Вступ
Високопродуктивна,економічна і безпечна робота технологічних агрегатів промисловості вимагаєзастосування сучасних методів і засобів вимірювання величин. Автоматичнийконтроль є логічно першим ступенем автоматизації, без успішного функціонуванняякого неможливе створення ефективних АСУ.
В сучаснійтехніці для вирішення завдань автоматичного контролю все ширше застосовують ЕОМабо мікроконтролери. Всі основні промислові агрегати оснащені різними системамиавтоматичного контролю і управління за допомогою ЕОМ… Основними параметрами,які необхідно контролювати є температура різних середовищ; витрати, тиск, складгазів і рідин; склад металів; геометричні розміри прокату. І саме комп`ютернийконтроль надзвичайно сильно впливає на ефективність функціонування всіхосновних механізмів, оскільки ту велику кількість інформації, що поступає відвимірювальних систем не можливо опрацювати оператору.
Також значнозбільшилася кількість вимірювальних систем в побуті. Наприклад, в системахконтролю опалення приміщень основну роль відіграють ІВС контролю температури,що значно збільшує енергозбереження. Саме через доцільність таких розробок явибрав дану тему курсового проекту.
1 Огляд літературних джерел
1.1 Поняття протемпературу і про температурні шкали
Температуроюназивають величину, що характеризує тепловий стан тіла. Згідно кінетичноїтеорії температуру визначають як міру кінетичної енергії поступального рухумолекул. Звідси температура є умовна статистична величина, прямо пропорційнасередній кінетичній енергії молекул тіла.
На початку XXстоліття широко застосовувалися шкали Цельсія і Реомюра, а в наукових роботах — також шкали Кельвіна і водневу. Перерахунки з однієї шкали на іншу створюваливеликі труднощі і приводили до ряду непорозумінь. Тому в 1933 році булоухвалене рішення про введення Міжнародної температурної шкали (МТШ).
Досвідзастосування МТШ показав необхідність внесення в неї ряду уточнень і доповнень,щоб по можливості максимально наблизити її до термодинамічної шкали. Тому МТШбула переглянута і приведена у відповідність із станом знань того часу. У 1960році було затверджене нове «Положення про міжнародну практичнутемпературну шкалу 1948 року. Редакція 1960 р.».
1.2 Пристрої длявимірювання температур
Температурувимірюють за допомогою пристроїв, що використовують різні термометричнівластивості рідин, газів і твердих тіл. Існують десятки різних пристроїв, щовикористовуються в промисловості, при наукових дослідженнях, для спеціальнихцілей.
У таблиці 1приведені найбільш поширені пристрої для вимірювання температури і практичнімежі їх застосування.
Таблица 1 — Найбільш поширені пристрої для вимірювання температуриТермометрична властивість Назва пристрою
Межі тривалого застосування, /> Нижня Верхня Теплове розширення Рідинні скляні термометри -190 600 Зміна тиску Манометричні термометри -160 60 Зміна електричного опору Електричні термометри опору. -200 500 Напівпровідникові термометри опору -90 180 Термоелектричні ефекти Термоелектричні термометри (термопари) стандартизовані. -50 1600 Термоелектричні термометри (термопари) спеціальні 1300 2500 Теплове випромінювання Оптичні пірометри. 700 6000 Радіаційні пірометри. 20 3000 Фотоелектричні пірометри. 600 4000 Колірні пірометри 1400 2800
1.3 Рідинний таманометричний термометри
Найстарішіпристрої для вимірювання температури — рідинні скляні термометри — використовують термометричну властивість теплового
розширення тіл. Діятермометрів заснована на відмінності коефіцієнтів теплового розширеннятермометричної речовини і оболонки, в якій вона знаходиться (термометричногоскла або рідше кварцу).
/>
Рисунок 1 — Рідинний скляний термометр
Рідиннийтермометр складається з скляних балона 1, капілярної трубки 3 і запасногорезервуару 4 (рисунок 1). Термометрична речовина 2 заповнює
балон і частковокапілярну трубку. Вільний простір в капілярній трубці і в запасному резервуарізаповнюється інертним газом або може знаходитися під вакуумом. Запаснийрезервуар служить для оберігання термометра від псування при надмірномуперегріві.
Як термометричнаречовина найчастіше застосовують хімічно чисту ртуть. Вона не змочує стекла ізалишається рідкою в широкому інтервалі зміни температур. Окрім ртуті яктермометрична речовина в скляних термометрах застосовуються і інші рідини,переважно органічного походження. Наприклад: метиловий і етиловий спирт, гас,пентан, толуол, галій, амальгама талія.
Основні перевагискляних рідинних термометрів — простота використання і достатньо високаточність вимірювання навіть для термометрів серійного виготовлення. Донедоліків скляних термометрів можна віднести: погану видимість шкали (якщо незастосовувати спеціальної збільшувальної оптики) і неможливість автоматичногозапису свідчень, передачі свідчень на відстань і ремонту.
/>
Рисунок 2 — Манометричний термометр
Дія манометричнихтермометрів заснована на використанні залежності тиску речовини при постійномуоб’ємі від температури. Замкнута вимірювальна система манометричного термометраскладається з (рисунок 2) чутливого елементу, що сприймає температурувимірюваного середовища, — металевого термобаллона 1, робочого елементуманометра 2, що вимірює тиск в системі, довгого з`єднувального металевогокапіляра 3. При зміні температури вимірюваного середовища тиск в системізмінюється, внаслідок чого чутливий елемент переміщує стрілку або перо зашкалою манометра, отградуйованого в градусах температури. Манометричнітермометри часто використовують в системах автоматичного регулюваннятемператури, як бесшкальні пристрої інформації (датчики).
Манометричнітермометри підрозділяють на три основні різновиди:
— рідинні, в якихвся вимірювальна система (термобаллон, манометр і сполучний капіляр) заповненірідиною;
— конденсаційні,в яких термобаллон заповнений частково рідиною з низькою температурою кипіння ічастково — її насиченими парами, а з`єднувальний капіляр і манометр — насиченими парами рідини або, частіше, спеціальною передавальною рідиною;
— газові, в якихвся вимірювальна система заповнена інертним газом.
Перевагамиманометричних термометрів є порівняльна простота конструкції і застосування,можливість дистанційного вимірювання температури і можливість автоматичногозапису показів. До недоліків манометричних термометрів відносяться: відносноневисоку точність вимірювання (клас точності 1,6; 2,5; 4,0 і рідше 1,0);невелику відстань дистанційної передачі показів (не більше 60 метрів) іскладність ремонту при розгерметизації вимірювальної системи.
Перевірка показівманометричних термометрів проводиться тими ж методами і засобами, що і склянихрідинних.
1.4Термоелектричні термометри
Для вимірюваннятемператури в металургії найбільш широкого поширення набули термоелектричнітермометри, що працюють в діапазоні температур від -200 до +2500 0C і вище. Даний тип пристроїв характеризує висока точність і надійність,можливість використання в системах автоматичного контролю і регулюванняпараметра, що значною мірою визначає хід технологічного процесу в металургійнихагрегатах.
Суть термоелектричногометоду полягає у виникненні ЕРС в провіднику, кінці якого мають різнутемпературу. Для того, щоб зміряти дану ЕРС, її порівнюють з ЕРС іншогопровідника, що створює з першим термоелектричну пару AB (рисунок 3), в ланцюзіякої потече струм.
/>
Рисунок 3 — Термоелектричний термометр
Результуючатермо-ЕРС ланцюга, що складається з двох різних провідників A і B (одноріднихпо довжині), рівна
/> (1.1)
або
/> (1.2)
де /> і /> – різниці потенціалів провідників Aі B відповідно при температурах t2 і t1, мВ.
Термо-ЕРС даноїпари залежить тільки від температури t1 и t2 і не залежить від розмірівтермоелектродов (довжини, діаметру), величин теплопровідності і питомогоелектроопору.
Для збільшеннячутливості термоелектричного методу вимірювання температури у ряді випадківзастосовують термобатарею: декілька послідовно включених термопар, робочі кінціяких знаходяться при температурі t2, вільні при відомій іпостійній температурі t1.
Термоелектричнийтермометр (ТТ) — це вимірювальний перетворювач, чутливий елемент якого(термопара) розташований в спеціальній захисній арматурі, що забезпечує захисттермоелектродов від механічних пошкоджень і дії вимірюваного середовища.
Термоелектричнітермометри випускаються двох типів: занурювані, поверхневі. В промисловостіьвиготовляються пристрої різних модифікацій, що відрізняються за призначенням іумовам експлуатації, за матеріалом захисного чохла, за способом установкитермометра в точці вимірювання, по герметичності і захищеності від діївимірюваного середовища, по стійкості до механічних дій, по ступеню тепловоїінерційності і т.п.
В умовахтривалої експлуатації при високих температурах і агресивній дії середовищз’являється нестабільність градуювальної характеристики, яка є наслідком рядупричин: забруднення матеріалів термоелектродів домішками із захисних чохлів,керамічних ізоляторів і атмосфери печі; випаровування одного з компонентівсплаву; взаємної дифузії через спай. Величина відхилення може бути значною ірізко збільшується із зростанням температури і тривалістю експлуатації. Вказаніобставини необхідно враховувати при оцінці точності вимірювання температури увиробничих умовах.
Перевірка ТТзводиться до визначення температурної залежності термо-ЕРС і порівнянніодержаного градуювання із стандартними значеннями.
1.5 Електричнітермометри опору
У металургійнійпрактиці для вимірювання температур до 6500С застосовуютьсятермометри опору (ТО), принцип дії яких заснований на використанні залежностіелектричного опору речовини від температури. Знаючи дану залежність, по змінівеличини опору термометра судять про температуру середовища, в яке вінзанурений. Вихідним параметром пристрою є електрична величина, яка може бутивиміряна з досить високою точністю (до 0,020С), передана навеликі відстані і безпосередньо використана в системах автоматичного контролю ірегулювання.
Як матеріали длявиготовлення чутливих елементів ТО використовуються чисті метали: платина,мідь, нікель, залізо і напівпровідники.
Змінаелектроопору даного матеріалу при зміні температури характеризуєтьсятемпературним коефіцієнтом опору />, який обчислюється за формулою
/>, (1.3)
де t — температура матеріалу, 0С; R0 і Rt — електроопір відповідно при 0 0С і температурі t, Ом.
Опірнапівпровідників із збільшенням температури різко зменшується, тобто вони маютьнегативний температурний коефіцієнт опору практично на порядок більше, ніж уметалів. Напівпровідникові термометри опору (ТОНП) в основному застосовуютьсядля вимірювання низьких температур (1,5 — 400 К).
Перевагами ТОНП єневеликі габарити, мала інерційність, високий коефіцієнт. Проте вони мають істотнінедоліки:
— нелінійний характер залежності опорувід температури;
— відсутністьвідтворюваності складу і градуювальної характеристики, що виключаєвзаємозамінюваність окремих ТО даного типу. Це приводить до випуску ТОНП зіндивідуальним градуюванням.
Значно рідше вметалургійній практиці зустрічаються напівпровідникові термометри опору (ТОНП)для вимірювання температури (-90)…(+180)0С. Їх застосовують втермореле, низькотемпературних регуляторах, що забезпечують високоточнустабілізацію сенсорних елементів газоаналізаторів, хроматографов, корпусівпірометрів, електродів термоелектричних установок для експрес-аналізу складуметалу і т.п.
1.6 Безконтактневимірювання температури
Про температурунагрітого тіла можна говорити на підставі вимірювання параметрів його тепловоговипромінювання, що являють собою електромагнітні хвилі різної довжини. Чим вищатемпература тіла, тим більше енергії воно випромінює.
Термометри, діяяких заснована на вимірюванні теплового випромінювання, називають пірометрами.Вони дозволяють контролювати температуру від 100 до 6000 0С івище. Однією з головних переваг даних пристроїв є відсутність впливу вимірювачана температурне поле нагрітого тіла, оскільки в процесі вимірювання вони невступають в безпосередній контакт один з одним. Тому дані методи одержали назвубезконтактних.
На підставізаконів випромінювання розроблені пірометри наступних типів:
— пірометрсумарного випромінювання (ПСВп) — вимірюється повна енергія випромінювання;
— пірометрчасткового випромінювання (ПЧВ) — вимірюється енергія в обмеженій фільтром (абоприймачем) ділянці спектру;
— пірометриспектрального відношення (ПСВ) — вимірюється відношення енергії фіксованихділянок спектру.
Залежно від типупірометра розрізняються радіаційна, колірна температури та температураяскравості.
Радіаційноютемпературою реального тіла Тр називають температуру, приякій повна потужність АЧТ рівна повній енергії випромінювання даного тіла придійсній температурі Тд.
Температуроюяскравості реального тіла Тя, називають температуру, при якійщільність потоку спектрального випромінювання АЧТ рівна щільності потокуспектрального випромінювання реального тіла для тієї ж довжини хвилі (абовузького інтервалу спектру) при дійсній температурі Тд.
Колірноютемпературою реального тіла Тц називають температуру, приякій відношення щільності потоків випромінювання АЧТ для двох довжин хвиль /> і /> рівні відношенню щільності потоківвипромінювань реального тіла для тих же довжин хвиль при дійсній температурі Тд.Принцип дії оптичних пірометрів заснований на використанні залежності щільностіпотоку монохроматичного випромінювання від температури.
У фотоелектричнихпірометрах з межами вимірювання від 500 до
1100 0С застосовують киснево-цезієвий фотоелемент, а вприладах з шкалою 800 — 4000 0С вакуумний сурм’яно-цезієвий.Поєднання останнього з червоним світлофільтром забезпечує отримання ефективноїдовжини хвилі пірометра 0,65±0,01 мкм, що приводить до збігу показівфотоелектричного пірометра з показами візуального оптичного пірометра.
1.7 Цифровівимірювачі температури
Загальніособливості побудови цифрових вимірювачів температури (ЦВТ) зв`язані з низькимрівнем сигналів первинних вимірювальних перетворювачів, високим рівнем заваднормального та спільного видів (як правило, співвимірним з корисним сигналом),необхідністю лінеаризації загальної функції перетворення, забезпеченням високої часовоїстабільності та малих змін їх показів у широкому діапазоні зміни температуридовкілля. Спеціальнівимоги випливають з особливостей використання первинних вимірювальних перетворювачів:необхідність компенсації впливу зміни температури вільних кінцівтермоелектричних перетворювачів, суттєве зменшення похибок від перегрівутерморезистивних перетворювачів вимірювальним струмом, забезпеченняінваріантності результату вимірювання до значення вимірювального струму, атакож опорів з`єднувальних ліній. Для врахування вказаних особливостей ЦВТвиконуються з автоматичною корекцією адитивної складової похибки в цифровійчастині приладу ата цифровою лінеаризацією загальної функції перетворення.Значного послаблення завад досягають використанням методу АЦП з ваговимдвотактним інтегруванням та гальванічним розділенням аналогової та цифровоїчастини приладів.
В ЦВТ зтермоелектричними перетворювачами (рисунок 4) використовуються аналогова схемакомпенсації впливу зміни температури вільних кінців, а корекція адитивноїпохибки здійснюється за методом комутаційного інвертування.
/>
Рисунок 4 –Структурна схема ЦВТ з термоелектричними перетворювачами
Аналогова частинаЦВТ містить перемикач полярності П, масштабний підсилювач МП, перетворювачнапруги в інтервал часу ПНЧ, блок опорної напруги Е0 та блоккерування аналоговою частиною БКА. Ця частина екранована та гальванічнорозділена з його цифровою частиною за допомогою блока гальванічного розділенняБГР. Цифровачастина складається з блоку керування БК, боку корекції адитивноїпохибки БКА, блоку цифрової лінеаризації БЦЛ та блоку відображення інформаціїБВІ.
Код результатувимірювання /> іпропорційний йому показ отримується за два цикли перетворення при протилежнихполярностях вхідної напруги />, яка інвертується перемикачемполярності П,
/>, (1.4)
де Т — тривалість часу інтегрування вхідної напруги; /> – опорна частота; /> – коефіцієнт передачімасштабного підсилювача МП; Е0 – опорна напруга АЦП; /> – коефіцієнтперетворення блока цмфрової лінеаризації.
/>
Оскільки скореговане заметодом комутаційного інвертування значення адитивної похибки є нехтовно малим(менше ±0,5 мкВ і не перевищує половини одиниці молодшого розряду), тостабільність таких ЦВТ визначається тільки стабільністю їх масштабнихелементів. Для сучасної елементної бази нормований час безперервної роботиприладів без підстроювання становить 5000 год (1 календарний рік) уважких промислових умовах.
Рисунок 5 –Структурна схема ЦВТ з терморезистивними перетворювачами
ЦВТ зтерморезистивними перетворювачами відрізняються тільки наявністю деяких блоківв аналоговій частині (рисунок 5). В аналоговій частині є такі відсінні блоки:перетворювач напруга-струм ПНС, перетворювач струм-напруга ПСН, суматор СМ,масштабний резистор />. Терморезистивні перетворювачіможуть під`єднуватись до ЦВТ як чотирипровідною лінією до струмових С1, С2 тапотенціальних П1, П2 входів (ключ S — в положенні 1), так і трипровідною (ключ S – в положенні 2). Корекція адитивнойпохибки здійснюється за методом модуляції вимірювального струму, значення якихвстановлюється перетворювачем напруга-струм ПНС.
За умови /> код /> результатувимірювання для чотирипровідної лінії зв`язкувизначатиметься як
/>, (1.5)
де /> – опіртерморезистивного перетворювача при 0 />; /> – коефіцієнт пертворення напугина струм; /> -відношення опорів терморезистивного перетворювача.
Для трипровідноїлінії зв`язку код /> результату вимірюваннязнаходиться як
/>, (1.6)
де />, /> – опори першого тадругого струмових дротів; /> – коефіцієнт передачі суматора засереднім входом.
При виконаннікоефіцієнта передачі /> підстроюваним, трудомісткаоперація підгонки різниці опорів (/>, де /> – опір резистора підгонки)замінюється набагато простішою операцією підстроювання />. Це забезпечуєінваріантність результату вимірювання до опорів три провідної лінії зв`язку.
В Україні ЦВТпромислового використання типів А565.А56, ЦР7701 серійно випускаються ВАТ«Мукачівприлад». Вони призначені для роботи із всіма стандартними первиннимиперетворювачами, їх похибка (0,1…0,2)% в декілька разів менша від похибок цихперетворювачів.
2Техніко-економічне обгрунтування доцільності розробки
На мою думку, розробкиінформаційно-вимірювальних систем вимірювання температури в наш час єнадзвичайно доцідьними, оскільки у світі настає період енергетичних та палинихкриз і все частіше можна почути про доцільність енерго-зберігаючих технологій.А розробка такої технології не можлива без контролю затрат. Наприклад, існуютьсистеми автоматичного опалення приміщень. Де інформація про температуру повинназбиратись з декількох точок приміщення. А контроль за цим покладається саме наінформаційно-вимірювальні системи.
Також будь-якасучасна побутова техніка оснащена сенсорами температури: праски, мікрохвильовіпічки, пральні машини тощо. Так не всі дані прилади потребують використаннясаме ІВС, мікропроцесорної техніки або комп`ютера, але доцільність вимірюваннята контролю температури не викликає сумнівів.
При позробці таобранні структурної схеми необхідно враховувати цілі та мету майбутньогопристрою, тобто сферу використання, ціну та якість приладу. Тобто необхіднотверезо оцінити усі недоліки та переваги можливих варіантів структурних схем.При розробці даного проекту я керувався наступними варінтами структурної схеми:
/>
Рисунок 6 — Структурна схема ІВСвимірювання температури без використання шини обміну даними
/>
Рисунок 7 — Структурна схема ІВСвимірювання температури з використанням шини обміну даними
/>
Рисунок 8 — Структурна схема ІВСвимірювання температури з використанням гальванічної розв`язки
На структурнихсхемах використані наступні позначення:
t0/U – первинний вимірювальнийперетворювач температура-напруга (використовується для перетворення температуриу постійну напругу);
МХ –мультиплексор, який використовується для комутації двох каналів;
Л/# – аналогово-цифровийперетворювач.Потрібний для перетворення значення температури у цифровий код і передачі намікроконтролер;
MCU – мікроконтролер;
І –інтерфейс. Потрібний для передачі даних від мікро контролера до ПК.
Проаналізуємо переваги та недоліки усіх трьох варіантів у виглядіпорівняльної таблиці:
Таблиця 2 – Порівняння варіантів структурних схемОзнака І ІІ ІІІ П Надійність 1 1 1 Низька собівартість 1 1 Простота реалізації 1 1 1 Швидкодія 1 1 1 Точність 1 1 1 Мобільність 1 1 1 Зручність у побуті 1 1 ΣЕ 5 4 3 7
/> 0,71 0,57 0,42 1
Отже, по результатам порівняння ознак обираємо той варіант, який набравнайбільший бал, тобто, перший варіант. Розробку принципової електричної схемипотрібно проводити на основі обраної структурної.
3 Розробкаструктурної схеми
Мною обранаструктурна схема, що зображена на рисунку
Вона єоптимальною, оскільки звідповідає усім поставленим вимогам.
/>
Рисунок 9 — Структурна схема багатоканальної системи вимірювання температури
Роз`ясненняосновних структурних блоків:
/>
— датчик температури,призначений для вимірювання температури повітря в межах від -450Сдо +1250С;
/> — мультиплексор, призначенийдля керування потоками даних, — для вибору каналу, за якими проводитьсявимірювання та інших задач пов’язаних с керуванням потоками інформації;
/> — АЦП, призначений дляперетворення вхідної безперервної величини, що містить вимірювальну інформаціюу цифровий код, який теж містить дану інформацію;
/>
— мікроконтролер,призначений для обробки вимірювальної інформації, що переставлена у цифровомувигляді, для керування даною інформацією та забезпечення обміну даними міжокремими частинами ІВС та зовнішніми пристроями;
/>
— інтерфейс, призначений дляобміну даними між ІВС та зовнішніми пристроями, зокрема ЕОМ.
4 Розробкаелектричної принципової схеми
4.1 Вибірпервинного вимірювального перетворювача
В якостіпервинного вимірювального перетворювача обрано датчик температури на базі схемиLM232 фірми SGS-Thompson Microelectronics. Дана мікросхема має такі основніхарактеристики:
— температурний коефіцієнт 10 мВ/0C;
— діапазон вимірювання від -400C до +1250C;
— здатність калібрування;
— динамічний опір менше 1 Ом;
— захист від зворотної напруги;
— максимальна похибка 2%;
— лінійність;
/>
Рисунок 10 –Структурна схема LM235
4.2 Вибірмультиплексора
Для використання в схемі обраний мультиплексор ADG604 фірми Analog Device – 4-х канальний CMOS мультиплексор зін`єкцією заряду 1 пКл і з низькими струмами витоку
Особливості даного мультиплексора:
– Ін`єкція заряду 1 пКл;
– Біполярне живлення від +/-2.7 В до +/-5.5 В;
– Однополярне живлення від +2.7В до +5.5 В;
– Розширений температурнийдіапазон від -40С до +125С;
– Струми витоку 100 пА;
– Опір відкритого каналу 85 Ом(тип);
– Робота з сигналами від шинидо шини живлення;
– Малий час комутації;
– Типове енергоспоживання менше0.1 мкВт;
– TTL/CMOS- сумісні входи;
Корпус типу14-Lead TSSOP.
/>
Рисунок 11 — Функціональна блок- схема ADG604
/>
Рисунок 12 – Розташування виводів ADG604
Опис мікросхеми: ІС ADG604 є CMOS, аналоговим мультиплексором, щоскладається з 4-х одинарних каналів. Він працює від одно- /бі — полярногоджерел живлення з напругами від +2.7 В до +5.5 В/ від +/-2.7 до +/- 5.5 В.
ІС ADG604 комутує один з чотирьох входів на загальний вихід D, відповіднодо стану управляючих і адресних сигналів A0, A1 і EN. Низький логічний рівень („0”) на вході EN відключає пристрій.
І С ADG604володіє ультра — низьким рівнем ін`єкції заряду 1 пКл і низькими струмамивитоку, менше 250 пА. ІС володіє опором відкритого каналу 85 Ом (тип), ірозузгодженням опорів між каналами не більше 8 Ом. ІС ADG604, також має низькезначення розсіюваної потужності при малому часі комутації каналів.
4.3 Вибіраналогово-цифрового перетворювача
Обраний аналогово-цифровийперетворювач AD7476 також фірми Analog Device. 12бітний 1 MSPS АЦП в 6 вивідному SOT-23 корпусі.
Основні характеристики:
– Висока швидкістьперетворення: 1 MSPS
– Однополярне живлення VDD 2,35В і 5 В;
– Мала споживана потужність:
max 3.6 мВт при 1 MSPS і 3 В живленні;
max 15 мВт при 1 MSPS і 5 В живленні;
– Широка смуга вхідного сигналу:
SINAD = 70 дБ на частоті вхідного сигналу 100 кГц;
– Гнучке управління потужністюзміною частоти тактових імпульсів;
– Відсутність конвеєрноїзатримки;
– Сумісність з швидкодіючимипослідовними інтерфейсам SPI/ QSPI / MICROWIRE/ DSP;
– Мале споживання в черговомурежимі: 1 мкА max;
– 6 вивідний SOT-23 корпус.
/>
Рисунок 13 – Функціональна схема AD7476
/>
Рисунок 14 – Розташування виводів AD7476
Загальний опис:
AD7476 — 12 бітовий швидкодіючий малопотужний аналого-цифровийперетворювач послідовного наближення (SAR). Прилад працює від однополярногоджерела живлення 2,35 В або 5 В і має швидкість перетворення 1MSPS відповідно.Прилад має малошумовий широкосмуговий диференціальний пристрійвибірки-зберігання (ПВЗ), який може обробляти вхідні сигнали з частотою більше1 Мгц
Процеси початку перетворення і видачі даних синхронізуються сигналом навході non CS і послідовними тактовими імпульсами, що дозволяє передавати дані вмікропроцесори або DSP. Вибірка вхідного сигналу, перетворення і видача данихпочинаються на вході сигналу nonCS. Прилади не мають конвеєрної затримкиперетворення. При виготовленні AD7476 використовуються новітні технологічніприйоми, що дозволяють мінімізувати споживану потужність при високійпродуктивності.
4.4 Вибір мікроконтролера
Мною вибраний мікроконтролер AT90S8515 фірми Atmel. Даний мікроконтролер є 8-ми розрядним мікроконтролер з 8 Кбфлеш-пам`яттю. Містить внутрішню ОЗУ 512 Кб. Живлення від 2,7 до 6,0 В. Виходисумісні з RS інтерфейсом.
/>
Рисунок 15 – Блок-схема мікроконтролера AT90S8515
/>
Рисунок 16 — Розташування виводів мікроконтролера AT90S8515
В схемівикористовується живлення +5В.
Оскільки усімікросхеми в даній принциповій схемі живляться напругою 5 В, то я вибравлінійний стабілізатор напруги MC7805фірми Motorola. Його характеристики повністюзадовольняють вимоги моєї схеми.
5 Електричнірозрахунки елементів електричної принципової схеми
Розрахуєморезистор R1 та R2.
Оскількимаксимальна напруга, що можлива на вході АЦП становить 5 В, а зміна сигналудатчика при зміні температури в максимальній точці вимірювальної напругистановить 1,65 В, то спад напруги на даних резисторах повинен становитиприблизно 2 В. Сила струму повинна не перевищувати 5 мА. Тобто, />.
Розрахуєморезистор R5.
Встановлюємосигнали DTR та RTS в рівні логічного нуля, тобтовстановлюємо вихідну напругу на даних виходах +12 В. За допомогоюввімкнення діодів VD1 та VD2 за схемою «або» досягається навантажувальна здатність в 30 мА. Так як спад напруги на лінійному стабілізаторі становить 7 В, то />.
Діоди VD1 та VD2 обираємо за умовою
/>, (5.1)
Таким параметрампідходить діод BAV17 ( />).
Резистори R1 та R2 обираємо C5 – 42В. Із стандартного ряду Е24 вибираємономінал 1,5 кОм.
Підключеннямікросхем DD1, DD2, DD4, DD4, DA3 мають свої електричні схемипідключення, які рекомендовані виробниками, тому є не доцільним розрахунокрешти елементів. Їх номінали беруться рекомендовані виробником і вони зазначеніу додатку.
6 Алгоритмічнезабезпечення
Живлення усіхелементів відбувається від послідовного інтерфейсу RS232.
Фіксація температури на датчиках проходить безперервно. Вихідний сигналдатчиків поступає на мультиплексом. Який керується мікро контролером. Взалежності від коду сигналів на входах мультиплексора А0 та А1 відбуваєтьсякомутація вихідного сигналу одного з датчиків на АЦП. Вхід EN мультиплексора вмикає його. Тому вробочому режимі мультиплксора на ньому завжди повинен бути рівень логічної «1».Для того, щоб закомутувати вихід датчика DA2 на АЦП потрібно сформувати на виході AD0 та AD1 рівні логічного нуля. А длякомутації датчика DA1 на виході AD0 формується рівень логічної одиниці, ана AD1 формується рівень логічного «0».
Таблиця 3 – Таблиця істинності ADG604
A1
A0
EN
Відкритий канал Х Х – 1 S1 1 1 S2 1 1 S3 1 1 1 S4
Після комутаціївідповідного датчика на АЦП DD2, на його виході формується відповідний цифровий код. Даний код увідповідний момент після формування сигналу /> на виході мікроконтролера DD3 зчитується мікроконтролером. Даліцифровий код надходить до інтерфейсу RS232 через перетворювач рівнів.
7 Метрологічніхарактеристики
Похибкавимірювання даного пристрою буде складатися похибки ПВП і похибки квантуванняАЦП .
Абсолютнамаксимальна похибка ПВП на всьому діапазоні вимірювань без калібрування Δ=20С;
Розрахуємосередньо-квадратичне відхилення (СКВ) похибки вимірювання ПВП:
/> (7.1)
Розрахуємо похибку квантування АЦП за формулою:
/> (7.2)
де n — розрядність АЦП, /> – опорна напруга АЦП, /> = 5 (В).
В нашому випадку n=12.
Припідставленні значень, отримаємо:
/>
Розрахуємо СКВ похибки квантування
/>. (7.3)
Підставившизначення, отримаємо:
/>
Далі розрахуємо загальне СКВ похибки системи:
/>. (7.4)
Припідставленні значеннь, отримаємо:
/>
Отже, абсолютна похибка системи розраховується заформулою:
/>
При підставленні значень, отримаємо
/> (7.5)
Фактично, вийшло,що похибка нашої системи залежить лише від похибки ПВП, так як ΔПВП>>ΔАЦП.
Висновки
В даномукурсовому проекті розроблена багатоканальна система вимірювання температури. Вогляді літературних джерел були викладені основні поняття про температуру,методи та засоби її вимірювання. Була обґрунтована техніко-економічна доцільністьданого проекту та вибрана відповідна структурна схема. Були проведенівідповідні розрахунки базових елементів принципіальної схеми та виконаніметрологічні розрахунки.
На мою думкуданий проект повністю відповідає поставленим вимогам до багатоканальнихвимірювальних систем. Даний пристрій може бути використаний для вимірюваннятемператури як в приміщеннях так і ззовні.
Література
1 Измерения икомпьютерно-измерительная техника: Учеб. пособие / В.А. Поджаренко, В.В.Кухарчук. – К.: УМК ВО, 1991. – 240 с. – На укр.яз.
2 ХазановБ.И. Интерфейсы измерительных систем.- М.: Энергия, 1979. – 169с.
3 Метрологическоеобеспечение измерительных информационных систем (теория, методология,организация)./Е.Т. Удовиченко, А.А.Брагин, А.Л.Семенюк, В.И.Бородатый, Э.С.Браилов, Ю.И. Койфман, А.Д. Пинчевский. – М.: Изд-во стандартов, 1991.-192 с.
4 ВострокнутовН.Н. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытаний,поверка. –М.: Энергоатомиздат, 1990.-208с.
5 Проектированиемикропроцесорных измерительных приборов и систем/В.Д. Циделко, Н.В. Нагаец,Ю.В. Хохлов и др.- К.: Техніка, 1984.-215 с.
6 www.analog.com
7 www.atmel.com
8 www.alldatasheet.com
9 Метрологія та вимірювальна техніка: Підручник/ Заред. _роф..Є.С. Поліщука. – Львів: Видавництво «Бескіи Біт», 2003. – 544 с.
10 Конспект лекцій з дисципліни „Інформаційно-вимірювальні системи”