Проектуваннявимірювальної системи температури
ІНДИВІДУАЛЬНЕЗАВДАННЯ
на курсовийпроект з дисципліни "/>Інформаційно-вимірювальнісистеми"
Розробити системуінформаційно–вимірювальну систему температури1 Кількість вимірювальних каналів 6 2 Діапазон вимірювання температури
-50/>С…+150/>С 4 Похибка 2% 5 Інтерфейс для зв’язку з ПЕОМ RS485
Анотація
В даномукурсовому проекті розроблена інформаційно-вимірювальна система для визначення температури.
Проведено аналізтехнічних параметрів системи, що проектується, здійснено огляд можливихваріантів вирішення задачі та вибрано принцип роботи автоматизованої системи набазі мікроконтролера фірми Texas Instruments, MSP430F149. В даному курсовому проекті розробленаелектрична і структурна схема ВС, проведено розрахунок основних елементівсхеми, розраховані похибки.
В додаткахнаведена електрична принципова схема і перелік елементів.
Вступ
Температура належить доодного з найважливіших технологічних параметрів, від точності вимірювання якихзалежить ефективність багатьох технологічних процесів. Температурні вимірюванняпроводяться в багатьох галузях промисловості, зокрема, в металургійній,приладобудівній, хімічній тощо. Інтенсивність перебігу хімічних реакцій, умовисушіння й формування виробів, розплавлення й зварювання матеріалів та іншевизначає температура.
Слово „температура”походить від латинського temperatura – нормальний стан. Це фізична величина,яка характеризує стан термодинамічної рівноваги системи. Температура всіхчастин ізольованої системи, яка знаходиться в рівновазі, однакова. Якщо системане знаходиться в рівновазі, то між її частинами, які мають різну температуру,проходить теплообмін. Температура, яка знаходиться в тепловій рівновазі, прийнятогоза нульовий.
Вимірюють температурутермометрами на основі залежності яких-небудь властивостей тіла (об'єму,електричного опору і т.п.) від температури.
Її вимірюють рідиннимиабо газовими термометрами, які відповідно градуюють. Висока температуравимірюється оптичними термометрами (за спектром випромінювання) абоелектричними термометрами (напівпровідникові термістори, термопари).
У міжнародній шкалітемператур за нуль прийнята температура танення льоду при нормальномуатмосферному тиску, за 100о – температура парів кипіння води принормальному атмосферному тиску.
Позначається t oC(Цельсія).
Цельсій А. (1701-1744) –шведський астроном і фізик, який запропонував температурну шкалу, в якій 1градус (1 оС) дорівнює 1/100 різниці температур кипіння води ітанення льоду при атмосферному тиску. Позначається t oC.
Але, за Міжнародноюсистемою одиниць СІ, яка є міжнародно прийнятою і використовується в усьомусвіті, яку позначають символом Т і виражають в кельвінах (позначення К).Найменування дано по імені англійського вченого В. Кельвіна (1824-1907).
Температурні шкалиКельвіна і Цельсія пов’язані формулою
Т = (273,15+ t)K.
Абсолютний нуль заміжнародною шкалою дорівнює –273,15 оС (Цельсія).
В рішенні Міжнародногокомітету мір і ваги шкала Кельвіна признана основною. Також, розрізняють щешкали за початковими точками відліку і розміром одиниці температури, якувикористовують:
оR — шкала Реомюра, 1оR = 1,25 оС;
оF — шкала Фаренгейта, 1оF = 5/9 оС.
1. Технічне обґрунтування варіанту реалізації системивимірювання температури
Інформаційно–вимірювальноюсистемою називається сукупність апаратних та програмних засобів призначений дляпредставлення необхідної вимірювальної інформації.
Вимірюваннятемператури може здійснюватися різними методами. Кожний метод має своїособливості, які визначаються як принципом, так і засобами вимірювання тасхемами їх підключення. Крім того, при вимірюванні температури, необхідновраховувати взаємодію між термоперетворювачем і середовищем.
1.1 Термоелектричніперетворювачі
Термопара – термочутливийелемент в пристроях для вимірювання температури, системах управління іконтролю. Складається з двох послідовно з’єднаних (спаяних) між собоюрізнорідних провідників або напівпровідників.
Для вимірюваннятермо-е.р.с., яку розвиває термопара, в її коло вмикають вимірювальний прилад(мілівольтметр, компенсатор)
Вимірювання температуриза допомогою термопар грунтується на наявності певної залежності міжтермоелектрорушійною силою (термо-е.р.с), яка виникає в колі, складеному зрізнорідних провідників, і температурою місць з’єднання цих провідників. Термо-е.р.свиникає завдяки наявності в металах вільних електронів, концентрація яких урізних металах неоднакова. У місцях спаювання двох термоелектродів електрони зодного металу дифундують у другий.
Для вимірювання термо-е.р.с,яку розвиває термопара, в її коло вмикають вимірювальний прилад. На рисунку 1зображено основні схеми увімкнення термопар. Найчастіше застосовують схему,зображену на рисунку 1.1, а. Диференціальну термопару (рисунок 1.1, б)використовують для вимірювання різниці температур.
Діапазонтемператур, які можна вимірювати термопарами, дуже великий: від температури, щолежить в колі абсолютного нуля, до температур, за яких тільки небагато зречовин лишаються твердими.
/>
а) б)
Рисунок 1.1 –Основні схеми увімкнення термопар:
а- увімкненнявимірювального приладу в холодний спай;
б – диференційнатермопара
Ниністандартизовано п’ять типів термопар, градуйовані таблиці яких наведено вміждержавному стандарті ГОСТ 3044-84. Основні дані цих термопар зведені в таблиці1.
Для вимірюваннявисоких температур використовують термопари типів ТПП, ТПР і ТВР. Термопари ізблагородних металів (ТПП і ТПР) використовують при вимірюваннях з підвищеноюточністю. В інших випадках використовують термопари із неблагородних металів (ТХА,ТХК).
Таблиця 1 – Типитермопар та їх характеристикиТип термопари
Матеріал
термоелектрода
Діапазон вимірюваних
температур, оС
ВР
ПР
ПП
ХА
ХК
Вольфреній-
вольфрам-реній
Платинородій-
платинородій
Платинородій-платина
Хромель-алюмель
Хромель-копель
0 – 1800
300 – 1600
0 – 1300
-50 – 1000
-50 – 600
1.2 Термометри опору
Термометри опору– прилади для вимірювання температури, дія яких основана на зміні електричногоопору металів і напівпровідників від зміни температури. Вони широко застосовуютьсядля вимірювання температури в діапазоні від –260 0до 750 0С.В деяких випадках вони можуть бути застосовані для вимірювання температури до1000 оС.
Дія термометрівопору основана на властивості речовини змінювати свій електричний опір призміні температури. При вимірюванні температури термометр опору занурюють всередовище, температуру якого потрібно визначити. Знаючи залежність опорутермометра від температури можна за зміною опору термометра робити висновок протемпературу середовища, в якому він знаходиться. При цьому необхідно мати наувазі, що довжина чутливого елемента у більшості термометрів складає декількасантиметрів, і тому при наявності температурних градієнтів в середовищітермометр опору вимірює деяку середню температуру тих шарів середовища, в якихзнаходиться його чутливого елементу. Термометр опору з чистих металів, який одержав найбільшерозповсюдження, виготовляють звичайно у вигляді обмотки з тонкої проволоки наспеціальному каркасі з ізоляційного матеріала. Для того, щоб запобігти відможливих механічних ушкоджень та дії середовища, температура якого вимірюєтьсятермометром, чутливий елемент його вміщують в спеціальну захисну гільзу.
До числа якостейметалічного термометра опору слід віднести:
- високу степінь точностівиміряної температури;
— можливістьвипуску вимірювальних приладів до них зі стандартною градуйованою шкалоюпрактично на будь-який температурний інтервал в діапазоні допустимоготемпературного застосування термометрів опору;
— можливістьцентралізованого контролю температури шляхом приєднання декількох взаємодіючихтермометрів опору через перемикач до одного вимірювального приладу;
— можливістьвикористовування їх з інформаційно-розрахунковими машинами.
Напівпровідниковітермометри опору, як показує практика їх застосування, можуть бути використанідля вимірювання температури від 1,3 до 400 К. В практиці технологічногоконтролю вони в порівнянні з металевими знаходять менше застосування, так яквимагають індивідуального градуювання.
Опір термометрівв промислових умовах вимірюється мостами або логометрами. Незрівноважені мостивикористовують рідко із-за таких недоліків, як нелінійної градуювальноїхарактеристики, залежності їх показань від значення напруги живлення. Найбільшепоширення одержали зрівноважені мости, в плечі яких вмикають термометри опору(рисунок 1.2).
Умовою рівновагимостової схеми є рівність добутків опорів протилежних плеч
R1· R3 = R2 · Rt . (2)
Недолікомодинарної мостової схеми є додаткова похибка, яка вноситься опорамипровідників, якими термометр опору підключається до мостової схеми.
При зміні температури навколишнього середовищазмінюється і опір цих провідників, що не дає можливості компенсувати вказанупохибку. Для зниження цієї похибки використовують трипровідну схему підключеннятермометрів опору. В цьому випадку опори проводів виявляються не в одному, а врізних плечах моста і тому їх вплив суттєво зменшується. При симетрії моста їхопори віднімаються.
/>
Е ВП/>
to
Рисунок 1.2 –Мостова схема включення термометра опору
Величинапорушення цієї умови рівноваги фіксується вимірювальним приладом ВП.
1.3 Манометричнітермометри
Манометричнітермометри використовують для вимірювання температур рідких і газових середовищу діапазоні від 0 до +600оС.
Принцип діїприладів заснований на використанні залежності зміни тиску робочої рідини,насиченого пару або газу при постійному обсязі від температури об'єкта.
В залежності віднаповнювача, що заповнює всю термосистему (термобалон, капіляр і дошкульнийелемент), манометричні термометри діляться на газові, парорідинні і рідинні.
Газові приладизаповнюють інертним газом — азотом або аргоном, парорідинні — рідинами, щонизько киплять, (ацетон, фреон), пари яких при що вимірюється температурічастково заповнюють термобалон, рідинні — кремній органічної рідиною. Шкаламанометричних газових і рідинних термометрів рівномірна; в парорідиннихтермометрів шкала нерівномірна в першій третині шкали.
До переваг манометричних термометрів відносяться малаінерційність вимірювань і вибухонебезпечність, до недоліків — низькаремонтоздатність в умовах заводу, особливо при виході з ладу чутливого елементаабо капіляра, відповідно низький клас точності.
2.Розробка структурної схеми системи вимірювання температури
2.1 Вибіроптимального варіанту структурної схеми
В даномупункті курсової роботи розробляється структурна схема інформаційно-вимірювальноїсистеми вимірювання температури. Буде розглянуто три варіантаструктурних схем, порівняно їх між собою за шістьма критеріями, короткоохарактеризовано кожну та обрано оптимальну структурну схему, на основі якоїбуде розроблена інформаційно-вимірювальна система. При виборі оптимальноїструктурної схеми слід враховувати кількісні та якісні характеристики кожної зних, а саме швидкодію, надійність, простоту реалізації, низьку собівартість,точність. Розглянемо першу структурну схему, яка приведена на рисунку 2.1.
/>
Рисунок 2.1 –Перший варіант реалізації структурної схеми системи для визначення температури
Позначення насхемі:
T/U – первиннийвимірювальний перетворювач температури в напругу;
U/U – вториннийвимірювальний перетворювач підсилювач напруги;
/> МХ – мультиплексор;
–аналого-цифровий перетворювач — це функціональний пристрій, призначений дляперетворення аналогової величини, а в даному випадку постійної напруги вцифровий код;
MCU –мікроконтролер;
USART/RS485 –прилад який призначений для перетворення інтерфейсу з USART в RS485;
РС – персональнийкомп’ютер, або інша обчислювальна машина.
Принципроботи вимірювальної системи полягає в наступному: по шести каналам проводятьсявимірювання шести різних рівнів температури. На вхід первинного перетворювачапоступає температура, яка перетворюється в напругу, після чого вторинний перетворювачпідсилює дану напругу, яка подається на мультиплексор. З мультиплексораінформація потрапляє на АЦП, де перетворюється з аналогового сигналу в цифровийкод. Інформація з АЦП знімається мікроконтролером і за допомогою інтерфейсуобміну даних передається на ПК.
Данасхема забезпечує високу точність вимірювання, але має невисоку швидкодію тавеликі габарити, а також має достатньо високу собівартість.
Реалізацію другоїструктурної схеми представлена на рисунку 2.2
/>
Рисунок 2.2 –Другий варіант реалізації структурної схеми системи для вимірювання температури
Позначенняна схемі:
T/U – первиннийвимірювальний перетворювач температури в напругу;
/>U/U – вторинний вимірювальнийперетворювач підсилювач напруги;
–аналого-цифровийперетворювач — це функціональний пристрій, призначений для перетворення аналоговоївеличини, в даному випадку постійної напруги в цифровий код;
MCU –мікроконтролер;
USART/RS485 –прилад який призначений для перетворення інтерфейсу з USART в RS485;
РС – персональнийкомп’ютер, або інша обчислювальна машина.
Принципвимірювального перетворення в наведеній схемі такий же як і в попередній з тієюлише різницею що перетворений сигнал з кожного вимірювального каналу відразуподається на окремий АЦП. З АЦП вимірювальна інформація знімаєтьсямікроконтролером і за допомогою інтерфейсу передачі даних передається на ПК.
Наведена системамає високу швидкодію, але в той же час підвищується її собівартість через те щов даній схемі використовується велика кількість АЦП з однаковими параметрами.Виготовлення АЦП з однаковими параметрами є досить складним і дорогим процесом.
Третя структурна схема приведена на рисунку2.3.
/>
Рисунок 2.3 – Третій варіант реалізаціїструктурної схеми системи для вимірювання температури
Позначенняна схемі:
V/^ – датчик,призначений для вимірювання температури;
/>МХ – мультиплексор;
–аналого-цифровий перетворювач — це функціональний пристрій, призначений дляперетворення аналогової величини, в даному випадку постійної напруги в цифровийкод;
MCU –мікроконтролер;
USART/RS485 –прилад який призначений для перетворення інтерфейсу з USART в RS485;
РС – персональнийкомп’ютер, або інша обчислювальна машина.
Принципроботи наведеної схеми полягає в тому що вимірювана величина вимірюється іперетворюється в аналоговий сигнал за допомогою спеціального датчика, потімподається на мультиплексор. З мультиплексора інформація потрапляє на АЦП, деперетворюється з аналогового сигналу в цифровий код. Інформація з АЦПзнімається мікроконтролером і за допомогою інтерфейсу обміну даних передаєтьсяна ПК.
Дана схема маєвисоку швидкодію, зменшує габаритність системи, але підвищується її собівартістьза рахунок первинних датчиків.
Для того, щоб порівняти вище наведеніструктурні схеми занесемо основні параметри системи до таблиці і порівняємо(таблицю 2.1).
Таблиця 2.1 –Порівняння структурних схемПараметр І II ІІI Ідеальна система Простота реалізації 1 1 Надійність 1 1 1 Точність 1 1 1 1 Швидкодія 1 1 1 Собівартість 1 1 Габаритність 1 1 1
Σ Еі 3 3 5 6
Σ0 = Σ Еі/ Σ Еіс 0,5 0,5 0,83 1
Обчислимо узагальнений коефіцієнт якості, якийзнаходиться за наступною формулою:
/> . (2.1)
Узагальненийкритерій якості першої схеми:
/> .
Узагальненийкритерій якості другої схеми:
/> .
Узагальненийкритерій якості третьої схеми:
/>
Як бачимо зрозрахунків, критерій якості третьої схеми більший, ніж для інших структурнихсхем. Виходячи зцих розрахунків можна зробити висновок, що для поставленої нами задачі більшепідходить структурна схема, представлена на рисунку 2.3.
Отже, мизапропонували оптимальний варіант структурної схеми. Використаємо цю схему дляпобудови електричної принципової схеми системи, що розробляється.
2.2 Оптимальнийваріант структурної схеми
На основі попередніх дослідженьпроведених вище. Ми зробили
висновок, що наша системабуде розроблятися за такою схемою як зображена на рисунку 2.3. Системапобудована за такою схемою матиме найкращі технічні характеристики тазадовольнятиме технічним вимогам поставленим в завданні (рисунок 2.4).
/>
Рисунок 2.4 – Структурна схема системи длявимірювання температури
Отже,інформаційно – вимірювальна система вимірювання температури матиме вигляд :
Т/^ – датчик,призначений для вимірювання температури;
Мх –мультиплексор;
/>– аналого-цифровий перетворювач — цефункціональний пристрій, призначений для перетворення аналогової величини, вданому випадку постійної напруги в цифровий код;
MCU –мікроконтролер;
USART/RS485 –прилад який призначений для перетворення інтерфейсу з USART в RS485;
РС – персональнийкомп’ютер, або інша обчислювальна машина.
Розглянемодетальніше переваги і роботу системи для вимірювання температури. Обрана схема має рядпереваг над попередніми, головною перевагою даної реалізації схеми є простота вреалізації схеми, для розробки цієї схеми ми затратимо набагато меншеконструкторських зусиль, але це призвело до того, що більшої уваги прийдетьсязатратити на написання програмного забезпечення і забере більше часу упрограмістів для реалізації програмування мікроконтролера. Але, завдяки того,що дана схема має малу кількість комплектуючих деталей вона є більшзавадостійкою, як наслідок отримання реального сигналу спрощується. Це в своючергу призводить до того, що точність та надійність цієї системи збільшується.А також дана схема має набагато менше енергоспоживання ніж вище розглянуто.
Теперрозглянемо роботу системи для визначення температури. Після того як датчики длявизначення температури підключені до живлення вони починають вимірювати температурув середовищі, де вони безпосередньо знаходяться і під дією зовнішніх факторівпочинають формувати аналоговий сигнал. Після того, як з персональногокомп'ютера буде поданий запит про стан того чи іншого датчика, мікроконтролерподає сигнал мультиплексору про підключення того чи іншого вимірювальногоканалу, далі аналоговий сигнал з будь-якого датчика подається на АЦП, деаналоговий сигнал перетворюється в цифровий код і потім подається на мікроконтролер.Далі мікроконтролер обробляє ці дані і через блок гальванічної розв'язкипередає на перетворювач інтерфейсів інформацію формату інтерфейсу USART,перетворювач міняє формат даних в зручну для порту RS – 485, яким обладнанийкомп’ютер, вже підготовлену кодову інформацію комп’ютер в свою чергурозшифровує її і подає в зручній для оператора формі або на пристрої контролю,які можуть керувати процесом і надалі при будь-яких критичних ситуаціях. Щеважливим блоком структурної схеми є блок гальванічної розв'язки, який виконуєроль буфера між мікроконтролером та перетворювачем інтерфейсу, і призначенийдля захисту порту персонального комп'ютера від потужних завад, які можутьпризвести до випалення порту ЕОМ. Завдяки цьому блоку значно підвищуєтьсязавадостійкість надійність системи.
3. Розробкаелектричної принципової схеми системи вимірювання температури
3.1 Вибірмікроконтролера
На основі розробленої,структурної схеми системи вимірювання температури, виконана розробкаелектричної принципової схеми вимірювальної системи.
Для виконанняпоставленої задачі ми обираємо мікроконтролер типу MSP430F149, який здійснюєосновні функції управління, збору і передачі інформації, схема ввімкнення якогопредставлена на рисунку 3.2.
Мікроконтролермає: наявність процесора або арифметико-логічного пристрою, оперативноїпам’яті, портів введення-виведення та інших периферійних засобів. Головнимкритерієм яким ми будемо керуватись є те, що для поставленої задачі нампотрібно вибрати такий мікроконтролер, який би мав невисоке енергозпоживання тав разі збою роботи головного сервера (комп’ютера) зміг би забезпечити роботулокальної вимірювльної системи.
Найбільшими виробникамимікроконтролерів в світі є Atmel Corporation, Texas Instruments&MAXIM,Analog Devices, Microchip. Менш потужними є Intel, Winbond, Scenix, Motorola.Компанія Texas Instruments розробила й серійно випускає сімействомікроконтролерів MSP430, що задовольняє вимоги найвимогливішого розроблювачапристроїв на мікроконтролерах. Розглянемо модулі та периферійні пристроїмікроконтролера MSP430F149. Представимо узагальнений огляд кожного модуля йпериферійного пристрою вибраного нами мікроконтролера.
Сімейство MSP430має наступні ключові особливості:
Архітектура знаднизьким споживанням, що збільшує час роботи при
живленні відбатарей:
- для збереження вмісту ОЗУнеобхідний струм не більше 0,1 мкА;
- модуль тактування реальногочасу споживає 0,8 мкА;
— струмспоживання при максимальній продуктивності становить 250 мкА;
Високоякіснааналогова периферія для виконання точних вимірів:
— убудованімодулі 12-розрядною або 10-розрядного АЦП швидкістю 200 ksps;
— є температурнийдатчик і джерело опорної напруги URef;
— здвоєний12-розрядний ЦАП;
— таймери,керовані компаратором для виміру резистивних елементів;
— схемаспостереження (супервізор) за напругою живлення;
16-розрядне RISCCPU, що допускає нові додатки до фрагментів коду:
— великийрегістровий файл знімає проблему «вузького файлового горлечка»;
— компактне ядромає знижене енергоспоживання й вартість;
— оптимізованедля сучасного високорівневого програмування;
— набір командскладається з 27 інструкцій, підтримується сім режимів адресації;
— розширеніможливості векторних переривань;
Можливістьвнутрішньо схемного програмування Flash-пам'яті дозволяє гнучко змінювати йобновляти програмний код, робити реєстрацію даних.
Допоміжнанизькочастотна система тактування (ACLK) працює безпосередньо від звичайного 32кГц годинного кристалу. Модуль ACLK може використатися як фонова системареального часу з функцією самостійного «пробудження». Інтегрованийвисокошвидкісний осцилятор із цифровим керуванням (DCO) може бути джереломосновного тактування (MCLK) для ЦПУ й високошвидкісних периферійних пристроїв.Модуль
DCO стає активнимі стабільним менш ніж через 6 мкс після запуску. Вирішення на основіархітектури MSP430 дозволяють ефективно використати високопродуктивне16-розрядне CPU у дуже малі проміжки часу: низькочастотна допоміжна систематактування забезпечує роботу мікроконтролера в режимі ультранизького споживанняпотужності; активізація основного високошвидкісного модуля тактування дозволяєвиконати швидку обробку сигналів.
/>
Рисунок 3.1- Архітектура MSP430
Периферійнімодулі відображаються в адресному просторі. Адреси зарезервовані для16-розрядних периферійних модулів, вони доступні за допомогою команд-слів. Якщовикористаються однобітні команди, то припускаються лише парні адреси, при цьомустарший біт результату завжди буде містити «0». Читання бітів модулів задопомогою команд приведе до появи в старшому біті непередбаченого вмісту. Якщов біт модуля будуть записуватися дані у вигляді слова, то в регістріпериферійного модуля збережеться тільки молодший біт цього слова, старший будепроігнорований.
При включеннімікроконтролера вивід RST/NMI конфігурується як вивід скидання. Йогофункціональне призначення визначається в регістрі керування сторожовим таймеромWDTCTL. Якщо вивід RST/NMI запрограмований на функцію скидання, центральнийпериферійний пристрій буде перебувати в стані скидання доти, поки на цьомувиводі присутній сигнал низького рівня. Після зміни рівня на цьому вході нарівень «1», центральний периферійний пристрій починає виконувати програму з команди,адреса якої зберігається у векторі скидання.
Універсальнийсинхронно — асинхронний прийомо — передавач (USART) периферійний інтерфейспідтримує два послідовних режими в одному апаратному модулі. В асинхронномурежимі USART підключає MSP430 до зовнішньої системи через два зовнішніх виводи:URXD й UTXD. Режим UASRT має наступні особливості:
— 7- або8-розрядні дані з перевіркою парності/непарності й без контролю парності;
— незалежнірегістри передачі й прийому;
— роздільнібуферні регістри передачі й прийому;
— передача йприйом починаються з молодшого біта даних ;
— вбудованікомунікаційні протоколи вільної лінії й адресного біта для багатопроцесорнихсистем;
— визначення вприймачі стартового фронту сигналу для автоматичного пробудження з режимів;
— програмувальнашвидкість передачі з модуляцією для підтримки дробових величин швидкостей;
— прапори статусудля виявлення помилок, блокування й визначення адреси;
— можливінезалежні переривання для прийому й передачі.
Модуль АЦП являєсобою високоефективний 12-розрядний аналого-цифровий перетворювач. Модуль АЦП12забезпечує швидкі 12-розрядні
аналого-цифровіперетворення. Модуль має 12-розрядне ядро, схему вибірки, опорний генератор ібуфер перетворення й керування. Буфер перетворення й керування дозволяєодержувати й зберігати до 16 незалежних вибірок АЦП
без втручанняЦПП. АЦП 12 має наступні особливості:
— максимальнашвидкість перетворення понад 200 ksps ;
— монотонний12-розрядний перетворювач без кодів помилок;
— вибірка йзберігання із програмувальними періодами вибірки, обумовленими програмнимзабезпеченням або таймерами;
— перетворенняініціалізується програмним забезпеченням, таймером А або таймером В;
— програмно-обраний інтегрований генератор опорної напруги (1,5В або 2,5В);
— програмнообране внутрішнє або зовнішнє опорне джерело;
— вісіміндивідуально конфігуруючих зовнішніх вхідних каналів;
— каналиперетворення для внутрішнього температурного датчика, AVCC і зовнішніх опорнихджерел;
— незалежніопорні джерела, що задають шляхом вибору каналу, для обох позитивних інегативних опорних джерел;
— джерелотактування перетворень;
— одноканальний,повторний одноканальний, послідовний і повторно-послідовний режимиперетворення;
— ядро АЦП йопорна напруга можуть вимикатися роздільно;
— регістр векторапереривань для швидкого декодування 18 переривань АЦП ;
— 16 регістрівзберігання результату.
Дванадцятирозряднеядро АЦП перетворює аналоговий вхідний сигнал в 12-розрядне цифрове подання йзберігає результат у пам'яті перетворень.
Ядро використаєдва програмно — обраних рівні напруги (VR+ й VR-) для задавання верхньої йнижньої меж перетворення. На цифровому виході
(NADC)представлена повна шкала, коли вхідний сигнал дорівнює або вище VR+, і нуль,коли вхідний сигнал дорівнює або нижче VR-. Вхідний канал й опорні рівнінапруги (VR+ й VR-) задаються в пам'яті керування перетвореннями. Формулаперетворення для результату АЦП NADC виглядає в такий спосіб:
/> (3.1)
Ядро АЦП 12конфігурується двома керуючими регістрами: ADC12CTL0 й ADC12CTL1. Ядровключається бітом ADC12ON. Якщо ADC12 не використовується, для збереженняенергії воно може бути виключено. Біти керування АЦП12 можуть бутимодифіковані, тільки коли ENC=0. ENC повинен бути в стані логічної «1» передвиконанням будь-якого перетворення.
Вісім зовнішніх ічотири внутрішніх аналогових сигнали вибираються як канал для перетворенняаналоговим вхідним мультиплексором. Вхідний мультиплексор має типbreak-before-make (розрив перед включенням), що зменшує інжекцію шумів відканалу до каналу, що виникає при перемиканні каналів. Вхідний мультиплексортакож є Т-перемикачем, що мінімізує взаємозв'язок між каналами. Невибраніканали ізольовані від АЦП, а проміжний вузол підключений до аналогової землі(AVSS), тому паразитна ємність заземлюється, що допомагає усувати перехресніперешкоди.
АЦП використовуєметод перерозподілу заряду. Коли входи внутрішньо перемикаються, перемиканняможе привести до перехідних процесів на вхідному сигналі. Ці перехідні процесизагасають і встановлюються до появи помилкового перетворення.
Відмінними рисамимікроконтролерів MSP430 є висока якість виготовлення, невелика кількістьапаратних та програмних помилок та наднизьке енегроспоживання
Основніхарактеристики MSP430F149:
— об’ємFlash-пам’яті 60 Кбайт;
— об’ємоперативної пам’яті 2 Кбайт;
— напругаживлення 1.8 — 3.6 V;
— низькеспоживання струму: 280 mk, 1MHz, 2.2 V, 2.5 mk, 4 kHz, 2.2V;
— п'ять режимівзниження споживання струму: LPM0-LPM4 (30 mk — 0.8 mk);
— повернення вробочий режим за 6 mk;
— 16-бітова RISCархітектура, час виконання інструкції — 125 nS;
— єдний 32 кГцкерамічний резонатор, внутрішня системна частота — до 3.3 МГц;
— 16-бітовийтаймер з 6 регістрами спостереження/порівняння;
— 16-бітовийтаймер з 3 регістрами спостереження/порівняння;
— вбудованийкомпаратор;
— 12 розряднийАЦП із джерелом опорної напруги;
— сторожовийтаймер ( 16 біт );
— порти вводу-виводу: 32 ліній;
— два апаратнихнезалежних послідовних порта введення- виведення USART;
— послідовнепрограмування ( JTAG );
— корпус: 64 QFP.
Функціональнасхема мікроконтролера MSP430F149 представлена на рисунку 3.2.
/>
Рисунок 3.2 –Схема підключення мікроконтролера MSP430F149
Перевагами їх єшироко розвинута периферія, ідеально підходять для керуванням технологічнимипроцесами.
До виводів XIN, XOUT мікроконтролера підключається кварцевий резонаторZQ, який задає частоту роботи контролера. Таке підключення дозволяє дуже точнозадати тактову частоту мікроконтролера (розсіювання
частот зазвичайстановить не більше 0,01%). Такий рівень точності необхідний для організаціїінтерфейсу мікроконтролера з іншими пристроями. Номінали ємностей конденсаторівв даній схемі підключення визначаються виробником мікроконтролера дляконкретної резонансної частоти кварца. При використанні малих ємностей тактовіімпульси будуть мати кращу форму, оскільки при підключені дуже великої ємностіце призведе до деградації форми імпульсів і мікроконтролер не буде запускатися.Запуск мікроконтролера повинен відбуватись лише тоді, коли встановиласьнеобхідна напруга живлення. Для цього використовують вивід RESET (скиданнямікроконтролера в початковий стан).
3.2 Вибірперетворювача рівня сигналу
Процес передачі між інформаційно — вимірювальною системою і персональнимкомп’ютером здійснюється за допомогою інтерфейсу RS — 485.
При проектуванні системи на базі технічних засобів, слід враховувати рядважливих факторів: кількість передавачів і приймачів, швидкість передачі данихта відстань обміну даними. За допомогою інтерфейсу RS 485 можна передавати код,як в послідовному так і в паралельному форматі. У 99% випадків передача данихвідбувається у послідовному форматі. Інтерфейс RS-485 (інша назва — EІ/TІ-485)- один з найбільш розповсюджених стандартів фізичного рівня зв'язку. Згідностандарту на інтерфейси RS-485, RS-422, драйвер інтерфейсу не повинен виходитиз ладу при закороченні будь-якого із сигнальних дротів на шину живлення або наземлю. Також згідно стандарту всі драйвери цих інтерфейсів повинні мати захиствід перегріву і автоматично вимикатись при нагріві 150 0С.
Мережа,побудована на інтерфейсі RS-485, являє собою прийомо-передавач з'єднаний задопомогою витої пари — двох скручених проводів. В основі інтерфейсу RS-485лежить принцип диференціальної (балансової) передачі даних. Отже длявикористовуваного в даному курсовому проекті інтерфейсу RS-485. Цифровий вихідприймача (RO) підключається до порту приймача UART (RX). Цифровий вхідпередавача (DІ) до порту передавача UART (TX). Оскільки на диференціальнійстороні приймач і передавач з'єднані, то під час прийому потрібно відключатипередавач, а під час передачі — приймач. Для цього служать керуючі входи — дозвіл приймача (RE) і дозволу передавача (DE). Тому що вхід RE інверсний, тейого можна з'єднати з DE і переключати приймач і передавач одним сигналом збудь-якого порту мікроконтролера. При рівні «0» — робота на прийом,при «1» — на передачу. Якщо різниця потенціалів у лінії настількимала, що не виходить за граничні значення — правильне розпізнавання сигналу негарантується. Крім того, у лінії можуть бути і не синфазні перешкоди, щоспотворять настільки слабкий сигнал. Усі пристрої підключаються до однієї витоїпари однаково: прямі виходи (A) до одного проводу, інверсні (B) — до іншого.Вхідний опір приймача з боку лінії (RAB) звичайно складає 12 кОм, тому щопотужність передавача не безмежна, це створює обмеження на кількість приймачів,підключених до лінії. Відповідно до специфікації RS-485 з обліком резисторів,передавач може вести до 32 приймачів. Однак є ряд мікросхем з підвищенимвхідним опором, що дозволяє підключити до лінії значно більше ніж 32 пристрої. Максимальнашвидкість зв'язку по специфікації RS-485 може досягати 10 Мбот/сек. Максимальнавідстань — 1200 м. Якщо необхідно організувати зв'язок на відстані більшому 1200 м або підключити більше пристроїв, чим допускає навантажувальна здатність передавача — застосовують спеціальні повторювачі (репитери).
Стандартніпараметри інтерфейсу RS-485
— припустимечисло передавачів / приймачів 1/10;
— максимальнадовжина кабелю 1200 м;
— максимальнашвидкість зв'язку 10 Мбот/с;
— діапазон напруг«1» передавача +2...+10 В;
— діапазон напруг«0» передавача -2...-10 В;
— діапазон синфазноїнапруги передавача -3...+3 В;
— припустимийдіапазон напруг приймача -7...+7 В;
— максимальнийструм короткого замикання драйвера 150 мА;
— припустимийопір навантаження передавача 100 Ом
— вхідний опірприймача 4 кОм;
— максимальнийчас наростання сигналу передавача 10% біт.
На рисунку 3.3наведена схема інтерфейсу RS-485.
/>
Рисунок 3.3 — Схема інтерфейсу RS-485
Мікроконтролер DD1має у своєму складі стандартний USART за допомогою, якого здійснюється обмінданими із зовнішнім пристроєм в послідовному форматі. Сигнал TхD (передачаданих) поступає на вхід мікросхеми DD3 (ADM 488), яка є драйвером інтерфейсуRS-485 і передається по сигнальній лінії зв’язку на певну відстань. На приймальнійстороні симетричний сигнал знову поступає на вхід інтерфейсу RS-485 (DD2) іперетворюється в несиметричний сигнал у форматі стандартного USART. Сигналстандартного USART, який має рівень від 0 до 5 В з виходу мікросхеми DD4поступає на вхід мікросхеми DD4 (МАХ 232), яка уявляє собою перетворювач рівнівдля інтерфейсу RS-232. Вихідний сигнал мікросхеми DD5 у форматі RS-232 поступаєна вхід RxD послідовного порта персонального ЕОМ. Сигнал ТxD з виходупослідовного порта ПЕОМ поступає на вхід мікросхема DD5, де за допомогою якоївін перетворюється до рівня стандартного USART. Мікросхеми DD2, DD4 живлятьсявід джерела з напругою +5В. Для забезпечення їх живленням сигнали DTR і RTSпрограмовано встановлюються у рівень +12В і з’єднуються між собою черезрозв’язуючі діоди VD1, VD2. Через ці діоди та балансний резистор R1, напругасигналу DTR і RTS поступає на вхід поступового лінійного інтегруючогостабілізатора напруги МС7805, який забезпечує стабілізацію п’ятивольтовогоживлення для мікросхем DD5, DD6.
Технічніхарактеристики перетворювача рівня ADM488:
- діапазон вхідної напругинизького рівня: від 0 до 0,8 В;
- діапазон вхідної напругивисокого рівня: від 2,4 до 5 В;
- час установки вихідноїнапруги: 4 мс;
- діапазон вихідної напруги: ±10 В;
- швидкість передачі даних:19200 біт;
- максимальна помилка припередачі: 0,2 %.
3.3 Вибір джерелаживлення
Живлення всіхелементів має бути стабільним, щоб уникнути збоїв у роботі системи. Длязабезпечення високої стабільності використаємо джерело опорної напруги.Найкращими джерелами, які випускаються в теперішній час є: REF-02, AD586,МС780, LM113, TL431. Одним з найкращих джерел опорної напруги є мікросхемаМС780. Схема підключення опорного джерела живлення />МС780 показана на рисунку 3.4.
/>
Рисунок 3.4 –Схема включення джерела живлення
Джерело опорноїнапруги МС780 має такі технічні характеристики:
— відхилення напруги від опорногозначення: ± 0,02 В;
— струм споживання 2 μА;
— діапазон струму навантаження: від 0до 10 mА;
— температурний коефіцієнтвихідної напруги: 10-5ºС .
Для того щоб вхідний сигналякомога менше спотворити, при його проходженні через резистори, які будемовикористовуватися для ділення напруги та схем включення мікроелементів – будутьпрецензійними .
3.4 Вибір датчикатемператури KTY81-121
Вибір датчикатемператури проведемо за наступним властивостями, даний датчик мати похибку небільше 2%, а також працювати в діапазоні від
-50 до 150/>.
Даним критеріямпідходить датчик KTY81-121 рисунок 3.5 фірми NXP Semiconductors.
/>
Рисунок 3.5 –Датчик KTY81-121
Це температурний датчик термістор — напівпровідниковийрезистор, електричний опір якого істотно зменшується або зростає зі зростаннямтемператури. Для терморезистора характерні великий температурний коефіцієнтопору (ТКС) (в десятки разів перевищує цей коефіцієнт у металів), простотапристрою, здатність працювати в різних кліматичних умовах при значнихмеханічних навантаженнях, стабільність характеристик у часі. Терморезисторвиготовляють у вигляді стержнів, трубок, дисків, шайб, намистин і тонкихпластинок переважно методами порошкової металургії, їх розміри можутьваріюватися в межах від 1-10 мкм до 1-2 см. Основними параметрами терморезистора є номінальна опір, температурний коефіцієнт опору, інтервал робочихтемператур, максимально допустима потужність розсіювання.
Основні параметри датчика:
— опір при 25 ° C: 1000 Ω ± 2% (Ic = 1 мА)
— температурнийкоефіцієнт: 0.75% / K тип
— максимальний струм:10 мА при 25 ° C, 2 мА при 150 ° C
— постійна часу: 30 секна нерухомому повітрі: 5 сек вспокійній рідини,
2 сек в поточнійрідини
— корпус: SOD-70
4.Електричні розрахунки компонентів системивимірювання температури
До портів мікроконтролераХТAL1 та ХТAL2 під’єднано конденсатори /> та />, між якими розташований кварцовийрезонатор ZQ, призначений для того, щоб задавати такт роботи мікроконтролера.Його частота f=1 МГц.
/> (4.1)
/>
Візьмемо /> пФ.
Схема інтерфейсу RS 485 зображена на рисунку 3.3. Для того щоб забезпечити подавлення високочастотних завад живленнякожної мікросхеми, безпосередньо близько до її корпусу шунтуються керамічніконденсатори, а саме С7, С10, С8 ємність якихне перевищує 0,1 мкФ. Звідси випливає, що ємність конденсаторів С7=С10=С8=0,1 мкФ. Для подавлення низькочастотнихзавад і пульсацій використовуємо електролітичні конденсатори С6ємність, якого також не повинна перевищувати 0,1 мкФ. Отже С6=0,1мкФ
Конденсатори С13,С14, С15, С16 призначені для забезпеченняфункціонування мікросхеми МАХ 232. Згідно з документацією цієї мікросхемиємність конденсаторів С13= С14 =С15=С16=0,1мкФ.
З документації намікросхему MC7805 визначаємо номінали конденсаторів С8 – С9. та С17 – С18 Отже,обираємо конденсатори С8= С9=0,1 мкФ, С17= С18=10 мкФ.
Для забезпеченнястабілізації п’яти-вольтового живлення для мікросхем DD5, DD6 використовуємо діоди VD1 та VD2- діоди напівпровідникові імпульсні 1N4148, які мають такі характеристики:
— постійна зворотнанапруга, UR — 75 В;
— імпульсна зворотнанапруга, URM — 100 В;
— температура збереження,Тзб- від –65 до +200°C ;
— робоча температуранавколишнього середовища — від –65 до +150°C;
— пряма напруга, UF1– 0,1 В;
— зворотний струм, IR1 — 5 мкА;
— зворотний струм, IR2– 0,025 мкА;
— зворотна пробивнанапруга, UBR – 100 В.
5. Розрахунок похибки вимірювання системи температури
Розрахуємо похибку квантування АЦП. Розрахунок проведемо за такою формулою:
/> (5.1)
де n- розрядність АЦП n=12;
/> - напруга АЦП; /> = 10 (В).
Підставившизначення, отримаємо:
/>.
Розрахунок СКВ похибки квантування за такою формулою
/>. (5.2)
Отримаємо:
/>
Розрахуємо похибку, яка буде виникати за рахунок недосконалості датчика.
Розрахунок СКВ похибки датчика за такою формулою:
/>. (5.3)
Підставившизначення, отримаємо:
/>
Розрахуємо загальне СКВ похибки датчиків за такоюформулою:
/>. (5.4)
Підставивши значення,отримаємо:
/>
Висновки
В даномукурсовому проекті була розроблена інформаційно-вимірювальна система визначеннятемператури. В першому розділі ми розглянули можливі методи та засобивимірювання температури. В другому розділі ми розробляли структурні схемисистем для визначення температури та з них обрали найкращу схему яка покритеріях якості була найбільш оптимальною для розробки інформаційно — вимірювальної системи температури. В третьому розділі ми розробили електричнупринципову схему, де підібрали мікроконтролер фірми Texas Instruments, MSP430F149,інтерфейс зв’язку між вимірювальною системою і персональним комп’ютером – RS-485, обрали джерело живлення MC7805 та первинний вимірювальний датчик KTY81-121фірми NXP Semiconductors.
В четвертомурозділі ми зробили розрахунки основних вузлів системи для визначення температури.В п’ятому розділі розрахували основну похибки, а саме похибку первинноговимірювального перетворювача –датчика KTY81-121.
Загаломрозроблена нами система є життєздатною та досить дієвою при стандартних умовах.
Перелік посилань
1. Антропогенныепроблемы экологии: Методическое пособие. – К.: Вища школа, 1997. – 144 с.
2. Аксенов И.Я., Аксенов В.И. Транспорти охрана окружающей среды. – М.: Транспорт, 1986. – 176 с.
3. Желібо Е.П., Заверуха Н.М.,Зацарнкий В.В. “Безпека життєдіяльності”. – Вінниця: ВНТУ, 2004. – 185 с.
4. Клименко Л.П.Техноекологія – О: Таврія, 2000. – 542 с.
5. Бреслер П.І. Оптичні абсорбційнігазоаналізатори і їх використання.– Л.: Енергія, 1980. — 164с.
6. ДСТУ 4277 – 2004: Норми і методивимірювань вмісту оксиду вуглицю та вуглеводнів у відпрацьованих газахавтомобілів з двигунами, що працюють на бензині або газовому паливі.
7. Ю.Ф. Гутаревич,Д.В. Зеркалов, А.Г. Говорун, А.О. Корпач, Л.П. Мержиєвська Екологіяавтомобільного транспорту: Навч. Посібник – К.: Основа, 2002. – 312с.
8. Проектирование микропроцесорныхизмерительных приборов и систем/В.Д. Циделко, Н.В. Нагаец, Ю.В. Хохлов и др.-К.: Техніка, 1984.-215с.
7. www.ti.com/