4
3/99
Sonda do pomiaru
napięć za poS
rednictwem
interfejsu RS-232
Wyposażenie komputera w kartę przetworników analogowo-cy-
frowych jest często poza zasięgiem możliwoS
ci wielu hobbystów
a nawet profesjonalistów. Za pomocą opisywanej w artykule son-
dy każdy posiadacz komputera będzie miał możliwoS
ć pomiaru
wielkoS
ci analogowych. Mogą to być na przykład napięcia pocho-
dzące z przetworników wielkoS
ci nieelektrycznych takich jak tem-
peratura, ciS
nienie, wilgotnoS
ć itp. Funkcja automatycznego ra-
portowania pozwala na ciągłe monitorowanie doprowadzonych
na wejS
cie sondy napięć.
Opisujemy konstrukcję niewielkiej son- Podstawowe parametry sondy:
dy służącej do pomiaru czterech wielkoS
ci
analogowych. Wykorzystanie nowoczesnego Liczba wejS
ć
i energooszczędnego mikrokontrolera po- analogowych  4
zwoliło na zasilanie całego urządzenia RozdzielczoS
ć pomiaru  8 bitów
z wyjS
ć interfejsu RS-232. Układ pobiera za- Napięcie wejS
ciowe
ledwie około 3 mA prądu - nie wymaga odpowiadające pełnej
więc oddzielnego zasilania. Przetwornik skali (bez dzielnika)  5,1 V
A/C wbudowany w mikrokontroler PIC Maksymalne napięcie Zakres programowania częstotliwoS
ci
12C671 posiada cztery wejS
cia i rozdziel- wejS
ciowe (bez dzielnika)  ą50 V dokonywania pomiarów
czoS
ć 8 bitów. Zakres napięć wejS
ciowych PrędkoS
ć transmisji w jednym kanale  0,1�25 s
został poszerzony poprzez dodanie wstęp- danych pomiarowych  4800 bitów Rezystancja wejS
ciowa  Ł10 MW*
nych dzielników na każdym z 4 kanałów. (tryb tekstowy) *) zależna od rezystancji dzielnika wejS
ciowego
WŁ1
Vdd
+V +V
R17
US2 PIC12C671  SV1
D1
R1*
4,7k
R9
8 1
12
4
Vss Vdd
R13 R18
14 7 2
A GP0/A0 GP5/OSC1/CLKI
22k
13
63
R2*
2,2k 4,7k
D2 GP1/A1/Vref GP4/OSC2/A3/CLKO
T1
5 4
GP2/T0CKI/A2/INT GP3/MCLR/Vpp BC558B
 V
R19
WŁ2
10k
+V
D3
R3*
R10
Vdd
3
R14
1
RS-232
B R20
22k
2
R4* 10k 1
2,2k
D4
R21
6
10k TX
 V
RTS
G1 7
T2
RX
WŁ3
BC548B
R22
+V
1 US1 8
DTR
4,7k
LM324
2
9
D5
R5*
3
R11
5
5
4 R15
D9 D10 D11
7
C
22k
5 Vdd
6
R6*
2,2k
D6
C1 C4 D12
 V
100mF 100n 5V1
WŁ4
+V
V+
D7
R7*
C2 C5
R12
100mF 100n
10
R16
8
22k D
V
9
R8*
2,2k
D8
11
C3 C6
 V  V
Rys. 1 Schemat 100mF 100n
D1�D11  1N4148
ideowy sondy do
pomiaru napięć
DO KOMPUTERA
T
3/99 5
wtórnika napięciowego sygnał trafia do matyczną kalibrację częstotliwoS
ci wzor-
Budowa i działanie
wejS
cia układu US2, za poS
rednictwem cowej. Litera  U o kodzie ASCII
Schemat ideowy sondy do pomiaru rezystora zabezpieczającego (napięcie 055h wysyłana przed każdym polece-
napięć przedstawiono na rysunku 1. Jej na wyjS
ciu układu US1 może przekraczać niem ustala dokładną szybkoS
ć transmi-
konstrukcja jest bardzo prosta gdyż za- +5 V). Aby zakres napięć wyjS
ciowych sji po stronie mikrokontrolera.
równo multiplekser wejS
ciowy, prze- wzmacniacza pokrywał się z zakresem Komunikacja sondy z komputerem
twornik A/C jak i układ transmisji szere- przetwarzania A/C konieczne było zasila- odbywa się przy następujących parame-
gowej RS-232 znajdują się we wnętrzu nie  operacyjki oddzielnym napięciem trach transmisji: szybkoS
ć 4800 baudów,
układu PIC 12C671. Jest to mikrokon- przekraczającym zarówno od strony ma- brak bitu parzystoS
ci, 8 bitów danych,
troler firmy Microchip o bardzo intere- sy jak i plusa wartoS
ć napięcia zasilania jeden bit stopu (4800, -, 8, 1). Program
sujących właS
ciwoS
ciach. W oS
mionóż- układu US2. Do zasilania wzmacniacza zapisany w pamięci mikrokontrolera zo-
kowej obudowie producent zintegrował również wykorzystano sygnały występu- stał wyposażony w prosty interpreter
czterowejS
ciowy przetwornik A/C o roz- jące na złączu RS-232. Napięcia ujemne- poleceń pozwalający na intuicyjną ko-
dzielczoS
ci 8 bitów, układ nadzorujący go dostarcza linia TX, na której panuje munikację z użytkownikiem. Do obsługi
pracę mikrokontrolera - Watchdog, 8 bi- potencjał -12 V gdy nie są transmitowa- sondy najlepiej wykorzystać gotowy pro-
towy tajmer, generator resetu oraz wie- ne dane z komputera. Drugim, dostar- gram komunikacyjny. W przypadku
le innych przydatnych w prostych apli- czającym napięcia dodatniego, jest sy- komputerów PC może to być na przy-
kacjach peryferii. Dodatkowo układ gnał DTR, na którym występuje poten- kład funkcja Terminal programu Norton
PIC12C671 posiada wewnętrzny, kali- cjał +12 V od chwili zainicjowania połą- Commander lub Terminal systemu ope-
browany generator RC o częstotliwoS
ci czenia. Zasilanie wzmacniacza operacyj- racyjnego Windows.
4 MHz dzięki czemu nie jest konieczne nego LM 324 nie musi być stabilizowa- Przed przystąpieniem do pracy na-
dołączanie zewnętrznego generatora ne. Kondensatory C2, C3 wygładzają leży skonfigurować odpowiednie para-
taktu. ewentualne wahania napięć jakie mogą metry transmisji oraz numer portu, do
Unikalną cechą wszystkich mikro- pojawić się podczas transmisji danych. którego dołączona jest sonda. Proces
kontrolerów rodziny PIC jest ich energo- Tranzystor T1 jest odpowiedzialny konfiguracji wyjaS
nimy na przykładzie
oszczędnoS
ć. Układ przy taktowaniu ze- za dopasowanie poziomu sygnału TX programu będącego standardowym wy-
garem4 MHz pobiera zaledwie 2 mA wychodzącego z wyjS
cia GP5 mikrokon- posażeniem systemu Windows 95 - Hy-
prądu. Pozwoliło to na zasilanie całego trolera. Odwraca on także polaryzację perTerm. Po jego uruchomieniu z menu
urządzenia bezpoS
rednio z linii interfej- sygnału TX. Tranzystor T2 dopasowuje  Plik wybieramy opcję  WłaS
ciwoS
ci .
su RS-232, które mają stosunkowo nie- poziomy napięć występujące na złączu Następnie w zakładce  Połącz z w polu
wielką wydajnoS
ć prądową. Jak już RS-232 do wartoS
ci akceptowalnych  Połącz używając: wybieramy numer
wspomniano, układ US2 pełni również przez wejS
cie GP3 układu US2. Podobnie portu szeregowego, do którego dołączo-
funkcję nadajnika i odbiornika danych jak T1 również on odwraca polaryzację na jest sonda (por. rys. 2). Następnym
w standardzie RS-232. Funkcje te reali- sygnału RX. Dioda D12 stabilizuje na- krokiem będzie ustawienie parametrów
zuje programowo, ponieważ nie został pięcie zasilające mikrokontroler. Jest ona transmisji. W tym celu, w tym samym
on wyposażony w sprzętowy układ jednoczeS
nie x
ródłem napięcia odniesie- dialogu klikamy na przycisku  Konfigu-
transmisji szeregowej (UART). nia dla przetwornika A/C. ruj i przechodzimy do dialogu  Usta-
Liczba pozostałych elementów wienia portu . Tam wybieramy: Bity na
wchodzących w skład sondy jest niewiel- sekundę: 4800, Bity danych: 8, Parzy-
Opis programu
ka i została sprowadzona do minimum stoS
ć: Brak, Bity stopu: 1, Sterowanie
dzięki unikalnym właS
ciwoS
ciom mikro- Specyfika transmisji łączem RS-232 przepływem: Brak. Widok dialogu
kontrolera US2. Na wejS
ciu każdego wymaga stosowania wzorca częstotliwo- przedstawiony został na rysunku 3. Na
z analogowych kanałów został umie- S
ci o dużej precyzji zarówno po stronie koniec ustawiamy jeszcze typ emulowa-
szczony dzielnik wejS
ciowy, pozwalający nadawczej jak i odbiorczej. Dopuszczal- nego terminalu - wracamy do poprze-
na dostosowanie napięć wejS
ciowych do na jest niezgodnoS
ć częstotliwoS
ci zega-
zakresu przetwarzania przetwornika A/C. rów taktujących w nadajniku i odbiorni-
Za poS
rednictwem dwustanowego prze- ku na poziomie ą3 %. Większe rozbież-
łącznika można wybierać x
ródło sygnału noS
ci mogą doprowadzić do powstania
wejS
ciowego trafiającego do przetworni- przekłamań. Wewnętrzny generator RC
ka A/C (po podziale w dzielniku lub mikrokontrolera US1 posiada częstotli-
wprost z wejS
cia). Obwód wejS
ciowy sta- woS
ć 4 MHz okreS
loną z dokładnoS
cią
nowi zabezpieczenie przepięciowe zrea- ą5%. Zależy ona doS
ć mocno od tem-
lizowane na dwóch diodach oraz szere- peratury oraz napięcia zasilania. Aby
gowym rezystorze (w pierwszym kanale więc zapewnić poprawnoS
ć transmisji
są to odpowiednio elementy: D1, D2 szeregowej konieczne jest przeprowa-
i R9). Zwiększenie rezystancji wejS
ciowej dzenie kalibracji częstotliwoS
ci wzorco-
uzyskano dołączając przed każde wejS
cie wej. W tym celu protokół służący do wy-
bufor oparty na wzmacniaczu operacyj- miany informacji pomiędzy kompute-
nym US1. Z wyjS
cia wzmacniacza opera- rem a sondą pomiarową został wyposa- Rys. 2. Konfiguracja programu HyperTerm
 wybór portu COM
cyjnego pracującego w konfiguracji żony w polecenia umożliwiające auto-
6
3/99
(komendy UO i UX). Po włączeniu try- Polecenie: UTx
bu automatycznego raportowania na- {x = 1...4 - numer wejS
cia}
pięć sonda w zaprogramowanych od- Opis: Programowanie częstotliwoS
ci po-
stępach czasu dokonuje pomiaru na- miarów napięcia na wejS
ciu x
pięć z wybranych wejS
ć i przesyła je Sk! adnia: Utx = t
łączem transmisyjnym do komputera. {t = 1...250}; t - czas po-
Protokół komunikacyjny rozróżnia między kolejnymi pomiarami podawany
małe i wielkie litery. Wszystkie polece- jako wielokrotnoS
ć 100 ms - zakres defi-
nia zawierają wyłącznie wielkie litery. nicji: 0,1 � 25,0 sekund
Wysłanie do sondy nierozpoznawalnej Odpowiedx
sondy: Utx = t
lub błędnej komendy spowoduje jej Przyk! ad (ustawienie czR
stotliwo ci pomia-
anulowanie i brak potwierdzenia. r w na wej ciu 2 co 5 sekund):
Po włączeniu zasilania sonda auto- UT2 = 50
matycznie przechodzi do trybu po- UT2 = 50
miaru na żądanie. Wszystkie parame- Polecenie: UAx
Rys. 3. Konfigurowanie parametrów transmisji
try konfiguracyjne są inicjowane war- {x = 1...4 - numer wejS
cia}
dniego dialogu i w zakładce  Ustawie- toS
ciami domyS
lnymi tzn. częstotliwoS
ć Opis: Włączanie lub wyłączanie trybu
nia wybieramy emulację terminalu pomiarów równa 25 s na wszystkich wej- automatycznego raportowania napięcia
VT100 (por. rys. 4). Po przeprowadzeniu S
ciach, automatyczne raportowanie wy- na wejS
ciu x
wszystkich niezbędnych czynnoS
ci konfi- łączone we wszystkich kanałach. Sk! adnia: Uax = m
guracyjnych możemy przystąpić do {m = 0..1}; m = 0 - automa-
pierwszych prób połączenia z sondą. tyczne raportowanie napięcia wyłączo-
Opis poleceń sondy
W głównego menu  Wywołanie wybie- ne, m = 1 - automatyczne raportowanie
ramy opcję  Wywołanie . Od tej chwili Polecenie: URx {x = 1...4 - numer wej- napięcia włączone
nasza sonda jest już zasilana i może od- S
cia} Odpowied sondy: UAx=m
powiadać na wpisywane z klawiatury Opis: Pomiar napięcia na wejS
ciu x Przyk! ad (wy!  czenie automatycznego
polecenia. Opis wszystkich poleceń za- Sk! adnia: URx raportowania w kanale 2):
mieszczamy poniżej. Odpowied sondy: Ux = mm UA2 = 0
W pracy sondy można wyróżnić dwa {mm = 0...255}; mm - zmierzona wartoS
ć UA2 = 0
tryby: pomiaru na żądanie oraz automa- Przyk! ad (pomiar napiR
cia na wej ciu 2): Polecenie: UO
tycznego raportowania napięć. Do pracy UR2 Opis: PrzejS
cie do trybu automatycznego
w pierwszym trybie przewidziano od- U2 = 147 raportowania napięć
dzielne polecenia pozwalające na po-
miar napięć w każdym z wejS
ć (komen-
dy UR1�UR4). W trybie pomiaru na żą-
danie dokonuje się również konfiguracji
trybu automatycznego raportowania na-
pięć. Służą do tego celu polecenia defi-
niujące częstotliwoS
ć dokonywania po-
miarów w każdym z wejS
ć (komendy
UT1�UT4) oraz niezależnego włącza-
nia/wyłączania tej funkcji dla każdego
wejS
cia (komendy UA1�UA4). Oddziel-
ną grupę stanowią polecenia pozwalają-
ce na przełączanie pomiędzy trybami
US2 C1
R1 WŁ1
R14
R9
US1
D4
D1
C4
R13
D3
R3 WŁ2
R10 D2
T2
G1
R11 D8
R5 WŁ3 D9 D12 D
D5
10
R16
DTR
D7
D6
RX
R12
R15 TX
T1
R7 WŁ4
C5 C6 RTS
C2 C3
D11
Rys. 4. Wybór typu emulowanego terminalu Rys. 5 Płytka drukowana i rozmieszczenie elementów
LM324
R2
R20
 SV1
R22
R4
R18
R17
R21
R19
R6
R8
443
T
443
3/99 7
Sk! adnia: UO WartoS
ci rezystorów użytych Wykaz elementów
Odpowied sondy: UO w dzielniku zależą od maksymalnych
Przyk! ad: wartoS
ci mierzonych napięć. Podajemy
Półprzewodniki
UO wzór na obliczanie wartoS
ci rezystorów
US1  LM 324
UO użytych w dzielniku w zależnoS
ci od wy-
US2  PIC 12C671 z programem
Polecenie: UX maganej rezystancji wejS
ciowej oraz za-
 SV1
Opis: PrzejS
cie do trybu pomiaru na żą- kresu napięć wejS
ciowych:
T1  BC 558B
danie
T2  BC 548B
Sk! adnia: UX
D1�D11  1N4148
Odpowied sondy: UX
D12  BZP 683C5V1
Przyk! ad:
Rezystory
UX
R1�R8  patrz opis w tekS
cie
UX
R9�R12  22 kW/0,125 W
Uwagi: Jeżeli sonda znajduje się w trybie gdzie:
R13�R16  2,2 kW/0,125 W
automatycznego raportowania napięć, k  stosunek podziału napięć
R17, R18,
to może mieć trudnoS
ci z odbieraniem Uwe/Uwy (Uwy = 5,1 V)
R22  4,7 kW/0,125 W
rozkazów. Jest to związane z pracą w try- Rwe  rezystancja wejS
ciowa (nie
R19�R21  10 kW/0,125 W
bie halfduplex (mikrokontroler nie jest może być większa od 10 MW)
R1*�R8*  patrz opis w tekS
cie
w stanie jednoczeS
nie wysyłać i odbierać Przykładowo dla rezystancji wejS
cio-
Kondensatory
danych). Ze względu na to ograniczenie, wej równej 1 MW i zakresu napięć wej-
C1�C3  100 mF/16 V 04/U
polecenie przejS
cia do trybu pomiaru na S
ciowych 0 � 250 V rezystory będą mia-
C4�C6  100 nF/63 V KFP
żądanie należy powtarzać do momentu ły następujące wartoS
ci:
Inne
odebrania potwierdzenia  UX . R1 = 979,6 kW
WŁ1�WŁ4  przełącznik bistabilny
R2 = 20,4 kW
hebelkowy
Analogicznie oblicza się wartoS
ci
płytka drukowana numer 443
Montaż i uruchomienie
rezystorów R3, R4; R5, R6; R7, R8.
Układ zmontowany ze sprawnych ele- W przypadku pomiaru napięć wyłącz-
Cena: płytka numer 443  4,85 zł
mentów nie powinien sprawiać kłopotów nie z zakresu 0 � 5,1 V rezystorów
PIC 12C671 SV1  38,00 zł
podczas uruchamiania. Sondę można dzielnika oraz przełącznika można nie
+ koszty wysyłki.
przystosować do pomiaru napięć w szero- montować.
Podzespoły elektroniczne można zama-
kim zakresie w zależnoS
ci od wartoS
ci rezy- Kabel łączący sondę z komputerem
wiać w firmie LARO - patrz IV strona
stancji użytych w dzielniku wstępnym. Na- nie może być dłuższy niż 15 metrów.
okładki.
pięcia wejS
ciowe pokrywają zakres od Płytki drukowane wysyłane są za za-
0 do 5 V. Można go zmniejszyć, przesunąć liczeniem pocztowym. Płytki i zaprogra-
lub odwrócić stosując wzmacniacz o żąda- mowane układy PIC 12C671 z dopiskiem
nej wartoS
ci wzmocnienia i przesunięcia. SV1 można zamawiać w redakcji PE.