Меню

Диапазоны напряжения для аналоговых входов

Аналоговые входы микроконтроллера

Микроконтроллеры для начинающих Что нужно для того, чтобы стать профессиональным разработчиком программ для микроконтроллеров и выйти на такой уровень мастерства, который позволит с лёгкостью найти и устроиться на работу с высокой зарплатой (средняя зарплата программиста микроконтроллеров по России на начало 2017 года составляет 80 000 рублей). Подробнее.

Почти все модели современных микроконтроллеров, даже простые и недорогие, такие как ATtiny13A, имеют возможность подключения аналоговых сигналов, то есть имеют аналоговые входы.

В старых микроконтроллерах могло и не быть аналоговых входов. А если и были, то обычно они выполнялись в виде отдельных выводов на корпусе микроконтроллера.

Современные микроконтроллеры обычно имеют линии ввода-вывода общего назначения, которые становятся либо дискретными входами или выходами, либо аналоговыми, в зависимости от программной конфигурации устройства.

Чем отличаются аналоговые входы от дискретных?

Для начала вспомним, что дискретный — это прерывистый сигнал. То есть сигнал, который имеет какое-то фиксированное число значений.

Аналоговый же сигнал — это непрерывный сигнал. То есть сигнал, значение которого изменяется плавно (см. рис.).

Аналоговый и дискретный сигналы

Красным цветом изображён аналоговый сигнал. Это может быть напряжение, температура, давление или любая другая физическая величина.

Если провести аналогию с лампочкой, как мы это сделали при изучении дискретных входов, то можно сказать так:

  1. При подаче дискретного двоичного сигнала на вход лампочка либо гаснет, либо зажигается.
  2. При подаче и изменении аналогового сигнала на вход лампочка плавно меняет свою яркость свечения.

Как мы знаем, микроконтроллер может работать только с электрическими сигналами. Более того, архитектура микроконтроллера использует двоичные числовые значения.

Поэтому, чтобы измерить с помощью микроконтроллера, например, температуру, нам сначала потребуется преобразовать её в электрический сигнал. Например, в напряжение.

А потом ещё значение этого напряжения надо как-то преобразовать в двоичное число. Забегая вперёд, скажу, что это делается с помощью АЦП.

Что такое аналоговый вход

Аналоговый вход микроконтроллера — это вход, на который можно подавать аналоговый сигнал. То есть определённый вывод на корпусе микроконтроллера, к которому можно можно подключить датчик, на выходе которого имеется аналоговый сигнал.

В качестве простейшего такого датчика может быть, например, обычный резистивный делитель напряжения. Или переменный резистор, как показано на рисунке ниже:

Аналоговый сигнал

В этом примере на выходе резистора будет аналоговый сигнал в виде плавно изменяющегося напряжения в диапазоне от 0 до +U В.

Подобные резистивные датчики можно использовать, например, как датчики положения задвижек. Если установить такой резистор на задвижку и откалибровать её положение по крайним значениям (например 0 В — задвижка полностью закрыта, а +U В — задвижка полностью закрыта), то, снимая показания с такого датчика, можно определить процент открытия (закрытия) задвижки, если знать закон изменения сопротивления переменного резистора (обычно сопротивление изменяется по линейному закону или близко к этому).

Типы аналоговых входов

Пожалуй, говорить о типах аналоговых входов неинтересно. Потому что нас больше интересуют типы аналоговых сигналов.

Существуют определённые стандарты для аналоговых сигналов. Созданы они для того, чтобы разработчикам было проще создавать устройства и системы, использующие аналоговые датчики.

Наиболее распространены два вида аналоговых сигналов:

  1. Токовые сигналы
  2. Сигналы напряжения

По диапазону значений на выходе датчика они также отличаются. Основные диапазоны следующие:

  • Токовые:
    • 0. 5 мА
    • 0. 20 мА
    • 4. 20 мА
  • Напряжения:
    • 0. 0,01 В
    • 0. 1 В
    • 0. 10 В

Поэтому практически все устройства, рассчитанные на подключение аналоговых датчиков, поддерживают один или несколько из перечисленных выше типов аналоговых сигналов.

Если вы будете создавать свои устройства на микроконтроллерах, то я также советую вам придерживаться этих стандартов. Хотя, конечно, никто не может запретить вам использовать нестандартные диапазоны и типы аналоговых сигналов.

Также надо учитывать, что все аналоговые входы микроконтроллера имеют и другие характеристики, такие как входное сопротивление. Но так глубоко в электронику в этой статье мы не полезем — всё таки она рассчитана на начинающих.

Читайте также:  Определите силу тока проходящего через лампу накаливания если напряжение

Подключение аналоговых входов

Здесь ничего сложного нет. И это уже электроника, а не устройство микроконтроллера, и тем более не программирование.

Но всё же немного об этом рассказать надо.

К аналоговым входам обычно подключают устройства двух типов:

  1. Активные датчики — датчики со стандартным аналоговым выходом (см. выше).
  2. Пассивные датчики.

С активными датчиками проще. Если выбранный вами микроконтроллер это позволяет, то выход такого датчика можно напрямую (или через простой резистивный делитель) подключить к аналоговому входу микроконтроллера.

С пассивными датчиками сложнее, потому что они пассивные )))

То есть на выходе таких датчиков не какого-либо активного сигнала (ни тока, ни напряжения, ни частоты).

Например, термопреобразователи сопротивления — довольно широко распространённые в автоматизации датчики температуры, изменяют своё сопротивление, как вы понимаете, в зависимости от температуры.

Однако микроконтроллер не умеет измерять сопротивление. И чтобы его этому научить, надо каким-то образом пассивный сигнал сделать активным. Один из простейших способов (но не самый лучший) показан на рисунке ниже:

Подключение аналоговых входов

Здесь мы видим простой резистивный делитель, одним звеном которого (на рисунке — нижним) является термосопротивление. Так как его сопротивление будет изменяться вместе с температурой, то и напряжение на аналоговом входе микроконтроллера тоже будет меняться. Эти изменения мы и можем зафиксировать и преобразовать уже программно в значение температуры (зная зависимость термосопротивления от температуры, и рассчитав напряжение на аналоговом входе).

Повторюсь — это не лучший способ. И не со всеми микроконтроллерами и не со всеми термосопротивлениями такой трюк можно проделать. Но зато это простой способ.

Для тех, кто ещё не понял, объясняю: таким нехитрым способом, как показано на рисунке, мы превратили пассивный датчик в активный. То есть преобразовали сопротивление в напряжение.

Ну а как преобразовать это напряжение в температуру — это уже отдельная история.

Источник



Входы и выходы контроллера ПЛК, дискретные и аналоговые

Входы и выходы — базовое понятие любого контроллера. Это может быть промышленный контроллер (Beckhoff, Овен, Siemens, ABB), специальный контроллер для системы Умный Дом (Larnitech, Wiren Board, EasyHomePLC, Evika) или распределённая система KNX или HDL. В любой системе есть элементы типа «дискретный вход», «дискретный выход», «аналоговый вход», «аналоговый выход».

Поскольку для расчёта системы и вообще понимания того, откуда берётся её стоимость, очень важно знать разницу между входами и выходами, расскажу подробнее о них.

Входы контроллера

Вход — это клемма для подключения какого-либо источника сигнала, который передаёт информацию в контроллер. Какие могут быть источники сигнала?

Выключатель — это источник сигнала. Сигнал может быть либо «нажато» либо «не нажато». То есть, либо логический ноль, либо логическая единица.

Тут мы переходим к понятию того, что вход и выход может быть дискретным (бинарным или цифровым его могут называть) или аналоговым. Дискретный — значит, воспринимающий либо единицу, либо ноль. Выключатель подключается к дискретному входу, так как он либо нажат, либо не нажат, других вариантов нет.

Дискретный вход может либо ожидать появления какого-то напряжения, либо замыкания входа на землю. Например, контроллер ОВЕН ПЛК воспринимает как логическую единицу появление на входе напряжения от +15 до +30 вольт. А контроллер WirenBoard ожидает, что на входе появится земля (GND). В первом случае на выключатель надо подать +24В, чтобы при нажатии кнопки на вход контроллера пришли +24 вольта, во втором — на выключатель подаём общий минус (землю) с того же модуля входов, при нажатии она придёт на контроллер.

Читайте также:  Максимально допустимые значения отклонения напряжения

Датчик движения также подключается к дискретному входу контроллера. Датчик либо подаёт сигнал о том, что движение есть, либо о том, что движения нет. Вот схема подключения датчика Colt XS:

Два левых контакта — напряжение питания датчика, +12 вольт. Два средних контакта — тревожный контакт, он нормально-замкнут. То есть, если движения нет, то N и С замкнуты, если движение появляется, то N и С размыкаются. Так сделано для того, чтобы если злоумышленник перережет провод датчика или повредит датчик, то цепь разорвётся, что приведёт к сработке сигнализации. Если на датчик не подавать питание, то N и С также будут разомкнутыми.

В случае с контроллерами Овен, Beckhoff и большинством других контроллеров, нам надо подать на один из контактов датчика +24 вольта, а другой подключить ко входу контроллера. Если контроллер видит на входе +24В, то есть, логическую единицу, то всё в порядке, движения нет. Как только сигнал пропадает, значит, датчик сработал. В случае с контроллером, который детектирует не напряжение, а землю (как в Wirenboard), мы подключаем N к общему минусу контроллера, С так же к его входу.

Контакты Т датчика — это тампер, датчик вскрытия корпуса. Они также нормально замкнуты, размыкаются при вскрытии корпуса датчика. Такие контакты есть у многих элементов охранных систем. Для датчиков охранной сигнализации тампер можно подключить последовательно клеммам сработки, для датчиков на включение света можно вообще не подключать тампер.

Датчик протечки воды также подключается к дискретному входу. Принцип тот же — при отсутствии протечки с датчика приходит сигнал. Нужно по каждому датчику смотреть по инструкции, замкнут он в случае протечки или разомкнут.

Аналоговый вход контроллера видит не просто наличие или отсутствие сигнала, он видит величину сигнала. Универсальный аналоговый сигнал — это от 0 до 10 вольт постоянного тока, такой сигнал даёт множество разных датчиков. Либо от 1 до 10 вольт. Есть ещё токовый сигнал — от 4 до 20 миллиампер. Почему не от ноля, а от 1 вольта или 4 миллиампер? Чтобы понимать, работает ли вообще источник сигнала. Если датчик с выходным сигналом 1-10 вольт выдаёт 1 вольт, значит, это соответствует минимальному уровню измеряемой величины. Если 0 вольт — значит, он выключен или сломан, а может, провод оборван.

Датчики температуры могут выдавать от 0 до 10 вольт. Если по паспорту датчик измеряет температуру в диапазоне от 0 до +50 градусов, значит, сигнал 0 вольт соответствует 0 градусов, сигнал 5 вольт соответствует +25 градусов, сигнал 10 вольт соответствует +50 градусов. Если датчик измеряет температуру в диапазоне от -50 до +50 градусов, то 5 вольт от датчика соответствуют 0 градусов, а, скажем, 8 вольт от датчика соответствуют +30 градусам.

То же с датчиком влажности или освещённости. Смотрим диапазон измерения параметра, смотрим выходной сигнал и можем получить точную измеряемую величину.

То есть, аналоговый вход измеряет величину сигнала: ток или напряжение. Многие датчики выпускаются в разных модификациях: с выходом по току или по напряжению. Если нам для системы надо найти какой-то редкий датчик, например, уровня определённого газа в воздухе, то, скорее всего, у него будет выход либо 0-10В, либо 4-20мА. У более продвинутых — интерфейс RS485, о нём чуть позже.

Датчики угарного газа, природного газа (метана) и пропана обычно имеют дискретный выход, то есть, подключаются к дискретному входу контроллера и подают сигнал, когда значение измеряемой концентрации газа становится опасным. Датчики уровня углекислого газа или кислорода дают аналоговое значение, соответствующее уровню газа в воздухе, чтобы контроллер сам мог принимать решение о каком-то действии.

Выходы контроллера

Выходы — это клеммы, на которые сам контроллер может подать сигнал. Контроллер подаёт сигнал, чтобы чем-то управлять.

Читайте также:  Трансформатор напряжения схема электрическая принципиальная

Дискретный выход — это выход, на который контроллер может подать либо логический ноль, либо логическую единицу. То есть, либо включить, либо выключить.

Свет без регулировки яркости подключается к дискретному выходу.

Электрический тёплый пол — тоже к дискретному выходу.

Клапан перекрывания воды, или электрическая розетка, или вентилятор вытяжки, или привод радиатора — они подключаются к дискретным выходам контроллера.

В зависимости от конкретного модуля дискретных выходов выход может быть либо транзисторным (открытый коллектор), то есть, требующим реле для управления каким-то мощным прибором, либо релейным, то есть, к нему сразу можно что-то подключить. Надо смотреть характеристики выхода — коммутируемое напряжение и ток. Важно понимать, что если написано, что выход коммутирует 230 вольт 5 ампер резистивной нагрузки, то это относится только к лампочке накаливания. Светодиодная лампа — надо делить ток на десять. Блоки питания и электромоторы тоже далеко не резистивная нагрузка.

Выход типа «открытый коллектор» не позволяет подключать на него нагрузку, только реле. Надо смотреть, чтобы коммутационные возможности выхода соответствовали току и напряжению катушки реле.

Аналоговый выход — клемма, на которую контроллер может подать сигнал не только включено-выключено, но определённое значение управления. Это те же 0-10 (или 1-10) вольт, либо 4-20 миллиампер. Далее на этот управляющий сигнал мы подключаем либо диммер освещения, либо регулятор скорости вращения вентилятора либо что-то ещё, имеющее соответствующий вход.

Управление освещением — это силовой диммер, который в зависимости от сигнала 0-10 вольт с контроллера даёт на выходе от 0 до 230 вольт переменного тока для питания ламп накаливания или диммируемых светодиодных ламп.

Для светодиодных лент используется ШИМ-диммер (или ШИМ-драйвер или блок питания с диммированием), он по сигналу 0-10 либо 1-10 вольт с контроллера подаёт на ленту широтно-импульсно модулированный сигнал для диммирования. Подробнее про ШИМ у меня написано здесь.

Для вентиляторов используется тиристорный регулятор, часто также со входом 0-10 вольт.

Интерфейсы контроллера

У любого контроллера есть разные интерфейсы связи, которые определяют, с какими устройствами он может общаться. Интерфейсы связи обычно двухсторонние, то есть, контроллер может передавать на них информацию и получать информацию о состоянии.

Интерфейс Ethernet — это подключение к компьютерной сети и интернету для управления с мобильного приложения или общения с другими контроллерами. Аналогично интерфейс Wi-Fi.

Интерфейс RS-485 Modbus — самый распространённый для связи с разной техникой. Это кондиционеры, вентмашины, различные датчики и исполнительные устройства, модули расширения и много чего ещё.

RS-232 это интерфейс с маленькой дальностью линии. Обычно это, например, GSM модемы.

KNX — интерфейс связи с шиной KNX, на которой может находиться очень много устройств всех видов.

Получаем такую сводную картинку по входам и выходам контроллера:

Пример

Возьмём для примера контроллер системы Умный Дом EasyHomePLC 5.2.

У него 32 дискретных входа. Напряжение на входе должно быть от +9 до +60 вольт, чтобы контролер считал его единицей.

Из этих 32 входов 16 могут быть аналоговыми. Сигнал на входе от 0 до 10 вольт.

18 дискретных выходов. Из них 9 релейные (коммутация 16 ампер 230 вольт), 9 открытых коллекторов для подключения внешних реле.

6 ШИМ выходов с током коммутации до 1.4 ампера и напряжением до 30 вольт на каждый выход. Это управление светодиодной лентой, либо сигнал 0-10 вольт, если на ШИМ выход подключить RC-цепочку (резистор и конденсатор будут сглаживать сигнал ШИМ).

Интерфейсов связи у него много: Ethernet, два RS-485, два RS-232, miniUSB (для прошивки).

Подробнее про входы и выходы можно почитать здесь:

104,353 просмотров всего, 498 просмотров сегодня

Источник