Kurseinheit 6 06.09 - darc.de · Ersetze den LDR durch einen NTC und passe durch Beobachtung der ... 30 3776,7 3561,2 3992,2 105 284,14 245,9 322,38. Spaß an Technik: Elektronik

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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner

Kurseinheit 6 06.09.2012

1. Elektronik Halbleiterwiderstände Lichtabhängiger Widerstand (LDR)

Temperaturabhängiger Widerstand (NTC)

3. Software Analog-Library Programm AnalogLDR1 Programm AnalogLDR2

Axel Schultze, DK4AQ, Email: [email protected]

0. Vorstellung der Ferienprojekte der Teilnehmer

2. Mikrorechnertechnik Prinzip eines D/A-Wandlers Prinzip eines A/D-Wandlers Der A/D-Wandler des ATmega328

4. Anhang Datenblatt Temperatursensor Datenblatt Lichtsensor

DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 2

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ElektronikBauteile,Theorie, Formeln...



Halbleiter-Widerstände

Aus Halbleitermaterial lassen sich Widerstände bauen, die ihren Widerstand abhängig von physikalischen Größe verändern. Diese Widerstände eignen sich gut als Sensoren. Beispiele sind :

1.Temperaturabhängige Widerstände (NTC)2. Lichtempfindliche Widerstände (LDR)3. Spannungsabhängige Widerstände (VDR)

Widerstände 1. und 2. beruhen auf dem Prinzip, dass durch äußere Energiezufuhr (Licht, Wärme) aus einem Halbleitergitter mit schlechter Leitfähigkeit Elektronen aus ihrem festen Verbund herausgeschlagen werden und dann als freie Elektronen die Leitfähigkeit verbessern. Je mehr Energie zugeführt wird, desto besser leitet der Halbleiterwiderstand.

Si Si Si Si

+

Si Si Si Si

+

Energie

ElektronenstromLöcherstrom



Bauelement Lichtabhängiger Widerstand LDR (Light Dependent Resistor)

Quelle: Wikipedia

Quelle:Reichelt, www.reichelt.de,Perkin Elmer, A 906009

Bauformen: vergossen und offen

Schaltbild

Iv (Lichtstrom)

VT82N1:Dunkelwiderstand: > 100kOhmWiderstand bei 2fc (~20lx): typ. 6KOhmWiderstand bei 10lx: typ.12kOhm

Kurvenauswahl:1. Suche 2fc-Wert aus Tabelle2. Zeichne den Widerstand in die Kurve ein3. Zeichne Kurve durch den Punkt und parallel zur Linie mit dem geringsten Abstand

2fc

6k

1 footcandle (fc) = 10.76391 lux



Bauelement Temperaturabhängiger Widerstand NTC(Temperature Dependent Coefficient))

Schaltbild NTC

ϑ- (Temperatur)

-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 800

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

Epcos Heißleiter K164 4.7 K Ω K164 Ordering Code B57164K472J

Temparatur in Grad Celsius

Wid

ers

tan

d in

Oh

m

NTC-Widerstände werden auch als Heissleiter bezeicnet. Der Kuvenverlauf ist nichtlinear und die Fertigungstoleranz ist erheblich. Man kann für Meßzwecke selektierte Toleranzklassen bekommen.

Quelle Voelkner-Katalogwww.voelkner.com

Quelle:www.conrad.de

Kurve erstellt mit Tabellenkalk. aus http://www.epcos.de/web/generator/Web/Sections/DesignSupport/Tools/


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Wie funktioniert ein D/A – Wandler ?

Es gibt mehrere Arten von A/D-Wndlern. Ein sehr häufig verwendeter Typ basiert auf einem D/A-Wandler. Der ist relativ einfach auch in integrierten Schaltungen realuisierbar.

Quelle: H.Lohninger, www.vias.org/mikroelektronik/da_converter.html

Über die gestrichelten Leitungen wird ein Binärzähler ange-schlossen, der immer ab Null höchläuft. Das Widerstands-Netzwerk ist so dimensioniert, das beim Zuschalten eines Zweiges sich die Ausgangs-spannung um einen der Wertigkeit des geschalteten Binärbits entsprechenden erhöht. Die Summe der Spannungen am Ausgang entspricht der Addition der Binär-Wertigkeiten der einge-schalteten Zweige. Mit dieser Anordnung wird also bei Ver-wendung eines Zählers treppen-förmig die Spannung hochlaufen.



Quelle: H.Lohninger, http://www.vias.org/mikroelektronik/adc_succapprox.html

Wenn man einen D/A-Wandler zur Verfügung hat, so lässt sich mit Hilfe eines analogen Vergleichers leicht ein A/D-Wandler darstellen. Es wird lediglich ein analoger Vergleicher (Comparator) benötigt und ein Zähler samt Steuerung. Wenn der Zähler von Null aus hochzählt, überschreitet die Ausgangsspannung des D/A-Wandlers irgendwann die Eingangsspannung. Dann wird der Komparator dieses erkennen und ein digitales Ausgangssignal erzeugen. Dieses Ausgangssignal hält den Zähler an. Der Zählerstand ist dann das Eregbnis der Wandlung.

Zur Erlangung eines schnelleren Ergebnisses kann man anstelle des einfachen Zählers auch ein etwas komplizierteres Verfahren nutzen. Man zählt erst die hochwertigen Bits des Zählers hoch bis der Vergleicher anzeigt: „zu hoch“. Nun nimmt man 1 Bit zurück und lässt von dem Stand aus die niederwertigen Bits weiterzählen bis der Vergleicher sagt „zu hoch“ und so weiter. („Suzessive Approximation“)

Wie funktioniert ein A/D-Wandler ?



Der A/D-Wandler der Atmega328-Controllers (1)

Gesamtschaltung zur Übersicht

Quelle: Datenblatt Atmega328www.atmel.com




Zähler undAblaufsteuerung

VergleicherD/A-Wandler

DigitaleAusgangs-Werte Zähler

Referenz-Spannungen

AnalogeEingangsspannung

Zähler undAblaufsteuerung

VergleicherD/A-Wandler

DigitaleAusgangs-Werte Zähler

Referenz-Spannungen

AnalogeEingangsspannung

Ausschnitt A/D-Wandler




Dem Eingang des A/D-Wandlers ist einanaloger Umschalter (Mutiplexer) vor-gesetzt. Dadurch lassen sich nachein-ander bis zu 8 Analogeingänge an den Wandler schalten. Die Auswahl ist über ein Steuerregister im Prozessor möglich und wird bei Arduino z.B. durch die Analog-Library gesteuert.Zusätzlich ist auf dem 9. Eingang ein interner Temperatursensor vorgesehen.

Digitales Auswahl-Signal

AnalogesSignal zum A/D-Wandler

8 Analog-Eingänge

AusschnittMultiplexer

Eingebauter Sensor auf dem Chip zur Temperatur-messung



Eigenschaften des ATmega328-Wandlers


Spaß an Technik: Software

Anschluß von Widerstandssensoren an Arduino Nano

Arduino kann die verfügbaren Analog-Eingänge A0 bis A7 einlesen. Die Wandler erwarten eine Spannung zwischen 0 und 5V. Dieser Wert kann falls gewünscht auf 3,3V gelegt werden (externe Verbindung der Pins REF und 3,3V).

0...Uref → 0...1023



Der SpannungsteilerWenn man eine Widerstands-änderung mit einem Analog/ Digitalwandler messen will, dann kann man am besten einen Spannungs-teiler verwenden. Einer der Widerstände ist fest, der andere ist der veränderliche Widerstand.

UB

Iq

R1

R2

U1

U2

UA

U = R * IIq = U

B / (R1+R2)

UA= U

2 = I

q * R1

UA = U

B * R1 / (R1 +R2)

Der Spannungsteiler teilt die EingangsspannungIm Verhältnis R2 / (R1 + R2). Wenn R2 sich also verändert und die Eingangsspannung konstant bleibt, dann ändert sich die Ausgangsspannung abhängig vom Widerstand R2 nach der beschriebenen Formel.


Dimensionierung der Widerstände

Die Analogeingänge des ATmega328 haben folgende Eigenschaften:

Der interne Pull-Up-Widerstand Rp beträgt 20...50 kΩ. Der interne Pull-Up-Widerstand kann durch Beschreiben des Eingangs (!) mit LOW abgeschaltet werden ! Der Eingangsstrom ohne Pull-Up beträgt maximal 1 µA. Für schnelle Wandlungen beträgt Ri dynamisch nur 1 kΩ !

Der interne Pull-Up-Widerstand Ru sollte abgeschaltet sein, da er tendenziell die Linearität verändert und durch seine hohe Toleranz einen ungünstigen Einfluss hat. Arduino hält den Widerstand bei AD-Eingängen abgeschaltet.

Bei langsamen Messungen sollte der Strom durch den Spannungsteiler ca. 10-100 mal größer sein als der max. Eingangsstrom (Leckstrom).

Bei schnellen Wandlungen (Auswertung von Signalen mit der maximalen Wandlungsrate ) sollte der Strom durch den Spannungsteiler wesentlich größer sein und damit der Gesamtwider- stand des Spannungsteiles wesentlich kleiner. Durch den hohen Stromfluss besteht die Gefahr der Erwärmung des Sensors . Evtl ist hier eine aktive Verstärkung notwendig.

Anhang: Beschaltung mit Widerständen



Programmierung, Strukturen, Werkzeuge...

Software



Programme

AnalogLDR1:Ein Widerstandssensor in einer Spannungsteilerschaltung soll über den A/D-Wandler eingelesen werden. Überschreitet die Helligkeit eione bestimmte Schwelle soll eine LED agesteuert werden. Man beachte die Richtung der Spannungsänderung !

AnalogLDR2:Bei Erhöhung der Helligkeit soll oberhalb der ersten Schwelle erst eine grüne LED, nach überschreiten einer zweiten Schwelle zusätzlich eine gelbe LED und bei weiter zunehmender Helligkeit eine dritte rote LED eingeschaltet werden.

AnalogLDR3:Bei Erhöhung der Helligkeit soll oberhalb der ersten Schwelle erst eine grüne LED eingeschaltet werden, nach Überschreiten einer zweiten Schwelle eine gelbe LED eingeschalter und die grüne LED wieder ausgeschaltet werden. Bei weiter zunehmender Helligkeit soll eine dritte rote LED eingeschaltet werden und die gelbe LED wieder ausgeschaltet werden..



Aufbauvorschlag für AnalogLDR1



Schaltung für AnalogLDR1



Symbolische Konstante für A1 als Analog-Eingang

Festlegung von A1 als Analog-Eingang

AnalogLDR1(1)



Einlesen von Analog-Eingang A1

Wenn LDR dunkel, dannLED AUS (LED lietgt gegen +5V)

Einlesen von Analog-Eingang A1

Wenn LDR hell, dannLED EIN (LED lietgt gegen +5V)

AnalogLDR1(1)



Schaltung für AnaloLDR2 und AnalogLDR3



Initialisieren der LED-Ausgänge

Symbolische Konstanten für LED-Pins

Symbolische Konstanten für Helligkeitsschwellen

AnalogLDR2(1)



LDR-Wert einlesen

Rote LED Ein wenn SpannungswertKleiner ROTSCHWELLE (sehr hell)

Gelbe LED Ein wenn SpannungswertKleiner GELBSCHWELLE (mittelhell)

Rote LED Ein wenn SpannungswertKleiner ROTSCHWELLE (dunkel))

AnalogLDR2(2)



Eigene Aufgabe AnaloLDR3:

Wie muss das Programm AnalogLDR2 geändert werden, wenn jeweils nur ein der drei LEDs gleichzitig brennen soll ?

GR

UE

NS

CH

WE

LL

E

GE

LB

SC

HW

EL

LE

RO

TS

CH

WE

LL

E

LEDrot

LEDgelb

LEDrot

LEDgrün

Helligkeit

Ein

Aus

Ersetze den LDR durch einen NTC und passe durch Beobachtung der Spannungswerte über den Serial Monitor die Schwellen so an, dass der NTC durch Handerwärmung alle 3 Stufen durchläuft.



Komplexe Bedingungen

Verzweigungen und Loops werden durch Bedingungen gesteuert.

If ( a == b).... Wenn a gleich b ist dann....If (a != b).... Wenn a ungleich b ist dann....If (a > b).... Wenn a größer als b ist.....If (a < b).... Wenn a kleiner als b ist.....If (a >= b).... Wenn a größer oder gleich b ist dann....If (a <= b).... Wenn a kleiner oder gleich b ist dann.....If (a & b)..... Wenn das Bitmuster a verUNDet mit dem Bitmuster b gleich 0 ist dann..... If (a | b)...... Wenn das Bitmuster a verODERt mit dem Bitmuster b gleich 0 ist dann.....

Es sind auch Verknüpfungen von Bedingungen möglich:

If ((a >b) && (a <= c)).... Wenn a größer als b ist UND a kleiner oder gleich c ist dann.....If ((a == c) || (d)).... Wenn a gleich c ist ODER d größer als Null ist....

(z.B. Digitaleingang)...

Ergebnisse von Bedingungen können wahr (1) oder falsch (0) sein. Daher werden Rechenoperationen für 1-bit-Größen verwendet : UND &&, ODER ||, NICHT !, XOR ^ Achtung! Typische Fehlerquelle, & bedeutet eine bitweise VerUNDung eines Wortes !



AnhangDatenblätter



T[°C]

R nom [Ohm]

R min [Ohm]

R max [Ohm]

T[°C]

R nom [Ohm]

R min [Ohm]

R max [Ohm]

-25 58126 50535 65716 50 1708,8 1570 1847,6

-20 43406 38147 48665 55 1418,6 1295,4 1541,8

-15 32937 29245 36629 60 1183,9 1074,7 1293,1

-10 25217 22611 27824 65 993,4 896,53 1090,3

-5 19392 17551 21234 70 837,47 751,53 923,42

0 15040 13733 16347 75 709,2 632,91 785,5

5 11743 10815 12672 80 603,16 535,36 670,95

10 9241,1 8579,9 9902,4 85 514,54 454,3 574,79

15 7330,3 6859 7801,6 90 440,61 387,02 494,21

20 5855 5519,7 6190,4 95 379,59 331,74 427,45

25 4700 4465 4935 100 328,26 285,46 371,06

30 3776,7 3561,2 3992,2 105 284,14 245,9 322,38

35 3071,3 2876,6 3266 110 246,74 212,52 280,96

40 2512,4 2337,7 2687,2 115 214,98 184,31 245,65

45 2066,4 1910,4 2222,4 120 187,87 160,34 215,4

125 164,42 139,71 189,14

EPCOS NTC 4k7 K164Widerstand abhängig von Temperatur

Quelle:http://www.epcos.com/designtools/ntc/



-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 800

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

Epcos Heißleiter K164 4.7 K Ω K164 Ordering Code B57164K472J

Temparatur in Grad Celsius

Wid

ers

tan

d in

Oh

m



2fc

6k

1 footcandle (fc) = 10.76391 lux

VT82N1:


Dimensionierung Widerstände

Die Analogeingänge des ATmega328 haben folgende Eigenschaften:

Der interne Pull-Up-Widerstand Rp beträgt 20...50kΩ. Der interne Pull-Up-Widerstand kann durch Beschreiben des Eingangs (!) mit LOW abgeschaltet werden ! Der Eingangsstrom ohne Pull-Up beträgt maximal 1µA. Für schnelle Wandlungen beträgt Ri dynamisch nur 1kΩ !

Der interne Pull-Up-Widerstand Ru sollte abgeschaltet werden, da er tendenziell die Linearität verändert und durch seine hohe Toleranz einen ungünstigen Einfluß hat.

Bei langsamen Messungen sollte der Strom durch den Spannungsteilern ca. 10-100mal größer sein als der max. Eingngsstrom (Leckstrom).

Bei schnellen Wandlungen (Auswertung von Signalen mit der maximalen Wandlungsrate ) sollte der Strom durch den Spannungsteile wesentlich größer sein und damit der Gesamtwider- stand des Spannungsteiles wesentlich kleiner. Durch den hohen Stromfluss besteht die Gefahr der Erwärmung des Sensors . Evtl ist hier eine aktive Verstärkung notwendig.

Langsame Signalauswertung:Bei einer Spannung von UB = 5V und einem max. Eingangsstrom von 5V sollte in die Summe Ru und Rv nicht größer als ca. 50...500k sein.

Anhang: Beschaltung mit Widerständen


Spaß an Technik: Ferienaufgaben

Empfehlenswerte Quellen zum Nachlesen

http://www.vias.org/mikroelektronik/index.html

Angewandte Mikroelektronik, Das vorliegende elektronische Buch "Mikroelektronik" wurde von H. Lohninger als „Unterrichtsmaterial für diverse Lehrveranstaltungen an Universitäten und Fachhoch-schulen entwickelt und geschrieben. Die nun der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellte online-Version ist naturgemäß gegenüber dem eigentlichen eBook deutlich einge-schränkt, sollte aber dennoch genügend Material bieten, um den Studierenden wie auch den Lehrenden einen ausreichenden Grundstock an Lehr- und Lernunterlagen zur Verfügung zu stellen. „

Eine sehr klare gut lesbare Darstellung von Verfahren und Funktionsgruppen. Auch als eBook. Zu empfehlen !


Ende

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