Курсовая работа: Інформаційно-вимірювальна система температури

,                                               (1.4)

де Т - тривалість часу інтегрування вхідної напруги;  - опорна частота;  - коефіцієнт передачі масштабного підсилювача МП; Е0 – опорна напруга АЦП;  - коефіцієнт перетворення блока цмфрової лінеаризації.

Оскільки скореговане за методом комутаційного інвертування значення адитивної похибки є нехтовно малим (менше ±0,5 мкВ і не перевищує половини одиниці молодшого розряду), то стабільність таких ЦВТ визначається тільки стабільністю їх масштабних елементів. Для сучасної елементної бази нормований час безперервної роботи приладів без підстроювання становить 5000 год (1 календарний рік) у важких промислових умовах.

Рисунок 5 – Структурна схема ЦВТ з терморезистивними перетворювачами

ЦВТ з терморезистивними перетворювачами відрізняються тільки наявністю деяких блоків в аналоговій частині (рисунок 5). В аналоговій частині є такі відсінні блоки: перетворювач напруга-струм ПНС, перетворювач струм-напруга ПСН, суматор СМ, масштабний резистор . Терморезистивні перетворювачі можуть під`єднуватись до ЦВТ як чотирипровідною лінією до струмових С1, С2 та потенціальних П1, П2 входів (ключ S - в положенні 1), так і трипровідною (ключ S – в положенні 2). Корекція адитивной похибки здійснюється за методом модуляції вимірювального струму, значення яких встановлюється перетворювачем напруга-струм ПНС.

За умови  код  результату вимірювання для чотирипровідної лінії зв`язкувизначатиметься як

,                                    (1.5)

де  - опір терморезистивного перетворювача при 0 ;  - коефіцієнт пертворення напуги на струм;  - відношення опорів терморезистивного перетворювача.

Для трипровідної лінії зв`язку код  результату вимірювання знаходиться як

,              (1.6)

де ,  - опори першого та другого струмових дротів;  - коефіцієнт передачі суматора за середнім входом.

При виконанні коефіцієнта передачі  підстроюваним, трудомістка операція підгонки різниці опорів (, де  - опір резистора підгонки) замінюється набагато простішою операцією підстроювання . Це забезпечує інваріантність результату вимірювання до опорів три провідної лінії зв`язку.

В Україні ЦВТ промислового використання типів А565.А56, ЦР7701 серійно випускаються ВАТ «Мукачівприлад». Вони призначені для роботи із всіма стандартними первинними перетворювачами, їх похибка (0,1…0,2)% в декілька разів менша від похибок цих перетворювачів.

2 Техніко-економічне обгрунтування доцільності розробки

На мою думку, розробки інформаційно-вимірювальних систем вимірювання температури в наш час є надзвичайно доцідьними, оскільки у світі настає період енергетичних та палиних криз і все частіше можна почути про доцільність енерго-зберігаючих технологій. А розробка такої технології не можлива без контролю затрат. Наприклад, існують системи автоматичного опалення приміщень. Де інформація про температуру повинна збиратись з декількох точок приміщення. А контроль за цим покладається саме на інформаційно-вимірювальні системи.

Також будь-яка сучасна побутова техніка оснащена сенсорами температури: праски, мікрохвильові пічки, пральні машини тощо. Так не всі дані прилади потребують використання саме ІВС, мікропроцесорної техніки або комп`ютера, але доцільність вимірювання та контролю температури не викликає сумнівів.

При позробці та обранні структурної схеми необхідно враховувати цілі та мету майбутнього пристрою, тобто сферу використання, ціну та якість приладу. Тобто необхідно тверезо оцінити усі недоліки та переваги можливих варіантів структурних схем. При розробці даного проекту я керувався наступними варінтами структурної схеми:

Рисунок 6 - Структурна схема ІВС вимірювання температури без використання шини обміну даними

Рисунок 7 - Структурна схема ІВС вимірювання температури з використанням шини обміну даними

Рисунок 8 - Структурна схема ІВС вимірювання температури з використанням гальванічної розв`язки

На структурних схемах використані наступні позначення:

         t0/U – первинний вимірювальний перетворювач температура-напруга (використовується для перетворення температури у постійну напругу);

         МХ – мультиплексор, який використовується для комутації двох каналів;

         Л/# – аналогово-цифровий перетворювач. Потрібний для перетворення значення температури у цифровий код і передачі на мікроконтролер;

         MCU – мікроконтролер;

         І – інтерфейс. Потрібний для передачі даних від мікро контролера до ПК.

Проаналізуємо переваги та недоліки усіх трьох варіантів у вигляді порівняльної таблиці:

Таблиця 2 – Порівняння варіантів структурних схем

Отже, по результатам порівняння ознак обираємо той варіант, який набрав найбільший бал, тобто, перший варіант. Розробку принципової електричної схеми потрібно проводити на основі обраної структурної.

3 Розробка структурної схеми

Мною обрана структурна схема, що зображена на рисунку

Вона є оптимальною, оскільки звідповідає усім поставленим вимогам.

Рисунок 9 - Структурна схема багатоканальної системи вимірювання температури

Роз`яснення основних структурних блоків:

- датчик температури, призначений для вимірювання температури повітря в межах від -450С до +1250С;

- мультиплексор, призначений для керування потоками даних, - для вибору каналу, за якими проводиться вимірювання та інших задач пов’язаних с керуванням потоками інформації;

- АЦП, призначений для перетворення вхідної безперервної величини, що містить вимірювальну інформацію у цифровий код, який теж містить дану інформацію;

- мікроконтролер, призначений для обробки вимірювальної інформації, що переставлена у цифровому вигляді, для керування даною інформацією та забезпечення обміну даними між окремими частинами ІВС та зовнішніми пристроями;

- інтерфейс, призначений для обміну даними між ІВС та зовнішніми пристроями, зокрема ЕОМ.

4 Розробка електричної принципової схеми

4.1 Вибір первинного вимірювального перетворювача

В якості первинного вимірювального перетворювача обрано датчик температури на базі схеми LM232 фірми SGS-Thompson Microelectronics. Дана мікросхема має такі основні характеристики:

- 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 Вибір мультиплексора

Для використання в схемі обраний мультиплексор ADG604 фірми Analog Device – 4-х канальний CMOS мультиплексор з ін`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 +2.7 В до +5.5 В;

–  Розширений температурний діапазон від -40С до +125С;

–  Струми витоку 100 пА;

–  Опір відкритого каналу 85 Ом (тип);

–  Робота з сигналами від шини до шини живлення;

–  Малий час комутації;

–  Типове енергоспоживання менше 0.1 мкВт;

–  TTL/CMOS- сумісні входи;

Корпус типу 14-Lead TSSOP.

Рисунок 11 - Функціональна блок- схема ADG604

Рисунок 12 – Розташування виводів ADG604

Опис мікросхеми: ІС ADG604 є CMOS, аналоговим мультиплексором, що складається з 4-х одинарних каналів. Він працює від одно- /бі - полярного джерел 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, відповідно до стану управляючих і адресних сигналів A0, A1 і EN. Низький логічний рівень („0”) на вході EN відключає пристрій.

І        С ADG604 володіє ультра - низьким рівнем ін`єкції заряду 1 пКл і низькими струмами витоку, менше 250 пА. ІС володіє опором відкритого каналу 85 Ом (тип), і розузгодженням опорів між каналами не більше 8 Ом. ІС ADG604, також має низьке значення розсіюваної потужності при малому часі комутації каналів.

4.3 Вибір аналогово-цифрового перетворювача

Обраний аналогово-цифровий перетворювач AD7476 також фірми Analog Device. 12 бітний 1 MSPS АЦП в 6 вивідному SOT-23 корпусі.

Основні характеристики:

–  Висока швидкість перетворення: 1 MSPS

–  Однополярне живлення VDD 2,35 В 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 потужністю зміною частоти тактових імпульсів;

–  Відсутність конвеєрної затримки;

–  Сумісність з швидкодіючими послідовними інтерфейсам SPI/ QSPI / MICROWIRE/ DSP;

–  Мале споживання в черговому режимі: 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-цифровий перетворювач послідовного наближення (SAR). Прилад працює від однополярного джерела живлення 2,35 В або 5 В і має швидкість перетворення 1MSPS відповідно. Прилад має малошумовий широкосмуговий диференціальний пристрій вибірки-зберігання (ПВЗ), який може обробляти вхідні сигнали з частотою більше 1 Мгц

Процеси початку перетворення і видачі даних синхронізуються сигналом на вході non CS і послідовними тактовими імпульсами, що дозволяє передавати дані в мікропроцесори або DSP. Вибірка вхідного сигналу, перетворення і видача даних починаються на вході сигналу nonCS. Прилади не мають конвеєрної затримки перетворення. При виготовленні AD7476 використовуються новітні технологічні прийоми, що дозволяють мінімізувати споживану потужність при високій продуктивності.

4.4 Вибір мікроконтролера

Мною вибраний мікроконтролер AT90S8515 фірми Atmel. Даний мікроконтролер є 8-ми розрядним мікроконтролер з 8 Кб флеш-пам`яттю. Містить внутрішню ОЗУ 512 Кб. Живлення від 2,7 до 6,0 В. Виходи сумісні з RS інтерфейсом.

Рисунок 15 – Блок-схема мікроконтролера AT90S8515

Рисунок 16 - Розташування виводів мікроконтролера AT90S8515

В схемі використовується живлення +5В.

Оскільки усі мікросхеми в даній принциповій схемі живляться напругою 5 В, то я вибрав лінійний стабілізатор напруги MC7805 фірми Motorola. Його характеристики повністю задовольняють вимоги моєї схеми.

5 Електричні розрахунки елементів електричної принципової схеми

Розрахуємо резистор R1 та R2.

Оскільки максимальна напруга, що можлива на вході АЦП становить 5 В, а зміна сигналу датчика при зміні температури в максимальній точці вимірювальної напруги становить 1,65 В, то спад напруги на даних резисторах повинен становити приблизно 2 В. Сила струму повинна не перевищувати 5 мА. Тобто, .

Розрахуємо резистор R5.

Встановлюємо сигнали DTR та RTS в рівні логічного нуля, тобто встановлюємо вихідну напругу на даних виходах +12 В. За допомогою ввімкнення 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 параметрам підходить діод BAV17 ( ).

Резистори R1 та R2 обираємо C5 – 42В. Із стандартного ряду Е24 вибираємо номінал 1,5 кОм.

Підключення мікросхем DD1, DD2, DD4, DD4, DA3 мають свої електричні схеми підключення, які рекомендовані виробниками, тому є не доцільним розрахунок решти елементів. Їх номінали беруться рекомендовані виробником і вони зазначені у додатку.

6 Алгоритмічне забезпечення

Живлення усіх елементів відбувається від послідовного інтерфейсу RS232.

Фіксація температури на датчиках проходить безперервно. Вихідний сигнал датчиків поступає на мультиплексом. Який керується мікро контролером. В залежності від коду сигналів на входах мультиплексора А0 та А1 відбувається комутація вихідного сигналу одного з датчиків на АЦП. Вхід EN мультиплексора вмикає його. Тому в робочому 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 для комутації датчика DA1 на виході AD0 формується рівень логічної одиниці, а на AD1 формується рівень логічного «0».

Таблиця 3 – Таблиця істинності ADG604

Після комутації відповідного датчика на АЦП DD2, на його виході формується відповідний цифровий код. Даний код у відповідний момент після формування сигналу  на виході мікроконтролера DD3 зчитується мікроконтролером. Далі цифровий код надходить до інтерфейсу RS232 через перетворювач рівнів.

7 Метрологічні характеристики

Похибка вимірювання даного пристрою буде складатися похибки ПВП і похибки квантування АЦП .

Абсолютна максимальна похибка ПВП на всьому діапазоні вимірювань без калібрування Δ=20С;

Розрахуємо середньо-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.

При підставленні значень, отримаємо:

Розрахуємо СКВ похибки квантування

.                                  (7.3)

Підставивши значення, отримаємо:

Далі розрахуємо загальне СКВ похибки системи:

.                                        (7.4)

При підставленні значеннь, отримаємо:

Отже, абсолютна похибка системи розраховується за формулою:

При підставленні значень, отримаємо

                                        (7.5)

Фактично, вийшло, що похибка нашої системи залежить лише від похибки ПВП, так як ΔПВП>>ΔАЦП.

Висновки

В даному курсовому проекті розроблена багатоканальна система вимірювання температури. В огляді літературних джерел були викладені основні поняття про температуру, методи та засоби її вимірювання. Була обґрунтована техніко-економічна доцільність даного проекту та вибрана відповідна структурна схема. Були проведені відповідні розрахунки базових елементів принципіальної схеми та виконані метрологічні розрахунки.

На мою думку даний проект повністю відповідає поставленим вимогам до багатоканальних вимірювальних систем. Даний пристрій може бути використаний для вимірювання температури як в приміщеннях так і ззовні.

Література

1  Измерения и компьютерно-измерительная техника: Учеб. пособие / В.А. Поджаренко, В.В. Кухарчук. – К.: УМК ВО, 1991. – 240 с. – На укр.яз.

2  Хазанов Б.И. Интерфейсы измерительных систем.- М.: Энергия, 1979. – 169с.

3  Метрологическое обеспечение 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  Вострокнутов Н.Н. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытаний, поверка. –М.: Энергоатомиздат, 1990.-208с.

5  Проектирование микропроцесорных 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/ За ред. _роф..Є.С. Поліщука. – Львів: Видавництво «Бескіи Біт», 2003. – 544 с.

10  Конспект лекцій з дисципліни „Інформаційно-вимірювальні системи”