Aufgabe Vorschlag A - Aufgabe 2.1–2.2 · Abitur Hessen Elektrotechnik LK 2021

Aufgabe 2: Weinlager-Temperaturüberwachung

In einem Weinlager soll u.a. die Temperatur überwacht werden. Die optimale Lufttemperatur für die Weinlagerung beträgt 12 °C mit einer maximalen Abweichung von ±2 °C. Die Ist-Temperatur wird über einen analogen Temperatursensor AD22100AT (Material 3) erfasst. Eine noch zu entwerfende Mikrocontrollersteuerung liest den Temperaturwert ein und schaltet je nach Bedarf eine Kühlung oder eine Heizung ein. Der Zustandstemperaturbereich des Weinlagers wird mit drei LEDs in den Farben weiß, grün und rot angezeigt.

Folgende Temperaturbereiche sollen angezeigt werden:

LED-Anzeige · Temperaturbereich · Aktorstatus

weiß · < 10 °C · Heizung EIN

weiß und grün · ≥ 10 °C...<11 °C · Kein Aktor geschaltet

grün · ≥ 11 °C...<13 °C · Kein Aktor geschaltet

rot und grün · ≥ 13 °C...<14 °C · Kein Aktor geschaltet

rot · ≥ 14 °C · Kühlung EIN

Die Kühlung wird eingeschaltet, sobald die Lufttemperatur 14 °C erreicht oder überschreitet, die Heizung wird eingeschaltet, sobald die Lufttemperatur 10 °C unterschreitet.

Der eingesetzte Mikrocontroller liest über einen analogen Eingang, welcher über einen 10-Bit-A/D-Wandler verfügt, den Temperaturwert ein. Die LEDs sollen direkt über den Mikrocontroller angesteuert werden.

Material 3: Datenblattausschnitt Temperatursensor AD22100AT

FEATURES

200°C Temperature Span

Accuracy Better than ±2% of Full Scale

Linearity Better than ±1% of Full Scale

Temperature Coefficient of 22.5 mV/°C

Output Proportional to Temperature × V+

Single Supply Operation

Reverse Voltage Protection

Minimal Self Heating

High Level, Low Impedance Output

PIN DESCRIPTION Mnemonic · Function

V+ · Power Supply Input

V O · Device Output

GND · Ground Pin must be connected to 0 V.

NC · No Connect

ORDERING GUIDE Model/Grade · Guaranteed Temperature Range · Package Description* · Package Option

AD22100 KT · 0°C to 100°C · TO-92 · TO-92

AD22100 KR · 0°C to 100°C · SOIC · SO-8

AD22100 AT · –40°C to +85°C · TO-92 · TO-92

AD22100 AR · –40°C to +85°C · SOIC · SO-8

AD22100 ST · –50°C to +150°C · TO-92 · TO-92

AD22100 SR · –50°C to +150°C · SOIC · SO-8

AD22100KChips · +25°C · N/A · N/A

*Minimum purchase quantities of 100 pieces for all chip orders.

geändert nach: http://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A200/AD22100%23AD.pdf (abgerufen am 20.10.19).

Material 4: Zu ergänzender Schaltplan

Material 5: Programmausschnitte

Programmausschnitt 1

#define weisseLED 3

#define grueneLED 4

#define roteLED 5

void setup() {

pinMode(weisseLED, OUTPUT);

pinMode(grueneLED, OUTPUT);

pinMode(roteLED, OUTPUT);

} Programmausschnitt 2

float tempCelsius = temperaturausgabe();

if(tempCelsius < 10.0) {

digitalWrite(weisseLED, HIGH);

digitalWrite(grueneLED, LOW);

digitalWrite(roteLED, LOW);

}

else if(tempCelsius >= 10.0 && tempCelsius < 11.0) {

digitalWrite(weisseLED, HIGH);

digitalWrite(grueneLED, HIGH);

digitalWrite(roteLED, LOW);

}

2.1 Ergänzung des Schaltplans und Berechnung der Vorwiderstände

Ergänzen Sie den Schaltplan der Weinlager-Schaltung in Material 4 und berechnen Sie alle zum Betrieb notwendigen Vorwiderstände.

Hinweise: Bei den LEDs sind $U_F = 2\,\text{V}$ sowie $I_F = 20\,\text{mA}$ und bei den Transistoren $U_{BE} = 0{,}8\,\text{V}$ sowie $I_B = 200\,\mu\text{A}$ anzunehmen. Die Pin-Belegung ist teilweise Material 5 zu entnehmen.

a)

Zeichnen Sie die Ergänzung des Schaltplans (Anbindung Sensor, Vorwiderstände $R_1, R_2$ der Transistoren für Heizung/Kühlung und Vorwiderstände $R_3, R_4, R_5$ der Anzeige-LEDs an den Mikrocontroller) auf Papier:

b)

c)

2.2 Kennwerte und Ausgangsspannung des Sensors

In Material 3 ist im Datenblattausschnitt auch die Übertragungsfunktion (Transfer Function) des Sensors für die temperaturproportionale Ausgangsspannung gegeben.

Geben Sie den Temperaturbereich an, in dem der Sensor eingesetzt werden kann.

Bestimmen Sie die Ausgangsspannung des Sensors bei $-20\,^\circ\text{C}$ und bei $25\,^\circ\text{C}$.

a)

b)

c)