Разработка устройства контроля температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской федерации

ФГБОУ ВПО «Курганский государственный университет»

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств

Расчетно-пояснительная записка

По курсовой работе на тему: «Разработка устройства контроля температуры».

Выполнил студент группы

Т-2131: Кочегарова Т.В.

Проверил преподаватель:

Кудряшов Борис Петрович.

Курган 2013

Аннотация

Настоящая курсовая работа посвящена разработке устройства контроля температуры. эксплуатация датчик температура коммутатор

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, структурная схема устройства и спецификация) и Sprint-Layout 5.0 (печатная плата).

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Техническое задание

1.1 Основание для разработки

1.2 Цель и назначение разработки

1.3 Источники разработки

1.4 Режимы работы объекта

1.5 Условия эксплуатации

1.6 Технические требования

1.7 Стадии и этапы разработки

2. Описание устройства

3. Работа элементов устройств

3.1 Датчик температуры

3.2 Усилитель

3.3 Аналоговый коммутатор

3.4 Фильтр низких частот

3.5 Преобразователь напряжение-частота

3.6 Схема индикации температуры

3.7 Схема контроля выхода температуры за установленные границы

3.8 Блок питания

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ



ВВЕДЕНИЕ

В данной работе разработано двухканальное устройство контроля температуры, предназначено для построения автоматических систем контроля производственных технологических процессов в различных отраслях промышленности, жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве.

Во время работы прибор выполняет следующие основные функции:

· контролирует с помощью первичных преобразователей (датчиков) физические параметры объектов в двух каналах измерения и отображает эти значения на ЭВМ;

· формирует аварийный сигнал при выходе контролируемого параметра за заданные пределы в любом из каналов измерения;

· Отображает значение температуры в градусах Цельсия с помощью 3-х семисегментных светодиодных индикаторов с точностью до одного знака после запятой.

Формирует сигнал о выходе температуры за верхний установленный предел, информация отображается визуально при помощи светодиодов. Верхний аварийный предел температуры устанавливается с помощью переменного резистора.

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

При этом оно должно быть:

1.работоспособным

2.не иметь лишних цепей

3.легко настраиваться

4. удобным в обращении

5. защищённым от дестабилизирующих факторов

6.недорогим

1. Техническое задание

1.1 Основание для разработки

Основанием для разработки является учебный план для специальности

220700 “Автоматизации производственных процессов”, а также задание на курсовую работу по дисциплине “Электроника”.

1.2 Цель и назначение разработки

Целью разработки является разработка устройства, которое имеет возможность контроля температуры в диапазоне: +10…+40°С.

1.3 Источники разработки

Основным источником разработки является “Контрольное задание к выполнению курсовой работы по общей электротехнике и электронике для студентов специальности 210700 дневной и заочной форм обучения”, а также различные справочники и книги.

1.4 Режимы работы объекта

Данное устройство работает в реальном режиме времени, с одновременной передачей информации о текущей температуре на ЭВМ. Количество контролируемых каналов 4. Информация поступает на коммутатор, который управляется с помощью ЭВМ.



1.5 Условия эксплуатации

Питание - сеть 50Гц 220В ±10%. Диапазон рабочих температур +10…+40°С. относительной влажности от 45 до 75%, атмосферном давлении от 630 до 800 мм. рт. ст.

1.6 Технические требования

Устройство должно обеспечивать передачу информации о температуре в рабочих зонах технологического процесса в ЭВМ. При этом ЭВМ осуществляет только регистрацию полученной информации и в состав устройства не входит. Погрешность, вносимая устройством, не должна превышать 0,3°С. Устройство должно быть выполнено в виде одной или нескольких печатных плат, соединенных друг с другом и с внешними устройствами посредством кабелей и разъемов. Питание - сеть 50Гц 220В ±10%. Диапазон рабочих температур +10…+40°С.

Количество одновременно контролируемых каналов 4. Датчики температуры - термопара ХА. Предполагается, что сигнал с датчиков температуры передается на разрабатываемое устройство по длинному кабелю, для этого предусмотрен контроль обрыва датчиков с визуальной индикацией. В случае нарушения хода технологического процесса для предотвращения аварийных ситуаций по причине выхода температуры за установленные границы также должна быть предусмотрена соответствующая аварийная индикация. При этом аварийное верхнее или аварийное нижнее значение температуры по каждому каналу должно устанавливаться цифровым кодом от ЭВМ.



1.7 Стадии и этапы разработки

Перечень материалов работы:

1.Пояснительная записка;

2.Графическая часть (схема электрическая, схема структурная, плата печатная);

3.Спецификация.

Контроль и приём 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.Преобразователь напряжение-частота;

6.Схема индикации температуры;

7. Схема контроля выхода температуры за установленные пределы;

8.Блок питания.



3. Работа элементов устройства

3.1 Датчик температуры

В качестве датчика температуры в данном устройстве использовалась термопара типа ТХА(К).

Термопара -- пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Принцип действия термопары основан на так называемом эффекте Зеебека. Если две проволоки из разных металлов с одного конца сварить (это место будет называться рабочим или горячим спаем) и нагреть до температуры Т1, то на оставшихся свободных концах проволок (холодный спай) с более низкой, комнатной температурой Т2 появиться термоЭДС. Чем выше разница температур между рабочим и холодным спаем ДТ, тем больше термоЭДС. Величина термоЭДС не зависит от диаметра и длины проволок, а зависит от материала проволок и температуры спаев.

Наибольшее распространение получили термопары градуировок ХА (в европейской системе обозначений (К), ХК (L) и ППР (В).

Достоинства термопар: надежность, возможность работать при измерении высоких температур до 2200°С, точность измерения до ±0,01°.

Условное обозначение : ТХА (К) -- хромель-алюмелевые;

Диапазон длительного (кратковременного) применения, °С: -200...1000 (1300)

Коэффициент преобразования мВ/°С * 10^3:: 16,1...39,0.

3.2 Усилитель

AD595 - это совершенный измерительный усилитель и компенсатор холодного спая термопары на монолитной микросхеме.

AD594 действует как два дифференциальных усилителя.

Выходные сигналы суммируются и используются для управления повышающим усилителем, как показано на рисунке.

При нормальном режиме работы выходы главного усилителя, на ножке 9, подключены к цепи обратной связи на ножке 8. Сигналы термопары, подключенные к буферу выходного уровня на ножках 1 и 14, усиливаются в блоке G дифференциального усилителя и дальше усиливаются в блоке А главного усилителя. Выход главного усилителя подключен ко второму уровню дифференцирования путем обратной связи. На этом уровне сигнал обратной связи усиливается и тоже подается на вход главного усилителя через суммирующую цепь. Из-за инверсии усилитель в обратной цепи приводит к снижению дифференциального сигнала до маленького значения. Два дифференциальных усилителя G сделаны таким образом, чтобы соответствовать друг другу и иметь одинаковый коэффициент усиления. В результате сигнал обратной связи, который подается на правый дифференциальный усилитель будет в точности соответствовать входному сигналу термопары, когда дифференциальный сигнал был снижен до нуля. Цепь обратной связи настроена таким образом, что эффективное усиление на выходе, на ножках 8 и 9 соответствует напряжению в 10 мВ на °С возбуждения термопары. В добавление к сигналу обратной связи на правый дифференциальный усилитель подается напряжение компенсации холодного спая. Компенсацией является дифференциальное напряжение, пропорциональное температуре чипа по Цельсию. Этот сигнал влияет на дифференциальный вход таким образом, что выходной сигнал усилителя должен регулировать возвратным сигналом входа, который равен напряжению термопары. Компенсационный сигнал подается через встроенные резисторы таким образом, что влияние на главный выход тоже равно 10 мВ/°С. В результате компенсационное напряжение добавляется к эффективному напряжению термопары как сигнал, прямо пропорциональной разнице между 0°С и температурой чипа. Если температура холодного спая термопары соответствует температуре AD594/AD595, выходной сигнал чипа будет соответствовать читаемому сигналу, который получен путем усиления сигнала термопары погруженной в ледяную ванну. AD594/AD595 также содержит в себе детектор разрыва цепи входа, который открывает транзистор сигнализации. Этот транзистор фактически является токоограниченным выходным буфером, но в пределе может быть использован как переключающий транзистор для операций включения и выключения внешней сигнализации. Цепь компенсации «ледяной» точки обладает напряжением, позволяющим получить как положительные, так и отрицательные температурные коэффициенты. Эти напряжения могут использоваться вместе с внешними резисторами для изменения точки плавления льда и калибровки AD594/AD595.

AD595 может питаться напряжением одной полярности (+5В) и напряжением обоих полярностей при необходимости измерения температуры ниже 0°С

3.3 Аналоговый коммутатор

Аналоговый коммутатор служит для коммутации входных сигналов.

В данной схеме был использован коммутатор серии 590КН1.

Назначение выводов:

I0-I7 - аналоговые входы (выходы).

Out - аналоговый выход (вход).

A,B,C - адрес (выбор соединения).

En - разрешение: En=L - выход изолирован от входов; En=H - выход соединен с адресуемым входом.

E+ положительное напряжение питания (+5 в).

E- отрицательное напряжение питания (-15 в).

Примечание - вывод 11 не имеет соединений.

Напряжения питания Uп1 от 16,5 до минус 13,5 В, Uп2 от 4,5 до 5,5 В, управляющее напряжение низкого уровня от 0 до 0,8 В, управляющее напряжение высокого уровня от 3,6 В до 5,5 В, коммутируемое напряжение от минус 5 до 5 В. Управляющее напряжение высокого уровня и коммутируемое напряжение должны быть не более Uп2 и управляющее напряжение высокого уровня - не менее (Uп2 - 0,9 В).

1. Коммутируемое напряжение 5 В, коммутируемый ток - 1 мА, сопротивление нагрузки не более 10 кОм, емкость нагрузки не более 40 пФ.

2. Коммутируемое напряжение от 0 до 5 В.

3. Коммутируемое напряжение от минус 5 В до 0.



3.4 Фильтр нижних частот

В качестве активного фильтра низкий частот возьмем фильтр Чебышева с неравномерностью 0.5 дБ.

Формула для расчёта элементов фильтра имеют следующий вид:

R31 = R32 = R33 = R; C1 = C2 = C ; R34 = (K-1)R

, мкФ

Активный фильтр должен обеспечивать подавление сетевых наводок не менее чем на 30дБ. Исходя из этого коэффициенты выбираются равными:

f_H =1.231, K = 1.842, f_cp = 1 Гц.

С учётом выбранных коэффициентов и R = 20кОм, получим С = 2 мкФ,

R34= 15 к Ом.

От ФНЧ сигнал поступает на вход АЦП. Десятиразрядный АЦП имеет выходные каскады с тремя состояниями (0, 1 и высокоимпедансное), благодаря чему может выдавать информацию на системную шину микропроцессора контроллера.

3.5 Преобразователь частота напряжение

Преобразователи напряжение -- частота (ПНЧ) являются наиболее дешевым средством преобразования сигналов для многоканальных систем ввода аналоговой информации в ЭВМ, обеспечивающим высокую помехозащищенность и простоту гальванической развязки. ПНЧ -- отличное решение для задач измерения усредненных параметров, расхода, а также задач генерирования и модуляции частоты.

ПНЧ преобразует входное напряжение в частоту выходных импульсов, которые могут передаваться на большие расстояния без искажения информационного параметра -- частоты. Второй этап аналого-цифрового преобразования: «частота--код» осуществляется путем подсчета импульсов за фиксированный интервал времени, то есть усреднением.

В данной схеме использован ПНЧ типа КР1108ПП1. . ПНЧ включает в себя усилитель А1, компаратор А2, одновибратор, источник стабильного тока I₀, аналоговый ключ S и выходной транзистор. Для построения ПНЧ микросхему следует дополнить двумя конденсаторами С1, С2 и двумя резисторами R1, R2. Элементы R1, С1, А1 образуют интегратор. Конденсатор С2 задает длительность импульса одновибратора t= kC₂, где k определяется характеристиками микросхемы (в VFC32 I₀ = 1 мА, k = 75 кОм). Импульсы тока I₀ уравновешивают входной ток, управляемый напряжением V_IN.



3.6 Схема индикации

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

3.7 Схема контроля температуры за установленные границы

При перегреве датчиков, сигнал с усилителей будет максимален. Напряжение сигнала с выхода каждого усилителя подается на входа компаратора DD4.Напряжение на выходе усилителя сравнивается компаратором с напряжением установленным переменным резистором R25, при перегреве датчика компаратор сработает и покажет перегрев. В качестве светодиодов индикации HL1-HL4 выбираю АЛ307 с параметрами:

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

Максимальный постоянный прямой ток Iпр=20 мА

Цвет свечения - красный



3.8 Блок питания

Блок питания построен с использованием трансформатора серии ТПП236 имеющего одну вторичную обмотку; один диодный мост КЦ407Е и четыре стабилизатора напряжения серии 78LXX и 79LXX .Микросхемы данного типа обеспечивают стабилизацию выходного напряжения при токе нагрузки до 1,5А. Рабочий диапазон температур стабилизаторов -40…120 ? С.

Эта схема обеспечивает устройство питающими напряжениями :± 5В и ±15В.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы было разработано устройство контроля температуры от +10до +40°С. Устройство имеет четыре канала измерения температуры, снабжено схемой выхода температуры за установленные пределы и схемой для контроля обрыва датчиков. Данные о температуре передаются на ЭВМ, установка нижнего значения температуры задается с ЭВМ.

ЭВМ осуществляет только регистрацию полученной информации и в состав устройства не входит.

Предусмотрена возможность последующей модернизации, и расширения возможностей работы устройства. Возможно расширение каналов измерения.

Описанное устройство можно использовать как для измерения температуры в агрессивной среде, так и в любой другой среде, где требуется контроль температуры в пределах от +10 до+40°С.

В результате проделанной работы были получены навыки разработки электрической схемы в программе Компас 3D v13, подбора компонентов для схемы, разработки печатной платы.



СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Электроника. Методические указания к выполнению курсовой работы по электронике для студентов специальности 210700 дневной и заочной форм обучения. КГУ, Курган, 2012

2. Гутников В.С. “Интегральная электроника в измерительных устройствах” код 621.317:621.38 Г97

3. П. Хоровиц, У. Хилл “Искусство схемотехники” том 3. Москва “Мир” 1993

4. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги Справочник. Перельман Б.Л.,Шевелев В.И. "НТЦ Микротех", 1998г.,376 с.

5. ГОСТ 7.32-2001 Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.

6. Гутников В. С. “Интегральная электроника в измерительных устройствах.”

7. Алексеенко А. Г. “Применение аналоговых схем.”

8.П. Хоровиц, У. Хилл “Искусство схемотехники” том 1. Москва “Мир” 1993

9.Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Пер. с нем.- М.: Мир 1982.-512., ил.

10.Материалы сайта www.lab-term.ru.

11.Материалы сайта www.catalog.gaw.ru

12. Материалы сайта www.terraelectronica.ru

13. Материалы сайта www.chipinfo.ru

Размещено на Allbest.ru

...