DE4015853A1 - Eingangsschaltung eines mikrorechners - Google Patents

Eingangsschaltung eines mikrorechners

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Description

Die Erfindung betrifft eine Eingangsschaltung an einem digitalen Eingang eines Mikrorechners, der zum Steuern und/oder Regeln von Funktionen von Aggregaten, insbesondere bei einem Haushaltsgerät, beispielsweise Waschmaschine oder Bohrmaschine, dient und der mit einer Wechselspannung synchronisiert ist, die auch an der Eingangsschaltung liegt, wobei an die Eingangsschaltung jeweils einer von mehreren Eingangswerten anlegbar ist, durch welchen der Mikroprozessor eine zugeordnete Ausgangsgröße schaltet.
Mikrorechner werden in der Steuerungs- und/oder Regelungstechnik eingesetzt. Beispielsweise werden sie zum Regeln der Drehzahl von Universalmotoren in Waschmaschinen oder Bohrmaschinen verwendet. Einfache Versionen solcher Mikrorechner arbeiten nur mit digitalen Eingängen und Ausgängen. Dabei kann ein digitaler Eingang nur zwischen einem L- oder H-Pegel eines Schaltsignals unterscheiden. Somit kann der digitale Eingang nur einen Eingangswert, der ein Sollwert oder Istwert sein kann, verarbeiten.
Mikrorechner einer aufwendigeren Version weisen Analogeingänge auf. Am Analogeingang lassen sich Eingangswerte praktisch stufenlos einstellen. Abgesehen davon, daß solche Mikrorechner vergleichsweise teuer sind und deswegen bei Haushaltsmaschinen unwirtschaftlich sind, haben die bekannten Analogeingänge den Nachteil, daß sie nur mit Niederspannung - etwa 5 V Gleichspannung - arbeiten. Somit an Schaltkontakten, die die Eingangswerte schalten, nur mit dieser Niederspannung gerechnet werden. Dies kann zu Problemen führen.
In der EP 03 36 051 A2 ist eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art beschrieben. Durch eine Kodierung und Dekodierung ist es möglich, an einem einzigen digitalen Eingang eines Mikrorechners maximal vier Schalterstellungen bzw. Eingangswerte auszuwerten. Zur Kodierung werden die positiven und negativen Halbwellen der Netzwechselspannung verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Eingangsschaltung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit der von einem einzelnen digitalen Eingang eines Mikrorechners mehrere, insbesondere mehr als vier, Eingangswerte schaltungstechnisch einfach erfaßt werden können.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einer Eingangsschaltung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Eingangsschaltung einen Phasenschieber für die Wechselspannung aufweist, an den jeweils einer der Eingangswerte anlegbar ist und der die Phasenverschiebung der Wechselspannung dem jeweils angelegten Eingangswert entsprechend einstellt, daß die jeweilige Phasenverschiebung zum ihr entsprechenden Zeitpunkt ein Schaltsignal an den digitalen Eingang legt und daß der Mikrorechner den digitalen Eingang innerhalb einer Halbwelle der Wechselspannung zu mehreren Abtastzeitpunkten abfragt und er dann, wenn zu dem jeweiligen Abtastschaltpunkt ein Schaltsignal vorliegt, die dem Eingangswert bzw. der diesem entsprechend eingestellten Phasenverschiebung zugeordnete Ausgangsgröße schaltet.
Damit ist der eine einzige digitale Eingang zur Erfassung vieler Eingangswerte geeignet. Jeder Eingangswert ruft eine charakteristische Phasenverschiebung hervor. Jede mögliche Phasenverschiebung ist einer der zu schaltenden Ausgangsgrößen zugeordnet. Es sind mindestens ebenso viele Abtastzeitpunkte wie mögliche Phasenverschiebungen vorgesehen.
Durch die Eingangsschaltung ist erreicht, daß ein einfacher Mikrorechner mit digitalen Eingängen verwendet werden kann und mit diesem trotzdem quasi analoge Eingangswerte erfaßt werden können. Je mehr Werte der Phasenverschiebungen und entsprechend Abtastzeitpunkte vorgesehen sind, desto höher wird die Anzahl bzw. Auflösung der erfaßbaren Eingangswerte.
Auch an weiteren digitalen Eingängen des Mikrorechners lassen sich im Bedarfsfall Eingangsschaltungen der genannten Art vorsehen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Wechselspannung die Netzwechselspannung. Dadurch liegt an Schaltkontakten, die die Eingangswerte schalten, die 220 V-Netzwechselspannung. Die Schaltkontakte schalten deshalb sicher. Die Schaltkontakte können beispielsweise Kontakte eines Programmschaltwerks einer Waschmaschine sein. Ein Fehlergleichstrom tritt nicht auf.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen den Phasenschieber und den digitalen Eingang ein Nullspannungsschalter geschaltet, wodurch die erfaßte Phasenverschiebung jeweils auf den Nulldurchgang der Wechselspannung bezogen ist. Dementsprechend tritt das Schaltsignal am digitalen Eingang im Nulldurchgang der phasenverschobenen Wechselspannung auf.
Vorzugsweise wird als Phasenschieber ein RC-Phasenschieber verwendet, bei dem der ohmsche Widerstandswert entsprechend dem jeweiligen Eingangswert verstellbar und die Kapazität festgelegt ist. Es ist dann möglich, mehrere parallele Widerstände mit unterschiedlichen Widerstandswerten vorzusehen, wobei jeder der Widerstände in Reihe zu einem Schaltkontakt liegt, der einem der Eingangswerte zugeordnet ist. Die Schaltkontakte können beispielsweise Schaltkontakte eines Programmschaltwerks einer Waschmaschine sein. Da die Widerstände niederohmig ausgelegt sein können, ist die Schaltung unempfindlich gegenüber Leckströmen an den Schaltkontakten.
Es ist möglich, einen verstellbaren Widerstand vorzusehen, der den jeweiligen Eingangswert einstellt. Der Widerstand läßt sich durch eine mechanische Bewegung verstellen, wobei die Verstellstrecke den Eingangswerten entspricht.
Weiterhin ist es möglich, einen temperaturabhängigen Widerstand vorzusehen, der von einer Temperatur als Eingangsgröße verstellt wird. Kombinationen dieser drei Möglichkeiten am Mikrorechner können vorgenommen werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Eingangsschaltung bei einem Mikrorechner,
Fig. 2 einen RC-Phasenschieber der Eingangsschaltung,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines RC-Phasenschiebers,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines RC-Phasenschiebers,
Fig. 5 ein Spannungsdiagramm phasenverschobener Wechselspannungen,
Fig. 6 phasenverschobene Schaltsignale entsprechend Fig. 5 und
Fig. 7 einen Programmablaufplan für das Abtasten eines digitalen Eingangs des Mikrorechners.
Ein Mikrorechner (1) - beispielsweise des Typs PIC 16C54 - weist unter anderem einen digitalen Eingang (2) auf. Ausgänge (3) des Mikrorechners (1) dienen dem Steuern bzw. Schalten von Ausgangsgrößen (A) (vgl. A1 bis A9 in Fig. 7). Beispielsweise werden über die Ausgänge (3) Aggregate einer Waschmaschine gesteuert.
An dem Phasenleiter (4) und dem Nulleiter (5) des Wechselstromnetzes liegt ein Netzteil (6), das einen Gleichrichter (GR3), einen Vorwiderstand (R11), einen Kondensator (C2) und eine Zenerdiode (Z) aufweist. Das Netzteil (6) erzeugt die Betriebs-Gleichspannung für den Mikrorechner (1), die an dessen Eingang (7) gelegt ist.
An den Mikrorechner (1) legt eine Synchronisationsschaltung (8) eine Synchronisationsspannung (US), die von der Netzwechselspannung abgeleitet ist. Hierbei weist die Synchronisationsschaltung (8) einen Transistor (T2) auf, an dessen Basis eine Diode (GR2) und ein Widerstand (R10) gelegt sind. Die Diode (GR2) und der Widerstand (R10) liegen in Reihe zwischen den Leitern (4, 5). Der Kollektor des Transistors (T2) liegt über einen Widerstand (R9) an der Betriebsspannung und am Mikrorechner (1). Sein Emitter liegt am Nulleiter (5). Der Mikrorechner (1) ist außerdem mit einem Quarz (Q) beschaltet.
An den digitalen Eingang (2) ist ein Nullspannungsschalter (9) angeschlossen, an dem eingangsseitig ein RC-Phasenschieber (10) liegt. Der RC-Phasenschieber (10) weist einen Kondensator (C1) und eine Widerstandsanordnung (11) auf, deren Widerstandswert verstellbar ist. Die Verstellung des Widerstandswerts erfolgt in Abhängigkeit von einem Eingangswert, der ein Sollwert oder ein Istwert sein kann und der einer der Ausgangsgrößen (A) zugeordnet ist. Der RC-Phasenschieber (10) liegt an der Netzwechselspannung (UN). Er liegt also zwischen den Leitern (4, 5). An dem Kondensator (C1) steht eine Ausgangsspannung (UC) an, die an den Nullspannungsschalter (9) gelegt ist.
Der Nullspannungsschalter (9) arbeitet mit einem Transistor (T1), an dessen Basis über einen Widerstand (R6) die Spannung (UC) liegt und dessen Basis- Emitterstrecke eine Diode (GR1) und ein Widerstand (R7) parallelgeschaltet sind. Der Kollektor des Transistors (T1) liegt am Eingang (2) und über einen Widerstand (R8) an der Betriebssppannung. Zwischen dem Eingang (2) und dem Nulleiter (5) steht die Eingangsspannung (UA) an.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Widerstandsanordnung (11) des RC-Phasenschiebers (10) von vier parallelen Widerständen (R1, R2, R3, R4) und einem Leitungszweig (12) ohne Widerstand gebildet. In dem Leitungszweig (12) und in Reihe zu jedem der Widerstände (R1 bis R4) liegt jeweils ein Schaltkontakt (S1 bis S5). Die Schaltkontakte (S1 bis S5) sind beispielsweise Kontakte eines Programmschaltwerks. Jeweils einer der Kontakte ist geschlossen, wenn der betreffende Eingangswert (Sollwert oder Istwert) vorliegt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Widerstandsanordnung (11) von einem Potentiometer (P) gebildet. Das Potentiometer (P) wird in Abhängigkeit von einem Eingangswert verstellt. Beispielsweise wird bei einer Waschmaschine oder Schleudermaschine das Potentiometer entsprechend einer jeweils gewünschten Soll- Schleuderdrehzahl eingestellt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist die Widerstandsanordnung (11) von einem temperaturabhängigen Widerstand (RT) gebildet. Damit lassen sich unterschiedliche Temperaturen auswerten.
In Fig. 5 sind die phasenverschobenen Wechselspannungen über der Zeit dargestellt, wobei U1 die Netzwechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz entsprechend einer Periode von 20 ms ist. Wenn der Schalter (S1) geschlossen ist, folgt die Spannung (UC) dem Spannungsverlauf (U1). Ist nur der Schalter (S2) geschlossen, dann ergibt sich der Spannungsverlauf (U2) der gegenüber dem Spannungsverlauf (U1) um 1 ms phasenverschoben ist, wenn der Kondensator (C1) eine Kapazität von 47 nF und der Widerstand (R1) einen Widerstandswert von 22 kOhm hat. Entsprechend ergeben sich die weiteren Spannungsverläufe (U3, U4, U5), wenn die betreffenden Widerstände (R2, R3, R4) 47 kOhm bzw. 120 kOhm bzw. 270 kOhm betragen. Wegen der unterschiedlichen Widerstände ändern sich auch die Amplituden entsprechend (vgl. Fig. 5).
Mit dem RC-Phasenschieber (10) sind Phasenverschiebungen zwischen 0° und 90° entsprechend 5 ms möglich.
Der jeweilige Spannungsverlauf der Spannung (UC) liegt am Nullspannungsschalter (9). Dieser stellt sicher, daß das Schaltsignal (UA) an seinem Ausgang nur von der Phasenverschiebung und nicht auch von den unterschiedlichen Amplituden der Spannungsverläufe (U1 bis U5) abhängt.
Fig. 6 zeigt die Schaltsignale (UA), die auftreten, wenn die Spannungsverläufe (U1 bis U5) nach Fig. 5 vorliegen.
UA1 ist das U1 entsprechende Schaltsignal, also ohne Phasenverschiebung. Es hat zwischen 0 und 10 ms LOW-Pegel (L) und zwischen 10 und 20 ms HIGH-Pegel (H). Das Signal (US) der Synchronisationsstufe (8) ist gleich dem Schaltsignal (UA1).
Das Schaltsignal (UA2) entspricht dem Spannungsverlauf (U2). Es ist also gegenüber dem Schaltsignal (UA1) um 1 ms phasenverschoben. Die Schaltsignale (UA3, UA4, UA5) entsprechen den Spannungsverläufen (U3, U4, U5). Sie zeigen die gleiche Phasenverschiebung wie diese.
Der Mikrorechner (1) tastet seinen digitalen Eingang (2) zu mehreren Abtastzeitpunkten ab. Beispielsweise tastet er den Eingang (2) alle 0,2 ms ab. Jedenfalls müssen im Bereich der möglichen Phasenverschiebung zwischen 0° und 90°, entsprechend 5 ms, wenigstens ebenso viele Abtastzeitpunkte liegen, wie unterschiedliche Phasenverschiebungen vorgesehen sind. Mit dem Abtastzyklus von 0,2 ms ergibt sich die Möglichkeit, fünfundzwanzig verschiedene Phasenverschiebungen zu erfassen. Durch entsprechend kürzere Abstände zwischen den Abtastzeitpunkten, bzw. eine entsprechend höhere Abtastfrequenz, läßt sich eine noch höhere Auflösung erreichen.
Im Mikrorechner (1) sind den unterschiedlichen Phasenverschiebungen Ausgangsgrößen (A) zugeordnet. Es muß nicht jeder Phasenverschiebung ein eigener Ausgang des Mikrorechners (1) zugeordnet sein. Es genügt ein Ausgang mit einem Stellglied, das entsprechend unterschiedliche Ausgangsgrößen (A) einstellt.
Der Mikrorechner (1) ermittelt den Abstand zwischen dem Nulldurchgang und dem Zeitpunkt, bei dem das Schaltsignal (UA) auf LOW-Pegel (L) schaltet. Liegt beispielsweise das Schaltsignal (UA2) vor, dann erkennt der Mikroprozessor, daß zwischen dem Nulldurchgang der Netzwechselspannung und dem Nulldurchgang des phasenverschobenen Schaltsignals (UA2) eine Zeitspanne von 1 ms liegt. Er schaltet dann diejenige Ausgangsgröße, die diesem Wert zugeordnet ist.
Im Programmablaufplan nach Fig. 7 ist der Abtastvorgang für Ausgangsgrößen (A1 bis A9) dargestellt. Diese Ausgangsgrößen können beispielsweise die einzuschaltenden Drehzahlen einer Waschmaschine sein.
In Fig. 7 ist der Eingang (2) als "PORT" bezeichnet. Im Netznulldurchgang fragt der Mikrorechner (1) ab, ob der Eingang (2) auf LOW steht. Ist dies der Fall, dann schaltet er die Ausgangsgröße (A1). Ist dies nicht der Fall, dann wartet er 0,2 ms und fragt danach wieder ab, ob der Eingang (2) nun auf LOW steht. Ist dies der Fall, dann schaltet er die Ausgangsgröße (A2). Andernfalls folgen die weiteren Abtastzeitpunkte (vgl. Fig. 7).
Im Rahmen der Erfindung liegen zahlreiche weitere Ausführungsbeispiele. Beispielsweise kann der Nullspannungsschalter (9) auch als Komparator aufgebaut sein. Der Phasenschieber kann auch ein RL-Phasenschieber sein.

Claims (10)

1. Eingangsschaltung an einem digitalen Eingang eines Mikrorechners, der zum Steuern und/oder Regeln von Funktionen von Aggregaten, insbesondere bei Haushaltsgeräten, dient und der mit einer Wechselspannung synchronisiert ist, die auch an der Eingangsschaltung liegt, wobei an die Eingangsschaltung jeweils einer von mehreren Eingangswerten anlegbar ist, durch den der Mikrorechner eine zugeordnete Ausgangsgröße schaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung einen Phasenschieber (10) für die Wechselspannung aufweist, an den jeweils einer der Eingangswerte (S1 bis S5) anlegbar ist und der die Phasenverschiebung der Wechselspannung dem jeweils angelegten Eingangswert entsprechend einstellt, daß die jeweilige Phasenverschiebung zum ihr entsprechenden Zeitpunkt ein Schaltsignal (UA) an den digitalen Eingang (2) legt und daß der Mikrorechner (1) den digitalen Eingang (2) innerhalb einer Halbwelle der Wechselspannung zu mehreren Abtastzeitpunkten abfragt und er dann, wenn zu dem jeweiligen Abtastzeitpunkt ein Schaltsignal vorliegt, die dem Eingangswert bzw. der diesem entsprechend eingestellten Phasenverschiebung zugeordnete Ausgangsgröße (A) schaltet.
2. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung die Netzwechselspannung ist.
3. Eingangsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrorechner (1) den digitalen Eingang (2) innerhalb einer Viertelwelle der Wechselspannung zu mehreren Abtastzeitpunkten abfragt.
4. Eingangsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Phasenschieber (10) und den digitalen Eingang (2) ein Nullspannungsschalter (9) geschaltet ist, wodurch die erfaßte Phasenverschiebung jeweils auf den Nulldurchgang der Wechselspannung bezogen ist.
5. Eingangsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltsignal (UA) beim Nulldurchgang der Wechselspannung von HIGH- Pegel (H) auf LOW-Pegel (L) oder umgekehrt schaltet.
6. Eingangsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber ein RC-Phasenschieber (10) mit einer Widerstandsanordnung (11) und einer Kapazität (C1) ist.
7. Eingangsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstandswert der Widerstandsanordnung (11) entsprechend dem jeweiligen Eingangswert verstellbar und die Kapazität (C1) festgelegt ist.
8. Eingangsschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere parallele Widerstände (R1 bis R4) vorgesehen sind, wobei jeder der Widerstände in Reihe zu einem Schaltkontakt (S2 bis S5) liegt, der einem der Eingangswerte zugeordnet ist.
9. Eingangsschaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein einstellbarer Widerstand (P) vorgesehen ist, den der jeweilige Eingangswert verstellt.
10. Eingangsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein temperaturabhängiger Widerstand (RT) vorgesehen ist, der von einer Temperatur als Eingangswert verstellt wird.
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