительности датчика давления. Поскольку нормальное давление 1013 мбар соответствует водяному столбу 10,34 м, колебание давления ±25 мбар соответствует изменению водяною столба ±25,5 см. U-образный манометр состоит из двух стеклянных трубок длиной около 1 м, соединенных между собой резиновым шлангом и наполовину заполненных водой (при возможности—дистиллированной). Если давление на входе и выходе одинаково, то и уровень воды в обеих трубках будет на одинаковой высоте В этом состоянии выход манометра соединяют с датчиком давления другим резиновым шлангом и отмечают выходное напряжение U_A1. Нагнетая воздух во вход манометра, смещают уровень воды на 25,5 см. Эго второе выходное напряжение U_A2 также отмечают. Разность DU_A=U_A2 - U_A1 после калибровки должна составлять 250 мВ. Если величина DU_A слишком мала, то нужно увеличить усиление с помощью настроечного потенциометра Р₁. Указанная процедура повторяется до тех пор, пока не получится DU_A =250 мВ.

Затем устанавливают нулевую то ту. Для этого у местной метеорологической службы запрашивают давление воздуха в данный момент. С помощью настроечного потенциометра Р₂ устанавливается, например, выходной сигнал U_a = 10,05 В, соответствующий измеренному в данный момент давлению 1005 мбар.

После такой процедуры калибровки на выходе схемы получается значение давления воздуха в данный момент. В этом случае изменению выходного напряжения на 10 мВ соответствует изменение давления вот1у\а ii.i 1 мбар.

Если ожидаются довольно большие изменения температуры (например, DТ³20°С), то с помощью соответствующей схемы следует еще дополнительно компенсировать смещение нуля и изменение чувствительности.

Погрешности измерений.

БИС К572ПВ4 выдает нам восьми битовый код. Для того чтобы закодировать канал от датчиков нам необходимо 2 бита (2² = 4 канала можем закодировать). Эти два бита мы вставляем в передаваемый байт как два старших бита (7-ой и 8-ой): 00 – данные с датчика температуры; 01 – с датчика влажности; 10 - с датчика освещенности; 11 –с датчика давления. Оставшихся шесть бит в передаваемом байте и составляют непосредственно информацию с датчика, преобразованную АЦП в цифровой код. Так как АЦП выдает информацию в восьмибитовом варианте, то мы откидываем два старших бита и как результат уменьшается точность из-за возникшей погрешности измерений.

Абсолютная погрешность из-за двух отнятых бит составляет 11₂ = 3.

АЦП имеет входными параметрами каналов U_вхi в диапазоне от 0 до +2,5В, а на выходе – 8 бит.

Для того, чтобы погрешность была минимальной нам надо чтобы в результате всегда был задействован старший бит. То есть на выходе мы должны получать код в диапазоне от 2⁸ до (2⁹-1-3), т. е. от 128 до 252. В этом интервале значений относительная погрешность измерений составит от 3/252 до 3/128, т. е. от 1,19 до 2,34 % от истинного значения. А это вполне допустимая погрешность.

Соответственно, чтобы получать код в диапазоне от 128 до 252 на вход АЦП должны приходить значения аналоговых сигналов в диапазоне от 2,5 * 128 / 255 = 1,255 до 2,5 * 252 / 255 = 2, 471 В.

Наши схемы датчиков позволяют откалибровать схемы в данный диапазон напряжений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе разработано устройство контроля параметров окружающей среды (температуры, освещенности, влажности, давления).

Была полностью разработана схема сопряжения датчиков с ЭВМ. Однако, как видно из принципиальной схемы, не составляет труда расширить схему, чтобы она воспринимала большее количество источников или была более точной (или передавала данные с большей скоростью).

Из внимательного рассмотрения вышеизложенного материала можно видеть, что схема наша не лишена недостатков. Вот лишь некоторые из них:

1.  В устройстве применены датчики зарубежных производителей.

2.  Датчики и преобразователи требуют стабилизированного напряжения питания. В то же время в схеме отсутствует стабилизатор напряжения, что предъявляет повышенные требования к источнику питания.

3.  Отсутствие контроля ошибок.

В то же время схема обладает и некоторыми (скромными) достоинствами:

1.  Доступность элементной базы – схема составлена в основном из широко распространенных отечественных микросхем и радиодеталей.

2.  Простота конструкции и дешевизна.

3.  Малое энергопотребление значительно расширяет сферу применения данного устройства.

4.  Простота калибровки. Калибровка может быть произведена как на аппаратном, так и на программном уровне, причем во втором случае настройка существенно упрощается.

Однако, несмотря на недостатки, схема несомненно может найти применение в агропромышленном комплексе, как в крупных тепличных хозяйствах, так и в малых подсобных теплицах.

Разработанное устройство обладает следующими характеристиками:

·  Число контролируемых каналов от датчиков – 4;

·  Разрядность данных, поступающих от датчиков – 6 двоичных разрядов;

·  Интерфейс сопряжения с ЭВМ – типа RS-232;

·  Скорость передачи данных компьютеру – 2400 бит/с;

·  Генерация бита четности – отсутствует.