Misura della pressione atmosferica e della temperatura
KWWS9LQFHQ]R9IUHHZHERUJ
0LVXUDGHOODSUHVVLRQHDWPRVIHULFDHGHOODWHPSHUDWXUD
'LVFODLPHU
,OFRQWHQXWRGLTXHVWRILOHqIRUQLWR$6,6DVRORWLWRORGLGDWWLFRHVHQ]DJDUDQ]LDDOFXQDLPSOLFLWDRHVSOLFLWD7XWWLL
QRPLGLSURGRWWLHGLWWHVRQRSURSULHWjGHLOHJLWWLPLSURSULHWDUL
/DGLVWULEX]LRQHGLTXHVWRILOHqIDWWLVDOYLLGLULWWLGLWHU]LOLEHUDHJUDWXLWDDFRQGL]LRQHGLQRQDSSRUWDUHPRGLILFKHH
GLFLWDUHODIRQWH(
YLHWDWRO
XVRFRPPHUFLDOHGLWXWWRRSDUWHGHOSUHVHQWHILOHVDOYRHVSUHVVDDXWRUL]]D]LRQHVFULWWD
Questo circuito permette di misurare la pressione e la temperatura ambientali.
Il circuito è stato disegnato per l'acquisizione delle condizioni meteorologica da parte di un personal
computer o altro sistema programmabile; le uscite non sono infatti immediatamente riconducibili
alle usuali unità di misura ma sono state pensate per ottimizzare la risoluzione ottenibile con
convertitori che hanno tensioni di ingresso comprese tra 0 e 5 volt. Pur funzionando adeguatamente
con ADC a soli 8 bit, il circuito dà il meglio di sé con convertitori a maggiore risoluzione.
Una particolarità è costituita dall'assenza di trimmer di regolazione: infatti, per scelta progettuale, si
è preferito delegare al software la correzione degli errori di offset e guadagno. I motivi di questa
scelta sono da ricercarsi nella necessità di poter effettuare tarature remote del dispositivo senza
difficoltà.
Il circuito è costituito da tre distinte sezioni, ciascuna incaricata del condizionamento dell’uscita di
uno dei sensori. I criteri generali di progetto sono stati:
•
L’uso di soli circuiti ad alimentazione singola. La scelta non è critica ed è stata fissata a +12V
+/- 10%. Il circuito è comunque in grado di funzionare anche a tensioni maggiori, fino a 15V.
Con piccole modifiche la tensione di alimentazione può anche scendere al disotto di tale valore.
•
Le uscite devono, in tutte le condizioni ambientali, essere comprese tra 0 e 5V, in modo da
essere utilizzabile direttamente dagli ADC integrati in numerosi microcontrollori.
•
L’effettiva escursione del segnale di uscita deve essere la più ampia possibile al fine di
permettere l’uso di ADC a bassa risoluzione pur ottenendo una precisione significativa.
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Misura della pressione atmosferica e della temperatura
KWWS9LQFHQ]R9IUHHZHERUJ
/DPLVXUDGHOODSUHVVLRQH
Il circuito più complesso è costituito da quello che permette la misura della pressione atmosferica;
infatti il sensore utilizzato presenta alcuni problemi:
•
La sensibilità è piuttosto bassa: la variazione utile del segnale di uscita è infatti di circa 1 mV. Si
potrebbe utilizzare un sensore della serie MPX2100A che, avendo un fondo scala dimezzato, ha
un rapporto segnale rumore doppio. Ovviamente occorre ridimensionare il circuito di
amplificazione, dimezzando il guadagno del primo stadio.
•
La tensione di uscita è differenziale, con valore di modo comune di circa 5V
•
Trattandosi di un sensore raziometrico, la tensione di uscita è proporzionale alla tensione di
alimentazione. Per questo è necessario utilizzare un convertitore adatto (scelta non fatta a causa
degli altri sensori che hanno uscita assoluta) oppure avere una tensione di alimentazione precisa
•
L’impedenza d’uscita non è trascurabile (KΩ) ed è piuttosto variabile
•
È presente un offset dell’ordine del mV, comparabile all’escursione massima del segnale stesso
Il circuito complessivo è costituito da un primo stadio differenziale con guadagno elevato costruito
secondo il tipico schema degli amplificatori per strumentazione ad alimentazione singola e da un
secondo stadio differenziale, a guadagno più basso, per ottimizzare la risoluzione del convertitore.
I risultati si possono considerare raggiunti solo a condizione di limitare l’altitudine di utilizzo alla
mezza collina. Al livello del mare oppure a 1000m infatti il circuito si avvicina ai propri limiti
operativi anche se, in presenza di un sensore mediamente preciso, funziona perfettamente ben oltre
questi limiti.
Il comportamento complessivo del circuito è riassunto nella seguente tabella, in cui sono riportate,
per ciascuna condizione della pressione atmosferica, rispettivamente le tensioni presenti all’uscita
del trasduttore (con valore minimo, tipico e massimo), quelle all’uscita del primo stadio di
amplificazione e quelle all’uscita del secondo stadio differenziale.
Le tabelle riportate sono due, una valida al livello del mare (da cui sin vede che il circuito potrebbe
funzionare al limite delle specifiche) ed una, quella effettivamente utilizzata nel dimensionamento,
all’altezza di 400 m s.l.m.
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Misura della pressione atmosferica e della temperatura
/LYHOORGHOPDUH
Offset [mV] =
3UHVVLRQH
min
>NSD@
Bassa
Media
Alta
98
101
103
0RQWLFHOOR
Resistori 1%
6K20
1K00
301K
2K05
typ
18,6
19,2
19,6
max
19,6
20,2
20,6
Altezza [m s.l.m.]=
3UHVVLRQH
Bassa
Media
Alta
1 Av =
7HQVLRQHVHQVRUH>P9@
93
96
98
min
20,6
21,2
21,6
18,7
19,3
19,7
typ
2,75
2,84
2,90
max
2,90
2,99
3,04
19,7
20,3
20,7
7,2
2,500
7HQVLRQHXVFLWD>9@
min
3,04
3,13
3,19
7HQVLRQHGLIIHUHQ]LDOH>9@
2,61
2,70
2,76
2,76
2,85
2,91
ELWXWLOL
G = 7,2
G = 147,8
Av, Vref
typ
max
400
7HQVLRQHVHQVRUH>P9@
17,7
18,3
18,7
147,8
7HQVLRQHGLIIHUHQ]LDOH>9@
ADC 8 bit
ADC 12 bit
54
872
2,91
3,00
3,05
7HQVLRQHXVFLWD>9@
ULVROX]LRQH>PEDU@
0,92
0,06
Nelle tabelle non si è tenuto conto della tolleranza dei parametri dei componenti diversi dal sensore.
È stata comunque condotta una simulazione con il metodo di Montecarlo che permette di affermare
che, con i componenti specificati, è garantito il funzionamento a 400m. La stessa cosa non vale
invece al livello del mare in quanto, in condizioni di alta pressione, la tensione di uscita supera i 5V
nel caso di un sensore con un offset pari al massimo positivo e componenti il cui valore reale fa
aumentare il guadagno (e Murphy insegna che la cosa succede sempre…)
Al fine di rendere indipendente l’uscita dalla tensione di alimentazione, si è generata localmente, a
partire dal riferimento di tensione da 2.500V. utilizzato anche per altri scopi, la tensione di 10V ad
alta stabilità. Ovviamente la cosa è possibile solo a condizione di avere una tensione di
alimentazione superiore. Inoltre l’amplificatore usato come buffer deve essere in grado di erogare
alla tensione prevista i circa 5 mA consumati dal sensore.
Trattandosi di un circuito con un guadagno complessivo di oltre 60dB, è importante il layout del
circuito, la scelta di amplificatori operazionali di precisione (anche se non necessariamente quelli
specificati), l’uso di resistori con tolleranza inferiore all’1%, l’uso di un riferimento di tensione
preciso. Per tutti i parametri statici è comunque importante soprattutto il basso coefficiente termico
e la stabilità a lungo termine: infatti tutti gli errori iniziali, se non eccessivi, vengono sommati a
quello veramente grande del sensore e quindi azzerati, via software, assieme ad esso; non è invece
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Misura della pressione atmosferica e della temperatura
possibile azzerare gli errori che intervengono dopo la prima taratura per effetto della temperatura o
dell’invecchiamento dei componenti.
Il primo prototipo è stato comunque realizzato con LM324 e resistori 5%, risultando funzionate e
con prestazioni non enormemente diverse da quelle del circuito definitivo, realizzato con gli OP493.
Da quanto riportato nelle due ultime righe della tabella, si evince che un convertitore ad 8 bit è
appena sufficiente per ottenere la precisione normalmente considerata adeguata di 1 millibar (pari a
circa 0,1 Kpa).
0LVXUDGHOODWHPSHUDWXUDORFDOH
Il sensore utilizzato è il classico LM335 che presenta in uscita una tensione di 10mV per ogni K
(circa 3V a 25°C). Il circuito realizzato non fa altro che sottrarre 2.500V ed amplificare per circa 8
volte. La tabella seguente mostra le tensioni nominali presenti in vari punti del circuito.
7>&@
-20
25
40
7>.@
253
298
313
9VHQVRUH
2,53
2,98
3,13
9RXW
0,23
3,75
4,93
Anche in questo caso, utilizzando amplificatori e resistori di precisione, l’errore è dovuto
soprattutto al sensore e deve essere corretto via software. La risoluzione teorica ottenibile con un
convertitore a 8 bit è di circa 0,25°C.
0LVXUDGHOODWHPSHUDWXUDUHPRWD
Il sensore utilizzato è l’AD590, con un’uscita di 1 uA/K. Si è utilizzato questo sensore al fine di
rendere possibile la rilevazione remota della temperatura: essendo un generatore di corrente, è
infatti sostanzialmente insensibile a disturbi. Non vi sono problemi nel realizzare collegamenti di
qualche metro e, con un minimo di attenzione (cavo schermato e doppino intrecciato), anche molte
decine di metri possono essere superati.
Con i valori utilizzati, la tabella è simile a quella precedente.
7>&@
-20
25
50
7>.@
253
298
323
,VHQVRUH>P$@
0,25
0,30
0,32
9LQ
2,53
2,98
3,23
9RXW
0,20
3,15
4,79
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Il circuito complessivo è stato progettato a più mani nel corso dell’anno scolastico 1997/98
all’interno dell’area di progetto dell’allora quarta informatici ed è solo una piccola parte di un
lavoro che ha portato alla realizzazione di un archivio SQL ed una pagina HTML dinamica
contenete la situazione meteorologica della nostra scuola. Purtroppo la pagina non è accessibile da
Internet in quanto il web-server utilizzato non è permanentemente on-line.
3HUTXDOXQTXHFRPXQLFD]LRQHSRWHWHULQWUDFFLDUPLDOO¶LQGLUL]][email protected],QSDUWLFRODUH
VDUj PROWR JUDGLWD OD VHJQDOD]LRQH GHJOL HUURUL H GHOOH RPLVVLRQL QRQFKp GHL SDVVDJJL FKH DSSDLRQR RVFXUL H SRFR
FRPSUHQVLELOL 9LVLWDWH LO VLWR http://VincenzoV.freeweb.org SHU HYHQWXDOL QXRYH YHUVLRQL GL TXHVWR ILOH R SHU DOWUH
LQIRUPD]LRQLVXOO¶HOHWWURQLFDDPDWRULDOH
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1
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20
2
21
2
22
1
C1
C2
C3
C7
C8
C9
C10
D1
D2
JP1
JP2
J1
J2
R1
R4
R3
R2
R5
R11
R16
R6
R9
R7
R8
R10
R12
R15
R13
R14
R17
R20
R18
R19
U3
U1
U2
KWWS9LQFHQ]R9IUHHZHERUJ
1u tantalio
1u tantalio
1u tantalio
10u tantalio
470n
470n
470n
LM335
1N4001 (a altro diodo)
Connettore 2 poli, passo 5mm
Connettore per flat-cable, 10X2, passo 2.5mm
MPX2200A (vedi testo per MPX2100A)
AD590
6k2
6k2
1k
1k
24k9
24k9
24k9
301k
301k
2k05
2k05
75k
4k70
3k65
3k65
10k
100k
100k
15k
15k
OP-493 *
OP-493 *
MAX6225 **
Tutte le R con tolleranza uguale o migliore dell’1%
* Se non disponibile, usare un altro amplificatore quadruplo, ad alimentazione singola, di precisione
** Qualora non fosse disponibile può essere richiesto un campione gratuito al sito
http://www.maxim-ic.com
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10 V
R17
100k
A
Connettore AD590
2
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J2
Vcc
MPX220 0D
1
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J1
Power supply
JP1
2.5 V
R6
301k
R18
15k
-
+
Vcc
1N4001
D2
+
R19
15k
R14
10k
U1C
OP-493
C1
1u
R7
2k05
-
+
Vcc
C7
10u
U3C
OP-493
+
Vcc
B
-
+
Vcc
U3A
OP-493
R9
301k
C10
R20
470n
100k
Sensore remoto di
temperatura
R8
2k05
-
+
Vcc
C
R5
24k9
2.5 V
Vcc
R4
6k2
R1
C8
-
+
C3
1u
+
Date:
Size
A
D
Vcc
U3B
OP-493
R11
24k9
C9
470n
10 V
D
Wednesday, June 23, 1999
Document Number
1
C2
1u
U2
NR
NC
NC
NC
Vcc
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Sheet
1
E
of
1
MAX6 225
Trim
Out
Rev
A
2.5 V
HEADER 10X2
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
JP2
E
Riferimento di tensione
+
2.5 V
Rilevazione misure ambientali
R16
24k9
R10
75k
U1D
OP-493
U1A
OP-493
6k2
470n
Tit
le
R15
3k65
2.5 V R13
3k65
Sensore di temperatura
R3
1k
R2
2.5 V 1k
Vcc
R12
4k70
D1
LM335
U1B
OP-493
C
Vin
GND
B
+
+
A
1
2
3
4
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