Вступ
В сьогодення насоточують автоматичні пристрої, які мають змогу приймати рішення без участілюдини. В деяких пристроях використовуються датчики деякої зовнішньою дії. Усітакі датчики діляться на дві групи: цифрові та аналогові. В наш час поки щонеможливо знайти заміну всім аналоговим датчикам. Саме тому створюютьсяінтерфейси для обробки сигналу с аналогових датчиків. По своїй суті цифровийдатчик це той самий аналоговий датчик, який має у своєму корпусі деяку схемудля обробки цього аналогового сигналу. І вже на виході цього датчика ми маємо оцифровану інформацію про цей сигнал. По суті своїй обробка аналогового сигналузводиться до розробки схеми необхідної для коректного під’єднаннядо Аналого Цифрового Перетворювача. АЦП — це пристрій який перетворюєаналоговий сигнал на вході у цифровий сигнал на виході. Тобто кожній напрузі навході можливо співставити двійковий код на виході. Але не усі датчики можливобезпосередньо приєднувати до АЦП. Вхідний опір АЦП повинен бути значно більшимніж вихідний опір схеми з якої поступає сигнал. Саме тому в цій курсовій роботіїї основною метою є розробка такої схеми.
1. Аналіз технічного завдання
Розробка пристроювідбувалась на основі поставленої задачі. Потрібно розробити прилад дляавтоматичного ввімкнення / вимкнення навантаження, в залежності від температуринавколишнього середовища. Також необхідно розробити схему, з допомогою якоїможливо подавати сигнал з датчик на АЦП, а на виході вже отримувати цифровийкод. Дану систему автоматичного ввімкнення / вимкнення навантаження можнаназвати простіше — термостат. Для неї можна знайти широке застосування. Нунаприклад: в системах опалення, бойлерах (водонагрівачах), дослідницькихустановках та інших системах де необхідно підтримувати заданий рівеньтемператури.
2. Вибір датчика
Для початку ясклав список аналогових датчиків до якого входять: DS56 DS600 LM20 LM35 LM335 LM56 LM60 LM94021 LM94022 MAX6605 MAX6607-MAX6608 MAX6610-MAX6611 MAX6612-MAX6612MXK MAX6613 К1019ЧТ1
Потім я ставаналізувати можливість придбання даних датчиків. Серед них мене спочатку дужезацікавив DS56. Окрім того що він має безпосередньо вихід на якому змінюєтьсянапруга в залежності від температури, він має всередині 2 компаратори, напругаввімкнення яких задається зовнішніми резисторами.
/>
Але я зіштовхнувсяв неочікуваною проблемою: їх не було у продажу. Як мені пояснив один продавець,це пов’язано з тим що їх зняли з виробництва.
Потім язацікавився К1019ЧТ1. Він був у продажу та мав цінуприблизно 4 гривні. Це температурний датчик з лінійною залежністю вихідноїнапруги від температури.
Ось витяг з файлуйого опису:
/>
Він має широкийдіапазон робочих напруг. Випускається він у металевому корпусі, що дозволяє всотню разів збільшити зміну сигналу на виході у порівнянні з датчиками яківипускаються у пластмасовому корпусі. Що міні також у ньому сподобалось то цете що вихідна напруга складає 10 мВ на 1 градус С. Також він має малий вихіднийопір, що складає менше одного Ома. Отже було вирішено робити прилад на основіцього датчика.
3. Вибір та розрахунок структурної схеми3.1 Опис роботи системи
Дана схема будескладатися з двох основних функціональних блоків. Вони будуть повністю незалежнимивід роботи друг-друга. Єдине від чого вони будуть залежати, так це відфункціонування датчика. Перший блок буде вмикати / вимикати навантаження, аінший підготовлювати сигнал до входу в АЦП.
На вході системистоїть температурний датчик, котрий реагує на зміну температури навколишньогосередовища, та видає на виході напругу рівній температурі у градусах Кельвінапомноженій на 10.
Далі сигнал будеподається на компаратор, що відноситься до першого блоку схеми. В цей же часвін подається на операційний підсилювач (ОП), що належить до другого блокусхеми.
Виберемо шкалу АЦП:5 Вольт.
3.1.1 Блок:
Нам необхіднокерувати нагрівачем. Отже потрібно реалізувати схему що буде керувати йоговключенням та виключенням. Для цього нам необхідно мати інформацію про температуру.З датчика поступає напруга, що пропорційна температурі. Користувач повинен матизмогу виставляти температуру, яку він хоче постійно підтримувати у середовищі. Тобтонам потрібен пристрій який би порівнював 2 напруги: одна яка надходить віддатчика, а інша яку задає користувач. Цій заданій користувачем напрузівідповідає деяка температура. Для порівняння напруг є пристрій КОМПАРАТОР. Вінпорівнює 2 напруги на 2 своїх входах і видає на виході або 0 або +5 Вольт взалежності від того яка напруга більша.
Далі нам потрібнореалізувати ввімкнення/вимкнення навантаження. Для цього випадку колись давнобуло придумано реле. Це електромеханічний пристрій який працює за рахунокелектромагнітної сили. Яка в свою чергу створюється за рахунок проходженняструму через котушку. У котушці за рахунок індуктивності створюєтьсяелектромагнітне поле. Це в свою чергу зрушує контакти з місця, оскільки вониметалеві.
Але ми не можемовихід компаратора безпосередньо з’єднувати з реле. Оскільки компаратор не взмозі видати достатньо велику силу струму для перемикання реле.
Для цього нампотрібний проміжний елемент — буфер. Його роль у схемі буде виконуватитранзистор.
Отже навантаженнябуде керуватися через реле, що в свою приєднується через буфер до компаратору.
3.2.2 Блок:
Я вибрав шкалу АЦП5 Вольт. Це означає що максимальну напругу яку зможе показати нам АЦП складає 5Вольт. Отже нам необхідно посилити вихідний сигнал від датчика до 5 Вольт. Дляцього ми використаємо операційний підсилювач (ОП).
Нам необхіднонапругу подавати на АЦП. Під час вимірювання АЦП, напруга на його вході неповинна змінюватися від час вимірювання. Для цього було придуманоПристрій-вибірки-зберігання. Цей прилад складається із конденсатора та ключа таОП.
Сигнал від датчикаподається через замкнутий ключ на конденсатор. Він заряджається до напруги щоприходить. Далі поступає імпульс на ключ і він розмикається. Конденсатор весьцей час зберігає значення напруги. У цей час АЦП оцифровує значення напруги наконденсаторі. Далі приходить імпульс на ключ і він замикається. Конденсаторзаряджається до нового значення напруги. Далі усе повторюється.
Мало не забув проОП. Навіщо він необхідний? А необхідний він для погодження опорів. У ОП великийвхідний опір. Це означає що конденсатор буде довго розряджатись. ОП має малийвихідний опір, що є добре для вхідної частини АЦП, оскільки вона має великийопір.
Структурна схема
/>
Розрахунокструктурної схеми
Uдат вих. = 2.23…4.01 В.
Rдат вих. = 1 Ω.
Uопор вх. = 1…5 В.
Uкомп вих. = 0-5 В.
Uрелевх. = 0-5 В.
Iрелепотреб. =100 mA.
Uнав.вих. = 0…220 В.
Iнав.вих. = 0…32 A.
Uпос.вих. = 2.78…5 В.
Uпвз.вх. = 2.78…5 В.
UАЦП.вх. = 2.78…5 В.
UПОС.вх. = 2.78…5 В.
4. Вибір елементної бази
По завданню намнеобхідний компаратор. Він повинен відповідати наступним вимогам:
Наявність упродажу.
Діапазон вхіднихнапруг від 0 до +5 Вольт.
Проста схема підключення.
Одно полярнеживлення.
Було вирішитивикористати LM311 від виробника Fairchild. Будемо використовувати версію компаратора у DIP-8 корпусі. Ось схемакомпаратора:
/>
/>
Будемовикористовувати одно полярне живлення +5В. Далі приведу максимальні значеннявхідних та вихідних сигналів:
/>
Вихід компараторабуде перемикати реле. Стум необхідний для перемикання реле складає 100 mA. Цебуло встановлено експериментально. Було використано 5 вольтове реле невідомогояпонського виробника. Якщо вірити надписам то це реле дозволяє комутуватинавантаження із наступними параметрами:
Максимальнанапруга 250 В.
Максимальний струмнавантаження складає 32 А.
Отже сумарно можнакомутувати навантаження у 8 kW.Цього більш ніж достатньо для керуванням потужним нагрівачем.
Компаратор невитримає струму у 100 mA. Отже потрібно використовуватитранзистор. Його вибираємо за такими параметрами.
/>
Я вибрав польовийтранзистор з індукованим каналом BS170. Це транзистор Nканалу. Будем використовувати транзистор у корпусі TO-92.Він задовольняє нас за усіма вимогами
/>
/>
/>
Принципова схематермостату без АЦП.
/>
Отже розглянемоусі елементи схеми.
DA1 — це параметричний стабілізатор. На вхід подаємо не стабілізовану напругуу діапазоні 7-15 В, а на виході маємо стабілізовану напругу у 5 Вольт. Вихіднийструм може досягати 0,5 А.
C1 — електролітичний конденсатор. Він необхідний длясгладжування пульсацій які надходять від джерела живлення.
VT1, VT2, R1, R2 — вхідна схема термодатчика. Ця схема забезпечує на входітермодатчика постійний струм 1 мА.
DA2 — термодатчик.
DA3 — компаратор.
RV2 — змінний резистор. Ним ми задаємо опорну напругу, що поступає наодин з входів компаратора. Опорна напруга може коливатися у діапазоні від 0 до5 Вольт.
R3 — резистор на виході компаратора. Компараторввімкнений по схемі з ЗЕ.
Q1 — транзистор, який виконує функції ключа для регулюваннямввімкненням реле.
R4 — шунтуючий резистор. Необхідний аби унеможливити ненавмисневідкриття транзистора.
Оскільки вінпольовий з індукованим каналом, то згідно з його описом він може відкриватисявже при напрузі у 2,5 Вольта.
RL1 — реле.
Тепер необхіднорозробити схему для підключення АЦП
По завданню шкалаАЦП 5 В. Нам необхідно вибрати ОП. Вибір робимо за такими параметрами:
/>
Використаємо ОП TL082CP. Будимо використовуватимодель у DIP-8 корпусі.
/>
Як ми бачимовсередині знаходяться 2 ОП. Для нас це дуже зручно, адже ми будемовикористовувати декілька ОП. І це дозволить нам зекономити на підводці живлення.
/>
Вхідний каскад цього ОП зроблений на польовому транзисторі (JFET).
/>
/>
Транзистор вибираємоза наступними параметрами:
/>
Виберемотранзистор 2N4860. Випускається він у корпусі TO-18.
/>
/>
Максимальний стоковий струмскладає 100 мА.
Далі необхідновибрати діод. Діод повинен бути імпульсний, малопотужний, з величиноюзворотнього струму менш одиниць мікроампер. За усіма параметрами нам підходить SF14. Ось так він виглядає
/>
Його параметри
/>
Розрахуємо пристрій вибірки-зберігання
/>
Відносні похибки врежимах виборки та зберігання рівні і знаходяться як
/>
при цьому
/>= (0,1-0,05)%
Вибереморозрядність АЦП 10 біт.
Встановимомаксимальне й мінімальне значення ємності С1
/>
/>
Розрахуємо вихіднийопір ОП:
/>/>
Для забезпеченнямаксимальної точності роботи пристрою />
приймемо рівним />=10 k/>
Тепер визначимо опір відкритогоключа транзистора
/>
Тепер визначимо />
/>
/>
Мінімально можливезначення ємності конденсатора С1
/>
Стандартний номінал.
Необхідне значення ємностівибирають із умови.
/>
З ряду номінальнихємностей оберемо />
Визначимо величину опору R2
/>
Розрахунок похибкивимірювань.
Точністьрозроблюваного пристрою залежить від відносної похибки вихілної напруги.
Похибка вихідноїнапруги визначається за формулою:
/>
В розроблюваномупристрої похибку може давати блок погодження опору.
Відносна похибкавихідної напруги блок погодження опору:
/>
/> -температурная похибка напруги
якщо схемазбалансована при 20 °С, то /> = 60°С:
/>=/>
/>=/>
/> -похибка вихідної напруги операційного підсилювача
/>=/>
UСМ= 10мкВ
/>=5 нА
R3= 75кОм
R1=300 кОм
/> =1,25* (10*10-6 + 5*10-9*(300*75/ (300+75))) = 12 мкВ = 12*10-6 В
/> - похибка вихідної напруги,зумовленої розкидом параметров
/>= />
Kу0=1 000 000
ΔKу0=Kmax — Kmin
Kmax=/>
Kmin=/>
ΔKу0= 0,27 — 0,22 = 0.05
/>=/>
/>
/>/> = /> = />
Відносна похибкавихідної напруги підсилюючого функціонального блоку складає всього 0,0012%:
δUВИХ= 0,0012%,
Отримана розрахунковимшляхом точність 0,0012% цілком задовольняє нас, тому не потрібно застосовуватиніяких додаткових методів по підвищенню точності приладу.
5. Моделювання схеми
Нажаль у програмідля моделювання немає діоду SF14, отже було використано інший.
Також буловиявлено що ОП TL082 некоректносимулюється у програмі. Отож було використано ідеальну модель ОП.
Далі приведенасхема пристрою для моделювання без схеми під’єднання до АЦП. Як виявилось упакеті моделювання Multisim 10 відсутня діюча модель реле, яка б була зручноюдля нас. Саме тому для моделювання було вирішено замість реле використовуватилампочку. Якщо лампа горить, то через неї тече струм і це означає що релеспрацювало і перемкнулось у інший стан. Це означає що напруга на (+) входікомпаратора більша ніж напруга, яка поступає від датчика на (-) вхідкомпаратора Допоміжним засобом індикації буде амперметр у колі стокутранзистора.
V6 — це живлення.
V5 — це вихіднийсигнал що поступає з датчика.
R7 — ділительнапруги, яким ми задаємо опорну напругу на компараторі.
Q2 — транзистор,який виконує функцію ключа для перемикання реле.
Схема моделювання
/>
С датчика поступаєсигнал 3 В. Опорний сигнал 2,25 В. На виході компаратора логічний нуль. Лампане горить. Транзистор закритий.
Опорна напруга 4 В.На виході компаратора приблизно 5 В (логічна одиниця). Це призводить довідкриття польового транзистору. Це в сою чергу призводить до перемикання реле.Як ми бачимо, лампочка світиться. У колі стоку тече струм.
/>
Графік роботикомпаратора
/>
Моделюванняпристрою вибірки зберігання.
/>
/>
6. Висновок
В курсовій роботія навчився обробляти сигнал від аналогового датчика. Було зроблено діючийпрототип цього пристрою та наглядно продемонстровано його працездатність. Мноюбуло розроблено друкарську плату, вироблений монтаж елементів. Під часпроектування друкарської плати було допущено незначну помилку. Це пов’язано зтим що компаратор у проекті був намальований у дзеркальному відображені. Цюпомилку було виправлено шляхом піднімання контактів компаратора вгору. Схемадля підключення АЦП не прототипувалась. Данні навики, які я отримав під часвиконання цієї курсової роботи збагатили мої знання. Це дозволить у майбутньомудопускати менше помилок при роботі з аналоговими сигналами.