Aufgabe 1 - Sensoren und speicherprogrammierbare… · Abitur NRW Technik LK · Haupttermin 2021

Aufgabenstellung: Entwicklung eines Steuerbausteins für einen Backofen

Es ist ein Steuerbaustein für den Ofen einer Großbäckerei zu entwickeln, der den Backvorgang auslöst und ihn nach einer voreingestellten Zeit selbstständig beendet. Material M 1 enthält die Anforderungen an den Ofen.

M 1: Anforderungen an den Ofen

Der Backofen bietet drei Backprogramme, die Temperatur und Backzeit jeweils selbsttätig vorgeben. Mit einem Wahlschalter wählt die Bäckerin / der Bäcker eines der voreingestellten Programme aus. Anschließend muss die Auswahl mit einem Taster P bestätigt werden. Dabei steht $P = 1$ für eine bestätigte Programmauswahl und $P = 0$ dafür, dass (noch) nicht bestätigt wurde.

Ein Sensor OT an der Ofentür liefert eine logische 1, sobald die Tür offen ist, und eine logische 0, solange sie geschlossen ist. Im Ofeninnenraum überwachen zwei baugleiche Sensoren T1 und T2 die Temperatur. Jeder von ihnen gibt eine logische 1 aus, sobald die zum Backprogramm passende Temperatur erreicht ist; liegt die Temperatur darunter, geben sie eine logische 0 aus.

Der Backvorgang BV beginnt nur, wenn die Ofentür geschlossen ist, ein Backprogramm bestätigt wurde und mindestens einer der beiden Sensoren die erreichte Temperatur meldet. Während des Backvorgangs ist das digitale Signal $\text{BV} = 1$ zu setzen.

M 2: Beschreibung der Backprogramme

Nr. · Programm · Temperatur · Zeit

1 · Weizenbrot · 170 °C · 40 Minuten

2 · Brötchen · 230 °C · 9 Minuten

3 · Kuchenboden · 190 °C · 15 Minuten

M 3: 7-Segment-Anzeige

Dez. · D · C · B · A · c

0 · 0 · 0 · 0 · 0

1 · 0 · 0 · 0 · 1

2 · 0 · 0 · 1 · 0

3 · 0 · 0 · 1 · 1

4 · 0 · 1 · 0 · 0

5 · 0 · 1 · 0 · 1

6 · 0 · 1 · 1 · 0

7 · 0 · 1 · 1 · 1

8 · 1 · 0 · 0 · 0

9 · 1 · 0 · 0 · 1

10 · 1 · 0 · 1 · 0

11 · 1 · 0 · 1 · 1

12 · 1 · 1 · 0 · 0

13 · 1 · 1 · 0 · 1

14 · 1 · 1 · 1 · 0

15 · 1 · 1 · 1 · 1

M 4: Informationen zur Temperaturmessung

Zusätzlich zum Spannungsteiler ist eine feste Referenzspannung von $U_{\text{Ref}} = 3{,}3\text{ V}$ verfügbar.

Teilaufgabe e)

Die Temperatursignale werden mit einem temperaturabhängigen Widerstand vom Typ PT1000 gebildet, der wie in Material M 4 gezeigt in einer Spannungsteiler-Schaltung mit nachgeschaltetem Komparator verwendet wird. Ermitteln Sie anhand von Material M 2 den Widerstandswert $R_{\text{Temp}}$ für das Programm „Kuchenboden“. Berechnen Sie den zugehörigen Widerstandswert $R_1$, damit die Spannung $U_{\text{Temp}}$ bei Erreichen der Backtemperatur $U_{\text{Temp}} = U_{\text{Ref}} = 3{,}3\text{ V}$ beträgt. Erläutern Sie, auf welche Weise der Spannungsteiler an den Komparator angeschlossen werden muss, damit ein high-aktives digitales Temperatursignal (wie T1 bzw. T2 in Material M 1) entsteht. Entwickeln Sie einen Lösungsvorschlag, mit dem sich für die drei Backprogramme drei unterschiedliche Temperatursignale unter Verwendung nur eines Temperaturwiderstands PT1000 erzeugen lassen.

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