Jste zde

Senzor tlaku MPX5100 v zapojení Bar Graph

Redakce HW serveru, 31. Říjen 2005 - 0:00

V nabídce firmy Freescale je univerzální senzor tlaku MPX5100 vhodný pro absolutní i relativní měření tlaku. V následujícím článku je pak příklad praktického zapojení jednoduchého převodníku hodnoty tlaku na sloupcový LED indikátor (Bar Graph).

Z nabídky tlakových senzorů firmy Freescale, divize firmy Motorola, jsme již na stránkách automatizace.hw.cz představoval senzory vhodné pro měření tlaku v pneumatikách - článek "Zajímavost - Senzory absolutního tlaku pro měření v pneumatikách". Dnes jsem vybral univerzální tlakový senzor MPX5100. A protože každý senzor potřebuje nějakou vyhodnocovací nebo zpracovávající elektroniku, je v druhé části článku popsáno zapojení uvedeného senzoru v jednoduchém převodníku úrovně tlaku na svítící sloupec 10 úrovňového sloupcového LED indikátoru, tzv. bar graph.

Stručný popis senzoru tlaku MPX5100

MPX5100 je křemíkový integrovaný tlakový senzor se zpracováním signálu, teplotní kompenzací a kalibrací přímo na jednom chipu. Integrovaný monolitický piezorezistivní snímač je navržen pro široký rozsah a typů měřeného tlaku, což umožňuje nasazení do mnoha aplikací. Konkrétnímu použití je pak přizpůsobeno i provedení pouzdra - viz. obrázek 1. Podle použití se tedy i volí označení senzoru MPX5100xxx. Patentované provedení X-ducer™ Sensor Element umožňuje provedení snímače pouze s jedním piezorezistivním elementem místo klasického zapojení více elementů do můstku. Výhodou provedení senzoru na křemíku je možnost společného umístění kompenzací a elektroniky pro zpracování/zesílení signálu snímače na jednom chipu (viz. obrázek 3). V celku lze tak na senzor nahlížet jako na tzv. black box (černou skříňku) s převodní charakteristikou zobrazenou v grafu na obrázku 2. Z grafu je patrný napěťový offset výstupu senzoru při nulovém působení tlaku.

Z pohledu konstrukce je samotný piezorezistivní snímač z tlakového vstupu P1 chráněn fluorosiliconovým gelem proti poškození působením některých médií. Tlakový vstup P2 je již označen jako vakuový vstup. Senzor je tak určen pouze pro měření kladných diferenčnívh tlaků, tzn. tlak P1 > tlak P2.

Obr. 1. Různá provedení pouzder (odleva: základní provedení, pro absolutní tlak, pro diferenční tlak, pro manometrický tlak)

Hlavní parametry:

Optimalizovaný rozsah: 0 až 100 kPa (Manometrický a diferenční měření tlaku), 15 až 115 kPa (absolutní měření tlaku)
Napájení: 4.75 až 5.25 V, spotřeba max. 10 mA
Výstupní napěťový rozsah: 4.5 V (max. výstupní napětí 4.7V)
Offset: 0.2V
Přesnost: 2.5 % plného rozsahu
Citlivost: 45 mV/kPa
Odezva: 1 ms
Pracovní teplota: -40°C až 125°C

Poznámka: 0.1 kPa = 0.145 psi

Obr. 2. Závislost výstupního napětí senzoru na tlaku (detail)

Obr. 3. Blokové schéma vnitřního zapojení senzoru

Obr. 4. Doporučená filtrace/blokování napájení a výstupu senzoru (IPS) (detail)

Zapojení převodníku tlaku na sloupcový indikátor (Bar Graph)

Současné inteligentní moderní senzory velmi zjednodušují aplikace z důvodu předzpracování signálu a kompenzací přímo na chipu senzoru. Příkladem může být následující velmi jednoduché zapojení převodníku měřeného tlaku na zobrazení pomocí sloupcového grafu (bar graph) tvořeného stupnicí z LED (viz. obrázek 5. a 7.).

Celé zapojení lze prakticky rozdělit na bloky:

blok napájení: klasický 5V stabilizátor MC78L05ACP (U3), filtrační kondenzátory C1 a C2, přepínač ON/OFF
blok senzoru: tlakový senzor MPX5100 (U2)
blok převodníku signálového napětí na počet rozsvícených LED: LM3914 (U1), R1-R4-R6 dělič (kalibrace spodní meze rozsahu), R2-R3-R5 dělič (kalibrace horní meze rozsahu), LED D1 až D10

Obr. 5. Zapojení převodníku tlaku na svítící sloupec bar grafu (detail)

Mimo samotný senzor je nejzajímavější částí zapojení samotný převodník, tedy zapojení okolo integrovaného budiče LED pro sloupcové grafy LM3914 (LM3914 Bar Graph Display driver) firmy National Semiconductor. Tento obvod převádí vstupní napětí přivedené na vstup SIG (signálové napětí ze senzoru) na posloupnost svítících LED. Vnitřní zapojení tohoto obvodu je na obrázku 6. Hlavní složkou je skupina paralelně zapojených komparátorů, jejichž referenční spínací napětí jsou určovány vnitřními děliči napětí přivedeného mezi vstupy RHI a RLO. Výstupy komparátorů jsou koncipovány jako zdroje proudu. Napětí na RLO tak definuje signálové napětí dolní meze stupnice, zatímco napětí na RHI naopak signálové napětí horní meze stupnice. V našem případě tedy meze tlaku, kterém ještě nebude svítit ani nejnižší LED sloupce nebo naopak tlak, při kterém budou svítit všechny LED. V zapojení na obrázku 5. tak napětí na RLO lze nastavit odporovým děličem R2-R3-R5 z 5V napájecího napětí. Pro spodní mez rovnou nulovému tlaku je tedy potřeba nastvit offset senzoru 0.2V. Napětí na RHI určuje odporový dělič R1-R4-R6 z referenčního zdroje 1.25 V mezi piny REF a ADJ. Dělič tak zde pracuje vlastně jako zvyšovač napětí. Zároveň proud tímto děličem, znásobený 10x, určuje proud pro LED D1 až D10 v případě jejich sepnutí.

Obr. 6. Vnitřní zapojení budiče LED LM3914 (detail)

Zapojení ostatních bloků je myslím srozumitelné a není je potřeba popisovat. Samozřejmě jako stabilizátor napětí 5V lze použít jakýkoliv 78L05, resp. od jakéhokoliv výrobce. Napájení 12 V může být nestabilizováno, ale z důvodu výkobové ztráty obvodu budiče LM3914 (max. 1.3 W), by mělo být v rozsahu 6.8 V až 13.2 V.

Výstupy TP1, TP2 umožňují měřit právě mezní napětí rozsahu. Jako zobrazovač lze samozřejmě použít jak samostatné LED, tak již kompletně v provedení sloupcového grafu - viz. obrázek 7. V provedení na fotografii je použito tlakového senzoru v konfiguraci pro měření diferenčního tlaku.

Obr. 7. Příklad praktické realizace zapojení

Seznam použitých součástek

Označení součástky	Popis součástky	Hodnota
C1	Keramický kondenzátor	0.1 μF
C2	Keramický kondenzátor	1 μF
D1 - D10	Bar Graph LED - jednotlivé LED nebo kompletní sloupec (na obr. 7. je MV57164)	-
R1	0.25 W metalizovaný rezistor	100 k
R2	0.25 W metalizovaný rezistor	1.2 k
R3	0.25 W metalizovaný rezistor	2.7 k
R4	0.25 W metalizovaný rezistor	1.3 k
R5	Trimer - kalibrace horní meze rozsahu (Full Scale Calibration)	1 k
R6	Trimer - kalibrace dolní meze rozsahu (Zero Calibration)	100 k
S1	On/Off přepínač napájení +12 V (může být rozsah 6.8 až 13.2 V)	-
U1	LM3914 - Bar Graph IC - převodník napětí na svítící sloupec LED	-
U2	MPX5100 - Tlakový senzor Freescale (Preasure sensor)	-
U3	MC78L05ACP - napěťový stabilizátor 5V (může být libovolný 78L05)	-

Závěr

Mým cílem v tomto článku bylo představit další senzor tlaku z široké nabídky firmy Freescale nejen samotný, ale i v praktickém jednoduchém zapojení pro demonstraci použití a zapojení vývodů senzoru. Protože uvedený senzor MPX5100 je téměř univerzální, dá se použít v mnoha aplikacích.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz