Разработка схемы и алгоритма работы портативного двухканального термометра для измерения температуры в диапазоне -50…,+150 оС

Задание.

Разработать схему и алгоритм работы портативного двухканального термометра для измерения температуры в диапазоне -50….+150 ^оС. Погрешность не более 0.1 ^оС.

1). Структурная схема.

          Схема портативного двухканального термометра построена на основе применения двух терморезисторов Pt100. Сопротивление резисторов изменяется в зависимости от температуры.  С помощью программируемого источника тока, находящегося внутри микроконтроллера семейства MSP430, сопротивление преобразуется в напряжение. Терморезисторы подключены к микроконтроллеру по четырехпроводной схеме, что позволяет исключить паразитные сопротивления проводов, которые могли бы искажать результаты измерения температуры.

          На входы микроконтроллера AVcc (внешний контакт для подключения напряжения питания микроконтроллера) и SVcc (внешний контакт для подключения опорного напряжения АЦП микроконтроллера), подается напряжение U=4.096В. В данном случае не обязательно формировать высокостабильное опорное напряжение, т.к при 14 – разрядном режиме работы АЦП, а именно этот режим выбран в данном случае и об этом будет сказано ниже, имеют место следующие соотношения:

                                 q =  U_оп / 2¹⁴ ;     I = 0.25*U_оп/Rext ;

                                U = I*Rsens = 0.25*U_оп*Rsesns/Rext ;

                  N = U_вх/q  =>  N = 0.25 * U_оп* Rsens * 2¹⁴/ Rext * U_оп

                                           N = 2¹² * Rsens/ Rext ;

I – ток источником которого служит генератор, находящийся внутри MSP430, с помощью которого сопротивление термодатчиков, зависимое от температуры, преобразуется в напряжение.

Rext – резистор с помощью которого происходит настройка нужного значения тока.

q – степень квантования. Показывает на сколько должно измениться входное напряжение, чтобы код изменился на единицу.

Rsens – сопротивление, подключаемых к микроконтроллеру резистивных термодатчиков.

Таким образом, код АЦП не зависит от величины опорного напряжения, а определяется стабильностью резистора Rext.

     Данный измеритель температуры способен работать в диапазоне

-50…150°С, что и требуется в задании. При таком изменении температуры сопротивление терморезисторов будет изменяться в пределах 80 Ом, что вызывает изменение напряжения на 0.5В, что вполне приемлемо.

          В данном случае, как уже упоминалось выше,  выбран 14 – разрядный режим работы АЦП микроконтроллера семейства MSP430. Необходимо упомянуть, что микроконтроллер MSP430 способен также работать в 12 – разрядном режиме, который является более быстродейственным. В данной работе не требуется обеспечить заданное быстродействие. Поэтому выбран 14 – разрядный режим работы.

 При 14 – разрядном режиме работы АЦП работает в два такта. В первый такт работы определяется поддиапазон рабочих напряжений АЦП куда попадает входное напряжение. Это делается автоматически. На втором такте выполняется двенадцатиразрядное преобразование внутри выбранного диапазона.

q – степень квантования. Показывает на сколько должно измениться входное напряжение, чтобы код изменился на единицу.

                                           q =  U_оп / 2^N ,             N=14

                                           q= 4.096 / 2¹⁴ = 0.00025В

По условию задачи, необходимо обеспечить погрешность измерения 0,1 ^оС. Это значит, что q должно быть в 10 раз меньше, чем  ΔU. ΔU – изменение напряжения при изменении температуры на 1 ^оС.

                                                ΔU=0.0025В

Т.к термометр построен на основе терморезистора Pt100, его сопротивление изменяется примерно на 0.4 Ом на 1 ^оС. С учетом этого:

                               T.к           ΔU=ΔR * I

                                         I= ΔU / ΔR

                                         I=0.0025/0.4=0.00625A= 6.25мА