Na síti www lze nalézt řadu více či méně povedených barometrů s integrovaným tlakovým sensorem MPX4115A od Freescale (dříve Motoroly), obvykle s A/D 10ti bitovým převodníkem DS2438 (Smart Battery Monitor). Tento barometr je jejich obdobou. Pro A/D převod však nepoužívá specializovaný převodník, ale procesor s integrovaným A/D převodníkem. Použitý procesor PIC12F675 obsahuje dokonce čtyři desetibitové převodníky, nicméně díky rozložení pinů lze z nich při použití externího přerušení použít pouze 3. PIC12F675 je v osmipinovém pouzdře a lze jej provozovat i v zapojení bez externího krystalu. Mikroprogram v PIC, běžícím na 4 MHz, emuluje 1-Wire inteligentní A/D převodník.

Celé schéma je na následujícím obrázku:

Jak tedy celé zapojení funguje?

• IC1 - emuluje 10ti bitový 3-kanálový A/D převodník
• IC2B - pracuje jako impedanční oddělovač signálu z čidla IC6 a dalších analogových obvodů. Je v klasickém zapojení OZ se zesílením 1
• IC2A, IC3A a IC3B - pracují jako zesilovače se zesílením cca 11. Mimo zesílení signálu však realizují stejnosměrný posuv naměřené hodnoty. Kombinace zesílení a posuvu rozprostírá pro hodnoty děliče R5 až R8(s paralelním R22) měřené pásmo cca 3,2 až 4,3 V z IC2B do třech vzájemně se překrývajících rozsahů. Jediný problém, se kterým je však potřeba počítat je napětí na výstupu OZ. Napájení OZ je 8V a tak je na výstupy až cca 7,4V. Proto jsou mezi výstupy OZ a vstupy do A/D převodníků zařazeny omezující odpory R15 až R17. Hodnota těchto odporů je kompromis mezi zatížením vstupních omezujících diod v PIC a splněním podmínek pro impedanci zdroje na vstupech A/D převodníků.
• IC4 - pracuje jako zdroj pro napájení tlakového senzoru IC6 a PIC IC1. Napětí z referenčního zdroje je pomocí IC4A zesíleno na 5,1 V doporučeného pro MPX4115A. Z výstupu je napájen jednak dělič R5 až R8(R22) a jednak PIC, kde mimo napájení slouží i jako reference. S výhodou je zde využito toho, že OZ funguje jako sériový i paralelní regulátor, tj. v závislosti od napětí na výstupech IC2A a IC3 může dojít i ke stavu, že přes omezovací odpory a omezovací diody v PICu bude celá hladina 5,1 V napájena z PICu a přebytečnou energii bude odvádět IC4A fe funkci paralelního regulátoru. V opačném případě bude hladinu 5,1 V napájet IC4A ve funkci sériového regulátoru, což bych ale moc, vzhledem ke odběru PIC moc nepředpokládal... Druhá půlka IC4B je využita jako zdroj pro napájení tlakového senzoru IC6. Pro odlehčení zatížení je k výstupu zapojen R21 přikrmujíci IC6, který přeci jen nějakou energii ke své funkci spotřebuje. Otázka je zda by nebylo lepši IC4B vynechat (zbyl a tak co s ním...)
• IC5 - je zdroj referenčního napětí. Původně byl jako blokovací kondenzátor C4 použit keramický M1, s ním však zapojení kmitalo a tak byl nakonec použit 10K
• IC7 - složí k napájení reference IC5 a operačních zesilovačů.
• Pro kalibraci bylo zapojení doplněno o víceotáčkový trimr R20 a propojku JP1. Nechtěl jsem jej napájet z 5,1 V a tak je napájen z 8V sražených o napětí na LED1 která slouží zároveň jako indikace napájení.

Tlakový senzor má rozptyl především v posuvu "0", hodnoty R5 až R8 byly původně jiné a přiznávám, že jsem je optimalizoval na základě naměřených hodnot. (Původně bylo 470R, 680R, 680R, 6K8, nyní 1K5, 680R, 680R, 5K94) Celý dělič byl posunut cca o jeden rozsah (autor sídlí v nadmořské výšce cca 300 m). Pro typický offset a pro hodnoty ve schematu je rozsah měření cca 800 až 1045 hPa (absolutně) ve třech podrozsazích.

A proč mají zesilovače zesílení právě 11 ? Na rozdíl od offsetu nuly by změna o 1 hPa z čidla měla dávat celkem typickou změnu a to Vref * 0,0009. Pokud dosadíme na druhou stranu rovnice krok A/D převodníku, který je Vref * 1/1024 tak vidíme:

Vref * (1/1024) * (počet kroků na 1 hPa) = Vref * 0.0009 * zesílení

Takže pro rozlišení 0,1 hPa a tím i počet kroků 10 dostáváme

zesílení = 10/(1024 * 0,0009) což je 10,8507

11 je o cca 13% ujeté, takže pokud někdo chce laborovat, má možnost dotažení i těchto drobností.

Pro výpočet tlaku z jednotlivých A/D převodníků získáme pro dané zapojení vzorec

tlak [hPa] = (hodnota A/D převodu) / (0,0009 * 11 * 1024) + (offset danného A/D)

kde hodnota A/D převodu je vzhledem k invertujícímu zapojení zesilovačů vztažena k Vref, nikoliv k zemi. (Ve skutečnosti, vzhledem k tomu že A/D převodníky z PICu jsou vztaženy k zemi, je hodnota z A/D převodníku vztažena k Vref softwarově)

Skutečnost naměřená na prototypu, dává pro prostřední převodník

tlak [hPa] = (hodnota A/D převodu) * 0,11371 + 917,05

Zapojení funguje docela rozumně, ale kalibrace a v některých případech nutnost přepočtu děliče R5 až R8 je pracná. Při cenách moderních šestnáctibitových (a pomalu už i nejen šestnáctibitových) A/D převodníků bych řekl že je tato cesta slepá. Nicméně jako cesta k osahání problematiky implementace 1-Wire rozhraní na PICu a tlakového senzoru od Motoroly to nebylo špatné. Funguje to, ale až přijdou A/D převodníky tak z toho vykradu MPX4115A, který tvoří 90% ceny prototypu a výsledný exemplář bude s ADS1100 a bez těch operáků (mimo 5,1 V zdroj). Ale o tom a o firmware v PICu zas někdy příště.

Schema (pdf)
Schema (ve formátu Eagle)
Foto prototypu