Спроектировать термометр с диапазоном измерений +100 - +200 градусов Цельсия

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра систем сбора и обработки данных

Курсовой проект

Факультет: АВТ

Преподаватель: Пасынков Ю.А.

Группа: АО-52

Студент: Горбовский С.А.

Новосибирск 1999

Техническое задание

Спроектировать термометр

§  Диапазон измерений: +100^o  -  +200^oC

§  Погрешность: + 0,2^oС

§  Расстояние до объекта: 400м

§  Помеха общего вида: £ 1000В

§  Связь с персональным компьютером

Содержание

Техническое задание

Введение

1.  Структурная схема

2.  Дифференциальный усилитель ISO175C

3.  АЦП ICL7135

4.  Источник опорного напряжения

5.  Устройство управления МК INTEL 87C51

Заключение

Литература

Приложение А. Принципиальная схема

Приложение Б. Список элементов

Введение

Термометр предназначен для измерений температур в диапазоне 100…200^оС с погрешностью не выше 0,2 ^oC при условии, что температура устройства 20 ^oC +5 ^oC. Датчик (термопара типа К, константан-железо) соединяется с собственно прибором экранированной витой парой. Колебания источников питания + 15В не более + 5 ^oC. Связь с персональным компьютером осуществляется через COM-порт (IBM PC).

 

            U1

	Uоп=1В

 

Рис1. Структурная схема

Дифференциальный усилитель с трансформаторной гальванической развязкой ISO175 (Burr-Brown) включен с коэффициентом усиления 240.

Напряжение термопары константан-железо:

U1=0 мВ    при Т=0 ^oC

U1=8,2 мВ при Т=200 ^oC

U2=240×U1=0 мВ        при Ттермопары = 0 ^oC

U2=240×U1=1,968 мВ при Ттермопары = +200 ^oC

АЦП-ICL7135 - двухтактного интегрирования, его выходной код:  

-19 999£ Nвых  £ +19 999

-2Uоп<U2<2Uоп,     Uоп=1В

Дана абс погрешность +0,2 ^oC, что соответствует относительной 

1. Термопара

Термопара констант-железо выдаёт напряжение в зависимости от температуры,

 при 0^oC - 0мВ

 при 200 ^oC - 8,2 мВ

Это напряжение дано с погрешностью +3%, поэтому надо провести настройку: поместить термопару в термошкаф с температурой +200 ^oC, установить Uоп АЦП так, чтобы NвыхАЦП было равно 19 900

Нелинейность ISO175C: +0,025%

Нелинейность : +0,015%

Погрешность от нелинейности: +0,04%

2. Инструмантальный усилитель с гальванической развязкой ISO175C:

рис. 2 Типовая схема включения ISO175C

ISO175C имеет трансформаторную развязку (с модуляцией - демодуляцией сигнала). Модулятор может быть за синхронизирован от внешнего источника частоты, либо можно использовать внутренний (в этом случае вывод 21 заземляется).

Коэффициент усиления задается резистором Rk.

При Rk=1.2 kOм Кус=240

ТКС Rk не влияет на погрешность:

ТКС=+1×10 ^-4  %/ ^оС

DT=5 ^оС      s=+0,0005%

от ТКЕсм ISO175C: Есм=0,5мкВ/^оC×5 ^оC=2,5 мкВ

Изменнения Uп изменяют Есм, при DUп=1В:     Есм=1мкВ

Пусть Uп может меняться на +5%:       +15В+0,75В  и    -15В+0,75В.

DUп=1,5В, DЕсм=1,5мкВ

Iвх меняется на 40*10^-12 А при изменении тепмературы на 1 ^оC.

DIвх(DТ)= 40*10^-12 А * 5 ^оC = 0,2*10^-9А

Iвх течёт через rпр1 + rпр2. Пусть провод медный о 1 мм :

 r1м =0,0224 Ом,  r400м =8,96 Ом, 2*rпр »18 Ом

Для усилителя с гальванической развязкой погрешность общего вида :

, где Uполезн - полезный сигнал

         Uп.вх. - Uпомехи общего вида, приведённое по входу :

=0,018мкВ (rг.р.ISO175C = 10^-12 Ом)

Итого погрешности:  +0,03 +0,018 +0,0002 +0,00004 = +0,04874 %

ISO175C не имеет выводов  для регулировки Есм.

Начальное Есм £0,0125 нВ; Iвх £10нА. Итого на выходе ISO175C при напряжении термопары = 0 (при T=0 ^оC):

(0,0125*10^-3В+10*10^-9А*18Ом)*240 »3.0 мВ

Для того, чтобы учесть эти 3мВ, надо поместить термопару в термошкаф с Т=0 ^оC и узнать Nвых АЦП для этой температуры.  При Uвх ацп =Uоп:  Nвых ацп =10000, Uоп =1В, 1М3Р=0,1мВ,    при Uвх ацп=3 мВ: Nвых=30.

Таким образом, знаем Nвых для Т=0 ^оC и Nвых для T=+200 ^оC.

Можем построить кривую:

Эта кривая имеет нелинейность не более 0,04% (0,025% - ISO175C и 0,015% - термопара в диапазоне температур 0..200 ^оC).

По этой кривой программно определяем температуру, пусть это делается в ПК. Например, на выходе АЦП - Nx, значит температура термопары = Тх.

3. 

АЦП  ICL7135.

Рис 3. Типовая схема включения ICL7135

Выходные сигналы:

D1-D5 - порядок 2/10 цифры на выводах В1-В4.

OVGR, VDRG, POL, BUSY - сигналы положительной/ отрицательной перегрузок, полярность сигнала на входе, сигнал состояния АЦП.

Когда на D1-D5 и В1-В4 устанавливалась информация, АЦП стробирует её импульсом лог. "0" на выводе STB

Погрешность не более +1 M3P:   

От дескритизации: 

, где N2 и N1 -выходной код АЦП для т-р 200 ^оC и 0 ^оC соответственно.

N1 £30 , N2 ³19900,

Всего от АЦП:  0,0075%

4. 

Источник опорного напряжения.

Рис 4. Типовая схема включения источника опорного напряжения

Uст=9.1В

ОУ AD504M:

ТКЕсм=0,5мкВ/ ^оC,   Есм(DUп)=1,5 мкВ/В

DЕсм=2,5мкВ+2,25мкВ=4,75мкВ

TKUст=5*10^-4%/ ^оC,            s=0,0025%

TKC R3,R4=1*10^-4%/ ^оC      s=0,001%

Итого: 0,004%

Всего от устройства: +0,04 +0,0487 +0,0075 +0,004  » +0,0985 %  или  +0,197 ^оC

5.  Устройство управления.

Для управления АЦП используем микроконтроллер (МК) I87C51

Рис 5. Типовая схема включения I87с51

Выходные сигналы АЦП:

D1-D5 - порядок 2/10 цифры на выводах В1-В4.

OVGR, VDRG, POL, BUSY - сигналы положительной/ отрицательной перегрузок, полярность сигнала на входе, сигнал состояния АЦП.

Когда на D1-D5 и В1-В4 устанавливалась информация, АЦП стробирует её импульсом лог. "0" на выводе STB

Присоединим вывод STB АЦП ко входу INT0 МК, тогда строб-импульс будет вызывать прерывание INT0.

Выводы D1-D5 подключим ко входам P1.0-P1.4 MK,     B1-B4   k   P2.0-P2.3, тогда обработчик прерывания INT0 должен выглядеть так:

INT0:

   push P1;       D1-D5 в стек.

   push P2;       B1-B4 в стек.

   reti;              возврат из прерывания

Передача данных в ПК:

pop SBUF;      в регистре SBUF информация от АЦП

jrb TI,$;           помещение слова в SBUF инициирует передачу со встроенного посл. порта МК

Заключение

Термометр измеряет температуру от 0^оС до 200^оС, погрешность не более +0.2 ^оС.

Соеденение устройства с термопарой - витой парой.

Требуется 3 источника питания: Uп1=+15В, Uп2=+15В, Uп3=+5В. Прочность изоляции между Uп1 и Uп2, Uп3 не менее 1000В. Связь с ПК - по последовательному(COM) порту.

Литература

1.  Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л., Энергоатомиздат, 1988.

2.  Burr-Brawn, USA. Каталог изделий. 1998.

3.  Analog Devices, USA. Каталог изделий. 1997.

Приложение Б. Список элементов

Обозначение	Наименование	Тип	Номинал
R1	Резистор	С5-60	1.2K + 0.1%
R2	Резистор	МЛТ-0,125	510 + 10%
R3	Резистор	С5-60	82K + 1%
R4	Резистор	С5-60	9.1K + 1%
R5	Резистор подстроечный	СП5-25	10кОм +10%
R6	Резистор	С2-14	27 + 1%
R7	Резистор	С2-14	100K + 1%
C1	Конденсатор	К53-17	0,47мк +5%
C2	Конденсатор	К53-17	1мк +5%
C3	Конденсатор	К53-17	1мк +5%
VD1	Стабилитрон	КС191Р	-
BQ1	Кварцевый резонатор		120 кГц
BQ2	Кварцевый резонатор		12 МГц
DA1	Усилитель инструментальный с гальванической развязкой	ISO157C	-
DA2	АЦП	ICL7135	-
DA3	Операционный усилитель	AD504M
DD1	Микроконтроллер	I87c51	-
T1	Термопара	Тип К, констант-железо	-