Referat Fizica. PROIECT subsistem de masurare a temperaturii

label Referate autorenew 2025-09-29, 16:56 history_edu Gabi Dobocan
Arsenie Lucian431FPROIECT BSAD Sa se proiecteze un subsistem de masurare a temperaturii cu urmatoarele caracteristici:-domeniul temperaturilor masurate :[0..1000]oC;-precizia de masura :1%?1bit;-rezolutie: 8 biti;-domeniu temperaturii de functionare:[0..40]?C;-senzorul de temperatura : termocuplu de tip 'K' cu sensibilitate 40?V/oC;-microcontroler tip ATMEL AT89C2051;-rezultatul va fi afisat pe un grup de afisaje BCD cu 7 segmente;1.1SCHEMA BLOC A SISTEMULUI 1.2DESCRIEREA FUNCTIONALATermocuplul genereaza o tensiune variabila cu temperatura. In blocul de prelucrare analogica se realizeaza liniarizarea caracteristicii termocuplului,compensarea jonctiunii reci si amplificarea semnalului pana la un nivel suficient de mare pentru a fi util convertorului A/D din microcontroler. Microcontrolerul AT89C2051 realizeaza conversia A?D a nivelului de semnal proportional cu temperatura si furnizeaza datele driver-ului pentru afisaj. Sursa de alimentare furnizeaza tensiunile de ?15Vcc si -5Vcc pentru partea analogica si +5V cc pentru partea digitala.1.3TERMOCUPLULCa senzor de temperatura se utilizeaza un termocuplu de tip K realizat din sudarea a doua metale (cromel si alumel). Este compus din doi termoelectrozi sudati impreuna la unul din capete. Prin incalzirea locala a sudurii se va produce o tensiune termoelectromotoare la capetele libere ale termoelectrozilor denumite si jonctiune de referinta. Valoarea t.t.e.m depinde de diferenta dintre temperatura jonctiunii de masura si a celei de referinta, precum si de natura termoelectrozilor.Termocuplul este confectionat din:-termoelectrodul pozitiv (89% nichel, 10% crom, 1% fier)-termoelectrodul negativ (94% nichel, 2,5% magneziu, 2% aluminiu, 1% siliciu, 0,5% fier).La bornele termocuplului se culege o tensiune avand intervalul de masurare de intre 0 si 41,665mV.Amplificatorul de instrumentatie amplifica tensiunea generata de termocuplu pana la un nivel util convertorului A/D.Pentru simplificarea programarii microcontroller-ului am luat tensiune cap de scara pentru 1000 0C de 5 * 200 / 256 = 3,90625 V. Deci amplificarea va fi :Ai = 3,906V / VtermocupluMax = 94,6R10 = Ai * R = 94,6*10K= 946Kohmi +/- 0,5 %In tabelul de mai jos este prezentata caracteristica termocuplului.T [oC]V [mV]Videal [mV]pantaeroareV-Videal00,00000,0000000,00%0,000502,0232,06380,0404601,98%-0,0411004,0964,12760,0409600,77%-0,0321506,1386,19140,0409200,86%-0,0532008,1388,25520,0406901,42%-0,11725010,15310,3190,0406121,61%-0,16630012,20912,38280,0406971,40%-0,17435014,29314,44660,0408371,06%-0,15440016,39716,51040,0409930,69%-0,11345018,51618,57420,0411470,31%-0,05850020,64420,6380,0412880,03%0,00655022,77622,70180,0414110,33%0,07460024,90524,76560,0415080,56%0,13965027,02526,82940,0415770,73%0,19670029,12928,89320,0416130,82%0,23675031,21330,9570,0416170,83%0,25680033,27533,02080,0415940,77%0,25485035,31335,08460,0415450,65%0,22890037,32637,14840,0414730,48%0,17895039,31439,21220,0413830,26%0,102100041,27641,2760,0412760,00%0,000Graficul reprezinta eroarea obtinuta prin liniarizare.Deoarece caracteristica R(C) a traductorului este neliniara, este necesara liniarizarea acesteia. Se procedeaza la liniarizarea caracteristicii, deoarece tensiunea rezultata in urma masuratorilor va fi aplicata unui convertor analog - numeric.Liniarizarea se face cu ajutorul unui amplificator montat in schema de redresor monoalternanta .Atunci cand VI>0, dioda D1 este blocata, iar D2 este deschisa, tensiunea de la iesire este data de relatia care caracterizeaza functionarea unui amplificator inversor: Cand VI<0, dioda D1 este deschisa, iar D2 este blocata, astfel incat tensiunea de iesire V0 este zero.Tensiunea se shiftare Vsh permite functionarea amplificatorului de la un prag de tensiune.Daca R1=R1, atunci pragul de tensiune impus de Vsh va fi pragul de la care amplificatorul va functiona.Amplificarea a amplificatorului operational va fi egala cu inversul pantei dreptei care liniarizeaza caracteristica traductorului.Pentru o panta m1 a dreptei avem: (1)La iesirea circuitului de liniarizare: (2)Amplificarea circuitului de liniarizare: (3)Din (2) si (3) rezulta: (4)Procesul de liniarizare se face cu erori importante, de aceea se cauta obtinerea unei liniarizari cu erori cat mai mici.Liniarizarea se face cautand diferenta cea mai mare dintre curba si dreapta care reprezinta liniarizarea.Acestei diferente ii corespunde pe axe unei temperaturi si unei tensiuni. In acest punct se realizeaza pe curba un punct de frangere si se calculeaza pantele celor doua drepte rezultate, precum si erorile introduse. Daca erorile sunt mari, algoritmul continua, pana la obtinerea unei erori acceptabile.1.Se alege ca prim punct de frangere a caracteristicii ideale acel punct in care diferenta dintre Uideal-Ureal este cea mai mare.In cazul nostru acest punct este corespunzator temperaturii de 280oC.Diferenta este de 0.154 mV.Eroare in acest punct este ?=0.387%.Panta dreptei este m=0,04065 mV/oC=40.65 ?V/oC.Alegem al doilea punct de unde frangem caracteristica la temperatura de 770oC diferenta dintre caracteristica liniara si cea ideala fiind de 0.254 mV.cu o erorare de 0.27%.Panta caracteristicii pe acest interval va fi de : Pe cel de-al treilea interval de la 790oC pana la 1000oC panta va fi: In continuare se face compensarea jonctiunii reci deoarece tempeatura ambianta nu este 0?C Compesarea se face cu ajutorul unui circuit ce genenereaza o tensiune variabila cu temperatura de tipul punte. Acest circuit trebuie ca la 0?C sa genereze o tensiune egala cu 0 iar la Tambmax tensiunea generata trebuie sa fie egala cu V40?C=1.62mV Se utilizeaza circuitul urmator:Se al alege tensiunea E=1V ,RT fiind o grupare paralel un termistor si un rezistor Se aleg rezistentele R1=R2=R3=1K, deci RT=1K la 0?C Tensiunea de iesire pentru aceasta punte este de : =>RT=0.9963K;Se determina valorile rezistorului si a termistorului din componenta gruparii RT: R=2K, RT(@25?C)=2K, B=3500?K2 Eroarea datorata compensarii jonctiunii reci este ?max = max(?0?C,?40?C) = max(0.015%,0.018%) = 0.018%Schema circuitului de liniarizare este:Se aleg rezistentele R2=R5=R8=R=R10=10kCircuitul de liniarizare este alcatuit din trei amplificatoare: Amplificarea primului amplificator trebuie sa fie egala cu m1 de unde rezulta valoarea rezistentei R3:R3=-R2*m=10k*0.04065=406ohmiDeoarece trebuie o amplificare pozitiva se insereaza in circuit un amplificator inversor.Amplificarea celui de-al doilea amplificator trebuie sa fie egala A2=-(m1-m2)= 0.04217-0.04065=0.0152;R6=R5*A=10K*0.0152=152Ohmi;Pentru cel de-al treilea amplificator amplificarea este :A3=-(m3-m2)=-(0.04106-0.04217)=0.0111;Si pe aceasta ramura este necesara inserarea un circuit inversor cu amplificarea A=1;R9=A3*R8=111Ohmi;In continuare se calculeaza valorile rezistentelor care srabilesc nivelele de tensiune la care intra in functiune amplificatoarele AO2 si AO3 Nivelele de tensiune sunt stabilite mai sus ca fiind egale cu:Vp1=Ai*V270o=1.378V si Vp2=Ai*V770o=3.070 V;Pentru acestea este nevoie de o sursa de tensiune negativa bine stabilizata , se alege o tensiune de 3.90625V deci rezulta valorile rezistentelor R4 si R7:R4=(3.906*R5)/Vp1=28.34 kohmi;alegem din catalog R4=27 kohmi;R7=(3.906*R8)/Vp2=12.72 kohmi;alegem din catalog R7=12 kohmi.Amplificatorul operational AO5 realizeaza sumarea si inversarea tensiunilor date de AO1,AO4,AO3 deci tensiunea de iesire are o variatie intre 0 si 3.906V tensiune acceptata de catre convertorul A/D care accepta la intrare tensiuni intre 0 si 5V . Partea digitala cu microcontrolerConversia analog-digitala este realizata cu ajutorul circuitului integrat ADC0820 functionand in mod RD (MODE legat la masa). Acesta are o rezolutie de 8 biti. Tensiunea de referinta este produsa de circuitul REF-02 care furnizeaza o tensiune foarte precisa de 5.00V. Tensiunea corespunzatoare temperaturii de 1000oC este 3.90625 V la care convertorul A/D genereaza la iesire numarul 11001000 (200 zecimal) care, prin inmultire cu 5 da 1000.Afisajul si iesirile convertorului A/D sunt conectate la portul 1 al 1icrocontrolerului. Acest port este folosit ca magistrala de 8 biti din care, pentru afisaj sunt folositi cei mai putini semnificativi 7 biti.La afisare, fiecare cifra sta aprinsa 5 ms, iar dupa ce sunt aprinse succesiv toate 3, se citesc datele de la convertorul A/D.In procedura de citire de la convertor microcontrolerul activeaza semnalul CS (chip select) apoi semnalul RD (aceste semnale sunt active pe 0 logic), dupa care intra intr-o bucla de asteptare. La sfarsitul conversiei (dupa cca 4us) convertorul trimite un semnal de intrerupere catre microcontroler, care determina citirea datelor de la port. Dupa citirea datelor, semnalele CS si RD sunt inactivate si iesirile convertorului intra in inalta impedanta. In perioada achizitiei, semnalele de pe pinii P3.3, P3.4 si P3.5 sunt in 1 logic pentru ca tranzistoarele ce comanda alimentarea anozilor comuni ai afisajului sa fie blocate penru a nu fi afectate informatiile furnizate de convertor sa nu fie alterate.Oscilatorul de tact al microcontrolerului este realizat cu un cuart de 12MHz si doi condensatori de 22pF conform documentatiei aferente microcontrolerului.Circuitul de reset la pornire (power-on reset) este realizat cu condensatorul C3 si rezistenta R14, care au o constanta de timp de cca 10 ms. Dioda D1 are rolul de a proteja intrarea de reset a microcontrolerului impotriva tensiunilor negative ce apar aici la oprirea alimentarii datorita energiei acumulate in condensator.