Главная Физические и химические датчики



Датчики

Немногим более десяти лет тому назад, когда появились первые микропроцессоры и микро-ЭВМ, трудно было представить, что вычислительная техника станет действительно массовым явлением, выйдет за стены научно-исследовательских институтов и производственных предприятий, станет доступной каждому студенту, школьнику. Кратко характеризуя темпы развития этого катализатора научно-технической революции, можно сослаться на образное сравнение в журнале «Сайнтифик Америкэн» (декабрь, 1982): «Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как и промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолет «Боинг-767» стоил бы 500 долларов и совершал облет земного шара за 20 минут, затрачивая при этом 5 галлонов топлива». Приведенные цифры весьма ярко отражают относительное снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ.

Самым массовым и динамичным классом вычислительных машин являются микро-ЭВМ, развитие которых идет в основном в двух актуальных и перспективных направлениях: встроенные контроллеры в самых разнообразных изделиях, например телевизорах с программным и дистанционным управлением; универсальный интеллектуальный помощник, например персональная ЭВМ. Быстрыми темпами увеличивается доля установок, оборудованных микро-ЭВМ, растет популярность персональных ЭВМ. Уже в 1983 г. в США было продано только домашних персональных компьютеров 5,3 млн. штук {xzz сравнения; в 1982 г.-всего 2 млн. штук и видеомагнитофонов в эти же годы - всего 4 и 2 млн. штук соответственно), а к 1990 г. настольные и переносные

персональные ЭВМ будут раскупаться так же, как и самый популярный на сегодня электронный аппарат - цветной телевизор.

Одним из главных следствий широкого внедрения микро-ЭВМ в разнообразных системах управления, будь то управление сложным технологическим процессом или всего лишь бытовым прибором, является резкий рост потребности в дешевых и надежных датчиках. Хотя датчики имеют гораздо более солидную историю, чем вся вычислительная техника, тем не менее в современных автоматизированных системах контроля и управления именно ЭВМ, и особенно микро-ЭВМ, играют доминирующую роль. Отсюда и необходимость разработки датчиков, совместимых с микро-ЭВМ электрически и конструктивно, а также по точности, быстродействию долговечности и другим параметрам. Этим же объясня ётся и общая тенденция «интеллектуализации» датчиков т. е. конструктивного объединения их с микропроцессор ными устройствами для предварительной обработки ин формации еще до передачи ее в управляющую или кон тролирующую ЭВМ.

Предлагаемая читателю книга примечательна комплексным охватом проблем, связанных с внедрением датчиков во всевозможные системы автоматизации. Она знакомит как с общей методикой, так и с удачными, наглядными примерами решения этих проблем, и может пробудить интерес и инициативу в деле массовой автоматизации на каждом рабочем месте, в каждом доме.

Отзывы о книге, замечания и пожелания просьба направлять по адресу: 191065, Ленинград, Марсово поле, 1, Ленинградское отделение Энергоатомиздата.

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ЯПОНСКОГО ИЗДАНИЯ

Бурное развитие современной полупроводниковой технологии привело к разработке множества микро-ЭВМ, обладающих значительными вычислительными воз.можно-стями. Уже в наши дни эти вычислительные машины становятся предметом личного пользования. Так называемые персональные ЭВ\\ выполняют функции, которые обычно доступны лишь мыслительному аппарату человека - головному мозгу. Они производят сложные расче-



ты, обрабатывают тексты, рисунки, графики и постепенно становятся незаменимыми в повседневной жизни. С другой стороны, все шире область применения вычислительных машин, где они полностью вытеснили труд человека. Примеры невозможно перечислить: здесь автоматические системы и в промышленности, и в сфере обслуживания, и в измерительной технике. Во всех этих случаях используются разнообразные датчики, заменяющие органы чувств человека, а также схемы интерфейса для преобразования информации датчиков в удобную для дальнейшей обработки форму. Необходимость интерфейса обусловлена тем, что в большинстве своем датчики выдают аналоговые электрические сигналы, неприемлемые для ЭВМ, сильная сторона которых в цифровой обработке. Кроме того, датчики не всегда согласуются с ЭВМ по диапазону входных значений сигналов, скорости поступления информации и другим параметрам. Несогласованность датчиков и ЭВМ связана с различием во времени их возникновения. Датчики появились задолго до вычислительных машин и были предназначены для выполнения функции чувствительного элемента в измерительных приборах. Последующее развитие датчиков уже после создания ЭВМ доказало необходимость и важность интерфейса как средства, расширяющего возможности обработки в измерительных системах. В автоматических системах интерфейс требуется также и для согласования выходных команд ЭВМ с реакцией исполнительных устройств.

В ближайшее время ожидается появление техники персональной автоматизации, например карманных терминалов для обработки и передачи информации, наручных часов с пультом управления, электронной памятью, измерителями атмосферного давления, температуры окружающей среды и тела, частоты пульса и других приборов. Вводится домашняя автоматизация: с помощью микро-ЭВМ производится обработка информации и управление в новой электронной среде общения (электронная почта, видеотекс, телетекст и др.), организуется система обеспечения безопасности, автоматическое управление бытовыми приборами и контроль за состоянием здоровья обитателей жилища. В учреждениях внедряются автоматические системы, в которых объединяется различное конторское оборудование, например текстовые процессоры, копировальные аппараты, информационные

банки и др. На производственных предприятт5лх, где многие физические действия и выработка управленческих решений производятся промышленными роботами, наблюдается переход от централизованных систем обработки информации на основе больших ЭВМ к системам с распределенной обработкой и локальными информационными сетями, что связано с «интеллектуализацией» терминалов благодаря микро-ЭВМ. Параллельно развитию автоматизации оживляются исследования в области перспективной оптико-электронной измерительной техники, быстро растет число разработок «интеллектуальных» датчиков со встроенными аналого-цифровыми преобразователями.

Все вышеупомянутые системы автоматизации структурно напоминают приведённую здесь общую схему технического восприятия на основе микро-ЭВМ (штрихами обозначены границы интеграции устройств в перспективе), В книге описывается техника различных датчиков, пред-

Датчики

Интерфейс

ИСП0ЛН10-

Микро-ЭВМ

->

Интерфейс

тельные устройства

Оптический,

газовый,

давления,

температуры,

влажности,

частоты

вращения,

положения

и др.

Преобразователи аналого-цифровой, последовательного кода 8 параллельный, параллельного кода в последовательный, схемы коррекции и др.

Восьмиоазрядный ЦП, ПЗУ, ОЗУ, контроллер и др.

if \

Преобразователи цифро-аналоговый, последовательного кода в параллельный, парал.пельного кода 8 после -довательный, частоты и др,

Электродвигатель, электромагнитный клапан, электромагнитный поршень, зуммер, электролампа и др.

ч -г

ставлены устройство, функциональные возможности и основные характеристики микро-ЭВМ (восьмиразрядной), которая играет центральную роль в схеме восприятия. Из схем интерфейса, согласующих датчики с микро-ЭВМ, здесь более подробно рассматриваются аналого-цифровые преобразователи с их периферийными электрическими цепями. В последней главе описываются разнообразные примеры практического воплощения идей по совместному использованию микро-ЭВМ и датчиков.

1 января 198о г.

v>ya.iyKH Саюдзи



ВййШНйй ередз

Глава первая ТЕХНИКА ДАТЧИКОВ

1. Понятие датчика

Человек глазами воспринимает форму, размеры и цвет окружающих предметов, ушами слышит звуки, носом чувствует запахи. Обычно говорят о пяти видах ощущений, связанных со зрением, слухом, обонянием, вкусом и осязанием. Для формирования ощущений человеку необходимо внешнее раздражение определенных органов - «датчиков* чувств». Для различных видов ощущений роль датчиков играют определенные органы чувств:

Зрение , Слух , . Вкус . Обоняние Осязание

Глаза

Язык

Кожа

Однако для получения ощущения одних только органов чувств недостаточно. Например, при зрительном ощущении совсем не значит, что человек видит только благодаря глазам. Общеизвестно, что через глаза раздражения от внешней среды в виде сигналов по нервным волокнам передаются в головной мозг и уже в нем формируется ощущение большого и малого, черного и белого и т. д. Эта общая схема возникновения ощущения относится также к слуху, обонянию и другим видам ощущения, т. е. фактически внешние раздражения как нечто сладкое или горькое, тихое или громкое оцениваются

* В зарубежной литературе вместо термина «дaтqикv более употребителе:- термин «сенсор» (от английского слова sense - чувство, ощущение, чувствовать, ощущать). В отечественной лит1 ратурс- кроме термина «датчик» встречаются его эквиваленты: чувствительный элемент, регистратор, преобразователь, измеритель, первичный измерительный преобразователь и др. (Прим. перев.)

Человек

Пять

Ощущение

Головной мозг

Действие

Руки, ноги и другие исполнительные органы

-7---

органов чувств

(входные сигналы)

(выходные сигналы)

Рис. 1. Человеческая система г

Датчик

Входной сигнал

Микро-ЭВМ

Микропроцессор

Память

Входной терминал

сигнал

Исполнительное устройство

Выходной терминал

Рис. 2. Техническая система

головным мозгом, которому необходимы датчики, реагирующие на эти раздражения.

Проследим за общей схемой поведения человека. Внешнее раздражение через упомянутые датчики в виде определенных сигналов поступает в головной мозг, формирующий ощущение. Человек в соответствии с ощущением выстраивает свое поведение (рис. 1). Возьмем конкретный пример. Если комар сядет на тело и начнет высасывать кровь, то благодаря осязанию ощущается боль и зуд. Вслед за этим принимается решение прогнать или убить комара. В соответствии с принятым решением определяются будущие действия и мозг выдает необходимые командные сигналы рукам и ногам (действия могут быть сознательными или бессознательными).

Нечто аналогичное происходит и в технической системе, состоящей из датчиков и микро-ЭВМ (рис. 2). Сравним обе системы. Датчики соответствуют органам чувств человека. Микропроцессор и память системы на рис. 2 выполняют функции, аналогичные функциям го-



[0] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17


0.0194