Устройство контроля температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Настоящая курсовая работа посвящена разработке устройства контроля температуры.

В состав курсовой работы входят расчётно-пояснительная записка и графическая часть. Пояснительная записка состоит из разделов, указанных в содержании.

Содержание

Введение

1.Техническое задание

1.1.Наименование и область применения разработки

1.2.Основание для разработки

1.3.Цель и назначение разработки

1.4.Источники разработки

1.5.Режимы работы объекта

1.6.Условия эксплуатации

1.7.Технические требования

1.8.Стадии и этапы разработки

2.Описание устройства

3.Расчёт элементов устройства

4.Работа элементов устройства

4.1.Датчик температуры с усилителем

4.2.Аналоговый коммутатор

4.3.Фильтр низких частот

4.4.Аналого-цифровой преобразователь

4.5.Источник опорного напряжения

4.6.Схема индикации температуры

4.7.Блок питания

Выводы и заключение

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 распространены.

В основу данной курсовой работы положена цель разработать такое устройство контроля температуры, которое бы обеспечило необходимую точность измерения температуры. В качестве рабочего органа для разрабатываемого устройства использована терморезистор.

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 будет 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 устройств.

1.Техническое задание

1.1 Наименование и область применения разработки

В данном устройстве контроля температуры применяется эффект изменения активного сопротивления терморезистора от температуры. В качестве рабочего терморезистора использую терморезистор марки ТСМ50 М для диапазона 0…+100°С.

Данное устройство может применяться для контроля температуры в закалочных печах, т.к. обладает достаточно высокой точностью измерения температуры в диапазоне 0…+100°С.

1.2 Основание для разработки

Основанием для разработки является учебный план для специальности

210200 “Автоматизации производственных процессов”, а также задание на курсовую работу по дисциплине “Электроника”.

1.3 Цель и назначение разработки

Целью разработки является возможность контроля температуры в диапазоне 0…+100°С.

1.4 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.

1.5 Режимы работы объекта

Данное устройство работает в реальном режиме времени, с одновременной передачей информации о текущей температуре с двух каналов на ЭВМ и индикацией температуры по каждому каналу. Информация поступает с двух каналов на коммутатор, который управляется с помощью ЭВМ.

1.6 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.

1.7 Технические требования

Выбор элементной базы необходимо производить таким образом, чтобы разработанное устройство было реализовано на стандартных универсальных элементах.

1.8 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.

2. Описание устройства

В состав устройства входят следующие компоненты:

1.Два датчика температуры

2.Два усилителя

3.Аналоговый коммутатор

4.Фильтр низких частот

5.Аналого-цифровой преобразователь

6.Источник опорного напряжения

7.Импульсный генератор

8.Схема индикация температуры и номера канала

9.Схема контроля обрыва датчика температуры

10.Блок питания

3. Расчёт элементов устройства

Расчёт источника опорного напряжения на 3.3 В.

Источник опорного напряжения рассчитывается по формуле:

,В

где Ucт- напряжение стабилизации стабилитрона (VD1=1.3В)

С учётом этого формула примет вид:

,В

возьмём R22=1 кОм, тогда

,В

откуда находим что R23=670 Ом.

В качестве стабилитрона выбираю КС113А с параметрами:

Ток стабилизации Iст=10 мА

Максимальный ток Imax=33мА терморезистор температура коммутатор

Напряжение стабилизации Uст=1.3 В

Резистор R14 рассчитывается следующим образом:

,кОм

Выбираю R14=1.3 кОм, в качестве операционного усилителя выбираю микросхему К544Д1А с параметрами:

Uип1=15±1.5 В, Uип2=-15±1.5 В, Iпот=3.5 мА, Ку=50000, Uвхmax=±10 В, Iвх=0.15 нА.

Расчёт источника опорного напряжения на 5 В

Источник опорного напряжения рассчитывается по формуле:

,В

где Ucт- напряжение стабилизации стабилитрона (VD2=3.3В)

С учётом этого формула примет вид:

,В

возьмём R52=190 Ом, тогда

,В

откуда находим что R53=100 Ом.

В качестве стабилитрона выбираю КС133А с параметрами:

Ток стабилизации Iст=10 мА

Максимальный ток Imax=33мА

Напряжение стабилизации Uст=3.3 В

Резистор R47 рассчитывается следующим образом:

,кОм

Выбираю R14=1.2 кОм В качестве операционного усилителя выбираю микросхему К544Д1А.

Расчёт активного фильтра третьего порядка.

Резисторы R24=R25=R26=R34=R35 без учета расчетного множителя считаются равными 1 Ом. По условию поставленной задачи граничная частота фильтра Fгр=10 Гц, В таком случае частота среза Fср=12Гц. Определяю масштабный множитель:

Выбираю расчетный множитель Z=10⁵. По таблице для данного случая определяю конденсаторы:

С₁'=0.8712

С₃'=1.010

С₂'=0.3095

С₉'=0.3100

C₁₀'=1.041

Реальная емкость конденсаторов фильтра определяется по формуле:

Из формулы нахожу:

С₁=0.115 мкФ

С₃=0.133 мкФ

С₂=0.041 мкФ

С₉=0.041 мкФ

С₁₀=0.138 мкФ

Из ряда Е-24 выбираю С₁=С₃=С₁₀=150 нФ, С₂=С₉=47 нФ. Сопротивление резисторов определяю по формуле:

R=1(Ом)*Z=10 кОм.

В качестве микросхемы принимаю К140УД17 с параметрами: Iвх=2 нА, Uип1=15±1.5 В, Uип2=-15±1.5 В, Iпот=4 мА, Ку=300000, Uвыхmax=±12 В.

Данный активный фильтр обеспечивает подавление сетевых наводок не менее чем на 55дБ.

Расчет мостовой схемы включения датчика.

Датчик включен в одно из плеч резистивного моста. При изменении сопротивления датчика, меняется ток, текущий в плечах моста. Этот ток мал, и поэтому подключается к операционному усилителю и изменяет его коэффициент усиления.

По условию задания имею датчик ТСМ50 М с параметрами:

Максимальный ток Imax=5мА

Температурный коэффициент б=0.00426 1.С⁰

Отклонение ±(0.25+0.0035t)

Выбираю R3=R10=R9=100 Ом, Uоп=100Ом. Выходное напряжение рассчитывается по формуле:

Рассчитываю максимальное выходное напряжение:

,В

Рассчитываю минимальное выходное напряжение:

,В

Рассчитываю ток, протекающий через терморезистор:

,А

Так как I_R3<I_max, схема рассчитана верно. В качестве операционного усилителя выбрал ОУ К140УД17. Так как в схеме два одинаковых канала, то R6=R13=R12=100 Ом. Резисторы R18, R19 подстроечные на 100 кОм.

Расчет аналого-цифрового преобразователя.

В данной схеме аналого-цифровой преобразователь (АЦП) предназначен для вывода текущей температуры на жидкокристаллический индикатор ИЖЦ5-4/8. В качестве АЦП выбрал К572ПВ5.

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 (100 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(fЧR32), выбираю R32=1кОм и нахожу С8=9 нФ. Из ряда Е-24 выбираю С8=8.2 нФ. Из таблицы выбираю значение конденсатора С7=10 нФ для входного напряжения, равного 1 В. Значения элементов С4, С5, R31 являются стандартными для данного АЦП, отсюда R31=470кОм, С4=С5=100 нФ. Так как в схеме два одинаковых канала, то С11=С12=100 нФ, R45=470 кОм, С14=10 нФ, С15=8.2 нФ, R46=1 кОм.

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:

U_вхmaxОУ=U_вхmax-U_вхmin=0.35-0.0035=346.5 мВ

Из расчета АЦП U_выхmax=1 В.

Таким образом Ку=R15/R2=1/0.3465=2.88

Из формулы R15=2.88ЧR2.

Выбираю R2=2 кОм, тогда R15=5.76 кОм. Из ряда Е-48 выбираю R15=5.8 кОм. Так как в схеме два одинаковых канала, то R16=R11=5.8 кОм, R5=R11=2 кОм. В качестве операционных усилителей выбираю ОУ К140УД17.

Расчет импульсного генератора.

Мультивибратор должен генерировать прямоугольные импульсы с частотой f=50 кГц. Период импульсов T=1/f=2Ч10^-5 c. По условию T=2.48ЧR54ЧC16. Отсюда R54ЧC16=0.7Ч10^-5. Выбираю С16=2.2 нФ, тогда R54=3.2 кОм.

Расчет схем контроля обрыва датчиков.

При обрыве датчиков, сигнал с мостовой схемы будет максимален, т.е. будет равен максимальному выходному напряжению микросхем. Максимальный сигнал при нормальной работе датчиков составляет 1 В. Таким образом, если сравнивать сигнал на выходе усилителя с напряжением равным 5 В компаратором, то при обрыве компаратор сработает и покажет обрыв. В качестве компаратора напряжения выбираю ОУ К544УД1. В качестве светодиода HL1 выбираю АЛ3077КМ с параметрами:

Постоянное прямое напряжение Uпр=2 В (при Iпр=10 мА)

Максимальный постоянный прямой ток Iпр=20 мА

Цвет свечения - красный

При максимальном выходном напряжении на микросхеме 12 В на резисторе должно быть падение напряжения U_R27 =12-Uпр=10 В, тогда сопротивление резистора при I=10мА:

R27=Uпр/I=1 кОм

Так как в схеме все компараторы собраны на микросхеме К544УД1, то R29=R37=R39=R41=R43=1 кОм. Подстроечные резисторы R28=R30=R38=R40=R42=R44=R57=100 кОм.

Расчет ЦАП для контроля уровня температуры.

В качестве преобразователя выбираю ЦАП AD557. Максимальное выходное напряжение 2.56 В. Микросхема имеет восьмиразрядную шину, т.е. максимальное число, которое можно передать по шине - 255. Таким образом при передаче числа 100 - максимальной температуры, на выходе ЦАП:

Получаем сигнал, равный сигналу при максимальной температуре на выходе усилителя. Это говорит о том, что сигнал с выхода ЦАП в преобразовании не нуждается, значит для встроенного усилителя ЦАП коэффициент усиления равен 1, т.е.необходимо соединить выходы 16 и 14 AD557.

4. Работа элементов устройства

4.1 Датчик температуры с усилителем.

При изменении температуры изменяется и сопротивление терморезистора. Который включен в одно из плеч мостовой схемы . Сами плечи включены параллельно между собой, и как отрицательная обратная связь с операционным усилителем. Чем больше изменение сопротивления, тем больше рассогласование плеч моста и больше изменение выходного напряжения. Подстроечным резистором R17 настраивается на выходе усилителя 0, при нулевой температуре.

4.2 Аналоговый коммутатор

Четырёхканальный МОП АК 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 двухканального АК, что обеспечивает питающее напряжение порядка 9В. Управление переключением каналов осуществляется от ЭВМ подачей напряжения уровня логической единицы на соответствующие цифровые входы #1-4.

4.3 Фильтр низких частот

В работе использован фильтр Чебышева, т.к. он имеет наиболее плоскую характеристику в полосе пропускания. Чтобы фильтр обеспечивал подавление сетевой наводки не менее 55дБ он должен иметь пять полюсов.

Для этого необходимо соединить каскадно секции, одна первого порядка, другая 2-го.

Фильтр низких частот реализован как активный фильтр 2-го порядка на ОУ широкого применения К140УД17.

4.4 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 I1 соединён непосредственно с неинвертирующим входом компаратора и на этот же вход через резистор R55 подаётся преобразуемое напряжение Uвх. Инвертирующий вход компаратора при этом заземляется. Таким путём производится сравнение с нулём суммы токов Uвх/R и I1.

Опорное напряжение Uоп должно иметь полярность, противоположную полярности преобразуемого напряжения Uвх. Описанная схема включения АЦП предполагает отрицательное опорное напряжение Uоп.

4.5 Источник опорного напряжения

Источник опорного напряжения построен по схеме с ОУ и является стабильной, 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.

4.6 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 R32 ( R46,) и конденсатор С8 (С15) обеспечивают fтакт=50 кГц.

4.7 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.

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 нормативной технической информации;

6.получение навыков использования стандартов при оформлении работы.

В результате проделанной работы было разработано устройство контроля температуры, в диапазоне температур от 0до 100°С. Разработанное устройство имеет перспективы дальнейшего развития, т.к. возможный диапазон контролируемой температуры не ограничивается границами от 0 до 100°С. Для этого можно настроить аналого-цифровой преобразователь для вывода двенадцатиразрядного двоичного кода, что позволит поднять верхний предел измерения температуры до 4000°С. Есть возможность повышения точности за счёт замены дифференциального усилителя измерительным усилителем.

Описанное устройство можно использовать как для измерения температуры в агрессивной среде, так и в любой другой среде, где требуется контроль температуры в пределах от 0 до100°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.

Размещено на Allbest.ru

...