Четырёхканальное устройство контроля температуры

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ и науки

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

по дисциплине “Электротехника и электроника”

на тему: ”Четырёхканальное устройство контроля температуры”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                    Выполнил: студент гр.

 

                                                    Проверил преподаватель:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                      Курган  2013 г.

 

Аннотация

        Настоящая курсовая работа посвящена разработке четырёхканального устройства контроля температуры, в которой мы производим разработку адаптера четырехканального устройства измерения температуры, сопряженного с  IBM совместимым компьютером посредством шины ISA. Устройство разрабатываем в целях удешевления процессов заготовительного производства.

В состав курсовой работы входят расчётно-пояснительная записка и графическая часть.  Пояснительная записка состоит из разделов, указанных в содержании. Графическая часть работы выполнена при помощи программы Компас-3D V13 (принципиальная электрическая схема и структурная схема устройства). В приложении кроме принципиальной электрической и структурной схем находится спецификация.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1.Введение           4

2.Техническое задание         6

2.1.Наименование и область  применения разработки    6

2.2.Основание для разработки       6

2.3.Цель и назначение  разработки       6

2.4.Источники разработки        6

2.5.Режимы работы объекта        7

2.6.Условия эксплуатации        7

2.7.Технические требования        7

2.8.Стадии и этапы  разработки       7

3.Описание устройства         8

4.Расчёт элементов  устройства       9

5.Работа элементов  устройства                  11

5.1.Датчик температуры  с усилителем              11

5.2.Аналоговый коммутатор               12

5.3.Фильтр низких частот               12

5.4.Аналого-цифровой преобразователь             12

5.5.Источник опорного  напряжения             13

5.6.Схема индикации  температуры              13

5.7.Блок питания                 14

6.Выводы и заключение               15

7.Список используемой  литературы             17

8.Приложение                      18-22

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Для измерения температуры служат первичные преобразователи температуры - термодатчики (термопреобразователи). В промышленности, как правило, используются две разновидности датчиков температуры - термопары и термосопротивления. Существует несколько типов термопар. Самые распространенные термопары - хромель-алюмель ХА(К) и хромель-копель ХК(L). Другие типы - платина-платинородий ПП(S и R), железо-константан ЖК(J), медь-константан МК(T), вольфрам-рений ВР и некоторые другие менее распространенные.

В основу данной курсовой работы положена цель, разработать такое устройство контроля температуры, которое бы обеспечило необходимую точность измерения температуры. При этом оно должно быть:

1. работоспособным

2. не иметь лишних  цепей

3. легко настраиваемым

4. удобным в обращении

5. защищённым от дестабилизирующих  факторов

6. недорогим

           В качестве рабочего органа  для разрабатываемого нами устройства  использована термопара.

Основная цель данной курсовой работы научиться проектировать электронные устройства, что входит в курс “Цифровой электроники”, и разработке печатных плат для этого устройства. Полученные навыки должны помочь в работе над курсовым проектом на старших курсах.

В данной записке будут представлены:

1. технические требования, предъявляемые  к устройству

2. описание устройства

3. расчёт основных  элементов

4. режим работы устройства

5. назначение и основные  характеристики элементов.

  Указанные выше пункты должны  в полной мере показать суть  работы устройства, назначение всех  его составляющих и методику  проектирования электронных устройств.

 

2.Техническое  задание

2.1.Наименование  и область применения разработки

 

В данном устройстве контроля температуры  применяется эффект термо-э.д.с.. Его можно получить, если соединив между собой два проводника из различных металлов, при этом на их концах возникает небольшая разность потенциалов, обычно порядка милливольта, с температурным коэффициентом около 50 мкВ/°С. Комбинируя различные пары сплавов, можно измерять температуры от -270 до +2500°С с хорошей точностью (0,5-2°С). В качестве рабочей термопары воспользуемся термопарой типа Е (Хромель-Константан) используемой для измерения температур в диапазоне от -40…+900°С. Обладает высокой чувствительностью, что является большим плюсом.

Данное устройство может применяться для контроля температуры в закалочных печах, т.к. обладает достаточно высокой точностью измерения температуры в диапазоне +200…+600°С.

 

2.2.Основание  для разработки

Основанием для разработки является учебный план для специальности

210200 “Автоматизации производственных процессов”, а также задание на курсовую работу по дисциплине “Электроника”.

 

2.3.Цель и  назначение разработки

 

Целью разработки является возможность контроля температуры в закалочных печах в диапазоне +200…+600°С.

 

2.4.Источники  разработки

 

Основным источником разработки является “Контрольное задание к выполнению курсовой работы по общей электротехнике и электронике для студентов специальности 210200 дневной и заочной форм обучения”, а также различных справочников.

2.5.Режимы работы  объекта

 

Данное устройство работает в реальном режиме времени, с одновременной передачей информации о текущей температуре с четырёх каналов на ЭВМ и индикацией температуры по каждому каналу. Информация поступает с четырёх каналов на коммутатор, который управляется с помощью ЭВМ.

 

2.6.Условия  эксплуатации

 

Данное устройство рассчитано для работы в стационарных условиях при температуре окружающей среды  от -55 до +125°С, относительной влажности от 40 до 80%, атмосферном давлении от 600 до 800 мм. рт. ст.

 

2.7.Технические  требования

 

Выбор элементной базы необходимо производить таким образом, чтобы разработанное устройство было реализовано на стандартных универсальных элементах.

 

2.8.Стадии и  этапы разработки

 

Перечень материалов работы:

1.Пояснительная записка

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

3.Спецификация

Контроль и приёмку курсовой работы осуществляет преподаватель.

 

 

 

3.Описание  устройства

 

В состав устройства входят следующие компоненты:

1.Четыре датчика температуры

2.Четыре усилителя

3.Аналоговый коммутатор

4.Фильтр низких частот

5.Аналого-цифровой преобразователь

6.Источник опорного  напряжения

7.Импульсный генератор

8.Схема индикация температуры и номера канала

9.Схема контроля обрыва  датчика температуры

10.Блок питания

 

4. Расчёт элементов  устройства

 

Расчёт источника опорного напряжения (микросхема DA5, DA10 на схеме электрической принципиальной)

Источник опорного напряжения рассчитывается по формуле:

,В

где Ucт- напряжение стабилизации стабилитрона (VD5=5.1В)

Roc=R30 и R31=R32

c учётом этого формула примет вид:

,В

возьмём  R32=20 кОм, тогда

,В

откуда находим что R30=20,8 кОм.

В качестве стабилитрона выбираю КС451 (VD5 на схеме электрической принципиальной)  с параметрами:

Минимально допустимый ток стабилизации Iст=3 мА

Минимально допустимый ток Imax=148мА

Минимальное напряжение стабилизации -4,8 В

Номинальное напряжение стабилизации - 5,1 В

Максимальное напряжение стабилизации - 5,3 В

Дифференциальное сопротивление стабилитрона 16 (30) Ом

В качестве операционного усилителя выбираю микросхему К140УД17А и К140УД6.

 

Расчёт активного фильтра второго порядка (микросхема DA1, DA2, DA3 на схеме электрической принципиальной)

Резисторы R5-R6-R7 выбираются из диапазона

10-100кОм, причём резисторов  с малым сопротивлением лучше  избегать, поскольку на высоких  частотах возрастающее выходное  полное сопротивление разомкнутого  контура операционного усилителя  добавляется к сопротивлению  резистора, внося ошибку в расчёт. Поэтому используем резисторы  с сопротивлением 100кОм. Резистор  R8, вычисляется по формуле:

где к - коэффициент усиления фильтра в полосе пропускания.

Тогда:

Ёмкость конденсаторов вычисляется по формуле:

при частоте среза fср=80 Гц

Все конденсаторы имеют одинаковую ёмкость, т.е. C1=C2=С.

Где А- коэффициент усиления в полосе пропускания

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

               fc = 0.159, Гц.

С учётом выбранных коэффициентов произведём расчёт элементов:

 

Расчет аналого-цифрового преобразователя (микросхемы DD6,  DD7, DD8, DD9 на схеме электрической принципиальной)

В данной схеме аналого-цифровой преобразователь (АЦП) предназначен для вывода текущей температуры на жидкокристаллический индикатор ИЖЦ5-4/8. В качестве АЦП выбираем КР572ПВ5.

При подключении напряжения Uобр=10 В максимальное входное напряжение рассчитывается по формуле:

 

Для того, чтобы на индикаторе высветилось значение максимальной температуры, указанной в задании курсового проекта (500 С0), на вход АЦП необходимо подать напряжение, рассчитанное по формуле:

Где Х-текущее значение на индикаторе.

Выбираю тактовую частоту АЦП f=50кГц. Исходя из условия С8=0.95(f×R32), т.к R32=20кОм, нахожу С8=0,1 мкФ.

С8=С4=С19=С23=0,1 мкФ.Из таблицы выбираю значение конденсатора С7=1 мкФ для входного напряжения, равного 0,5 В. С6=С10=С21=С25=0,01мкФ.   

 С7=С11=С22=С26=1 мкФ. Значения  элементов С4, С5, R31 являются стандартными для данного АЦП, отсюда R31=20кОм, С4=С5=0,1 мкФ. Так как в схеме четыре одинаковых канала, то С8=С9=0,1 мкФ, R45=100 кОм,  С3=С12=С17=С18=11мкФ.   

 

 

 

 

 

Расчет усилителя.

 

В курсовом проекте я использовал классическую схему усилителя на ОУ. При условии, что R15=R7, R2=R8 Коэффициент усиления определяется по формуле:

Ку=R15/R2

Из расчета мостовой схемы включения датчика максимальное входное напряжение определяется по формуле:

UвхmaxОУ=Uвхmax-Uвхmin=0.35-0.0035=346.5 мВ

Из расчета АЦП Uвыхmax=1 В.

Таким образом Ку=R15/R2=1/0.3465=2.88

Из формулы R15=2.88×R2.

Выбираю R2=2 кОм, тогда R15=5.76 кОм. Из ряда Е-48 выбираю R15=5.8 кОм. Так как в схеме четыре одинаковых канала, то R15=R16=R26=R27=5.8 кОм.

 

5.Работа элементов  устройства

 

5.1.Датчик температуры  с усилителем.

 

Схема компенсации напряжения на опорном спае термопары подключена к выходной цепи в отличии от обычного способа компенсации напряжения холодного спая термопары на входе. Это сделано для того, чтобы сохранить точный дифференциальный баланс на входе и тем самым обеспечить высокое подавление синфазной помехи, присущее дифференциальному усилителю. Так как усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 200, то на выходе схемы компенсации напряжения термо-э.д.с. усиливается до 200*51,5 мкВ/°С или 10,3 мВ/°С.

Отметим, что для ОР-97Е входному току смещения 0,1 нА сопутствует на входе ошибка 25мкВ, которая вместе с Uсм=25 мкВ может быть сведена к нулю. Смещение шкалы от источника опорного напряжения можно получить от датчика температуры, дающего напряжение, пропорциональное абсолютной шкале, т.е. напряжение, пропорциональное температуре по шкале Цельсия. REF-02 обеспечивает температурный вывод с линейным коэффициентом  +2,1 мВ/°С. Подключив этот вывод к усилителю с регулируемым усилением и смещением для калибровки,  можно получить точность почти  0,5°С. AD590 - 2-клемное устройство, работающее как генератор постоянного тока, у которого ток в микроамперах пропорционален абсолютной температуре; например, при 25°С (298,2К) он ведёт себя как стабилизатор тока на 298,2 мА (±0,5мА). Точность, достигаемая этим простым прибором равна 1°С.

 

В данной схеме использовались усилители сигналов с компенсацией холодного спая AD595 фирмы Analog Devices. Эти устройства обладают всем необходимым (включая опорную точку льда) для получения выходного напряжения пропорционального  температуре (10мВ.0С) и даже программируемую тройную точку для термопарного входа.