Dirigido a: Alguien que quiere aprender sobre los detalles de control de un sensor de banda ancha Bosch oxígeno, construir y probar un circuito de control, a continuación, hacer mejoras. Tambin cualquiera que busque hacer un escudo simple para Arduino, u otra plata!orma microcontrolador educati"o. Introducción:
#ace "arios a$os, hemos decidido o!recer un dise$o abierto. %legimos para construir un controlador para un sensor de oxígeno de banda ancha, ya que no parece ser un dise$o basado en un microprocesador totalmente abierto disponibles en &nternet. Despus de estudiar lo que podríamos encontrar sobre el tema, se optó por in"estigar lo que que puede lograrse con con un circuito simple simple y un microcontrolador com'n. (on la in!ormación que aquí se presenta, se puede construir un circuito controlador que !uncione, y puede ser una a)nación 'til o herramienta de diagnóstico. Alentamos a la construcción de este circuito como una herramienta educati"a, o como punto de partida para una "ersión mejorada. #ay muchos componentes de mayor rendimiento posibles que se pueden utili*ar, pero nos sentimos construcción y caracteri*ación de este primer circuito es crucial para la toma de decisiones acerca de las mejoras. +ea la sección trabajo de seguimiento se recomienda a continuación. a construcción de este circuito es, probablemente, no sustituye a la compra de un dispositi"o comercial. Desde que empe*amos este proyecto, los controladores comerciales han bajado de precio y el rendimiento ha mejorado. %n su !orma actual, el tiempo de respuesta, precisión y precisión no son competiti"os con los controladores de gama m-s alta. Panorámica de las funciones y deniciones:
ensor: Bosch / 0.1. %l sensor tiene tres elementos que el controlador interact'a. %l calentador es sencilla: se aplica el poder y que se calienta el sensor. a bomba transporta el oxígeno dentro o !uera de la -rea de la celda de 2ernst, dependiendo de la dirección de la corriente que 3uye a tra"s de l. a clula de 2ernst es muy similar a un sensor de banda estrecha, que pone a cabo unos 4,05 "oltios cuando est- en una atmós!era estequiomtrica.
6ediante la aplicación de energía a la bomba, el controlador puede mo"er el oxígeno dentro o !uera de la clula hasta las respondes 2ernst, lo que indica que est- a punto estequiomtrico. a corriente de la bomba se mide y se compara con la cur"a de respuesta proporcionado por Bosch para determinar la proporción de la me*cla de gases de escape a continuación. +re! es una conexión com'n para la bomba y la clula de 2ernst. e puede moler, pero luego "oltajes negati"os debe ser generado con el )n de proporcionar corriente a la bomba en ambas direcciones. en un sistema de 5 "oltios, 7,8 "oltios proporciona la bomba con corriente negati"a su)ciente para la gama completa de la operación, y toda"ía dejan su)ciente rango positi"o para ser capa* de medir la producción de la clula de 2ernst. Tambin hay un terminal de 9(A, que proporciona una resistencia de ajuste de !-brica que se puede utili*ar en paralelo a la resistencia en serie se recomienda para la medición de la corriente de la bomba. Algunas de)niciones, como ocurre con los mtodos que hemos utili*ado en nuestro controlador: ;6: 6odulación por ancho de pulso: %ste mtodo se utili*a para controlar la potencia del calentador, así como las se$ales analógicas de corriente de la bomba y la tensión de salida de usuario. DA(: con"ertidor de digital a analógico: e utili*ó ;6 y un )ltro de paso bajo para crear se$ales analógicas.
AD(: Analog to Digital (on"erter: %l microcontrolador utili*ado tiene un ni$o de 8 canales, 74 bits AD(. 1 canales se utili*an para leer la salida de 2ernst, y la corriente de la bomba. os gases de escape: nos re!erimos a la corriente de gas a prueba, ya se trate de humo de madera, aire ambiente, o de escape del motor de combustión interna. (erca
de los gases de escape en el que la clula de 2ernst responde r-pidamente, como si se trata de un sensor de banda estrecha. Construyendo el controlador:
ista de materiales: ↓ Descargar Dise$os de (B, !ormato ?icad. +ersión anterior para re!rence solamente: ↓ Descargar
2ota: estos esquemas tienen 9a y 9b aplicar ganancia para el controlador de la bomba de DA(. Deja 9a, y debe ser un puente para su uso con el )rm@are aquí. erber: ↓ Descargar ensor de pines (olor (onexión: 2ombre del sensor Terminal: 2egro: 2ernst ris:
+s
(alentado # r
Amarill +re! o:
+s C &p
+erde: 9(A
9(A
Blanca:(alentado #< r de 9ed:
Bomba
%l código !uente es liberado aquí bajo la licencia 6&T =6&T>
+oltaj e:
&p
71 + 7,8 +
Derechos de autor =c> 1741 ?arl ;alter e concede permiso, de !orma gratuita, a cualquier persona que obtenga una copia de este so!t@are y archi"os de documentación asociados =el o!t@are>, para tratar el o!t@are sin restricción, incluyendo sin limitación, los derechos para usar, copiar, modi)car, !usionar , publicar, distribuir, sublicenciar y C o "ender copias del o!t@are, y para permitir que personas a las que el so!t@are estamueblado para hacerlo, con sujeción a las siguientes condiciones: %l a"iso de copyright anterior y este a"iso de permiso se incluir-n en todas las copias o partes sustanciales del o!t@are. % EFT;A9% % 9EE9(&E2A TA (/A, &2 A9A2TGA D% 2&2H2 T&E, %I9%A E &6G(&TA, &2(/J%2DE %9E 2E &6&TADE A A A9A2TGA D% (E6%9(&A&KA(&L2, &DE2%&DAD A9A /2 9EL&TE A9T&(/A9 J 2E &2F9A((&L2. %2 2&2H2 (AE, E A/TE9% E T&T/A9% D% (EJ9&#T %9M2 9%E2AB% D% 2&2/2A 9%(A6A(&L2, DANE / ET9A 9%E2AB&&DAD, JA %A %2 /2A A((&L2 D% (E2T9ATE, A9A+&E E (/AO/&%9 ET9E 6ET&+E, D% E %2 9%A(&L2 (E2 % EFT;A9% E % /E / ET9E T9ATE %2 % EFT;A9%. Firm@are con descargas de código !uente: %l escape del motor: ↓ Descargar %scape 6adera: ↓ Descargar Etras "ersiones, experimental ↓ Descargar ara programar el microcontrolador, se recomienda un programador /BA disponible de muchas !uentes, incluyendo eBay. http://www.schl.de/usasp/ o!t@are de programación que trabaja con el /BA: a"rdudehttp://www.nongnu.org/a!rdude/ Argumentos de comandos a"rdude a establecer !usibles =una "e*>: l!use
;inA+9 se puede utili*ar para modi)car y compilar código:http://wina!r.sourceforge.net/download.html %ng-nchate:
"ecomendado el traa#o de seguimiento:
%stas son las -reas que creemos que serían los primeros puntos a tratar en trminos de mejoras. or !a"or, lea lea la sección Dise$o y trampas para obtener m-s detalles. Acelerar el tiempo de respuesta: A$adir ganancia para el ampli)cador de corriente de la bomba para maximi*ar la corriente de la bomba disponible.
9a y 9b se deben elegir para proporcionar alguna ganancia de este ampli)cador. %l "alor debe ser elegido sobre la base de la corriente proporcionada al aire libre sin ganancia, a continuación, a$adir ganancia a aplicar un poco menor que el m-ximo permitido en la hoja de Bosch. os
"alores &D entonces tendr-n que ser cambiado para los c-lculos de potencia de la bomba.
%"itar oscilaciones 2ernst: . Trate di!erente objeti"o 2ernst "alores para el c-lculo de la corriente de la bomba %sto puede ayudar a pre"enir oscilaciones en casi estequiomtrica porque el 2ernst ser- operado en un lado u otro de su rango de oscilación. %l )rm@are o!recido anteriormente para el escape del motor hace esto y los otros )rm@ares dirigen el centro de la parte empinada de la cur"a.
a parte empinada de la cur"a sólo representa un cambio de 4,41 lambda, = estión del motor de gasolina "oert $osch %m& , 7RRR> Así que el error introducido por no dirigido el centro 4,05 "oltios deben ser peque$os, y puede ser corregido como una calibración global despla*amiento . E abandonar &D para el control de la bomba alltogether. el control de la bomba podría ser mejor manejado por una tabla de b'squeda, como la no linealidad de la cur"a de 2ernst hace que el trabajo de realimentación &D mal. 6ejorar el control del calentador: ruebe una onda cuadrada de 7 a 0 S#* aplica continuamente a la 2ernst terminal a tra"s E9TB1 y (70. (ompare esto con la medición de un solo punto despus de un pulso utili*ado en este dise$o. %l control de la cale!acción en el dise$o actual puede estar bien, pero mejor control del calentador puede estar disponible probando con otro mtodo: 6edir la tensión con un AD( 2ernst =)jo> poco tiempo despus de la alternancia. (alcular la di!erencia entre las mediciones de alta y baja.%sto se debe utili*ar para determinar la resistencia de 2ernst. A continuación, el promedio de los dos pares de medición es el despla*amiento de esta se$al de A( D(, y representa la salida de (( del 2ernst. Ajuste 974 para corresponder a la !recuencia elegida.
Dise'o:
%squema: &aga clic para ampliar la imagen
Diagrama de 3ujo del programa:
(ontrol de la temperatura: De acuerdo con la )cha tcnica a resistencia de 2ernst se debe medir utili*ando una se$al de corriente alterna de 7 a 0 Sh*. sección 1.U Bosch / )cha de datos 0.1V a resistencia objeti"o es de 84 ohmios. /na resistencia y el condensador se utili*an para )ltrar esta se$al A(, y un "alor de (( pueden ser leídos por uno de los canales de AD(. %n lugar de crear un tempori*ador para alimentar un tren de pulsos a la clula de 2ernst, sólo aplicamos un solo pulso de a puerto B1, y medir la tensión de (( poco tiempo despus. %l uso de un termopar escondido dentro de la c-scara del sensor, podríamos tra*ar la temperatura en !unción de esta lectura AD(. /so de las !unciones &D, esto se utili*a para lograr un control ra*onable de la temperatura del calentador cerrado bucle. uede ser posible para lograr un mejor control del calentador con una tcnica de medición m-s so)sticado. DA(: /tili*amos un )ltro 9( simple y un ampli)cador operacional para crear una tensión continua. (ontrolador de la bomba y +out se generan de esta
manera. as pruebas muestran que el conductor del (AD de la bomba puede tener m-s oscilación con el )n de impulsar la bomba m-s y aumentar el tiempo de respuesta, y toda"ía estar dentro de los límites de las especi)caciones. +ea la sección trabajo de seguimiento se recomienda a continuación.
a lectura de la corriente de la bomba: %l "oltaje a tra"s de 971 se mide mediante el uso de un ampli)cador di!erencial con una ganancia de 5.
Tensión de re!erencia o de tierra "irtual: 90 y 9Q son un di"isor de tensión que proporciona 7.8" de 5". %l tampones op
(rampas:
a resistencia !rente a la cur"a de temperatura de 2ernst: %l cambio en la resistencia !rente a la temperatura disminuye a medida que la celda de 2ernst alcan*a la temperatura de !uncionamiento. a resistencia de 2ernst es el "alor importante, por lo que a pesar de que el control de temperatura por este mtodo no es muy preciso, el control de la resistencia de 2ernst est- bien. A continuación se muestra un gr-)co de la resistencia aproximado de 2ernst. intoni*ación &D no es tri"ial: as !unciones de sintoni*ación &D nos utili*ados pro"ienen de Atmel aplicación cuenta A+9711 . intoni*ación &D puede ser un tema muy complicado. a sintoni*ación &D debe ser abordado mediante la medición de la respuesta a un cambio, entonces el c-lculo de nue"os !actores relati"os. 2o hicimos esto, la puesta a punto que se hi*o !ue por ensayo y error. 6ucho mejoría en la respuesta puede ser adquirida en este -mbito. ara hacer las cosas m-s di!íciles, otros cambios reali*ados en par-metros como la ganancia del ampli)cador operacional o identi)que "alor 2ernst requiere que se "uel"a a hacer la sintonía &D. %l control de la bomba podría ser mejor manejado por una tabla de b'squeda, como la no linealidad de la cur"a de 2ernst hace que el trabajo de realimentación &D mal. (alentador de control por ;6 causa ruido que es recogido por el AD(: %legimos para e"itar el problema al permitir que los pulsos ;6 para el control del calentador libre de gestión, y sincroni*ar el muestreo. De esta manera el muestreo no sucede cuando la potencia del calentador se "a de baja a alta o "ice "ersa. Etras soluciones: /tili*ar un control de potencia del calentador lineal: %sta es la tcnica utili*ada en el dise$o 9auscher anteriormente. e utili*a un regulador de tensión ajustable. %sta es probablemente la mejor manera de empe*ar, "eri)que todas las dem-s !unciones de trabajo, a continuación, agregar el control del
calentador ;6. %l incon"eniente es el calor creado por el controlador de potencia lineal. Detenga el ;6 bre"emente mientras muestreo: . %ste es un mtodo patentado el n)mero de patente: *+,-0 i usted est- considerando una producción de un controlador en el comercio, la in"estigación de la concesión de licencias de este mtodo puede ser una buena idea. Filtra todas las se$ales analógicas con ambos )ltros digitales y analógicas de paso bajo.%ste mtodo agrega componentes externos y código interno del )rm@are, pero puede ser el m-s sencillo si la con"ersión de un control de potencia del calentador lineal. (ompruebe el estado de ;6 antes y despus del muestreo: i el estado cambia, entonces una transición ocurrió durante la toma de muestras, y que el punto de datos se descarta.%s posible que los chips de la serie (W Bosch hace esto con los pasadores de Diah y D&A.%ste mtodo se recomienda para una mayor in"estigación. a respuesta no lineal del sensor, y la calibración aire libre. a cur"a de respuesta del sensor es empinada en el rango de cerca de estequiomtrica y es una cola super)cial mucho tiempo !uera al aire libre. %sto requiere el uso de matem-ticas 3oating punto o una tabla de consulta para traducir la corriente de la bomba en una salida lineal. %sto tambin hace que sea di!ícil de usar aire libre como 'nico punto de calibración y extrapolar a la gama estequiomtrica. Bosch #oja de datos de la cur"a de Formas:
Forma aproximada en una escala lineal:
/n modelo simpli)cado:
alida cambia r-pido 2ernst a!ectan bomba actual: i la salida cambia 2ernst r-pidamente, el pico se mostrar- en la medición de la corriente de la bomba. %sto se con"ierte en un desa!ío en el rango cercano estequiomtrica donde la clula de 2ernst oscila entre ricos y magra.
Escilación cerca de 2ernst
Algunas opciones para hacer !rente a esta:
Escilación de 2ernst:
%stablecer orientación 2ernst "alor !uera del rango de conmutación. Al principio nos pusimos un poco sin querer la 2ernst objeti"o a aproximadamente 4,1 "oltios. %sto !uncionó bien para una me*cla de gases de escape rango alrededor de casi estequiomtrica, como en escape de automó"iles. Tiempo de respuesta de al aire libre era un poco lento. (uando se utili*ó el sensor en un horno de le$a, se necesitaba una, gama m-s amplia magra, así como el tiempo de respuesta m-s r-pido, por lo que el objeti"o de 2ernst se cambió a cerca de 4,05 "oltios. (on este ajuste, las oscilaciones se presentaron. Tenemos )rm@are independiente que trabaja para cada rango, pero no ambos. /na mejora sería combinar los dos )rm@ares cambiando el "alor de 2ernst objeti"o basado en la 'ltima bomba "alor actual. romedio de las lecturas cuando se produce la oscilación. Tenemos una "ersión de )rm@are, donde hemos intentado esto. %s complicado, y di!ícil de )ltrar las oscilaciones sin destruir el tiempo de respuesta. %l )rm@are no ha sido probado a !ondo. Terreno mostrando 2ernst y bomba oscilación de la corriente, y el resultado )ltrado digital:
Etras dos posibilidades que no han in"estigado: Filtrar sobre un )ltro externo de paso bajo. /se un algoritmo di!erente: la !recuencia del ciclo medida cuando casi estequiomtrica. %sta patente: 12 -,-,3*+, 4, sugiere una manera de hacer esto mediante la medición del "oltaje de la bomba con la corriente de la bomba desconectada con el )n de determinar si los gases de escape son casi estequiomtrica, y luego cambiando los par-metros del control de la corriente de la bomba. 6todos de calibración de campo: 2o es pr-ctico para cada usuario tenga una serie de gases de calibración. /na in"estigación sobre una combinación de aire libre, gama estequiomtrica, y butano qui*- pura o propano puede producir una calibración
adecuada. Tambin puede ser posible calibrar los AD(s con re!erencias de "oltaje de precisión y el rendimiento de una calibración adecuada. Circuitos controladores alternati!os a considerar:
Bosch serie (W de )chas: $osch serie C5 6enlace7 %stos chips se encargan de todo, excepto el control de la temperatura y la con"ersión de la corriente de la bomba al "alor lambda. %llos sólo estaban disponibles para los !abricantes E%6 hasta hace poco. Amplia in!ormación sobre la implementación de uno de estos est- aquí: http://www.reitand8 lamda.de/information.html
