43174

Логгер температуры

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

На практике для измерения температуры используют жидкостные и механические термометры термопару термометр сопротивления газовый термометр пирометр термометр сопротивления логгер температуры Так как тема дпнного курсового проекта о логгере то далее рассказ пойдет о них. Существуют несколько видов логгеров: а логгер температуры; б логгер влажности и температуры; в логгер со встроенными сенсорами; г логгер напряжения и тока; д логгер с гнездом для внешних зондов; елоггер температуры с расчетом точки росы; жлоггер для...

Русский

2013-11-03

3.06 MB

85 чел.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Рязанский государственный радиотехнический университет

(ГОУВПО «РГРТУ»)

Кафедра

Информационно-измерительной и биомедицинской техники

      Курсовой проект

по дисциплине:

Основы проектирования приборов и систем

на тему:

Логгер температуры.

Выполнил: 

студентка группы 834

Труфакова Ю.М.

Проверил:

Каплан М. Б.

Рязань 2011
Введение.

Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Она обладает некоторыми принципиальными особенностями, что обусловливает необходимость применения большого количества методов и технических средств для ее измерения.

На практике для измерения температуры используют

  •  жидкостные и механические термометры,
  •  термопару,
  •  термометр сопротивления,
  •  газовый термометр,
  •  пирометр
  •  термометр сопротивления
  •  логгер температуры

Так как тема дпнного курсового проекта о логгере, то далее рассказ пойдет  о них.

Логгер – регистратор данных, подходит для широкого спектра задач. Логгер, обладающий дисплеем, может мгновенно предоставить быстрый обзор текущих данных, последнее сохраненное значение, минимальное/максимальное значение и количество превышений сигнальных значений.

Существуют несколько видов логгеров:

а) логгер температуры;

б) логгер влажности и температуры;

в) логгер со встроенными сенсорами;

г) логгер напряжения и тока;

д) логгер с гнездом для внешних зондов;

е)логгер температуры с расчетом точки росы;

ж)логгер для работы во взрывоопасных зонах;

з)логгер с внешними зондами.

Технико-экономическое обоснование темы.

Основными требованиями, предъявляемыми к средствам измерения и регистрации температуры (как, впрочем, и к другим средствам технических измерений), являются: необходимая достоверность результатов измерения, надежность и возможность работы в жестких условиях эксплуатации, малые габаритные размеры и масса, простота и удобство работы, отсутствие влияния (точнее — пренебрежимо малое влияние) на ход исследуемых процессов, наглядность представляемой информации, доступная цена.

В свою очередь логгеры соответствуют всем перечисленным ранее требованиям.

Логгеры (регистраторы, самописцы) температуры представляют собой миниатюрные электронные устройства на автономном питании для измерения и записи температуры, давления, расхода, влажности и пр. Основное применение логгеров - измерение и запись физических параметров на удаленных необслуживаемых объектах, транспорте, складах, морозильных камерах, лабораторных установках и т.д. Логгеры являются лучшей альтернативой морально устаревшим бумажным самописцам, поскольку более неприхотливы, не имеют изнашиваемых механических частей, расходных материалов и не требуют подключения к внешнему питанию. Основное отличие логгеров от других электронных измерительных устройств, состоит в том, что логгер не требует постоянного подключения к компьютеру для передачи данных. Подключение к компьютеру производится периодически в зависимости от потребности считать накопившиеся данные или перепрограммировать логгеры. Считанные данные помещаются в базу данных на компьютере пользователя или сервере, позволяя создавать отчеты, таблицы и графики на их основе. Питание от литиевой батарейки и энергонезависимая память обеспечивают автономную запись данных в память логгера в течение длительного времени: от нескольких недель до нескольких лет.

Обзор методов измерения температуры.

В настоящее время используются как электрические, так и неэлектрические методы и средства измерения температуры. Неэлектрические методы представлены, например, обычными жидкостными термометрами. Электрические методы (основа современных измерений) реализованы, например, в термометрах и регистраторах на основе термоэлектрических преобразователей. Далее пойдёт речь пойдет только об электрических методах и средствах.

Различают статические (в которых предполагается неизменность значения температуры в течение времени наблюдения) и динамические измерения (когда процесс достаточно быстро меняется и принципиально важно знать характер поведения величины и (или) важно оперативно отслеживать все изменения, как, например, в системе автоматизированного управления). Существует также деление средств измерения температуры на показывающие и регистрирующие. Первые реализуют статические модели и имеют только шкалу или цифровой индикатор для отсчета текущего значения. Вторые предназначены для динамических моделей и позволяют записывать изменения температуры (как функции времени) в течение некоторого, порой достаточно длительного, интервала времени.

По способам преобразования информации методы и средства измерения (регистрации) делят на аналоговые и цифровые. Цифровые термометры имеют ряд известных преимуществ перед аналоговыми - более высокие метрологические и эксплуатационные характеристики, быстродействие, надежность. Кроме того, цифровая форма представления информации обеспечивает простоту дальнейшей автоматизированной обработки, хранения, передачи и представления данных.

По принципу взаимодействия прибора с объектом методы и средства измерения температуры делятся на контактные и бесконтактные. Первые проще в применении и могут обеспечивать более высокую точность. Вторые удобнее в работе (а в некоторых задачах просто незаменимы), позволяют получить результат быстрее, хотя, может быть, и с большей погрешностью.

Многоканальные измерители (регистраторы) температуры предназначены для регистрации нескольких процессов и/или синхронных измерений температуры в нескольких точках.

В настоящее время в практике температурных измерений используются, как правило, цифровые средства измерения температуры, основанные на электрических методах преобразования. При этом применяются как статические, так и динамические модели объектов и процессов. Одинаково широко распространены и контактные, и бесконтактные методы и средства.

В проекте будет использован термистор, поэтому рассмотрим его подробнее.

Слово «термистор» понятно само по себе: ТЕРМический резИСТОР – устройство, сопротивление которого изменяется с температурой.

Термисторы являются в значительной степени нелинейными приборами и зачастую имеют параметры с большим разбросом. Именно поэтому многие, даже опытные инженеры и разработчики схем испытывают неудобства при работе с этими приборами. Однако, познакомившись поближе с этими устройствами, можно видеть, что термисторы на самом деле являются вполне простыми устройствами.

Вначале необходимо сказать, что не все устройства, изменяющие сопротивление с температурой, называются термисторами. Например, резистивные термометры, которые изготавливаются из маленьких катушек витой проволоки или из напыленных металлических плёнок. Хотя их параметры зависят от температуры, однако, они работают не так, как термисторы. Обычно термин «термистор» применяется по отношению к чувствительным к температуре полупроводниковым устройствам.

Имеется два основных класса термисторов: с отрицательным ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) и с положительным ТКС.

Существуют два принципиально различных типа выпускаемых термисторов с положительным ТКС. Одни изготавливаются подобно термисторам с отрицательным ТКС,  другие же делаются из кремния. Термисторы с положительным ТКС будут описаны кратко, а основное внимание будет уделено боле распространенным термисторам с отрицательным ТКС. Таким образом, если отсутствуют особые указания, то речь будет идти о термисторах с отрицательным ТКС.

По существу термисторы представляют собой полупроводниковую керамику. Они изготавливаются на основе порошков окислов металлов (обычно окислов никеля и марганца), иногда с добавкой небольшого количества других окислов. Порошкообразные окислы смешиваются с водой и различными связующими веществами для получения жидкого теста, которому придаётся необходимая форма и которое обжигается при температурах свыше 1000 оС.

Приваривается проводящее металлическое покрытие (обычно серебряное), и подсоединяются выводы. Законченный термистор обычно покрывается эпоксидной смолой или стеклом или заключается в какой-нибудь другой корпус.

Некоторые термисторы сначала изготавливаются в виде больших пластин, а затем режутся на квадраты. Очень маленькие бусинковые термисторы изготавливаются путем непосредственного обжигания капли теста на двух выводах из тугоплавкого титанового сплава с последующим опусканием термистора в стекло с целью получения покрытия.

Типовые параметры.

Говорить «типовые параметры» - не совсем правильно, так как для термисторов существует лишь несколько типовых параметров. Для множества термисторов различных типов, размеров, форм, номиналов и допусков существует такое же большое количество технических условий. Более того, зачастую термисторы, выпускаемые различными изготовителями, не являются взаимозаменяемыми.

Можно приобрести термисторы с сопротивлениями (при 25 oС - температуры, при которой обычно определяется сопротивление термистора) от одного ома до десяти мегоом и более. Сопротивление зависит от размера и формы термистора, однако, для каждого определённого типа номиналы сопротивления могут отличаться на 5-6 порядков, что достигается путём простого изменения оксидной смеси. При замене смеси также и изменяется и вид температурной зависимости сопротивления (R-T кривая) и меняется стабильность при высоких температурах. К счастью термисторы с высоким сопротивлением, достаточным для того, чтобы использовать их при высоких температурах, также обладают, как правило, большей стабильностью.

Недорогие термисторы обычно имеют довольно большие допуски параметров. Например, допустимые значения сопротивлений   при 25 оС изменяются в диапазоне от 20% до 5%. При более высоких  или низких температурах разброс параметров еще больше увеличивается. Для типового термистора, имеющего чувствительность 4% на градус Цельсия, соответствующие допуски измеряемой температуры меняются приблизительно от 5 о до 1,25 оС   при 25 оС.

Кроме того, термисторы имеют значительно меньшие массы и размеры. Имеются термисторы, выполненные в виде шариков диаметром от 0,006 до 2,5 мм. Теплоемкость таких термисторов на несколько порядков  меньше, чем у металлических терморезисторов. Малая теплоемкость обусловливает малую инерционность термисторов. Имеются термисторы с постоянной тепловой инерцией несколько миллисекунд.

Термисторы обычно включаются в схему неравновесного или автоматического моста. Приборы имеют индивидуальную градуировку, что обусловлено большим разбросом параметров и характеристик преобразователей. Ко вторичному прибору термисторы подсоединяются с помощью двухпроводного кабеля. Погрешность, вызванная изменением параметров кабеля, ничтожна, поскольку сопротивление и чувствительность термистора много больше сопротивления линии связи и ее чувствительности к изменению температуры.

Термисторы применяются для измерения температуры в тех случаях, когда не требуется высокая точность, но нужно измерить температуру малых объектов, обладающих малой теплоемкостью. Они широко используются, например, в биологии. С помощью термистора, смонтированного на острие иглы, можно измерить температуру внутренних органов живого организма. Широкое применение термисторы находят в различных приборах для температурной коррекции характеристик приборов.

Измерение сопротивления термометра неуравновешенным мостом.

Неуравновешенные мосты, применяемые для технических измерений температуры с помощью термометра сопротивления, имеют то преимущество перед уравновешенными мостами, что позволяют получать отсчеты показаний по шкале прибора без уравновешивания моста. Неуравновешенные мостовые измерительные схемы используются в измерительных преобразователях для преобразования сопротивления термометра в напряжение.

Рисунок 1. Принципиальная схема неуравновешенного моста

На рисунке 1 показана принципиальная схема неуравновешенного моста. Здесь R1, R3, R5- постоянные резисторы плеч моста, R2- сопротивление термометра; Uвых - выходное напряжение моста, R4 — подстроечный резистор.

Схема работает в режиме несбалансированного моста. При включении в одно из плеч такого моста датчика получим измерительную систему, основанную на принципе рассогласования. Этот принцип заключается в определении напряжения в диагонали моста выходное напряжение моста является нелинейной функцией разбаланса моста Δ. Для малых значений разбаланса (Δ<0,05) эту функцию можно считать квазилинейной.  Максимальная чувствительность моста достигается, когда R1=R3, R2=(R4+R5).

Ток, на выходе измерительной схемы, пропорционален напряжению Uп. Вследствие этого для обеспечения правильности показаний прибора необходимо применять стабилизированный источник питания или поддерживать постоянное напряжение. Для обеспечения контроля напряжения предусматривается постоянный, не зависящий от температуры контрольный резистор R4, включаемый в схему моста.

В настоящее время для питания неуравновешенных мостовых измерительных схем применяют стабилизированные источники питания (ИПС).

Выбор напряжения питания моста выбирается из условия допустимой мощности терморезистора.

Разработка структурной схемы.

Проанализировав задание на проектирование, мною предложена структурная схема датчика температуры, изображенная на рисунке 2.

Неотъемлемой частью структурной схемы  будет являться измерительный датчик температуры на основе неуравновешенного терморезистивного моста. Чувствительным элементом прибора служит терморезистор, принцип действия которого основан на свойстве некоторых материалов изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Влияние температуры на электрофизические параметры полупроводников в основном проявляются в изменении концентрации носителей заряда, что приводит к соответствующему изменению электрической проводимости. При изменении температуры будет изменяться электрическое сопротивление полупроводникого терморезистора, в результате будет меняться выходное напряжение моста. После того, как датчик преобразует сигнал в электрический, он должен быть усилен до входного уровня АЦП. Усиление сигнала и выделение полезного сигнала осуществляется с помощью канала нормализации. Для последующего преобразования необходимо преобразовать аналоговый сигнал в цифровой. Для этого используем АЦП. Для предварительной обработки сигнала, и вывода ее результатов на индикатор используем блок управления (микроконтроллер). Для вывода измеряемой величины будем использовать цифровой индикатор.

Данная структурная схема привлекательна своей простотой исполнения и относительно небольшой стоимостью элементной базы.

Рисунок 2. Структурная схема измерителя температуры

Д - Датчик температуры;

КН – Канал нормализации;

НС -  Неинвертирующий сумматор;

АЦП – Аналогово-цифровой преобразователь;

МК – Микроконтроллер;

ЦИ – Цифровой индикатор.

Разработка и расчет функциональной схемы.

Главным элементом схемы является датчик температуры. В его качестве используется схема неуравновешенного моста с включенным в одно из плеч терморезистором ММТ-4. Подобные датчики отличаются высокой чувствительностью, просты в эксплуатации. Они предназначены для измерения температуры твердых, жидких, сыпучих и газообразных сред в промышленных условиях. Они находят широкое применение. По заданию основная погрешность не более 0,10C, следовательно, необходимо использовать высокоточный измерительный усилитель. Используем фильтр нижних частот для подавления паразитных частот и уменьшения погрешности.

    Исходя из выше перечисленных рассуждений, получим следующую схему:

Рисунок 3. Функциональная схема измерителя температуры

  •  Датчик температуры
  •  Измерительный усилитель
  •  Фильтр низких частот
  •  Неинвертирующий сумматор
  •  Микроконтроллер
  •  Жидкокристаллический индикатор

При разработке функциональной схемы одним из самых главных являлся вопрос выбора датчика температуры. В качестве датчик температуры используется неуравношенная мостовая схема с включенным в одно из плеч полупроводникового терморезистора ММТ-4.

Терморезисторы прямого подогрева с отрицательным ТКС предназначены для работы в цепях постоянного, пульсирующего и переменного тока частотой до 400 Гц в импульсных режимах, для измерения и регулирования температуры, а также для температурной компенсации элементов электрической цепи с положительным температурным коэффициентом сопротивления.

Полупроводниковый малогабаритный терморезистор ММТ-4, который по сравнению с металлическими преобразователями, значительно менее теплоинерционен, имеет большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС), большое электрическое сопротивление, позволяющее полностью пренебречь сопротивлением проводов, которые соединяют датчик с прибором.

Технические характеристики

                                                                   MMT-4

Диапазон номинальных сопротивлений 1×103 - 220×103

Максимальная мощность рассеяния  560 мВт

Температурный коэффициент сопротивления -(2,4-5,0) % /°C

Коэффициент температурной чувствительности 2060-4300 K

Масса не более ММТ-4 2,5 г

      

      Промежуточные значения номинальных сопротивлений соответствуют ряду E6 с допуском ±20%

Терморезистор ММТ-4(медно-марганцовый) при t=00C  R0=33кОм, ТКС - примерно 2 %/°С. Это терморезистор имеет нелинейный характер зависимости электрического сопротивления от температуры.

,
где R
о - константа, имеющая размерность сопротивления;

В - константа, имеющая размерность температуры,

Т - абсолютная температура (T=t+273).

Для ММТ-4 Ro= 0,294 Ом, В =3176 К, T=-200C…+500C.

На рисунке 4 представлен график зависимости сопротивления терморезистора от температуры.

Рисунок 4.

По графику или на основе температурной зависимости можно найти, при

t=-200C  R1max(T)=170,8 кОм, при t=500C  R2min(T)=0,75 кОм.

Измерение сопротивления терморезистора неуравновешенным мостом.

Неуравновешенные мосты, применяемые для технических измерений температуры с помощью терморезистора, имеют то преимущество перед уравновешенными мостами, что позволяют получать отсчеты показаний по шкале прибора без уравновешивания моста. Неуравновешенные мостовые измерительные схемы используются в измерительных преобразователях. Для преобразования сопротивления терморезистора в напряжение.

Рисунок 5. Принципиальная схема неуравновешенного моста

На рисунке 5 показана принципиальная схема неуравновешенного моста. Здесь R1, R3, R5- постоянные резисторы плеч моста, R2- сопротивление термометра; Uвых - выходное напряжение моста, R4 — подстроечный резистор.

Измерительную цепь прибора образуют резистор R1, R3 и R5, терморезистор R2, сопротивление на котором изменяется в зависимости от температуры, и компенсирующий резистор R4. Для уменьшения погрешности от самопрогрева терморезистора номиналы резисторов выбраны таким, чтобы ток в измерительной цепи был равен примерно 0,1 мА.  Для прибора, работающего в режиме измерения температуры, типичной является задача компенсации начального значения термосопротивления при нулевой температуре. Для этого сопротивление компенсационного резистора (R4+R5) выбирают равным сопротивлению терморезистора R2 при нулевой температуре.

Схема работает в режиме несбалансированного моста. При включении в одно из плеч такого моста датчика получим измерительную систему, основанную на принципе рассогласования. Этот принцип заключается в определении напряжения в диагонали моста выходное напряжение моста является нелинейной функцией разбаланса моста Δ. Для малых значений разбаланса (Δ<0,05) эту функцию можно считать квазилинейной.  Максимальная чувствительность моста достигается, когда R1=R3, R2=(R4+R5).

Ток, на выходе измерительной схемы, пропорционален напряжению Uп. Вследствие этого для обеспечения правильности показаний прибора необходимо применять стабилизированный источник питания или поддерживать постоянное напряжение. Для обеспечения контроля напряжения предусматривается постоянный, не зависящий от температуры контрольный резистор R4, включаемый в схему моста.

В настоящее время для питания неуравновешенных мостовых измерительных схем применяют стабилизированные источники питания (ИПС).

Выбор напряжения питания моста выбирается из условия допустимой мощности терморезистора.

Напряжение источника питания датчика температуры U=+3B, потребляемый ток I=1мА.

При t=00C, Uвых=0 В,

 

Примем R1=R3=20 кОм,  R2=33 кОм, (R4+R5)=33кОм

Так как ММТ-4 имеет допуск  ±20%, то  R4=22 кОм, R5=18 кОм

Чтобы сохранить требуемый сигнал в условии даже малых сигналов с выхода ИП  на терморезисторе ставится так называемый канал нормализации, который представляет собой инструментальный усилитель на трех операционных усилителях. Эта схема используется для подавления синфазного входного сигнала.

Измерительный усилитель.

В качестве усилителя мною выбрана схему с тремя ОУ. В этой схеме используются высокие входные сопротивления неинвертирующих входов, благодаря чему разница внутренних сопротивлений источников сигнала может достигать 1 кОм без заметного понижения КОСС. В данной схеме коэффициент усиления синфазного сигнала каждого входного ОУ равен единице при любой величине , а  выходного разностного усилителя зависит от точности подбора резисторов.   Поэтому при одинаковых ОУ благодаря распределению  между входным и разностным каскадами схема на трех ОУ обеспечивает по сравнению со схемой на одном ОУ больший коэффициент ослабления синфазного сигнала.  

Рисунок 6.  Схема измерительного усилителя на трех ОУ

Как видно из рисунка 6 , напряжение на резисторе R1 составляет U1 – U2. Отсюда следует, что

Эта разность преобразуется дифференциальным усилителем на ОУ3 в напряжение Uвых относительно земли. Обычно выбирается R2 = R3 и R4 = R5 = R6 = R7. В таком случае дифференциальный коэффициент усиления

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за разбаланса резисторов):

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за конечного значения Косс ОУ3):

КСФ2 = 1/КоссОУ3

Затем улучшенный сигнал поступает на предварительный аналоговый фильтр. Это фильтр представляет собой ФНЧ 2- го порядка на повторителе или фильтр Баттерворта 2-го порядка. Эта структура используется, т.к. на входе высокое сопротивление.

Фильтр Баттерворта 2-го порядка.

Реализация фильтров на операционных усилителях.

С ростом порядка фильтра его фильтрующие свойства улучшаются. На одном ОУ достаточно просто реализуется фильтр второго порядка. В данном проекте будет использоваться ФНЧ 2- го порядка на повторителе или фильтр Баттерворта 2-го порядка. Эта структура используется, т.к. на входе высокое сопротивление.

Фильтром нижних частот является устройство, которое задерживает сигналы высоких частот и пропускает сигналы низких частот.

Наиболее простая АЧХ фильтра нижних частот фильтра Баттерворта, которая в случае фильтра n-ного порядка определяется  следующим образом:

                   ,                      

где  n = 1, 2, 3,...                      

                      

    На рисунке 7 изображены характеристики фильтра  Баттерворта  для

различных n при А=1.

Рисунок 7. Характеристики фильтра Баттерворта для различных n при A = 1           

  

Фильтр   Баттерворта   представляет   собой    полиномиальный фильтр, обладающий передаточной функцией вида :

           ,                 

 где  K - постоянное число.

Для нормированного  фильтра,  т.е.  при значении 1,  равном  1 рад/cек, передаточную функцию можно записать в виде произведения сомножителей для

n = 2, 4, 6...

                                         

В обоих случаях коэффициенты задаются при b0 = 1 и для k = 1, 2,... следующим образом :

         .                        

Очевидно, что коэффициент усиления фильтра Баттерворта, равен К.  Если  фильтр  построен  путем каскадного соединения звеньев в соответствии, то  коэффициент усиления фильтра будет равен произведению коэффициентов отдельных каскадов :  

.

АЧХ фильтра Баттерворта наиболее плоская в районе  частоты =0,  по  сравнению с АЧХ любого другого полиномиального фильтра. Вследствие этого ее называют максимально плоской.  Следовательно, для диапазона низких частот (полосы пропускания) данный фильтр наилучшим образом отображает идеальную характеристику. Однако в полосе частот, находящихся около с и в полосе задержания, АЧХ фильтра Баттерворта заметно уступает характеристике фильтра Чебышева.

Фильтры Баттерворта не более второго или третьего порядка обеспечивают минимальную неравномерность в полосе пропускания.

Схема ФНЧ Баттерворта второго порядка представлена на рисунке 8. Его расчет производится по формуле:

где a1=1,4142 и b1=1,0 - табличные коэффициенты, а С1 и С2 выбираются из соотношения C2/C1 ≥4*b1/a1, причем не следует выбирать отношение C2/C1 много большим правой части неравенства.

Рисунок 8. Схема ФНЧ Баттерворта 2-го порядка

Типы всех усилителей в схеме AD8667. Компания Analog Devices пополнила семейство операционных усилителей, выпускаемых с применением технологий iCMOS™ и DigiTrim®. Благодаря применённым новым технологиям ОУ AD8667 объединил в себе прецизионное исполнение, малое потребление и невысокую цену.

AD8667 характеризуется малым напряжением смещения и малым входным током, напряжением питания до 16 В и током потребления не более 325 мкА в расширенном промышленном диапазоне рабочих температур. Выходной каскад усилителя обеспечивает размах напряжения выходного сигнала до шин питания (rail-to-rail), что позволяет успешно его использовать как с однополярным, так и с двуполярным питанием. Характеристики AD8667 делают его идеальным решением для широкого спектра устройств с малым потреблением, таких, как автономное измерительное оборудование, медицинская аппаратура, приборы, работающие от аккумуляторных батарей.

Далее с фильтров сигналы поступают на неинвертирующий сумматор. Такие устройства применяются, когда необходимо объединить в одном канале сигналы различных источников.

Сумматоры на основе ОУ.

Сумматором называется электронное устройство, имеющее несколько входов и один выход, напряжение на котором пропорционально сумме напряжений всех входов.

На рисунке 9 приведена принципиальная схема неинвертирующего сумматора с двумя входами.

 

Рисунок 9. Неинвертирующий сумматор

В данной схеме

Сумматор необходим, чтобы поднять постоянную составляющую на некоторую величину.

С сумматора сигнал идет на АЦП. С помощью АЦП аналоговые источники измерительных сигналов согласуются с цифровыми устройствами обработки и представляют результат измерения. Далее с АЦП двоичный код поступает на микроконтроллер, преобразованный сигнал представлен результатом измерения температуры.

Описание микроконтроллера.

Для данного проекта используем микроконтроллер PIC18F2523, он обладает всему нужными характеристиками для реализации и управления измерителя температуры.

Мощное семейство контроллеров серии PIC18. Родоначальники NanoWatt-семейства, контроллеры PIC18Fxx20 (PIC18F2320/ 2220/ 43204220) получили дальнейшее развитие и стали основой семейства PIC18Fxx23. По сравнению с предшественниками новые микроконтроллеры имеют сниженную цену и расширенный набор периферии. Из нововведений можно отметить смену значения кода АЦП в точке 0,5 МЗР (т.е. увеличение точности АЦП до ±0,5 МЗР), расширенный модуль захвата/сравнения/ШИМ (возможность формирования сигналов управления мостовой схемой), расширенный модуль UART (поддержка интерфейсов RS-232, RS-485, LIN; автоопределение скорости, выход из режима SLEEP), детектор снижения и повышения напряжения питания. Новые контроллеры PIC18F2221, PIC18F2523, помимо корпусов DIP и SOIC выпускаются в миниатюрных корпусах QFN и SSOP.

Основные особенности PIC18F2523:
- соответствие технологии nanoWatt (расширенные режимы энергосбережения)
- типовое значение тока потребления в спящем режиме при напряжении питания 3 В - 0.04 мкА
- популярное ядро PIC18F с расширенным набором инструкций (
EGG)
- производительность - 10 MIPS
- до 32 кБайт памяти программ с возможностью программирования в ходе выполнения программы
- до 1536 Байт ОЗУ
- 256 Байт интегрированной EEPROM
- до 36 выводов общего назначения
- до 13 каналов 12-разрядного АЦП со скоростью преобразования 80 кГц
- до 2-х модулей CCP/ECCP
- последовательные интерфейсы SPI, I2C
- модуль EUSART с поддержкой функций LIN
- два компаратора
- 4 таймера
- детектор напряжения (HLVD)
- диапазон напряжений питания - от 2.0 до 5.5 В

Следует отметить исключительную надежность EEPROM и Flash-памяти новых контроллеров Microchip. В диапазоне температур -40...85°С гарантируется типовое число циклов перезаписи памяти программ 100.000, энергонезависимой памяти данных 10.000.000 и сохранность данных в течении 100 лет. Благодаря 100% тестированию всех микросхем при отгрузке заказчикам и высокой надежности продукция компании Microchip применяется в автомобильных, промышленных, медицинских, охранно-пожарных и других изделиях, где предъявляются высокие требования к надежности.

Перевод температуры осуществляется с помощью программы, которая заложена внутри микроконтроллера. Для ее расчета нужно учитывать характеристики датчика.

Для данной схемы рассчитаем следующее:

1) kуc   усилителя

2)число разрядов АЦП

Погрешность составляет ≤ 0,1 ºС. Переведем ее к относительной погрешности  Эта погрешность соответствует 12-разрядному АЦП, для которого нужно, чтобы  (81 дБ).

  Рассчитаем потребляемую мощность прибора:

Рпотр= Uп·Iпотр

1.Датчика температуры

Uп=3В

Iпотр=1мА

Рпотр=3*10-3=3мВ

2. AD8667

Uп=

Iпотр=180мкА

Рпотр=2·|-3|·180·10ˉ6=1,08мВт

3.PIC18F2523

Uп=3В

Iпотр=50мА

Рпотр=3·50·10ˉ³=150мВт

4. Жидкокристаллический индикатор

Uп=3В

Iпотр=1мА

Рпотр=3*10-3=3мВ

Р=3·10ˉ³+1,08·10ˉ³+150·10ˉ³+3·10ˉ³=157,08мВт=0,2Вт

Разработка и расчет принципиальной схемы.

Расчёт датчика температуры.

Исходные данные:     Т= -20…+50°С

                                     Δ≤ 0,1°С

Расчет датчика температуры

Терморезистор ММТ-4(медно-марганцовый) при t=00C  R0=33кОм, ТКС - примерно 2 %/°С. Это терморезистор имеет нелинейный характер зависимости электрического сопротивления от температуры.

,

где Rо - константа, имеющая размерность сопротивления;

В - константа, имеющая размерность температуры,

Т - абсолютная температура (T=t+273).

Для ММТ-4 Ro= 0,294 Ом, В =3176 К, T=-200C…+500C.

По графику 4 или на основе температурной зависимости можно найти, при

t=-200C  R1max(T)= 170,8 кОм, при t=500C  R2min(T)=0,75 кОм.

Напряжение источника питания датчика температуры U=+3B, потребляемый ток I=1мА.

При t=00C, Uвых=0 В,

 

Примем R1=R3=20 кОм,  R2=33 кОм, (R4+R5)=33кОм

Так как ММТ-4 имеет допуск  ±20%, то  R4=22 кОм, R5=18 кОм

Расчет канала нормализации.

Погрешность составляет ≤ 0,1 ºС. Переведем ее к относительной погрешности  Эта погрешность соответствует 12-разрядному АЦП, для которого нужно, чтобы  (81 дБ).

Уровень сигнал – шум на входе системы сбора данных равен:

Примем

                      

Определив по графику для температурного диапазона -200С…+500С, получили Uвых1=-1,02В, Uвых2 =1,68В, Uпу=3В

Так как амплитуда входного сигнала равна 2,7 В, а уровень входного сигнала АЦП должен достигать 3В, то необходимо усилить сигнал в 1,1 раз, т.е. Кдиф=1,1(0,8 дБ)

Коэффициент ослабления синфазного сигнала будет равным

 

Тогда   

            

, где  m число каскадов.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          

Исходя из быстродействия датчика:

примем f=2Гц.

      

             

Частота дискретизации АЦП. Так как ФНЧ второго порядка, то

,

Расчет усилителя.

Так как требуемое входное напряжение АЦП равно 3В, а максимальный входной сигнал равен 2.7В, необходимо получить коэффициент усиления измерительного усилителя равным 1,1.

Рисунок 11. Схема измерительного усилителя на трех ОУ

  

Для данного усилителя имеем соотношения:

;

;   

       ;

В представленной схеме будем использовать высококачественный измерительный усилитель AD8667 фирмы Analog Devices.

Основные характеристики AD8667:

Напряжение смещения: 100 мкВ;

Ток смещения: 0,3 пА;

Полоса пропускания: 0,6 МГц;

Температурный коэффициент напряжения смещения: 1,3 мкВ/°C;

Коэффициент усиления 140дБ;

Плотность шума при 10 кГц: 21 нВ/√Гц;

Плотность шума по току: 0,05 пА/√Гц;

Ток потребления (тип.): 180 мкА;

Напряжение питания: 5…16 В и ±2,5…±8 В;

Рабочий температурный диапазон: -40…+125°С;

Корпуса: SOIC8 и mSOIC8.

Расчет фильтра Баттерворта 2-го порядка.

Рисунок 12. Схема ФНЧ Баттерворта 2-го порядка

                         

        для фильтра Баттерворта 2-го порядка b=1,4142 , а=1,0000

Расчет неинвертирующего сумматора.

Рассчитаем неинвертирующий сумматор на операционном усилителе AD8667.

Рисунок 13. Неинвертирующий сумматор на ОУ

Выходное напряжение измерительного усилителя: ,т.е поднимаем постоянную составляющую на 1,887В,тогда на выходе будет:

( -1,887+1,887…3,108+1,887)=(0…5)В

К=1

Uоп=1,887В

 R2=1кОм; R1=605Ом

Микроконтроллер PIC18F2523.

Расположение выводов:

PIC18F2523 Усовершенствованный микроконтроллер со встроенной Flash памятью, 12-разрядным АЦП и нановаттной технологией управления энергопотреблением.

Основные параметры

Ядро

PIC18

F,МГц

от 0 до 40

Flash,кБ

32

RAM,кБ

1.5

EEPROM,кБ

0.25

I/O (макс.),шт.

25

8-бит,шт

1

16-бит,шт

3

RTC

Нет

UART,шт

1

SPI,шт

1

Разрядов АЦП,бит

12

Каналов АЦП,шт

10

Аналоговый компаратор,шт

2

VCC,В

от 2 до 5.5

ICC,мА

25

TA,°C

от -40 до 125

Корпус

SOIC-28 DIP-28 QFN-28

Тип

Program memory

Кбайт

RAM

байт

EEPROM

байт

Порты I/O

Каналов 12-бит АЦП

комп.

Таймеры 8/16

Встр. генератор

МГц

Макс. частота

МГц

Послед. интерфейсы

Особенности

PIC18F2523

32

1536

256

25
36

10-13

2

1/3

32кГц/8МГц

40

EUSART/
MI2C/SPI

nW

ЖК-дисплей.

MT–10S1 фирмы МЭЛТ

Рисунок 13. Внешний вид ЖК-модуля

Жидкокристаллический модуль MT-10S1 состоит из БИС контроллера управления и ЖК панели. Контроллер управления КБ1013ВГ6, производства ОАО «АНГСТРЕМ», аналогичен HD44780 фирмы HITACHI и KS0066 фирмы SAMSUNG. Модуль выпускается со светодиодной подсветкой. Внешний вид приведен на рисунке 13. Модуль позволяет отображать 1 строку из 10 символов. Символы отображаются в матрице 5х8 точек. Между символами имеются интервалы шириной в одну отображаемую точку. Каждому отображаемому на ЖКИ символу соответствует его код в ячейке ОЗУ модуля. Модуль содержит два вида памяти — кодов отображаемых символов и пользовательского знакогенератора, а также логику для управления ЖК панелью. Габаритные размеры модуля приведены на рисунке 14.

Модуль позволяет:

  •  модуль имеет программно-переключаемые две страницы встроенного знакогенератора (алфавиты: русский, украинский, белорусский, казахский и английский;);
  •  работать как по 8-ми, так и по 4-х битной шине данных (задается при инициализации);
  •  принимать команды с шины данных;
  •  записывать данные в ОЗУ с шины данных;
  •  читать данные из ОЗУ на шину данных;
  •  читать статус состояния на шину данных;
  •  запоминать до 8-ми изображений символов, задаваемых пользователем;
  •  выводить мигающий (или не мигающий) курсор двух типов;
  •  управлять подсветкой.

Модуль управляется по параллельному 4-х или 8-ми битному интерфейсу.

Перед началом работы модуля необходимо произвести начальную установку. Модуль позволяет задать изображения восьми дополнительных символов знакогенератора, использующихся при работе наравне со встроенными.

Таблица 3. Динамические характеристики модуля.

Название

Обозначение

UCC=5B

Единицы измерения

Мин.

Макс.

Время цикла чтения/записи

tcycE

500

-

ns

Длительность импульса разрешения чтения/записи

PWeh

230

-

ns

Время нарастания и спада

-

20

ns

Время предустановки адреса

tAS

40

-

ns

Время удержания адреса

tAH

10

-

ns

Время выдачи данных

tDDR

-

120

ns

Время задержки данных

tDHR

5

-

ns

Время предустановки данных

tDSW

80

-

ns

Время удержания данных

tH

10

-

ns

Таблица 4. Назначение внешних выводов

 

Рисунок 14. Габаритные размеры модуля MT–10S1

Bluetooth.

Передача данных по технологии Bluetooth осуществляется в безлицензионном диапазоне 2,4 ГГц. Спектр сигнала формируется по методу FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum - широкополосный сигнал по методу частотных скачков). Метод FHSS  обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование стоит недорого. В зависимости от мощности передатчика, устройства Bluetooth делятся на три класса:

  •  Класс 1 - до 100 мВт (максимальная дальность на открытом пространстве до 100м)
  •  Класс 2 - до 2,5 мВт (максимальная дальность на открытом пространстве до 15м)
  •  Класс 3 - до 1 мВт (максимальная дальность на открытом пространстве до 5 м)

Для беспроводных решений Bluetooth производятся различные Bluetooth-модули. Bluetooth-решения не предназначены для многомесячной  автономной работы от батарей. Bluetooth-модули могут передавать как голосовую информацию, так и цифровые данные на расстояние 10-100 метров. Благодаря наличию стандартных интерфейсов, Bluetooth-модули могут легко интегрироваться в приборы различного назначения.

Мною был выбран LMX9838- миниатюрный Bluetooth-модуль 2-го класса c интегрированной антенной.

LMX9838 - Bluetooth-модуль компании National Semiconductor, который отличается беспрецедентной степенью интеграции и очень малыми размерами 10 мм x 17 мм x 1,85 мм. В составе модуля объединены все компоненты, необходимые для реализации Bluetooth-узла класса 2 - антенна, кварцевый резонатор 16-битный RISC-процессор, радиочастотный трансивер диапазона 2.4 ГГц. Встроенное ПЗУ содержит программное обеспечение, реализующее полный Bluetooth-функционал, начиная с протоколов Bluetooth верхнего и нижнего уровней и заканчивая поддержкой обширного числа профилей. Модуль может использоваться для организации соединений по типу «точка-точка» и «звезда» на скорости до 704 кбод.

Отличительные особенности:

  •  Полный стек Bluetooth 2.0, в т.ч.:
    •  Протоколы: L2CAP, RFCOMM, SDP
    •  Профили: GAP, SDAP, SPP
  •  Высокая степень интеграции: встроенные антенна, кварцевый резонатор, память и линейный LDO-стабилизатор напряжения
  •  Поддержка до 7 активных каналов передачи данных Bluetooth и 1 активного канала SCO
  •  Скорость передачи команд/данных через порт УАПП до 921.6 кбит/сек
  •  Расширенный интерфейс для подключения внешнего аудио PCM-кодека 

Технические характеристики: 

Спецификация Bluetooth

2.0

Интерфейсы

UART,  2 x GPIO, AAI

Рабочая частота, ГГц

2,402...2,480

Уровень принимаемого сигнала, дБм

-80

Выходная мощность, дБм

0

Радиус действия на открытом пространстве, м

до 20

Напряжение питания, В

2,5 - 3,6

Ток потребления в режиме передачи, мА

65

Ток потребления в режиме приема, мА

23

Ток потребления в режиме IDLE, мкА

100

Размеры, мм

10 x 17 x 2

Рабочая температура, °С

-40...85

LMX9838 подключается к последовательному порту устройства, как показано на рис. 15. Далее с помощью нескольких команд настраивается необходимый режим работы, после чего модуль готов к приему/передаче данных.

Рис. 15. Подключение LMX9838

Рис. 16. Структурная схема LMX9838

LMX9838 - полноценный контроллер с интегрированным приемопередатчиком стандарта Bluetooth 2.0, включающий в себя 16-разрядный процессор CompactRISCTM, радиотрансивер, антенну, память, регулятор напряжения и аудио порт. Структурная схема модуля представлена на рис. 16.Стек Bluetooth 2.0 позволяет обеспечивать связь как по схеме точка-точка, так и одного узла с несколькими точками. При передаче в режиме RFComm (беспроводное расширение порта RS-232) может быть достигнута максимальная скорость передачи - до 704 кбит/сек.

В LMX9838 достаточно серьезное внимание уделено снижению энергопотребления. Всего предусмотрено 6 режимов работы. Максимальный потребляемый ток модуля в режиме непрерывной передачи составит 65 мА. Типичные же значения потребляемого тока в режиме RFComm составят порядка 25 мА.

Главное достоинство LMX9838 состоит в том, что на сегодняшний день это наиболее компактный Bluetooth-модуль. При наличии на борту встроенной антенны, его размер составляет всего 10х17х1,85 мм.

Программное обеспечение модуля, помимо базовых профилей стандарта Bluetooth (GAP, SDAP и SPP), содержит еще целый ряд дополнительных функций, в основном предназначенных для телекоммуникационных устройств. Следует отметить, что в подавляющем числе случаев такие модули используются для передачи потока данных, и все, что может потребоваться разработчику, - это SPP (Serial Port Profile). Этот профиль эмулирует последовательный порт, предоставляя возможность замены стандартного RS-232 беспроводным соединением.


Выбор элементной базы.

Исходя из расчетов устройства, необходим операционный усилитель с полосой пропускания 64 кГц, имеющий малое напряжение смещения, высокий коэффициент усиления и коэффициент ослабления синфазного сигнала. Данным условиям соответствует прецизионный операционный усилитель AD8667.

AD8667 характеризуется малым напряжением смещения и малым входным током, напряжением питания до 16 В и током потребления не более 325 мкА в расширенном промышленном диапазоне рабочих температур, коэффициентом усиления 140дБ. Выходной каскад усилителя обеспечивает размах напряжения выходного сигнала до шин питания (rail-to-rail-позволяет подать входной сигнал близкий к напряжению питания) и рассчитаны на напряжение питания 5…16 В и ±2,5…±8 В. AD8667 можно успешно его использовать как с однополярным, так и с двуполярным питанием. Характеристики AD8667 делают его идеальным решением для широкого спектра устройств с малым потреблением, таких, как автономное измерительное оборудование, медицинская аппаратура, приборы, работающие от аккумуляторных батарей. Напряжение питания для AD8667 примем ±5В.

В качестве резисторов используется постоянные непроволочные тонкопленочные резисторы из серии С2 – 33Н для эксплуатации при повышенной температуре окружающей среды. Резисторы С2-33Н удовлетворяют требованиям ГОСТ 24238. Используется переменный непроволочный подстроечный резистор СП3-38а. Резисторы переменные непроволочные подстроечные с круговым перемещением подвижной системы предназначены для использования в качестве встроенных элементов внутреннего монтажа комплектных изделий для работы в цепях постоянного и переменного токов, в непрерывных и импульсных режимах. Используется терморезистор ММТ-4.Терморезистор прямого подогрева с отрицательным ТКС предназначены для работы в цепях постоянного, пульсирующего и переменного тока частотой до 400 Гц в импульсных режимах, для измерения и регулирования температуры, а также для температурной компенсации элементов электрической цепи с положительным температурным коэффициентом сопротивления.

Конденсаторы из серии К10 – 17а.

Конденсаторы С4-С8 в МАХ 1724 используются для уменьшения шумов при соединении с землей DD1,DD2,DD3,DD4.

Расчет погрешности устройства.

В процессе измерения на измерительный прибор воздействуют одновременно множество факторов, как со стороны объекта измерения, так и внешней среды.

   Основные погрешности, возникающие при измерении – это методическая, инструментальная.

    Инструментальная погрешность обусловлена несовершенством функционирования узлов измерительного устройства (отклонение элементов схем от номинальных значений, нестабильности источников питания, неточность установки коэффициентов преобразования и др.). Эта погрешность состоит из основной и дополнительной. Основная погрешность – это погрешность измерительных устройств, при нормальных условия эксплуатации.

      Методические погрешности обусловлены несовершенством метода измерения, допущенными упрощениями, при определении физической зависимости, положенных в основу измерений.

  К методической погрешности относится: погрешность датчика, АЦП.

 Основными источниками погрешности измерения температуры подобным устройством являются отличие от номинальных значений параметров самого преобразователя, соединительных цепей, измерителей электрических величин (т. е. напряжения на выходе линии связи), а также погрешности метода.

   1)Погрешность датчика. 

Первичный преобразователь также вносит погрешность. Инструментальная погрешность датчика составляет 0,10С.  Погрешность от соединительных проводов можно пренебречь.

2)Погрешность усилителя.

Нормирующий усилитель обладает следующими погрешностями: погрешность из-за наличия напряжения смещения; погрешность, вызываемая током сдвига; погрешность, возникающая из-за конечного значения коэффициента ослабления синфазного сигнала; погрешность из-за рассогласования сопротивлений. Технические характеристики усилителей взяты из технической документации.

       Погрешность, вызванная наличием напряжения смещения усилителя:

Δсм = 100 мкВ

Погрешность, вызванная температурным дрейфом смещения нуля:

Δтд = 1,3мкВ/ºС*25 ºС = 32,5 мкВ  

Смещение нуля на выходе, обусловленное разностью входных токов:

Δсд = Iсд · R11 · Ku

Iсд=0,3пА – ток сдвига операционного усилителя, так как ток сдвига очень незначителен, то погрешность от него мы учитывать не будем.

Смещение нуля на выходе, обусловленное температурным дрейфом разности входных токов:

Δтдт = ΔIдр · R11 · Ku ·Δt     

ΔIдр = 1 мкА/ ºС – дрейф разности входных токов, так как данная величина очень мала, то погрешностью можно пренебречь.

Погрешность, возникающая из-за конечного значения коэффициента ослабления синфазного сигнала – Uкосс рассчитывается по формуле:

   Δкосс = Uсф мах · Ксф,            

где Uсф мах = 0,5 В — Максимальное синфазное напряжение

       Ксф - коэффициент усиления синфазного сигнала.

Ксф = 1/Ккосс

Ккосс = 10000В/мВ—коэффициент ослабления синфазного сигнала

Ксф = 0,0001

Δкосс = 0,5 · 0,0001 = 0,05 мкВ

Суммарная погрешность нормирующего усилителя рассчитывается по формуле:

3)Погрешность от аналого-цифрового преобразователя.

Максимальную относительную погрешность АЦП (σацп) можно рассчитать по следующей формуле:

 , где n – разрядность АЦП;

Δацп – суммарная абсолютная погрешность АЦП.  

       Основная погрешность АЦП включает следующие составляющие:

,

где  Dинт – интегральная нелинейность,

      Dдиф – погрешность дифференциальной нелинейности,

            Значения этих погрешностей можно найти в технической документации.

Dинт= ±0,5;

Dдиф= ±1.

Итоговая погрешность, которую вносит АЦП:

4)Погрешность фильтра.

Общая погрешность устройства:

    Суммарная погрешность, таким образом, будет складываться из погрешности аналоговой части схемы и погрешности АЦП. Что составляет:

Следовательно, прибор выполняет требуемую точность 0,1.

Конструкторско-технологический раздел.

Расчет максимального количества ИС на печатной плате при одностороннем размещении:

где - число элементов в одном ряду;  - количество рядов элементов;

, - размеры печатной платы; , - размеры между крайними выводами ИС по осям x, y; ,  - шаги установки корпусов по осям  x, y;  - краевое поле для элементов внешней коммутации; - краевое поле для элементов контроля;  - краевое поле по оси x.

Предположительно

=  

= 10 мм

= 10 мм

Тогда   мм

  мм

По ОСТ4 ГО.010.009 примем размер печатной платы равным: 170×75.

Выбор габаритов печатной платы (длина, ширина) связан с разбиением печатной платы на функционально законченные части. Размеры сторон печатных плат должны соответствовать ГОСТ10317-79, который предъявляет следующие требования к печатным платам:

     - необходимо разрабатывать печатные платы простой прямоугольной формы с отношением сторон не более 3:1 и размерами любой стороны не более 470 мм.

    - длину стороны печатной платы выбирают таким образом, чтобы она была кратной: 2,5 при длине до 100 мм; 5 при длине свыше 100 до 350 мм; 10 при длине свыше 350 мм.

    Увеличение размеров печатной платы ведет к повышению погрешностей при их изготовлении. Отклонение от прямоугольной, наличие и вырезов увеличивают трудоемкость изготовления.

    Коробление печатных плат происходит вследствие слоистой структуры основания, содержащего диэлектрические и проводящие слои, расширение которых при нагревании и сжатие при охлаждении различно. Чем больше длина платы, тем коробление значительнее, т.е. больше опасность обрыва проводников, замыкания, отрыва паяных контактов при температурных деформациях. Температурные деформации относятся к медленно действующим механическим деформациям. Динамические деформации в результате вибрационных и ударных перегрузок и линейных ускорений, передаваемых на печатную плату от объекта на котором установлено изделие, также уменьшается с уменьшением размера печатной платы.

    Ухудшение теплоотвода из центра платы, протекающего по механизму теплопроводности, наблюдается с увеличением размеров печатной платы.

    С учетом выше изложенных соображений, была произведена компоновка схемы, в результате которой определено, что оптимальными размерами печатной платы устройства являются: длина 170 мм, ширина 75 мм, толщина 25мм. Толщину прибора определяли высота посадки элементов на печатную плату, и толщина батарейки 1,5 В.

Выбор и обоснование материалов.

В качестве материала для корпуса прибора выбрана пластмасса. Пластмассы обладают рядом очень ценных физико-механических свойств. Плотность пластмасс составляет 10...2200 кг/м3. Пластмассы обладают высокими механическими показателями. Так, пластмассы с порошкообразными и волокнистыми наполнителями имеют предел прочности при сжатии до 120... 200 МПа, а предел прочности при изгибе — до 200 МПа. Прочность пластмасс на растяжение с листообразными наполнителями достигает 150 МПа, а стекловолокнистого анизотропного материала (СВАМ) — 480...950 МПа.

Пластмассы не подвергаются коррозии, они стойки против действия растворов слабых кислот и щелочей, а некоторые пластмассы, например из полиэтилена, полиизобутилена, полистирола, поливинилхлорида, стойки к воздействию даже концентрированных растворов кислот, солей и щелочей; их используют при строительстве предприятий химической промышленности, канализационных сетей, для изоляции емкостей. Пластмассы, как правило, являются плохими проводниками тепла, их теплопроводность, = 0,23...0,8 Вт/(м-°С), а у пено- и поропластов К = 0,06...0,028 Вт/(м-°С), в связи с этим пластмассы широко используют в качестве теплоизоляционных материалов, их пористость может достигать 95...98%. Пластмассы хорошо окрашиваются в любые цвета и долго сохраняют цвет.

Водопоглощение пластмасс очень низкое — у плотных материалов оно не превышает 1%. Таким образом, при обычных температурах пластмассы представляют собой твердые, упругие тела. Значение пластмасс в современной жизни трудно переоценить. Высокая прочность, устойчивость к износу и долговечность делают их одним из самых современных и распространенных материалов в некоторых отраслях промышленности. Например, в приборостроении - являются ценным конструкционным и электротехническим  материалом.  Они легкие, хорошо противостоят коррозии,  имеют  низкий коэффициент трения, обладают повышенной износостойкостью,    хорошими    оптическими   и   изоляционными свойствами.

В качестве материала печатной платы выбран текстолит. Текстолит — слоистый материал на основе пропитанной связующим составом ткани. Наравне с другими пластиками он принадлежит к числу самых востребованных изобретений человечества. Современную электротехническую и энергетическую промышленность, а также машиностроение невозможно представить без использования этого удивительного материала, отличающегося многими замечательными эксплуатационными свойствами.

Прежде всего, текстолит имеет высокую механическую прочность. Это, в совокупности с низким коэффициентом трения и легкостью в обработке, делает его идеальным конструкционным материалом. Детали из текстолита (шкивы, кулачки, ролики, шестерни и многие другие) гораздо меньше подвергаются истиранию, чем их аналоги из стали или бронзы, что в свою очередь, продляет срок их службы. Детали из текстолита изготавливают на обычных металлорежущих станках путем сверления, фрезерования, штампования и с помощью других видов механической обработки.

Небольшая плотность — еще одно достоинство текстолита. Будучи материалом, достаточно стойким к воздействию разного рода агрессивных сред (бензин, масла, растворы солей, слабые щелочи и кислоты), текстолит находит применение и в химической промышленности.

Изделия из текстолита могут эксплуатироваться при температуре от -50 до +105ºС и нормальной относительной влажности воздуха; в качестве рабочей среды им подходит и воздух, и трансформаторное масло. Допустимая частота тока — 50 Гц.

Питание устройства.

Питание портативного измерителя температуры будет осуществляться с помощью 8-ми литиевых элемента типа ААА (батареек) с напряжением питания 1,5В. Литиевые элементы питания обладают очень большим сроком хранения, высокой плотностью энергии и сохраняют работоспособность в большом диапазоне температур, поскольку не содержат воды. Типичная ёмкость щелочной батарейки — 1250 мАч .В их состав входит литиевый катод, органический электролит и анод из различных материалов, так как литий имеет отрицательный наивысший потенциал по отношению к остальным металлам - следовательно, имеет наибольшее номинальное напряжение при минимальных размерах.

Батарейки будут давать питание +3В, это напряжение питания при прохождении через микросхему MAX1724 в +5В. От такого напряжения питаются все элементы прибора: датчик температуры +5В, ОУ ±5В, микроконтроллер +5В и индикатор +5В. В моём проекте будут использоваться блокировочные конденсаторы для устранения помех по шине питания и ликвидации сбоев.

Память устройства.

В процессе создания и эволюции средств вычислительной техники было затрачено немало усилий, чтобы устройство могло не только обрабатывать информацию, но и надежно ее хранить, как в процессе вычислений, так и в виде окончательных результатов.

Электронную память можно разделить на два основных вида - энергозависимый и энергонезависимый. Несмотря на то, что энергозависимая память обладает хорошими характеристиками по скорости чтения/записи, ее содержимое при выключении питания безвозвратно теряется. Оборудование, рассчитанное на запоминание и хранение информации после выключения питания, даже и на долгий срок (иногда годы), содержит энергонезависимую память.

Для целей долгосрочного хранения информации в настоящее время используются в основном два вида энергонезависимой памяти - это EEPROM и FLASH.

EEPROM — электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ, ЭСППЗУ. Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях.

STMicroelelctronics является самым крупным производителем последовательной EEPROM памяти с собственным набором инновационных решений в области технологии производства. Крупные объемы производства данной линейки позволяют обеспечивать короткое время поставки, отлаженное качество и приемлемую стоимость. Последовательная память EEPROM давно стала стандартным изделием в современном оборудовании, поэтому большинство производителей памяти стремятся к унификации своих продуктов. STMicroelectronics не является исключением большинство продуктов полностью совместимы с другими производителями

Особенности: 

  •  Потребление тока
    - в режиме чтения макс. - 3мА при 5.5 В
    - в режиме записи макс. - 400мкА при 5.5 В
    - в режиме ожидания (standby) - 100нА при 5.5 В
  •  2-х проводный последовательный интерфейс, совместимый с I2C
  •  Каскадируемое (до 8 устройств)
  •  Cамосинхронизирующийся цикл записи/авто-стирания
  •  Работает в режиме страничной записи по 64 байта
  •  5мс - макс. длительность цикла записи
  •  Аппаратная защита внутренней памяти
  •  Входные триггеры Шмитта, для подавления шумов
  •  1 000 000 гарантированных циклов записи/стирания
  •  Защита от статики > 4 000 В
  •  Хранение данных > 200 лет
  •  Температурный диапазон: -400С ... +850
    Необходимо было обеспечить объём памяти на 5000 измерений. На каждое измерение, в связи с высокой точностью, будет приходиться по 2 байта памяти. Таким образом, требуется 10000 Мб встроенной
    EEPROM-памяти, но в связи с необходимостью дополнительного места для номера отсчёта, момента времени и.т.д в схеме будет использовано 128 Мб памяти.

Разработка программы и алгоритма.

Начало

 Нет

Кнов

   Да

 Да Нет

 

 

 

 

Нет                                                        Да

Рисунок 10.  Алгоритм работы измерителя температуры

           В самом начале происходит обнуление регистров микроконтроллера, инициализация данных и другие действия подготовки микроконтроллера. Затем, если кнопка управления измерителя температуры нажата, то прибор начнёт работу. Если же нет, то он будет находиться в состоянии ожидания. Если число измерений (n≤5000),то перед считыванием с АЦП происходит секундное ожидание. Затем из буфера АЦП информация записывается в встроенную память. Если кнопка 2 нажата («кнопка вывода на экран»), то информация данного цикла измерения выводится на ЖК-дисплей. Результаты на ЖК-дисплей выводятся в виде последовательности букв и цифр с точностью до одной десятой.

                  Например, « Т Е М = 12, 3С ».

Если кнопка не нажата, то работа продолжается без использования дисплея.

Если кнопка «закончить измерения» нажата, то происходит обмен данными между устройствами с помощью интерфейса Bluetooth.Если измерения заканчиваем, то конец программы. Если нет, то возвращаемся к 4 блоку.

Заключение.

В результате проделанной работы было спроектировано устройство для измерения температуры. В качестве термодатчика была взята схема на основе неуравновешенного моста с включенным в одно из плеч терморезистором, благодаря которой , датчик не вносил существенной погрешности. Погрешность всего прибора не превышает заданной. В качестве элементов схемы были взяты высокоточные резисторы и конденсаторы. В результате можно сказать, что данный разработанный прибор должен обеспечить единство и точность передачи единицы измерения температуры, а также обеспечить точность измерений.

Список используемой литературы.

  1.  Новаченко Н.Д.  «Интегральные микросхемы». М. Радио и связь, 1995 г.
  2.  Гутников «Электронные устройства измерительной техники». Л. ЛПИ, 1984г.
  3.  3.Федорков Б.Г. «Микросхемы ЦАП  и АЦП, функционирование, параметры применения». М. 1990 г.
  4.  Журнал: «Приборы и техника эксперимента». 2000 г.
  5.  Евтихиев Н.Н., Купершмидт Я.А., Папуловский В.Ф., Скугоров В.Н. «Измерение электрических и неэлектрических величин». М.Энергоатомиздат, 1990 г.
  6.  Геращенко О.А., Федоров В.Г. «Тепловые и температурные измерения». Киев, Наукова думка, 1965 г.
  7.  Джонсон Д. «Справочник по активным фильтрам». М.Энергоатомиздат, 1993 г.
  8.  Преображенский В.П. «Теплотехнические измерения и приборы». М.Энергия, 1978 г.
  9.  Фрайден Д. «Современные датчики справочник». М.Техносфера, 2005 г.
  10.   П. Хоровиц, У. Хилл  Искусство схемотехники, изд. М. «Мир» 1998 г.
  11.   И. И. Четверткова, В. М. Терехова.  Резисторы. Справочник. Москва «Радио и связь» 1991 г.
  12.   Р. Г. Джексон, Мир электроники. Новейшие датчики. М.Техносфера, 2007г.
  13.  Садовский Г.А «Погрешности цифровых средств измерений». Рязань, 1990г.
  14.  Интернет

PAGE   \* MERGEFORMAT 26


ДТ

КН

АЦП

МК

ЦИ

НС

Характеристика идеального ФНЧ

n=6

  n=2

 n=4

n=11

  (рад/сек)

   c

0

0

   0,707

       1

/H(j)/

Начало

Инилизация данных,обнуление регистров МК,n=0

Кнопка нажата

n≤5000

Секундное ожидание

Вывод информа-ции на  ЖК

Запись результата в память

n=n+1

Кнопка нажата

Обмен данными через BLUETOOTH

Конец

Считывание с АЦП

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53591. Открытка с элементами торцевания к 23 февраля 74.5 KB
  Педагогические задачи: Образовательные: научить новому приему работы торцевание; познакомить с технологией выполнения изделия открытки; познакомить с инструментом для работы оправка; научить организовывать рабочее место...
53592. Базовые концепции финансового менеджмента: концепция эффективности рынка капитала, асимметричной информации, агентских отношений, альтернативных затрат 26.5 KB
  Концепция эффективности рынка капитала. Применительно к рынку капитала термин «эффективность» понимается в информационном плане, т.е. степень эффективности рынка характеризуется уровнем его информационной насыщенности и доступности информации участникам рынка. Выделяют три формы эффективности рынка: слабую, умеренную и сильную.
53593. Система образования в России 69 KB
  Кто догадался про что мы сегодня с вами будем говорить Правильно это образование а тема урока – система образования в России. Кто из вас чтонибудь знает по этой теме Какие ступени образования существуют в нашей стране. По мере ваших рассказов схема системы образования будет наполняться и в конце занятия мы увидим ее полностью.
53594. Здоровье и как его сохранить 67.5 KB
  Здоровье -– это состояние полного физического психологического и социального благополучия а не только отсутствие болезней или физических дефектов. Слайд 3 Основные составляющие современной концепции здоровья: Физическая – включает в себя уровень роста и развитие органов и систем организма а также текущее состояние их функционирования; ...
53595. Анализ ликвидности и платежеспособности 32.5 KB
  Под ликвидностью актива понимают его способность трансформироваться в денежные средства, а степень ликвидности определяется продолжительностью временного периода, в течение которого эта трансформация может быть осуществлена
53596. Введение в науку информатика 82 KB
  Термин информатика возник в 60е годы во Франции в связи с развитием компьютерной микропроцессорной техники для обозначения новой научной области занимающейся автоматизированной обработкой информации с помощью электронных вычислительных машин. Французский термин informtique информатика образован от двух слов informtion информация и utomtique автоматика и означает информационная автоматика или автоматизированная переработка информации . Информатика – это техническая наука систематизирующая приемы создания хранения обработки и...
53597. СРЕДНЕВЕКОВАЯ ДЕРЕВНЯ И ЕЕ ОБИТАТЕЛИ 70 KB
  План урока: Господская земля и крестьянские наделы. Феодалы и зависимые крестьяне. Крестьянская община.
53598. УРОК КАК ОСНОВНАЯ ФОРМА ОРГАНИЗАЦИИ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ В ШКОЛЕ План – конспект урока по изобразительному искусству 38 KB
  Виды изобразительного искусства графика живопись скульптура. Виды декоративноприкладного искусства одежда бижутерия ткани обои керамика ковроткачество и т. Виды конструктивного искусства архитектура и дизайн. Отличительные особенности жанров изобразительного искусства пейзаж натюрморт портрет бытовой жанр исторический жанр анималистический жанр.
53599. Геоинформационные системы в интернете 43.5 KB
  Цели урока: Образовательная знакомство с новейшим классом информационных систем освоение приемов поиска и средств навигации в ГИС 2GIS Тюмень и освоение приемов работы с инструментами в программе Google планета Земля. Что такое геоинформационная система ГИС географическая информационная система это современная...