Четырёхканальное устройство контроля температуры
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ и науки
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное агентство по образованию
КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине “Электротехника и электроника”
на тему: ”Четырёхканальное устройство контроля температуры”
Аннотация
Настоящая курсовая работа посвящена разработке четырёхканального устройства контроля температуры, в которой мы производим разработку адаптера четырехканального устройства измерения температуры, сопряженного с IBM совместимым компьютером посредством шины ISA. Устройство разрабатываем в целях удешевления процессов заготовительного производства.
В состав курсовой работы входят расчётно-пояснительная записка и графическая часть. Пояснительная записка состоит из разделов, указанных в содержании. Графическая часть работы выполнена при помощи программы Компас-3D V13 (принципиальная электрическая схема и структурная схема устройства). В приложении кроме принципиальной электрической и структурной схем находится спецификация.
СОДЕРЖАНИЕ
1.Введение 4
2.Техническое задание
2.1.Наименование и область применения разработки 6
2.2.Основание для разработки
2.3.Цель и назначение разработки 6
2.4.Источники разработки
2.5.Режимы работы объекта
2.6.Условия эксплуатации
2.7.Технические требования
2.8.Стадии и этапы разработки 7
3.Описание устройства
4.Расчёт элементов устройства 9
5.Работа элементов устройства 11
5.1.Датчик температуры с усилителем 11
5.2.Аналоговый коммутатор
5.3.Фильтр низких частот
5.4.Аналого-цифровой
5.5.Источник опорного напряжения 13
5.6.Схема индикации температуры 13
5.7.Блок питания
6.Выводы и заключение
7.Список используемой литературы 17
8.Приложение
ВВЕДЕНИЕ
Для измерения температуры служат первичные преобразователи температуры - термодатчики (термопреобразователи). В промышленности, как правило, используются две разновидности датчиков температуры - термопары и термосопротивления. Существует несколько типов термопар. Самые распространенные термопары - хромель-алюмель ХА(К) и хромель-копель ХК(L). Другие типы - платина-платинородий ПП(S и R), железо-константан ЖК(J), медь-константан МК(T), вольфрам-рений ВР и некоторые другие менее распространенные.
В основу данной курсовой работы положена цель, разработать такое устройство контроля температуры, которое бы обеспечило необходимую точность измерения температуры. При этом оно должно быть:
1. работоспособным
2. не иметь лишних цепей
3. легко настраиваемым
4. удобным в обращении
5. защищённым от
6. недорогим
В качестве рабочего органа
для разрабатываемого нами
Основная цель данной курсовой работы научиться проектировать электронные устройства, что входит в курс “Цифровой электроники”, и разработке печатных плат для этого устройства. Полученные навыки должны помочь в работе над курсовым проектом на старших курсах.
В данной записке будут представлены:
1. технические требования, предъявляемые к устройству
2. описание устройства
3. расчёт основных элементов
4. режим работы устройства
5. назначение и основные характеристики элементов.
Указанные выше пункты должны
в полной мере показать суть
работы устройства, назначение всех
его составляющих и методику
проектирования электронных
2.Техническое задание
2.1.Наименование
и область применения
В данном устройстве контроля температуры применяется эффект термо-э.д.с.. Его можно получить, если соединив между собой два проводника из различных металлов, при этом на их концах возникает небольшая разность потенциалов, обычно порядка милливольта, с температурным коэффициентом около 50 мкВ/°С. Комбинируя различные пары сплавов, можно измерять температуры от -270 до +2500°С с хорошей точностью (0,5-2°С). В качестве рабочей термопары воспользуемся термопарой типа Е (Хромель-Константан) используемой для измерения температур в диапазоне от -40…+900°С. Обладает высокой чувствительностью, что является большим плюсом.
Данное устройство может применяться для контроля температуры в закалочных печах, т.к. обладает достаточно высокой точностью измерения температуры в диапазоне +200…+600°С.
2.2.Основание для разработки
Основанием для разработки является учебный план для специальности
210200 “Автоматизации производственных процессов”, а также задание на курсовую работу по дисциплине “Электроника”.
2.3.Цель и назначение разработки
Целью разработки является возможность контроля температуры в закалочных печах в диапазоне +200…+600°С.
2.4.Источники разработки
Основным источником разработки является “Контрольное задание к выполнению курсовой работы по общей электротехнике и электронике для студентов специальности 210200 дневной и заочной форм обучения”, а также различных справочников.
2.5.Режимы работы объекта
Данное устройство работает в реальном режиме времени, с одновременной передачей информации о текущей температуре с четырёх каналов на ЭВМ и индикацией температуры по каждому каналу. Информация поступает с четырёх каналов на коммутатор, который управляется с помощью ЭВМ.
2.6.Условия эксплуатации
Данное устройство рассчитано для работы в стационарных условиях при температуре окружающей среды от -55 до +125°С, относительной влажности от 40 до 80%, атмосферном давлении от 600 до 800 мм. рт. ст.
2.7.Технические требования
Выбор элементной базы необходимо производить таким образом, чтобы разработанное устройство было реализовано на стандартных универсальных элементах.
2.8.Стадии и этапы разработки
Перечень материалов работы:
1.Пояснительная записка
2.Графическая часть (схема электрическая принципиальная, структурная схема, печатная плата)
3.Спецификация
Контроль и приёмку курсовой работы осуществляет преподаватель.
3.Описание устройства
В состав устройства входят следующие компоненты:
1.Четыре датчика температуры
2.Четыре усилителя
3.Аналоговый коммутатор
4.Фильтр низких частот
5.Аналого-цифровой
6.Источник опорного напряжения
7.Импульсный генератор
8.Схема индикация температуры и номера канала
9.Схема контроля обрыва датчика температуры
10.Блок питания
4. Расчёт элементов устройства
Расчёт источника опорного напряжения (микросхема DA5, DA10 на схеме электрической принципиальной)
Источник опорного напряжения рассчитывается по формуле:
где Ucт- напряжение стабилизации стабилитрона (VD5=5.1В)
Roc=R30 и R31=R32
c учётом этого формула примет вид:
возьмём R32=20 кОм, тогда
откуда находим что R30=20,8 кОм.
В качестве стабилитрона выбираю КС451 (VD5 на схеме электрической принципиальной) с параметрами:
Минимально допустимый ток стабилизации Iст=3 мА
Минимально допустимый ток Imax=148мА
Минимальное напряжение стабилизации -4,8 В
Номинальное напряжение стабилизации - 5,1 В
Максимальное напряжение стабилизации - 5,3 В
Дифференциальное сопротивление стабилитрона 16 (30) Ом
В качестве операционного усилителя выбираю микросхему К140УД17А и К140УД6.
Расчёт активного фильтра второго порядка (микросхема DA1, DA2, DA3 на схеме электрической принципиальной)
Резисторы R5-R6-R7 выбираются из диапазона
10-100кОм, причём резисторов
с малым сопротивлением лучше
избегать, поскольку на высоких
частотах возрастающее
где к - коэффициент усиления фильтра в полосе пропускания.
Тогда:
Ёмкость конденсаторов вычисляется по формуле:
при частоте среза fср=80 Гц
Все конденсаторы имеют одинаковую ёмкость, т.е. C1=C2=С.
Где А- коэффициент усиления в полосе пропускания
Активный фильтр
должен обеспечивать
fc = 0.159, Гц.
С учётом выбранных коэффициентов произведём расчёт элементов:
Расчет аналого-цифрового преобразователя (микросхемы DD6, DD7, DD8, DD9 на схеме электрической принципиальной)
В данной схеме аналого-цифровой преобразователь (АЦП) предназначен для вывода текущей температуры на жидкокристаллический индикатор ИЖЦ5-4/8. В качестве АЦП выбираем КР572ПВ5.
При подключении напряжения Uобр=10 В максимальное входное напряжение рассчитывается по формуле:
Для того, чтобы на индикаторе высветилось значение максимальной температуры, указанной в задании курсового проекта (500 С0), на вход АЦП необходимо подать напряжение, рассчитанное по формуле:
Где Х-текущее значение на индикаторе.
Выбираю тактовую частоту АЦП f=50кГц. Исходя из условия С8=0.95(f×R32), т.к R32=20кОм, нахожу С8=0,1 мкФ.
С8=С4=С19=С23=0,1 мкФ.Из таблицы выбираю значение конденсатора С7=1 мкФ для входного напряжения, равного 0,5 В. С6=С10=С21=С25=0,01мкФ.
С7=С11=С22=С26=1 мкФ. Значения элементов С4, С5, R31 являются стандартными для данного АЦП, отсюда R31=20кОм, С4=С5=0,1 мкФ. Так как в схеме четыре одинаковых канала, то С8=С9=0,1 мкФ, R45=100 кОм, С3=С12=С17=С18=11мкФ.
Расчет усилителя.
В курсовом проекте я использовал классическую схему усилителя на ОУ. При условии, что R15=R7, R2=R8 Коэффициент усиления определяется по формуле:
Ку=R15/R2
Из расчета мостовой схемы включения датчика максимальное входное напряжение определяется по формуле:
UвхmaxОУ=Uвхmax-Uвхmin=0.35-0.
Из расчета АЦП Uвыхmax=1 В.
Таким образом Ку=R15/R2=1/0.3465=2.88
Из формулы R15=2.88×R2.
Выбираю R2=2 кОм, тогда R15=5.76 кОм. Из ряда Е-48 выбираю R15=5.8 кОм. Так как в схеме четыре одинаковых канала, то R15=R16=R26=R27=5.8 кОм.
5.Работа элементов устройства
5.1.Датчик температуры с усилителем.
Схема компенсации напряжения на опорном спае термопары подключена к выходной цепи в отличии от обычного способа компенсации напряжения холодного спая термопары на входе. Это сделано для того, чтобы сохранить точный дифференциальный баланс на входе и тем самым обеспечить высокое подавление синфазной помехи, присущее дифференциальному усилителю. Так как усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 200, то на выходе схемы компенсации напряжения термо-э.д.с. усиливается до 200*51,5 мкВ/°С или 10,3 мВ/°С.
Отметим, что для ОР-97Е входному току смещения 0,1 нА сопутствует на входе ошибка 25мкВ, которая вместе с Uсм=25 мкВ может быть сведена к нулю. Смещение шкалы от источника опорного напряжения можно получить от датчика температуры, дающего напряжение, пропорциональное абсолютной шкале, т.е. напряжение, пропорциональное температуре по шкале Цельсия. REF-02 обеспечивает температурный вывод с линейным коэффициентом +2,1 мВ/°С. Подключив этот вывод к усилителю с регулируемым усилением и смещением для калибровки, можно получить точность почти 0,5°С. AD590 - 2-клемное устройство, работающее как генератор постоянного тока, у которого ток в микроамперах пропорционален абсолютной температуре; например, при 25°С (298,2К) он ведёт себя как стабилизатор тока на 298,2 мА (±0,5мА). Точность, достигаемая этим простым прибором равна 1°С.
В данной схеме использовались усилители сигналов с компенсацией холодного спая AD595 фирмы Analog Devices. Эти устройства обладают всем необходимым (включая опорную точку льда) для получения выходного напряжения пропорционального температуре (10мВ.0С) и даже программируемую тройную точку для термопарного входа.
5.2.Аналоговый коммутатор
Четырёхканальный аналоговый коммутатор (DD5) со схемами управления КР590КТ1. В зависимости от потенциалов на входах управления схема может выполнять функции четырёхканального или двухканального АК. В нашем случае он выполняет функции четырёхканального АК, что обеспечивает питающее напряжение порядка 9В. Управление переключением каналов осуществляется от ЭВМ подачей напряжения уровня логической единицы на соответствующие цифровые входы #1-4.
5.3.Фильтр низких частот
В работе использован фильтр Баттерворта, т.к. он имеет наиболее плоскую характеристику в полосе пропускания и обеспечивает подавление сетевых наводок не менее 30дБ.
Для этого берем активный фильтр 2-го порядка и выбираем коэффициенты передачи равными b = 0,8038 , c = 0,8231, ƒ = 0,159
Фильтр низких частот реализован как активный фильтр 2-го порядка на ОУ широкого применения К140УД6.
5.4.Аналого-цифровой преобразователь
В БИС КР572ПВ1 напряжение на выходах 22, 23 должно быть не менее 10В. При подаче напряжения уровня логического нуля (в нашем случае уровень логической единицы) на вывод 2 потенциал выводов 4-7, соответствующих старшим разрядам, устанавливаются в “третье состояние”, т.е. выходное сопротивление по этим выводам становится около 1 Мом. При подачи напряжения уровня логического нуля на вывод 16 потенциал остальных восьми разрядных выводов устанавливается в “третье состояние”. Это позволяет производить побайтовый обмен информацией с 8-разрядной шиной данных микро-ЭВМ. Напряжение на выводе 17 определяет режим работы БИС. При подачи напряжения уровня логического нуля на этом выводе преобразователь КР572ПВ1 может работать в качестве АЦП, а при напряжении уровня логической единицы в качестве ЦАП. Чтобы АЦП, выполненный на базе БИС 572ПВ1, беспрерывно преобразовывал входное напряжение после однократного запуска, необходимо вывод 28 отключить от общей шины и соединить с выводом 22.
В схеме включения вывод I2 соединяется с неинвертирующим входом компаратора, на инвертирующий вход подаётся преобразуемое напряжение Uвх. Инвертирующий вход компаратора при этом заземляется. Таким путём производится сравнение подаваемых напряжений.
Опорное напряжение Uоп должно иметь полярность, противоположную полярности преобразуемого напряжения Uвх. Описанная схема включения АЦП предполагает отрицательное опорное напряжение Uоп.
5.5.Источник опорного напряжения
Источник опорного напряжения построен по схеме с ОУ и является стабильным, т.к. усиливает напряжение стабилитрона, которое является постоянным и почти не зависит от температуры. Стабилизированное напряжение попадает на вход ОУ, включённого по схеме инвертирующего усилителя, с коэффициентом усиления равным единице.
5.6.Схема индикации температуры
Схема индикации температуры включает в себя аналого-цифровой преобразователь и жидко - кристаллический индикатор. Интегрирующее АЦП на 3,5 декады включает семисегментный декодер, стабилизатор и генератор и предназначен для работы с жидкокристаллическим индикатором. Микросхема имеет точность автоматической коррекции нуля не хуже 10 мкВ и дрейф нуля 1 мкВ/°С, низкое напряжение шумов на входе ≤15 мкВ. Также микросхема поддерживает задание тактовой частоты конденсатором на выводе 38 и резистором на выводе 39.
Напряжение с выхода дифференциального усилителя поступает на вход аналого-цифрового преобразователя и преобразуется в семисегментный код для трёх разрядов, который поступает на соответствующие входы жидко-кристаллического индикатора отвечающие за высвечивание соответствующих разрядов.
Эта схема не требует фильтра низких частот, т.к. он в состав Аналого-цифрового преобразователя. Резистор R50 (R52, R62, R64) и конденсатор С21 (С26, С35, С40) обеспечивают fтакт=50 кГц.
5.7.Блок питания
Блок питания построен с использованием трансформатора серии ТПП имеющего несколько вторичных обмоток, четыре диодных мостика и четыре схемы стабилизации напряжения, построенное с использованием ОУ. Сигналы, поданные на входы схемы стабилизации, суммируются с учетом их знака и многократно усиливаются. Характерная особенность стабилизатора напряжения с применением ОУ заключается в том, что в нем выходное напряжение сравнивается с образцовым (опорным) и таким образом поддерживается на заданном уровне.
Эта схема обеспечивает устройство питающими напряжениями 5В, 9В, 10В и 15В.
6.Выводы и заключение
При выполнении данной курсовой работы были выполнены основные задачи, поставленные перед разработчиком:
1.подача напряжения питания на микросхему;
2.систематизация и расширение теоретических знаний по курсу
“Цифровая электроника”;
3.получение навыков активного использования теоретических
положений при решении инженерных задач;
4.получение навыков работы с
литературными справочниками;
5.изучение и использование
6.получение навыков
работы.
В результате проделанной работы было разработано устройство контроля температуры, в диапазоне температур от +200 до +600°С. Разработанное устройство имеет перспективы дальнейшего развития, т.к. возможный диапазон контролируемой температуры не ограничивается границами от +200 до +600°С. Для этого можно настроить аналого-цифровой преобразователь для вывода двенадцатиразрядного двоичного кода, что позволит поднять верхний предел измерения температуры до 4000°С. Но для этого понадобится совершенно другая термопара, нежели та которая использована в данной работе. Также есть возможность повышения точности за счёт замены дифференциального усилителя измерительным усилителем.
В принципе данную схему можно значительно упростить, если использовать усилители сигналов с компенсацией холодного спая AD594 и AD595 фирмы Analog Devices. Эти устройства обладают всем необходимым (включая опорную точку льда) для получения выходного напряжения пропорционального температуре и даже программируемую тройную точку для термопарного входа.
Описанное устройство можно использовать как для измерения температуры в агрессивной среде, так и в любой другой среде, где требуется контроль температуры в пределах от +200 до +600°С. У разработанного устройства есть одно большое преимущество оно состоит практически полностью из отечественных микросхем, что делает сборку устройства удобной и не требует лишних финансовых и временных затрат.
7. Список используемой литературы
1. Электроника. Методические
указания к выполнению
2. ГОСТ 7.32-2001 Отчёт о
научно-исследовательской
3. Гутников В.С. “Интегральная электроника в измерительных устройствах”
код 621.317:621.38 Г97
4. Журнал “Радио”, №7, 1999
5. Гутников В.С. “Электронные устройства информационно-измерительной технике” код 621.317:621.38 Г97
6. Алексеенко А.Г. “Применение прецизионных аналоговых микросхем”
код 621.38 А47
7. П. Хоровиц, У. Хилл “Искусство схемотехники” том 3. Москва “Мир” 1993
8. www.analog.com
9. www.gate.hostel.tusur.ru