Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Факультет Технической Кибернетики

Кафедра Измерительных Информационных Технологий

Пояснительная записка

По дисциплине:

«Информационные системы»

Тема проекта:

«Многоканальный измеритель сигналов термометров сопротивления»

Работу выполнил: студент группы 5085/1

Малышева М.В.

Руководитель работы Миранян С.А.

Санкт-Петербург

2010

Содержание

Введение

1. Техническое задание

2. Обзор литературы

2.1 Обзор рынка

2.2 Обзор литературы

3. Выбор датчиков

4. Выбор и обоснование структурной схемы

5. Разработка и расчет принципиальной схемы прибора

5.1 Выбор\подключение датчиков

5.2 Выбор мультиплексора

5.3 Выбор АЦП

5.4 Выбор микроконтроллера

5.5 Интерфейс

5.6 Устройство представления информации

5.7 Источник питания

5.7.1 Выбор источника опорного напряжения

5.8 Защита выходов

5.9 Защита входов

6. Алгоритмы

6.1 Основная ветвь

6.2 Инициализация АЦП

6.3 Обработчик прерываний таймера Т4

6.4 Алгоритм линеаризации

7. Анализ погрешностей

7.1 Терморезистор

7.2 Погрешность, вносимая блоком коммутации

7.3 Погрешность АЦП

8. Описание конструкции измерительного прибора

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Список сокращений

Приложение 2. Выводы ЖКИ

Приложение 3. Принципиальная схема

Приложение 4. Структурная схема

Приложение 5. Эскиз конструкции

Приложение 6. Спецификация

Приложение 7. Алгоритмы

Введение

Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории, температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.

Измерение температуры - чрезвычайно востребованная задача. Системы ее измерения требуются как для промышленности, так и для домашнего использования. В частности, информация о температуре абсолютно необходима для поддержания в помещении постоянного климата. Многие технологические процессы требуют точного контроля температуры. Также в ряде систем, например, предназначенных для пожарной безопасности, температура может использоваться как дополнительный информационный параметр при принятии решений.

Человечество разработало множество методов и технологий измерения температуры: контактные и бесконтактные методы, методы измерения высоких и низких температур, широких и узких диапазонов. Поэтому не существует универсального средства измерения температуры, и выбор того или иного метода зависит от поставленной задачи.

В данной работе представлена система для комплексного измерения температуры с помощью термометров сопротивления. Результаты измерений выводятся на дисплей.

1. Техническое задание

Наименование и область применения.

Наименование - многоканальный измеритель сигналов термометров сопротивления.

Область применения - Система предназначена для измерения и индикации температуры в помещениях общей площадью до 150 м2.

Цель и назначение разработки

Основания для разработки - учебный план.

Технические требования.

Вид измеряемой величины - температура

Количество подключаемых датчиков: от 6 до 16

Пределы измеряемой величины: от минус 30°C до 60°C

Частота измерений - меняется в зависимости от конфигурации. Все каналы измеряются в течение 1 минуты, таким образом: если используются все каналы, то частота 0.33Гц

Выходная величина - цифровое значение температуры, выводящееся на дисплей, а также информационный сигнал RS-232.

Внешний интерфейс - RS-232

Интерфейс управления - клавиатура 3х4, кнопка включения - выключения, компьютерное управление.

Эксплуатационные условия:

Группа исполнения: Б2 по Госту 12997 - 84

Питание: источник переменного напряжения 220В и частотой 50Гц

Габаритные размеры:150х150х180мм

Метрологические требования:

Основная погрешность нормируется формулой:

.

Итоговая погрешность ИС не должна превышать 0.5.

Дополнительная погрешность не должна превышать 0.3%

Требования к технической документации:

· Пояснительная записка

· Структурная схема системы

· Блок-схемы функционирования алгоритма

· Схема электрическая принципиальная

· Эскизный чертеж конструкции

2. Обзор литературы

2.1 Обзор рынка

Рассмотрим несколько систем, предназначенных для измерения температуры в помещении.

Система TempControl [4]

«В состав системы измерения температуры входит блок управления, адаптер для сопряжения датчиков с COM-портом, кабель, разветвители и датчики» [4].

«Датчики температуры в системе цифровые. При передаче сигнала с датчика температуры в цифровом виде, канал связи имеет высокую степень защищенности от индустриальных помех. Все датчики температуры монтируются на кабель с высокой помехозащищенностью» [4].

Рис. 2.1.1 Система контроля температуры, измерения температуры TempControl [4]

«Технические характеристики системы измерения температуры:

· Диапазон измерения температуры (°С):-55…+125;

· Погрешность измерения температуры (°С):0.5;

· Максимальная длина кабеля (м) (при одном датчике) :300;

· Максимальное количество датчиков (шт.): Неограниченно

· Максимальное количество удаленных систем (шт.): Неограниченно» [5]

«Стоимость системы контроля температуры составляет 10000р, в стоимость включено два датчика температуры. Каждый дополнительный датчик температуры стоит 1000р.

Дополнительно требуется блок управления - 7500р или компьютер, 8500р» [4]

В Интернете встречаются и некоторые другие готовые системы, подобные этой. Кроме того, зачастую на рынке присутствуют готовые приборы, которые сравнительно легко объединяются в общую систему измерения температуры, и в информационных источниках есть как описание таких приборов, так и приемы построения систем на их основе. В качестве примера можно привести статью «Мониторинг объектов теплоснабжения и способ контроля системы отопления зданий» В.А.Белошенко [1].

Как видно, основная тенденция на сегодня - измерение температуры в каждой точке законченным преобразователем с цифровым выходом. Такие приборы довольно просто объединить в общую систему измерения. Системы с аналоговой коммутацией вытесняются с рынка, поскольку электроника благодаря своей миниатюризации становится все дешевле.

Впрочем, мы попробуем построить систему именно с аналоговой коммутацией. Такая система несколько теряет в универсальности - под каждое новое помещение нужно заново разводить аналоговые информационные линии, однако выигрывает в цене, поскольку нет избытка измерительной электроники.

2.2 Обзор литературы

Для измерения температуры выбирается некоторый параметр измеряемого вещества, однозначно связываемый с температурой.

На практике для измерения температуры используют:

· Жидкостные, механические и газовые термометры

· Термопары, термосопротивления

Также одним из основных различий термометров является метод измерения - контактный и бесконтактный.

Бесконтактный метод используется в приборах называемыми пирометрами. Метод основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения, в основном в диапазоне инфракрасного излучения и видимого света.

Контактный метод используется во всех остальных случаях.

Жидкостные, механические и газовые термометры основаны на принципе изменения одного из параметров. Так при нагревании у жидкости и металла измеряется объем, а у газа давление. [6]

Термопреобразователи сопротивления.

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры. Материал, из которого изготавливается такой датчик, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей - медь.

Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от -260 до 1100 °С. В диапазоне температур от 0 до 650 °С их используют в качестве образцовых и эталонных средств измерений, причем нестабильность градуировочной характеристики таких преобразователей не превышает 0,001 °С.

Погрешности, возникающие при измерении температуры термометрами сопротивления, вызываются нестабильностью во времени начального сопротивления термометра и его ТКС, изменением сопротивления линии, соединяющей термометр с измерительным прибором, перегревом термометра измерительным током.

Металлические терморезисторы применяются для измерения температур в различных диапазонах [6]. Кроме того, металлические терморезисторы - весьма точные приборы. Цена отдельного чувствительного элемента сравнительно невелика - от 5 до 30$ [7, 8]. Они широко распространены, доступны и не требуют дополнительных работ по аттестации.

3. Выбор датчиков

В проекте используются платиновые термосопротивления.

В качестве датчика мы выбираем Pt 1000 класса А, с характеристикой
погрешности: = ±(0,15+0,002*t) °С. В комплекте поставки идет
ТС-Б Pt 1000. Цена составляет ~700 рублей[9]. Платиновые термометры различаются номиналами сопротивлений. Как будет видно из дальнейшего анализа, для нашей задачи подходит датчик именно Pt 1000.

4. Выбор и обоснование структурной схемы

Классическая структурная схема измерительной системы выглядит как показано на рис. 4.1.

Рис. 4.1 Классическая структурная схема ИС.

Где на схеме обозначено, Д1..ДN - датчики, MUX - мультиплексор, УП - унифицирующий преобразователь, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, МК - микроконтроллер, УПИ - устройство представления информации, интерфейс - устройство управления (например клавиатура)

Однако данная структурная схема является обобщенной и фактически ей соответствует множество ИС. Поэтому детализируем ее. В частности по ТЗ мы работаем с внешними терморезисторами на довольно большом удалении, поэтому необходимо бороться с сопротивлением подводящих проводов. Так что рассмотрим следующую структурную схему:



Рис. 4.2 Структурная схема ИС с использованием четырехпроводной линии связи

Где, ИТ - источник тока, Д1..ДN - датчики, MUX1 - мультиплексор, коммутирующий задающий ток на текущее термосопротивление, MUX2, MUX3 - мультиплексоры, коммутирующие сигнальные линии, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, МК - микроконтроллер, УПИ - устройство представления информации, интерфейс - устройство управления (например, клавиатура), RS232 - внешний интерфейс.

Для борьбы с паразитным сопротивлением линий связи используется четырехпроводная схема подключения. Она требует одного источника тока.

МК задает коммутаторам номер канала измерения. После чего сигнал с датчика через коммутаторы передается на АЦП и преобразуется в 16-битный код. Этот код передается и обрабатывается в МК. После обработки данных, результаты измерений выводятся на УПИ. Для задания установок управления микроконтроллером используется клавиатура. Так же возможно подключение к интерфейсу RS-232 по которому передаются измеренные значения.

5. Разработка и расчет принципиальной схемы прибора

5.1 Выбор\подключение датчиков

В качестве чувствительного элемента можно использовать любой датчик Pt 1000 класса A. Для комплекта поставки были выбраны терморезисторы ТС-Б Pt 1000 класса А, сопротивление которого равняется 1кОм при 0 °С.

Формула для расчета сопротивления для отрицательного диапазона температур:

RT=R0(1+AT+BT2+CT3(T-100)), [21] (5.1.1)

Положительного:

RT=R0(1+AT+BT2), [21] (5.1.2)

Где, коэффициенты A= 3.908310-3, B= -5.77510-7, C= -4.18310-12 [3,10]. Так как из технического задания температура меняется от минус 30°С до 60°С, следовательно, сопротивление будет меняться от 883 Ом до 1235 Ом. По метрологическим характеристикам терморезистор ТС-Б Pt 1000 полностью удовлетворяет требованиям, выдвинутым задачей (см. главу «Анализ погрешностей»)

5.2 Выбор мультиплексора

В данном проекте необходимо измерять температуру с 16 термометров сопротивления. Следовательно, надо коммутировать сигналы от 16 датчиков. Делая обзор существующих мультиплексоров, несложно заметить, что существуют 8-ми и 16-канальные мультиплексоры, что объясняется адресным пространством, то есть добавление ещё одного бита адреса влечёт умножение на 2 адресного пространства. Исходя из задания, нам необходимы 2 32-канальных аналоговых мультиплексора. Данные мультиплексоры представлены фирмами Analog Devices, NXP Semiconductors, VISHAY. Удобно, чтоб мультиплексор питался таким же напряжением, что и датчик. Для того чтобы повысить точность системы, мультиплексор должен обладать маленьким сопротивлением во включённом состоянии, наименьшим сопротивлением в выключённом состоянии и малыми токами утечки. Такими характеристиками обладает мультиплексор фирмы Analog Devices ADG726 [13]. Это монолитный, 32 канальный мультиплексор, который работает как два мультиплексора по 16 каналов. Его сопротивление во включённом состоянии равно 4 Ома. Напряжение питания от 1.8V до 5.5V.

5.3 Выбор АЦП

АЦП должен иметь достаточную точность, разрядность не менее 16 бит. Удобно использовать АЦП со встроенным дифференциальным усилителем, чтобы уменьшить количество элементов на схеме, и снизить ее стоимость. Нашим требованиям удовлетворяет сигма-дельта АЦП фирмы Analog Devices AD7715. AD7715 является 16-разрядным аналого-цифровым преобразователем с последовательным цифровым интерфейсом. Данная микросхема находит применение в основном в низкочастотной измерительной аппаратуре.



Рисунок 5.3.1 Структурно-функциональная схема AD7715

Из-за использования КМОП- технологии AD7715 обладает высокими характеристиками по потребляемой энергии и рассеиваемой мощности : общий ток питания в рабочем режиме не превышает 450 мкА , а при включении режима пониженного энергопотребления ток падает до 10мкА . АЦП обладает также высокой точностью (±0.0015%) и низким шумом (<550 нВ). АЦП может работать как от внешнего генератора задающей частоты , так и от подключаемого резонатора. AD7715 выпускается в двух модификациях : AD7715-5 -питание 5В, и AD7715-3 -питание 3В. Имеется встроенный дифференциальный усилитель, коэффициент которого можно задать такой, который будет необходим. АЦП подключается к микроконтроллеру через последовательный интерфейс. [11]

5.4 Выбор микроконтроллера

Система должна выводить значения температуры на экран, иметь сопряжение с ПК. Для этого используется микроконтроллер. В системе есть АЦП для оцифровывания сигнала с выхода преобразователя, которое подключается к микроконтроллеру с помощью SPI, значит у микроконтроллера должен быть SPI. Выбирая семейство, я ограничилась теми контроллерами, которыми я занималась во время обучения, то есть восьмибитные MCS-51. Для подключения к компьютеру будем использовать COM-порт, то есть хорошо бы иметь встроенный UART. К контроллеру будет подключено множество устройств, что обязывает его иметь множество портов ввода/вывода. В результате подсчёта количества ножек на ЖК-экране, кнопки, мультиплексоры и т.д. получилось примерно 25 выводов портов. Среди фирм, выпускающих микроконтроллеры, выберу популярную фирму Atmel. У Atmel большой модельный ряд и множество микроконтроллеров удовлетворяющих моим требованиям. Выберем среди них самый простой, а, следовательно, дешёвый. Таким устройством оказался микроконтроллер AT89s52. У него 51 архитектура, встроенные UART и SPI, 32 порта ввода/вывода, напряжение питания 5В.

5.5 Интерфейс

Для хранения и обработки данных к системе должен быть подключён компьютер. Для его подключения может быть использовано множество интерфейсов, таких как СОМ-порт, USB, LAN, Wi-Fi и т.д. Не стоит использовать беспроводные интерфейсы, так как они довольно сложные, затратные и ненадёжные. Также из-за сложности интерфейса не стоит использовать USB и LAN. Использование интерфейса RS232 наиболее простой и дешёвый вариант, тем более он полностью подходит под требования системы. Для подключения выводов микроконтроллера TxD и RxD к компьютеру, необходим дополнительный переходник, который бы подгонял уровни сигнала на выходе из микроконтроллера, к уровням, требуемым на выводе ПК. Требования к такому переходнику это дешевизна и напряжение питания схожее с остальными компонентами 5 вольт. Данных микросхем на рынке оказалось очень много. Они различаются по напряжению питания, количеству подсоединяемых контроллеров и другим параметрам. Среди них мой выбор остановился на микросхеме фирмы Analog Devices ADM3251E [16]. Кроме того, что она относительно дешёвая и соответствует всем требованиям, в неё встроено устройство гальванического разделения, что очень удобно. Поскольку необходимо защитить каналы ввода/вывода от разности потенциалов на землях и т.д., то необходимо использовать УГР, и очень удобно, что мне не придётся его ставить дополнительно.

Подключение интерфейса RS232

В качестве преобразователя уровня сигналов интерфейса я использовала преобразователь ADM3251E [16]. Кроме входных/выходных каналов TxD и RxD микросхема имеет однополярное питание +5 Вольт. И 4 контакта для подключения 2-х конденсаторов 0.1 мкФ С1 и С2. Это так называемые «летающие» конденсаторы, они необходимы для того, чтоб задать на выходе микросхемы удвоенное и отрицательное напряжения. Поскольку внутри микросхемы встроено устройство гальванического разделения, то у неё 2 земли: одна подключается к общей земле, другая к земле на COM-порту. Также у неё есть выводы для подключения напряжения питания от внешнего устройства, но в техническом описании сказано, что при питании от 5 вольт отдельного источника питания не требуется, а гальванически развязывается первое питание. При этом ножку питания Viso подключают к выводу +V через конденсатор, и через другой конденсатор к земле. А вывод -V также подключают к земле через конденсатор. Блок-схема и обвес конденсаторами микросхемы изображён на рисунке 5.5.1:



Рисунок 5.5.1. Блок-схема преобразователя ADM3251E [16].

5.6 Устройство представления информации

Для вывода значений температуры будет использоваться ЖК-индикатор. Необходимо помнить, что основное отображение данных и часть их обработки будет выполняться на ПК. Индикатор непосредственно на приборе нужен для случаев, когда компьютер завис, или к нему нет доступа. Поэтому и требования к нему малы. Для удешевления системы, можно поставить простой однострочный дисплей, на котором будет выводиться значение температуры и порядковый номер датчика, а две кнопки будут менять датчик на следующий или предыдущий. На индикаторе требуется всего 6 цифровых символов, 2 на номер датчика 1 для разделения и 3 для значений температуры.. Самый простой индикатор, из производимых в данное время, который я смогла найти, это жидкокристаллический дисплей MT-10S1. Он производится компанией МЭЛТ, имеет подсветку, одну строку и 10 символов. Хотя это и избыток, но меньший мне найти не удалось. [19]

5.7 Источник питания

В техническом задании оговорено, что система должна питаться от сети 220 вольт, 50 герц. Элементы, из которых данная система состоит, питаются напряженикм: +5 вольт. Другие напряжения не используются. Целесообразно использовать уже готовый преобразователь с защитой от короткого замыкания, перенапряжения и входным фильтром. Такие источники питания делает фирма MEAN WELL. Выберем из них источники без корпуса, чтобы сэкономить, и с выходными напряжениями +5 вольт.

Для того, чтобы определиться с током, который может выдать источник питания, сосчитаю токи потребляемые устройствами:

измеритель сигнал термометр сопротивление

Таблица 1

Токи, потребляемые устройствами

Устройство	Потребляемый ток, мА
Датчик х 16	90
Устройство защиты	1
MUX x 2	20
CPU	30
RS232	145
REF	0.78
ЖК-дисплей	40

Рассчитаю ток, потребляемый источником опорного напряжения. Его потребляемый ток 500 мкА. Напряжение, которое он выдаёт 5 вольта. Входное сопротивление входа Uref на CPU составляет 16 кОм. Получается, что на Uref тратится ток, равный:

Итого суммарный ток, требуемый от источника напряжения, для питания всей системы составляет:

I = 90 + 1 + 20 + 30 + 145 + 0,81 + 40 = 326,81 (мА)

Источник питания PS-25-5 [28]. Он удовлетворяет вышеизложенные требования и вдобавок защищён от короткого замыкания, перегрузки, перенапряжения и имеет УГР.

5.7.1 Выбор источника опорного напряжения

Для работы аналого-цифрового преобразователя необходим источник опорного напряжения. Этот источник отличается от обычного высокой точностью выходного напряжения, что очень важно для точности АЦП. Но также он обладает малым выходным током, что не позволяет питать от него какие-либо устройства. Для оцифровки сигнала необходим источник опорного напряжения на 5 вольт. Таких источников напряжения выпускается огромное множество. Выберем не дорогой источник, известной фирмы и с малой погрешностью. Мой выбор остановился на микросхеме ADR425 [20] фирмы Analog Devices. Её выходное напряжение 5±0.0015 вольта, а выходной ток равен 10 мА.

5.8 Защита выходов

Поскольку в качестве активных выходов у нас выступают только источники тока, то мы можем ограничить направление тока, поставив сразу после источника диод. Таким образом, если пользователь подаст какой-либо сигнал на выход устройства, то диод не пустит ток в цепь источника тока.

5.9 Защита входов

Реализуем классическую схему защиты входов рис. 5.9.1:



Рис. 5.9.1 Схема защиты входов АЦП [20]

Таким же способом защитим и сигнальные входы мультиплексора.

6. Алгоритмы

6.1 Основная ветвь

Рис. 6.1.1 Алгоритм основной ветви

В основном цикле происходит ожидание на прием команды через интерфейс RS-232. Формат команды «$GV#01\0», где $ - означает начало команды, GV - сама команда, # - сообщает о том что следующие 2 байта будут номером канала, 01 - номер канала, \0 - окончание команды.

Инициализация АЦП будет рассмотрена ниже.

Прием и передача данных с АЦП, происходящие в обработчике прерываний таймера Т4 (функция data_read), также будут рассмотрены далее.

6.2 Инициализация АЦП

Коммуникационный регистр - это 8-ми битный регистр, доступный только для записи. Любое взаимодействие с АЦП должно начинаться с обращения к этому регистру. Информация, переданная в коммуникационный регистр определяет, какая операция будет следующей: операция записи или же чтения. Кроме того определяется и регистр АЦП, к которому обратится следующая команда. В приложении 2 приведена таблица с распределением бит в данном регистре.

Регистр статуса - это 8-ми битный регистр, доступный только для чтения. Для получения доступа к регистру статуса АЦП пользователь должен при записи в коммуникационный регистр выбрать следующей операцией чтение (установить WEN=1) и загрузить биты A1=0 и A0=0. В приложении 2 приведена таблица с распределением бит в данном регистре. Если АЦП находится в режиме пониженного потребления энергии, то необходимо вызвать функцию сообщения об ошибке.

При помощи коммуникационного регистра выбирается регистр фильтра.

Регистр фильтра, это 8-ми битный регистр, который может быть доступен как для чтения, так и для записи. Устанавливается значение 255, т.е. минимальное быстродействие, но максимальная фильтрация сигнала. Схема алгоритма представлена на рис.6.2.1.



Рис. 6.2.1 Алгоритм инициализации АЦП

6.3 Обработчик прерываний таймера Т4

В данном обработчике прерываний происходит прием данных с АЦП, их линеаризация и вывод на ЖКИ.

Все результаты измерений хранятся в таблице, где номер строки соответствует номеру канала, а столбец - минуте измерения. Таким образом, при выводе информации на ЖКИ возможно отображение как текущей температуры с одного датчика, так и средней температуры всех датчиков. Так как память CPU ограничена, принято решение хранить данные в течение последнего часа, т.е. потребуется 2400 байт ОЗУ.

На ЖКИ, в зависимости от выбранного пользователем режима, может выводиться:

· Температура выбранного датчика

· Средняя температура за последний час выбранного датчика

· Текущая, средняя температура всех датчиков

· Средняя температура всех датчиков за последний час

Алгоритм линеаризации будет рассмотрен далее.



Рис. 6.3.1 Алгоритм обработчика прерываний

6.4 Алгоритм линеаризации

Терморезистор обладает нелинейностью, которая может вносить большой вклад в погрешность измерений (до 0.25%). Чтобы уменьшить эту погрешность, диапазон измерения разбивается на несколько участков, на каждом из которых зависимость R=R(T) аппроксимируется прямой линией. При этом общая погрешность, вызванная нелинейностью зависимости, падает. Для реализации такого подхода следует хранить коэффициенты a и b для каждого из участков.

Рис.6.4.1 Алгоритм линеаризации

7. Анализ погрешностей

7.1 Терморезистор

Температура измерения изменяется в пределах от минус 30°С до 60°С.

Для заявленного терморезистора погрешность вычисляется по формуле:

T= ±(0,15+0,002*t) [21], (7.1.1)

где t - температура. При t=-30°C, T(-30)=±0.21°C, для t=60°C, T60=±0.25°C.

Погрешность нелинейности терморезистора для данного диапазона температур составляет Rл = 1Ом, что соответствует л =0.25C. Однако ее можно уменьшить до Tл = 0.05C

7.2 Погрешность, вносимая блоком коммутации

Сопротивление мультиплексоров можно отнести к сопротивлению линий связи, тогда погрешность, вносимая сопротивлениями линии связи и блоком коммутации составит:

U R комм=2(Rком)(I1-I2), (7.2.1)

так как коммутаторы в одном блоке подключены параллельно, и коммутируется только один сигнал, следовательно, стоит учитывать наибольшее сопротивление. Rком 726= 6Ом. Погрешность блока коммутации и линий связи U R комм =60мкВ, что соответствует T R комм = 0.08°C.

Максимальные токи утечки у ADG726 составляют 2,5 нА. Так же стоит учесть то, что используется два блока коммутации. Суммарный ток утечки блоков коммутации может достигать 6.5нА, что соответствует

Tутечки =°C.

7.3 Погрешность АЦП

Погрешность АЦП складывается из погрешности квантования. Впрочем, мы используем сигма-дельта АЦП, который ограничивает не разрядность устройства, а его зашумленность. Согласно документации, для данного сигма-дельта АЦП, работающего в наших условиях, количество не зашумленных бит составляет 14.

(7.3.1)

Интегральная нелинейность равняется ±30ppm от Uref=1.2В

Как видно, эта погрешность меньше зашумленности АЦП, поэтому ее устранять калибровкой не получится.

Основная погрешность, вызванная нестабильностью источника опорного напряжения, нивелируется схемой включения. Однако при изменении температуры устройства изменяется и значение опорного сопротивления, а значит, и опорное напряжение АЦП, что вносит свою погрешность. Поэтому мы выбираем сопротивление с высокой стабильностью. В нашем случае это резистор типа C2-29B с

ТКС = 7510-6 ppm/°C, что приводит к погрешности

R=7510-3 °C /10°C

Погрешности смещения составляет 3мкВ. Температурная погрешность смещения нуля составляет 10 нВ/°C, тогда дополнительная погрешность

=1.310-4 °C /10°C

Смещение коэффициента усиления составляет 0.5 ppm/°C, тогда при наибольшем сигнале погрешность составит =0.0015 °C /10°C

Погрешность усиления АЦП составляет 0.2 % шкалы, или 480 мкВ. Эту погрешность можно устранить калибровкой, однако калибровка - это фактически измерение, поэтому она проводится с погрешностью 112 мкВ поэтому вместо погрешности 480мкВ получается погрешность ус =112мкВ.

В итоге, основная погрешность АЦП составляет

Суммарная основная погрешность ИС:

Итоговая погрешность меньше заданного в техническом задании значения поэтому метрологические требования удовлетворяют заданию. Суммарная дополнительная погрешность:

= 0.008

8. Описание конструкции измерительного прибора

Чертеж конструкции измерительного прибора приведен в приложении 5.

Чертеж содержит три проекции с указанием размеров, также на фронтальном виде изображены дисплей и клавиатура.

Заключение

В результате выполнения курсового проекта была разработана многоканальная система измерения температуры воздуха. Данная система полностью удовлетворяет требованиям технического задания. В процессе работы были рассмотрены различные способы и методы измерения температуры, составлено несколько структурных схем и выбрана лучшая для текущего технического задания. Также на основании выбранной структурной схемы была разработана принципиальная схема с подборкой компонентов.

При выполнении курсового проекта, использовались следующие САПР: AutoCAD 2006, P-CAD 2004.

Список литературы

1. Мониторинг объектов теплоснабжения и способ контроля системы отопления зданий. В.А.Белошенко, А.С.Карначёв, В.И.Титиевский, В.И.Шелудченко "Датчики и Системы" N7, 2003

2. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л., Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988 - 304 с.

3. Новицкий П.В., И.А. Зограф Оценка погрешностей результатов измерений. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985 - 348 с., ил.

4. TempControl [Электронный ресурс]: Устройство системы измерения температуры TempControl. Режим доступа: http://tempcontrol.visteh.ru/?page_id=5 , свободный. - Яз. рус.

5. TempControl [Электронный ресурс]: Как купить систему измерения температуры. Режим доступа: http://tempcontrol.visteh.ru/?page_id=20, свободный. - Яз. рус.

6. Научно-исследовательская лаборатория автоматизации проектирования [Электронный ресурс]: Применение терморезисторов (термисторов) для измерения температуры. Режим доступа: http://www.rlda.ru/Termistors.htm, свободный. - Яз. рус.

7. Мега-Электроника [Электронный ресурс]: PTC, NTC терморезистор. Режим доступа: http://www.megachip.ru/search.php?page=4&class=010605, свободный. - Яз. рус.

8. Приборы КИП производства ОВЕН [Электронный ресурс] Прайс лист. Режим доступа: http://www.owen.ru/price2/115, свободный. - Яз. рус.

9. Farnell United Kingdom [Электронный ресурс] RTD Режим доступа: http://uk.farnell.com/jsp/search/browse.jsp?N=1004308+5063+3968+3438+8505+1173+6371&No=0&getResults=true&appliedparametrics=true&locale=en_UK&catalogId=&prevNValues=1004308&originalQueryURL=%2Fjsp%2Fsearch%2Fbrowse.jsp%3FN%3D1004308%26No%3D0%26getResults%3Dtrue%26appliedparametrics%3Dtrue%26locale%3Den_UK%26catalogId%3D, свободный. - Яз. англ.

10. Технопромтрейд [Электронный ресурс] Термопреобразователи сопротивления платиновые Режим доступа: http://www.tptd.ru/termoelements/termoelements.htm, свободный. - Яз. рус.

11. AD7715 [Электронный ресурс]: AD7715: 3 V/5 V, 450 µA, 16-Bit, Sigma-Delta ADC /Веб-узел корпорации "Analog Devices". -- Analog Device . -- Версия 1. -- Электрон. текстовые дан. (422 Кбайт) -- [США] 03 2003 г. -- Режим доступа http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7715.pdf, свободный. -- Яз. англ.

12. Паяльник [Электронный ресурс] Блок питания для радиолюбителя. Режим доступа: http://cxem.net/pitanie/5-160.php, свободный. - Яз. рус.

13. ООО «Анион-Спб» [Электронный ресурс] ПРАЙС-ЛИСТ Режим доступа: http://www.anion-spb.ru/termo_price.html, свободный. - Яз. рус.

14. Radioland [Электронный ресурс] Компьютерная Томография. Режим доступа:http://en.radioland.net.ua/contentid-112-page5.html, свободный. - Яз. рус.

15. ГОСТ 6651-94 [Электронный ресурс] / Термометры сопротивления. Общие технические требования и методы испытания.-- Электрон. дан. -- Режим доступа: http://libt.ru/gost/download/gost-6651-94.html.

16. ADM3251E. Analog Devices. Isolated, Single-Channel RS-232 Line Driver/Receiver. - URL: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADM3251E.pdf.

17. ADG726 [Электронный ресурс] ADG726: 16-/32- Channel, 3.5 Щ 1.8 V

to 5.5 V, ±2.5 V, Analog Multiplexer.- URL: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADG726_732.pdf

18. AT89S52[Электронный ресурс] /8-bit Microcontroller with 8K Bytes In- System Programmable Flash AT89S52.-URL: http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1919.pdf

19. МТ-10S1 Жидкокристаллический индикатор. - URL: http://www.melt.com.ru/upload/docs/MT-10S1.pdf.

20. ADR425. Analog Devices. Ultraprecision, Low Noise, 5.00 V XFET® Voltage Reference. - URL: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADR420_421_423_425.pdf.

Приложение 1. Список сокращений

1. МК - Микроконтроллер

2. АЦП - Аналогово-цифровой преобразователь

3. ГОСТ - Государственный стандарт

4. Д - Датчик

5. MUX - Мультиплексор

6. УП - Унифицирующий преобразователь

7. УПИ - Устройство представления информации

8. ИТ - Источник тока

9. ИС - Измерительная система

10. ЖКИ - Жидкокристаллический индикатор

Приложение 2. Выводы ЖКИ

Назначение внешних выводов ЖКИ, согласно документации.

Таблица 3.1

Вывод	Обозначение	Назначение вывода
1	GND	Общий вывод (0В)
2	Ucc	Напряжение питания (5В/3В)
3	Uo	Управление контрастностью
4	A0	Адресный сигнал -- выбор между передачей данных и команд управления
5	R\W	Выбор режима записи или чтения
6	E	Разрешение обращений к модулю (а также строб данных)
7	DB0	Шина данных (8-ми битный режим) (младший бит в 8-битном режиме)
8	DB1	Шина данных (8-ми битный режим)
9	DB2	Шина данных (8-ми битный режим)
10	DB3	Шина данных (8-ми битный режим)
11	DB4	Шина данных (8-ми и 4-х битные режимы) (младший бит в 4-битном режиме)
12	DB5	Шина данных (8-ми и 4-х битные режимы)
13	DB6	Шина данных (8-ми и 4-х битные режимы)
14	DB7	Шина данных (8-ми и 4-х битные режимы)(старший бит)
15	+LED	+ питание подсветки
16	-LED	- питание подсветки

Размещено на Allbest.ru