Измеритель температуры с жидкокристаллическим индикатором
Отличительные особенности низковольтовых температурных датчиков. Выбор усилителя и микроконтроллера. Устройство визуализации, 7-сегментный индикатор. Алгоритм работы термометра. Скорость нарастания выходного сигнала. Максимальный входной ток смещения.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 06.04.2015 |
| Размер файла | 483,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Физико-технологический институт
Кафедра экспериментальной физики
«Измеритель температуры с жидкокристаллическим индикатором»
Курсовой проект
Пояснительная записка
Группа
Студент Калонов А.А.
Руководитель Хохлов К.О.
Н. контроль Новиков Е.Г.
Фт-410303
Екатеринбург, 2014
Введение
Задание: Разработать интегральный датчик измерителя температуры.
Для выполнения данной работы необходимо разработать блок схему данного измерителя, определить какой тип преобразователя использовать, как обработать результаты измерения и получить нужное значение температуры. Диапазон измеряемых температур выбран от -40 до 120 С.
В качестве преобразователя температуры в электрический сигнал выбран датчик температуры ТМP-37 . Такой выбор можно аргументировать тем, что данный тип преобразователей широко распространен, имеется широкий выбор для конкретных задач, а так же существенным преимуществом является простая зависимость между величиной сигнала и температурой. При выборе датчика необходимо учитывать диапазон измеряемых температур, точность измерения и условия эксплуатации.
Обработку данных производит микроконтроллер(МК) ATmega8.
В качестве устройства визуализации выбран 7 - сегментный индикатор.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис.1 Блок-схема устройства.
Выбор датчика: Низковольтовые температурные датчики TMP35, TMP36, TMP37
Общее описание:
TMP35, TMP36 и TMP37 - низковольтные прецизионные температурные датчики. Они вырабатывают выходное напряжение, пропорциональное температуре в градусах Цельсия. TMP35/TMP36/TMP37 не требуют использования внешних компонентов для измерения температуры с точностью ±1°C при температуре +25°C и ±2°C в диапазоне от -40°C по +125°C.
Низкое выходное сопротивление, высокая линейность и достаточная точность позволяют подключать TMP35/TMP36/TMP37 напрямую к схемам контроля температуры и АЦП. Все три прибора имеют диапазон напряжения питания от 2.7 до 5.5 В. Типовой ток потребления приборов, равный 50 мкА, обеспечивает нагрев приборов при нормальных условиях не более чем на 0.1°C. Кроме того, функция перевода в дежурный режим позволяет снизить ток потребления до величины не более 0.5 мкА.
TMP35 функционально совместим с LM35/LM45 и обеспечивает выходное напряжение 250 мВ при температуре 25°C. TMP35 измеряет температуру в диапазоне от 10°C до 125°C. TMP36 способен измерять температуру в диапазоне от -40°C до +125°C, обеспечивает на выходе напряжение 750 мВ при температуре 25°C, при этом при 2.7 В питании имеет максимальную рабочую температуру +125°C. TMP36 функционально совместим с LM50. TMP35 и TMP36 имеют коэффициент преобразования 10 мВ/°C. TMP37 предназначен для измерения температуры в диапазоне от 5°C до 100°C и имеет коэффициент преобразования 20 мВ/°C. TMP37 вырабатывает выходное напряжение 500 мВ при температуре 25°C. При 5 В питании с ухудшенной точностью приборы способны работать при температуре до 150°C.
Структурная схема TMP35, TMP36, TMP37:
Отличительные особенности:
· Диапазон напряжения питания от 2.7 до 5.5 В
· Откалиброваны в градусах Цельсия
· Коэффициент преобразования 10 мВ/C (20 мВ/C у TMP37)
· Типовая точность измерения температуры ±2C
· Типовая линейность характеристики преобразования ±0.5C
· Высокая емкостная нагрузочная способность
· Параметры определны для диапазона от -40C до +125C, максимальная рабочая температура +150C
· Ток покоя менее 50 мкА
· Потребление в дежурном режиме менее 0.5 мкА
· Низкий саморазогрев
Применение:
· Системы контроля параметров окружающей среды
· Термозащита
· Управление производственным процессом
· Пожарная сигнализация
· Системы слежения за состоянием источников питания
· Контроль температурного режима ЦП
TMP35/TMP36/TMP37 доступны в 3 выводных ТО-92, 8 выводных SOIC и 5 выводных SOT-23 корпусах для поверхностного монтажа.
Аналоговые температурные датчики TMP35, TMP36, TMP37
|
Характеристика |
Обозначение |
TMP35 |
TMP36 |
TMP37 |
|
|
Чувствительность, мВ/°С |
S |
10 |
10 |
20 |
|
|
Выходное напряжение при 25 °С, мВ |
V25 |
250 |
750 |
500 |
Градуировочная характеристика TMP35, TMP36, TMP37 в диапазоне температур от -40 до 125 С.
Выбор усилителя: AD820
Общее описание AD820
AD820 - прецизионный усилитель с входным каскадом на полевых транзисторах, который может работать от однополярного источника питания от 5 до 36 В или от двух полярного источника питания от ±2,5 до ±18 В. Прибор может работать от однополярного источника питания, имея при этом входной динамический диапазон с нижней отрицательной границей, что позволяет прибору работая от однополярного питания обрабатывать отрицательные входные сигналы. Выходной динамический диапазон прибора всего на 20 мВ меньше напряжения питания.
Напряжения смещения не более 800 мкВ, температурный дрейф не более 1 мкВ/°С, типовой ток смещения 25 пА и низкий уровень шумов обеспечивают превосходные статические параметры при работе от источников сигнала, имеющих выходной сопротивление до ГОм. Частота единичного усиления 1,8 МГц, THD=-93 дБ на частоте 10 кГц и скорость нарастания выходного сигнала 3 В/мкс обеспечиваются при токе потребления всего 800 мкА. Прибор может работать на емкостную нагрузку до 350 пФ и имеет максимальный выходной ток 15 мА. Это позволяет использовать прибор для работы на различные нагрузки. Превосходные статические и динамические характеристики и высокая нагрузочная способность делают прибор весьма привлекательным для использования в различной аппаратуре с однополярным питанием.
AD820 выпускается в двух модификациях (А и В) с различными параметрами и имеет индустриальный рабочий температурный диапазон от -40°C до +85°C. Прибор выпускается в 8- выводных DIP и SOIC корпусах.
Схема усилителя:
В данном случае, как видим, никаких минусов нет - фаза сигнала на входе и на выходе совпадает.
Амплитудно-частотная характеристика неинвертирующего усилителя:
Отличительные особенности усилителя AD820:
Однополярное питание:
Размещено на http://www.allbest.ru/
Выходной динамический диапазон, равный напряжению питания
Входной динамический диапазон имеет нижнюю границу ниже напряжения питания
Диапазон однополярного питания от 5 до 36 В
Диапазон двухполярного питания от ±2.5 до ±18 В
Превосходная нагрузочная способность:Размещено на http://www.allbest.ru/
Емкостная нагрузочная способность 350 пФ
Максимальный выходной ток не менее 15 мА
Превосходные динамические характеристики:Размещено на http://www.allbest.ru/
Ток покоя не более 800 мкА
Полоса единичного усиления 1,8 МГц
Скорость нарастания выходного сигнала 3 В/мкс
Превосходные статические характеристики:
Размещено на http://www.allbest.ru/
Входное напряжение смещения не более 800 мкВ
Температурный коэффициент дрейфа 1 мкВ/°С
Максимальный входной ток смещения 25 пА
Низкий уровень шумов:
Размещено на http://www.allbest.ru/
13 нВ/Гц-2
Применение:
· Прецизионная контрольно-измерительная аппаратура с линейным и автономным питанием
· Фотодиодные усилители
· Активные фильтры
· 12- и 14- битные системы сбора данных
· Медицинская аппаратура
· Низко потребляющие ИОН и стабилизаторы напряжения
Соотношения номиналов резисторов выбраны таким образом, что бы выполнялось условие балансировки
Коэффициент усиления данного каскада определяется выражением:
Выбор микроконтроллера
Микроконтрооллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) -- микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит оперативное запоминающее устройство и (или) постоянное запоминающее устройство.
В данном проекте предпочтение отдано МК из семейства AVR ATmega8 (корпус PDIP). AVR -- семейство восьмибитных МК фирмы Atmel, имеющих гарвардскую архитектуру. Разработано семейство в 1996 году.
Система команд МК AVR весьма развита и насчитывает в различных моделях от 90 до 133 различных инструкций. Большинство команд занимает только 1 ячейку памяти (16 бит) и выполняются за один такт. Всё множество команд микроконтроллеров AVR можно разбить на несколько групп:
· команды логических операций;
· команды арифметических операций и команды сдвига;
· команды операции с битами;
· команды пересылки данных;
· команды передачи управления;
· команды управления системой.
Управление периферийными устройствами осуществляется через адресное пространство данных. Для удобства существуют «сокращённые команды» IN/OUT.
Микроконтроллер ATmega8: 8-разрядный микроконтроллер с 8 Кб внутрисистемно программируемой Flash памяти
Рис.5. Внешний вид микроконтроллера ATmega8
низковольтовый температурный датчик термометр
Отличительные особенности:
1. Прогрессивная RISC архитектура
· 130 высокопроизводительных команд;
· 32 восьмиразрядных рабочих регистра общего назначения;
· Приближающаяся к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц) производительность;
· Встроенный 2-цикловый перемножитель.
2. Энергонезависимая память программ и данных
· 8 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash);
· Обеспечивает 1000 циклов стирания/записи;
· Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки;
· Обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write);
· 512 байт EEPROM;
· Обеспечивает 100000 циклов стирания/записи;
· 1 Кбайт встроенной SRAM;
· Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя.
3. Встроенная периферия
· Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения;
· Один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения;
· Счетчик реального времени с отдельным генератором;
· Три канала PWM;
· 6-канальный аналого-цифровой преобразователь (корпус PDIP);
· 4 канала с 10-разрядной точностью;
· 2 канала с 8-разрядной точностью;
· Байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс;
· Программируемый последовательный USART;
· Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый);
· Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором;
· Встроенный аналоговый компаратор.
4. Специальные микроконтроллерные функции
· Сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания;
· Встроенный калиброванный RC-генератор;
· Внутренние и внешние источники прерываний;
· Пять режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby и снижения шумов ADC.
5. Выводы I/O и корпуса
· 23 программируемые линии ввода/вывода;
· 28-выводной корпус PDIP.
6. Рабочие напряжения
· 4,5 - 5,5 В.
7. Рабочая частота
· 0 - 16 МГц.
Рис.6 Микроконтроллер ATmega8 (PDIP -корпус).
В данном проекте используются не весь широкий спектр возможностей микроконтроллера, а только малая ее часть:
· Один 10-разрядный канал АЦП, на который подается сигнал от усилителя. Питание АЦП внешнее и равно 5В.
· Порт В (SPI - интерфейс) для вывода информации на 7 - сегментный индикатор;
Рабочее напряжение микроконтроллера, как было уже замечено ранее, составляет 5В. Программирование МК произведено в среде AVR Studio 5 на языке C++.
АЦП микроконтроллера
В МК ATmega8 имеется 6 встроенных 10-битных АЦП. Т.е. входное напряжение от GND до AVcc будет линейно разбито на (210-1) частей. Минимальный код равен 0, максимальный 210-1 = 1023, отсюда шаг измерения: .
Напряжение на одном из входов измеряется относительно опорного напряжения UREF. Измеренное напряжение преобразуется в 10-битное число и сохраняется в регистрах ADCL и ADCH. ADCH - старший байт результата измерения, ADCL- младший байт результата измерения. В МК предусмотрено два режима работы: непрерывное и однократное преобразование. В непрерывном режиме АЦП периодически измеряет входное напряжение и по окончании преобразования записывает результат в регистры ADCL и ADCH. В режиме однократного преобразования каждое преобразование инициируется программой.
Для достижения полной 10-битной точности рекомендуется использовать частоты ниже 200кГц. Частоты выше 200кГц можно использовать, если точность не важна, а важна скорость. Например, при частоте 1МГц получается 8-битное разрешение, а при 2МГц - 6-битное.
Устройство визуализации: 7 - сегментный индикатор.
Для отображения цифровой информации температуры на базе микроконтроллера мы используем три последовательные светодиодные семисегментные индикаторы. Они просты в управлении, имеет высокую яркость, широкий диапазон рабочих температур и низкую стоимость. К недостаткам светодиодных индикаторов относятся - высокое энергопот-ребление, отсутствие управляющего контроллера и скудные возможности по выводу буквенной информации.
Светодиодный семисегментный индикатор представляет собой группу светодиодов расположенных в определенном порядке и объединенных конструктивно. Зажигая одновременно несколько светодиодов можно формировать на индикаторе символы цифр. Индикаторы различаются по типу соединения светодиодов - общий анод, общий катод, по количеству отображаемых разрядов - однораразрядные, двух разрядные и т.д. и по цвету - красные, зеленые, желтые и т.д.
На рисунке изображен внешний вид индикатора. Принято каждый сегмент индикатора обозначать латинской буквой: a, b, c, d, e, f, g. Точка обозначается буквой h.
Семисегментным индикатором можно управлять статически или динамически. При статическом управлении разряды индикатора подключены к микроконтроллеру независимо друг от друга и информация на них выводится постоянно. Этот способ управления проще динамического, но без использования дополнительных элементов, как-то сдвиговые регистры, подключить многоразрядный семисегментный индикатор к микро-контроллеру будет проблематично - может не хватить выводов.
Динамическое управление (динамическая индикация) подразумевает поочередное зажигание разрядов индикатора с частотой, не воспринимаемой человеческим глазом. Схема подключения индикатора в этом случае на порядок экономичнее благодаря тому, что одинаковые сегменты разрядов индикатора объединены.
Для нашего случая выбираем 7- сегментный индикатор типа FYS-23011 BS-21, 660 nm; 20 мКд;
Размеры (голова) (д*ш*в), мм: 69,7*12*47,8;
Цвет излучения: красный;
Формат: 2,3 дюйма.
Алгоритм работы термометра: алгоритм работы реализованного термометра представлена ниже.
ДА
НЕТ
Заключение
В данном курсовом проекте был разработан интегральный термометр, позволяющий снимать температуру датчиком температуры ТМР37, обрабатывать полученную информацию и выводить результат измерений в цифровом виде на экран 7 - сегментного индикатора.
В ходе проектирования были разработаны структурная и принципиальная электрическая схемы и алгоритм работ для микроконтроллерной системы.
Таким образом, разработанный интегральный термометр является компактным, переносным устройством, дающим точную информацию о температуре, что позволяет расширить возможности измерений.
Список использованных источников
1. http://temperatures.ru/pages/termoelektricheskie_termometry
2. http://www.atmel.com/ru/ru/Microsite/atmel_studio6/
3. http://www.stas633.narod.ru/AVR/Datasheet/ADC_ATmega8_RUS.htm
4. http://cert.obninsk.ru/gost/891/891.html
5. http://eldigi.ru/articles/proteus
6. http://zpostbox.ru/operatsionny_usilitel.html
7. http://www.5v.ru/ds/trnz/kt3107.htm
8. http://katod-anod.ru/articles/2
9. Лекции по курсу «Аналоговые устройства»
10. Лекции по курсу «Узлы и элементы биотехнических систем»
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Расчеты
Выбор значения и номинала резисторов R3 - R10:
Номинал резистора: R=117кОм
Расчет значения коэффициента усиления:
Расчет параметров транзистора:
Выбираем транзистор КТ3107 (кремниевый транзистор, p-n-p):
|
ТИП |
Uкэ.нас, |
Iкmax(и), |
в |
||
|
КТ3107А |
50 |
100(200) |
70-140 |
Номинал резистора Rтранз: R=2.4кОм
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Классификация датчиков по принципу преобразования электрических и неэлектрических величин, виду выходного сигнала. Принцип действия тепловых датчиков, его основание на тепловых процессах. Термопреобразователи сопротивления, манометрические термометры.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 08.10.2012Выбор измерительных датчиков. Особенности монтажа термометра сопротивления на трубопроводе. Разработка схемы преобразователя расхода газа с коррекцией по температуре и давлению газа. Выбор и работа микроконтроллера. Расчет элементов блока питания.
курсовая работа [789,0 K], добавлен 20.02.2015Последовательность сбора инвертирующего усилителя, содержащего функциональный генератор и измеритель амплитудно-частотных характеристик. Осциллограмма входного и выходного сигналов на частоте 1 кГц. Схема измерения выходного напряжения, его отклонения.
лабораторная работа [2,3 M], добавлен 11.07.2015Фильтр нижних частот (ФНЧ). Максимальная амплитуда прямоугольного сигнала на выходе ФНЧ. Описание фильтра верхних частот (ФВЧ) в частотной и временной областях. Максимальная скорость нарастания сигнала на выходе ФВЧ. Полное входное сопротивление.
лабораторная работа [1,7 M], добавлен 25.04.2013Измерение температуры с помощью мостовой схемы. Разработка функциональной схемы измерения температуры с применением термометра сопротивления. Реализация математической модели четырехпроводной схемы измерения температуры с использованием источника тока.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 19.09.2019Особенности проектирования электрического аппарата на базе микропроцессора, способного измерять, регулировать температуру в заданном диапазоне температур. Обзор температурных датчиков. Обоснование выбора. Методы электрического расчета электронагревателей.
дипломная работа [1,3 M], добавлен 21.09.2010Общая характеристика технологий, конструктивных особенностей, принципов работы и практического применения волоконно-оптических датчиков. Описание многомодовых датчиков поляризации. Классификация датчиков: датчики интенсивности, температуры, вращения.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 20.06.2012Выбор и обоснование структурной схемы усилителя гармонических сигналов. Необходимое число каскадов при максимально возможном усилении одно-двухтранзисторных схем. Расчет выходного каскада и входного сопротивления транзистора с учетом обратной связи.
курсовая работа [692,9 K], добавлен 28.12.2014Анализ модели температуры в радиально бесконечном пласте. Моделирование давления и температуры сигнала, связанного с переменной скоростью. Определение сигнала температуры отдельного слоя связанного с постоянной скоростью добычи слабо сжимаемой жидкости.
курсовая работа [770,7 K], добавлен 20.02.2021Нахождение параметров нагрузки и количества каскадов усилителя. Статический режим работы выходного и входного множества. Выбор рабочей точки транзистора. Уменьшение сопротивления коллекторного и эмиттерного переходов при использовании ЭВМ-моделирования.
курсовая работа [3,1 M], добавлен 29.01.2011
