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Intelligent Systems Design
Sensoren, Aktoren & Mikroprozessoren
Grundlegende Schaltungen für den Anschluss von Sensoren und Aktoren an
Mikrocontroller
Prof. Dr.-Ing. Michael Karagounis
Sommersemester 2016
Fachbereich Elektrotechnik
Notwendigkeit von Sensoren und Aktoren
𝝁𝑪SENSOREN
AKTOREN
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Signalflussplan
SensorAnalog/Digital
WandlungVerstärker/
Filter
Digital/Analog Wandlung
𝝁𝑪
TreiberAktor
Temperatur
Umwelt
𝑼, 𝑰, 𝑸 𝑼
𝟏𝟎𝟏𝟎𝟏𝟎𝟏𝟏
𝟏𝟏𝟏𝟎𝟏𝟎𝟎
𝑼,𝑷𝑾𝑴
Kraft
Beschleunigung Druck
Lichtintensität
LichtTöne Wärme
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Airbag Steuerungssystem
BeschleunigungAkzelerometer
SitzbelegungDruck-Sensor
Gurtschloss Hall-Sensor
ACU(µC)
Zündpille
Gurtstraffer
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Beschleunigungssensor
Kapazitiver Sensor Üblicherweise gefertigt als MEMS(Mikroelektromechanisches System)
• Mittlere Kondensatorplatte wird auf Grund der Massenträgheitgegen die Beschleunigungsrichtung ausgelenkt
• Plattenabstand 𝑑1 verringert sich, 𝑑2 vergrößert sich
• Kapazität 𝐶1 steigt an, 𝐶2 fällt ab
𝐶 = 𝜀𝐴
𝑑Ԧ𝑎
Ԧ𝐹𝑇
Komponenten: Beweglich gelagerte Schwungmasse
Ineinandergreifende Lamellen
𝑑1
𝑑2
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Ausleseschaltung des Beschleunigungssensors
𝐶3 𝐶3
𝐶1𝐶2
𝐶3 𝐶3
𝐶1𝐶2
+
−
Δ𝑈
−Δ𝑈
𝑄3 = 𝐶3Δ𝑈
𝑄2 = −𝐶2Δ𝑈
Δ𝑄+ = 𝐶3 − 𝐶2 Δ𝑈
Δ𝑄− = 𝐶3 − 𝐶1 Δ𝑈𝑄1 = −𝐶1Δ𝑈
𝑄3 = 𝐶3Δ𝑈
𝐶0
𝐶0
𝑈𝑜
𝑈𝑜 =Δ𝑄+ − Δ𝑄−
𝐶0=𝐶1 − 𝐶2𝐶0
Δ𝑈
Δ𝑄+
Δ𝑄−
Ausgangssignal von Kapazitätsdifferenz und damit von Beschleunigung abhängig!
Ladungsempfindlicher VerstärkerSpannungspulse
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Spannungspulse
Brückenschaltung
𝐶2 < 𝐶3 < 𝐶1
Beim Bremsvorgang
𝐶2 = 𝐶3 = 𝐶1Bei konstanter Geschwindigkeit
Digitalisierung des Sensorsignals
𝐶3 𝐶3
𝐶1𝐶2
+
−
𝐶0
𝐶0
𝑈𝑜
+
−
+
−𝑈𝑆
𝑇𝑅𝐺
𝐶3 𝐶3
𝐶1𝐶2
+
−
𝐶0
𝑈𝑜
Vergleich mit einer Schwellspannungmit Hilfe eines Komparators
A/DWandler
Abtastung des Signals durch einen Analog/Digital Wandler
𝑆𝐴𝑀𝑃𝐿𝐸
3
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+
-
+
-
Beispiel: 3 Bit Flash A/D Wandler
+
-
Thermometer/Binär
Umsetzer
+
-
𝑈𝑖𝑛
𝑈𝑟𝑒𝑓
𝑈𝑟𝑒𝑓8
+
-
+
-
+
-
3𝐷
Ein N-bit Wandler verwendet:• 2N-1 Komparatoren• resistiver Spannungsteiler aus
2N Widerständen• Referenzspannung steigt um
jeweils Τ𝑈𝑟𝑒𝑓 2𝑁
1
1
1
1
𝑈𝑥
𝑈𝑦
0
0
0
• Inhärente Thermometerkodierung• Umsetzung zu Binär Code
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𝑈𝑥 < 𝑈𝑖𝑛 < 𝑈𝑦
Aktor: Zündpille Treiberschaltung
12𝑉 Batteriespannung
𝑅𝑆 Heizwiderstand
Power-MOSFET
Power-MOSFET
Reserveenergie
Treiberstufe
Treiberstufe
ACU(µC)
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Aktor: Motorsteuerung reversibler Gurtstraffer
𝑈𝐵𝑎𝑡: 12𝑉 Batteriespannung
𝑈𝑀𝐿
Motor
𝑈𝐿 = 𝐿𝑑𝑖
𝑑𝑡= 𝐿
Δ𝐼
Δ𝑇
Δ𝐼 =𝑈𝐿LΔ𝑇
1. Fall:
Δ𝐼 =𝑈𝐵𝑎𝑡 − 𝑈𝑀
𝐿Δ𝑇
Stromanstieg Beschleunigung
Δ𝐼 = −𝑈𝑀𝐿Δ𝑇
2. Fall:
M1
M2
M3
M4
Stromabfall Bremswirkung
M1 & M4 durchgeschaltet
𝑈𝐿 𝑈𝑀
M1 & M4 durchgeschaltet
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Zusammenfassung
• Mikrocontroller werden in Produkte eingebettet um Abläufe intelligent zu steuern.
• Sensoren sind die Augen & Ohren des technischen Systems
• Aktoren sind die Arme & Beine des technisches
• Anschluss von Sensoren an µC: Verstärker, Filter, A/D Wandler
• Anschluss von Aktoren an µC: Schalter, Treiber, D/A Wandler
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Beispiel: Single-Slope Analog-Digital Wandler
++
-
𝑅
𝐶
−𝑈𝑟𝑒𝑓
𝑢𝑜 =𝑈𝑟𝑒𝑓
𝑇𝑡
𝑢𝑜
𝑈𝑖𝑛
→ 𝑈𝑖𝑛 =𝑈𝑟𝑒𝑓
𝑇𝑡𝑚𝑒𝑠𝑠
𝑡𝑚𝑒𝑠𝑠 =𝑇
𝑈𝑟𝑒𝑓𝑈𝑖𝑛
SOC
Discharge
EnableControl
ResetCounter
= 𝑁 𝑇𝑇𝑎𝑘𝑡
𝑁 =𝑇
𝑇𝑇𝑎𝑘𝑡 𝑈𝑟𝑒𝑓𝑈𝑖𝑛
N
1 2 3 4 5 6 70
EOC
𝑡
𝑈𝑖𝑛
𝑡𝑚𝑒𝑠𝑠
𝑈𝑖𝑛2
𝑡𝑚𝑒𝑠𝑠2
Hit𝑢𝑜
𝐻𝑖𝑡
𝐶𝑙𝑘𝑇𝑇𝑎𝑘𝑡
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