Подключение к интерфейсу датчиков влажности и освещения

Рисунок 68 – Общий вид микросистемы ML38H

Устройство ML38H является законченной ведомой 1-Wire-микросистемой для организации территориально рассредоточенного контроля температуры, влажности и освещенности. Она может являться элементарной ячейкой систем регистрации и регулирования климатических параметров, организованных с использованием однопроводных 1-Wire-сетей, реализованных по технологии фирмы Dallas Semiconductor Corp. Микросистема ML38H предназначена для работы под управлением специализированного мастера (ведущего) 1-Wire-сети.

В основе конструкции ML38H лежит однопроводной компонент DS2438 фирмы Dallas Semiconductor Corp..

В состав ML38H, входит три типа датчиков, каждый из которых обеспечивает контроль значений одного из трех климатических параметров окружающей устройство среды:

· Для измерения относительной влажности в диапазоне от 0 до 100% с точностью 3% использован датчик HIH3610 фирмы Honeywell Inc.,

· Датчик для контроля значения температуры окружающей среды, который может воспроизводить ее величину в диапазоне от –55°С до +125°C с точностью 2°С, непосредственно встроен в корпус DS2438.

· Для тестирования уровня освещенности используются показания фотоприемника ФД256, включенного в фотодиодном режиме. Значение сигнала от этого источника тока, преобразуемые в напряжение встроенным в схему ML38H резистивным шунтом, определяют уровень контролируемой освещенности в диапазоне от 0 до 100% с погрешностью ~1%.

Каждый из внешних датчиков, входящих в состав ML38H, подключен к одному из входов аналого-цифрового преобразования микросхемы DS2438, что позволяет обеспечить по 1-Wire-линии MicroLAN свободный доступ к информации о величине выходного сигнала каждого из первичных преобразователей. Кроме того, дополнительный аналого-цифровой вход DS2438 используется для контроля уровня напряжения питания, получаемого всеми узлами микросистемы.

Показания температурного датчика, встроенного в микросхему DS2438, а также значение уровня питания микросистемы, получаемые с дополнительного аналого-цифрового входа, должны использоваться обслуживающим микросистему ML38H программным обеспечением, с целью коррекции дополнительной погрешности показаний датчиков влажности и освещенности.

Микросистема ML38H является полным функциональным аналогом конструкции, описание которой опубликовано фирмой Dallas Semiconductor Corp. в журнале "SENSOR"(Vol.17/№8, август 2000). Поэтому она поддерживается свободно распространяемой программой iButton-TMEX Viewer любой из версий выше 3.20b. НТЛ ЭлИн также поставляет программу ML_Log для поддержки систем мониторинга, реализованных, в том числе и на базе микросистем ML38H, и программу MLex для визуализации показаний этих приборов и их калибровки.

 

Рисунок 69 – Принципиальная схема микросистемы ML38H

 

Тип первичного преобразователя относительной влажности, используемого при комплектации микросистем ML38H, обеспечивает высокую точность измерения благодаря реализации процедуры лазерной подгонки внутренних параметров этих датчиков, выполненной при их изготовлении. Соотношение между показаниями узла аналого-цифрового преобразования, на вход V_ad которого подключен датчик, и воспроизводимой величиной относительной влажности R_hih, с учетом коррекции показаний на величину уровня напряжения питания, контролируемую аналого-цифровым узлом по входу V_dd, вычисляется по формуле: R_hih = [(V_ad / V_dd) – 0,16] / 0.0062, где V_ad и V_dd показания соответствующих узлов микросхемы DS 2438 (см. описание на DS 2438). Однако, эта формула верна только если окружающая микросистему ML38H температура составляет 25°С и не учитывает дополнительной погрешности в показаниях датчика влажности при изменении температуры.

Для получения более достоверных значений относительной влажности, каждое вычисленное значения R_hih следует скорректировать по формуле
R_ист = R_hih / (1,0546 – 0,00216*T), где T – значение температуры окружающей среды, полученное по каналу контроля температуры микросхемы DS 2438, в тот же момент времени, что и показания V_ad и V_dd.

Кроме того, пользователю необходимо учитывать некоторые особенности и соблюдать ряд правил эксплуатации и обслуживания микросистемы ML38H, которые непосредственно связаны с качеством преобразования или даже работоспособностью канала контроля относительной влажности:

1. Следует исключить облучения ультрафиолетом чувствительного элемента U2. При засветке ультрафиолетовым излучением кристалла датчика точность показаний не гарантируется.

2. Следует учитывать, что наиболее достоверные и наименее инерционные показания относительной влажности можно получить при эксплуатации микросистемы ML38H со снятой верхней крышкой футляра, т.к. только в этом случае соприкосновение чувствительного слоя датчика и контролируемой среды максимально. В случае эксплуатации прибора с надетой крышкой футляра необходимо учитывать инерцию выравнивания среды внутри корпуса микросистемы с окружающей прибор средой. Если по каким-либо причинам датчик попал в среду высокой влажности, то для увеличения скорости выравнивания внешней и контролируемой сред, следует снять крышку футляра и устранить ветошью или фланелью излишний конденсат образовавшийся с внутренней стороны крышки.

3. Запрещается дотрагиваться до чувствительного элемента датчика влажности руками и другими предметами.

4. Запрещается протирать поверхность датчика спиртом и иными чистящими жидкостями. Устранение пыли и грязи с прибора необходимо производить только с помощью воздушной струи фена.

5. Запрещается производить самостоятельное извлечение и последующую установку датчика влажности.

В состав ML38H, для тестирования уровня освещенности используются показания фотоприемника ФД256, включенного в фотодиодном режиме. Значение сигнала от этого источника тока, преобразуемые в напряжение встроенным в схему ML38H резистивным шунтом, определяют уровень контролируемой освещенности в диапазоне от 0 до 100% с погрешностью ~1%.

В качестве датчика освещенности в приборе ML38H выступает фотодиод ФД256, используемый в т.н. фотодиодном режиме. Этот режим является предпочтительным в случае, когда нет жестких требований к шумам измерения и вместе с тем необходимо обеспечить широкий динамический диапазон линейности характеристик. Как показано на принципиальной схеме микросистемы ML38H, питание фотодиода осуществляется напряжением, контролируемым входом V_dd микросхемы DS 2438 (выход интегрального стабилизатора U1 подключаемый перемычками JMP1 и JMP2), а в качестве нагрузки в этой цепи используется последовательное соединение резисторов R2 и R3 (см. принципиальную схему). При таком включении результирующий ток I в цепи фотоприемника можно представить в виде суммы фототока I_Ф и темнового тока фотодиода I_T: I = I_T + I_Ф.

Если темновой ток фотодиода пренебрежимо мал (для используемого типа фотоприемника 0,005 мкА при 25С) по сравнению с фототоком (при больших уровнях освещенности), им можно пренебречь и считать выходной сигнал пропорциональным освещенности датчика. Необходимо, однако, помнить, что темновой ток сильно зависит от температуры фотодиода (возрастает в примерно в 2-2,5 раза при увеличении температуры на 10°С) и «возраста» фотодиода. Поэтому программное обеспечение, сопровождающее микросистему ML38H, должно учитывать этот факт с целью устранения дополнительной погрешности при контроле уровня освещенности.

Любой полупроводниковый фотоприемник характеризуется спектральной характеристикой, под которой понимается зависимость токовой чувствительности фотодиода от длины волны падающего на него излучения. Для использованного в устройстве ML38H фотодиода ФД256 она ограничена длинами волн 0,4 и 1,1 мкм и имеет максимум при длине волны ~ 0,8 мкм. Интегральная токовая чувствительность S определяется как чувствительность фотодиода при облучении его белым светом.

Поэтому следует учитывать, что показания прибора ML38H будут зависеть также от спектрального состава падающего на его фотоприемный канал излучения. Таким образом, все выше перечисленные положения определяют необходимость строго индивидуального подхода в каждом случае контроля параметра уровня освещенности. Как видно из приведенных формул наиболее рациональным способом коррекции показаний по каналу освещенности является варьирование номинала резистивного шунта R2+R3. Однако, значение его сопротивления для различных случаев применения может меняться в достаточно широком диапазоне, не подтвержденном соответствующим широким динамическим диапазоном аналого-цифрового входа V_s микросхемы DS 2438.

Учитывая все выше описанное, каждый прибор ML38H при изготовлении комплектуется по умолчанию резистивным шунтом R2 с номиналом 24 КОм, последовательно с которым включен подстроечный резистор R3 марки СП3-19А номиналом 3,3 КОм. Варьируя сопротивление этого резистора, пользователь получает возможность дополнительной регулировки диапазона канала уровня освещенности в пределах ~12%. Однако, пользователь также может самостоятельно подобрать номинал резисторов R2 и R3 для своего конкретного случая эксплуатации. При этом следует ориентироваться на индивидуальный максимум уровня освещенности, при котором падение на последовательном соединении резисторов R2 и R3 должно составлять 250 мВ. При выборе марки резистора R2 следует учитывать, что от его стабильности зависит дополнительная приведенная погрешность канала контроля уровня освещенности. Поэтому предпочтительнее использовать резисторы, отличающиеся высокой стабильностью характеристик. Например, С2-29 или аналогичные. Если же возможность оперативной коррекции значения максимума уровня освещенности, контролируемой микросистемой ML38H, является приоритетной перед точностью, следует закоротить R2, и использовать в качестве основного резистора шунта подстроечный резистор R3 соответствующего номинала (учитывая, что максимальный номинал стандартного ряда сопротивлений подстроечных резисторов типа СП3-19А соответствует 1 МОм).

Для обслуживания устройства ML38H может быть использован любой ведущий (мастер) 1-Wire-сети, выполненный в соответствии с положениями, изложенными в основополагающем документе «iButton and MicroLAN Standards» или русскоязычной статье «MicroLAN. Новая концепция построения 1-проводной сети».

К таким устройствам, прежде всего, относятся адаптеры 1-Wire-линии для периферийных портов персональных компьютеров PC типа DS9097E, DS9097U (различных модификаций), DS1410, производства Dallas Semiconductor Corp., а также приборы типа ML97U-009 и ML97G, изготовляемые НТЛ ЭлИн.

Все эти устройства поддерживаются свободно распространяемым отладочным программным пакетом iButton-TMEX Viewer (версия не ниже 3.20b) и профессиональным программным пакетом разработчика iButton-TMEX SDK (от Dallas Semiconductor Corp.), а также оригинальным пакетом ML_Log (от НТЛ ЭлИн).

Рисунок 70 – Программа ML_Hygro

Программа ML_ Hygro осуществляет визуализацию в цифровой и аналоговой форме любого из параметров, регистрируемых ML38H, которые подключены к персональному компьютеру, а также позволяет выводить на экран монитора временную развертку по каждому из параметров, и архивировать собранную измерительную информацию.

 

Заключение

О признании 1-Wire-шины в качестве международного стандарта и серьезности отношения к этому интерфейсу со стороны маститых разработчиков и производителей электроники говорят многочисленные факты. Например, нет практически ни одного универсального микроконтроллера, в литературе по применению которого не обсуждались бы способы организации на его базе мастера 1-Wire-линии.

Технология 1-Wire-сетей применяется в таких областях как:

· Автоматизация;

· Метеостанции;

· Многоточечные системы контроля температуры;

· Умный дом (Home Automation);

· Идентификация и защита электронных изделий;

· Менеджмент автономных источников энергии;

· Ограничения и сопряжение с промышленными и глобальными сетями.

В заключении необходимо еще раз отметить безусловную эффективность и рациональность использования технологии 1-Wire при построении систем автоматизации контроля и управления для разнообразного рассредоточенного оборудования, когда не требуется высокая скорость при обслуживании, но необходима существенная гибкость и наращиваемость при не высоких затратах на реализацию.

 

Список использованных источников

1 Замятин В.И., Комбаров В.В. Интерфейсы компьютера: Учебно-методическое указание для студентов специальности «Информационно-измерительная техника и технологии». – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2004. – 49 с.

2 Замятин В.И., Комбаров В.В. Измерительно-вычислительный комплекс на основе компьютера: Учебно-методическое указание для студентов специальности «Информационно-измерительная техника и технологии». – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2004. – 49 с.

3 Павел Агуров. Интерфейс USB. Практика использования и программирования (+ CD-ROM): Изд-во БХВ-Петербург, ISBN 5-94157-202-6; 2006 г.

4 Скотт Мюллер. Модернизация и ремонт ПК (+ CD-ROM).Переводчик И. Тарабров, Издательство: Вильямс,ISBN 978-5-8459-1668-6, 978-0-78973-954-4; 2011 г.

5 Дж. Смит. Сопряжение компьютеров с внешними устройствами. Уроки реализации. Переводчики В. Матвеев, В. Матвеев, Издательство: Мир,ISBN 5-03-003371-8, 0-7506-4474-5; 2000 г.

6 MicroLAN. Новая концепция построения 1-проводной сети. - Перевод на русский статьи альманаха "Перспективные изделия, Выпуск 2", дублирующей предыдущий документ (Издательство ДОДЭКА, 1996г (стр.23-42), Русск.), 472K, 06.05.00

7 Основы построения сетей MicroLAN. - Способы организации сложных разветвленных сетей MicroLAN. (Н. Ракович, "ChipNews. Новости о микросхемах", №6, 2000г, Русск.), 76К, 21.11.00

8 http://www.elin.ru/

9 http://barnaul.dns-shop.ru/

10 http://microsin.ru/content/view/508/44/

11 http://we.easyelectronics.ru/electro-and-pc/ft232-kak-podruzhit-1-wire-s-kompom.html