Цифровой термометр с USB-интерфейсом

Тепловой луч, сфокусированный  оптической системой, падает на датчик (первичный пирометрический преобразователь), в результате на выходе образуется электрический сигнал, пропорциональный значению температуры объекта измерения. Этот сигнал проходит через электронный  преобразователь (вторичный пирометрический  преобразователь), попадает в измерительно-счетное  устройство и обрабатывается в нем. Результат отображается на дисплее (индикация у современных пирометров, как правило, цифровая).

К основным техническим характеристикам  пирометров относят:

• оптическое разрешение (встречаются модели с разрешением от 2 до 600:1);
• диапазон измеряемых температур (max от -50 до 4000° C или меньше);
• измеряемое разрешение — 1 или 0,1° C;
• точность измерения (оптимальная ± 1,5%);
• быстродействие (у современных очень высокое — менее 1 секунды);
• коэффициент излучения — переменный либо фиксированный;
• способ нацеливания — оптический либо лазерный прицел.

Инфракрасные термометры применяют  в различных отраслях. Сфера их применения достаточно широка:

1. Измерения температур опасных для человеческого организма поверхностей и сред, в том числе, горячих.
2. Измерение температурных показателей недоступных и труднодоступных объектов.
3. Сканирование для поиска холодных или горячих точек.
4. Диагностические работы с электро- и теплооборудованием.
5. Быстрое (мгновенное) определение температуры объектов, которые пребывают в движении.
6. Профилактика и диагностика ж/д и автотранспорта.
7. Поддержание противопожарной безопасности.
8. Контроль и проверка систем кондиционирования, вентиляции и отопления.
9. Электроаудит и электродиагностика.
10. Работы по профилактике оборудования в любой отрасли промышленности.

 

1.5 Термометры основанные  изменении сопротивления

Термометры сопротивления (иначе называемые термосопротивление) - это устройства для измерения температуры. Принцип действия прибора заключается в изменении электрического сопротивления сплавов, полупроводников и чистых металлов (т.е. без примесей) с температурой. Термометр сопротивления иногда также называется: резистивным датчиком сопротивления.

Чувствительный элемент  термометра сопротивления представляет собой резистор, который сделан из пленки или металлической проволоки, и обладающий зависимостью электрического сопротивления от температуры. Проволока  намотана на жесткий каркас, сделанный  из кварца, слюды или фарфора, и  заключена в защитную металлическую (стеклянную, кварцевую) оболочку.

Наиболее популярны термосопротивления из платины. Платина устойчива к  окислению, высокотехнологична, имеет  высокий температурный коэффициент. Иногда используются термометры сопротивления  из меди или никеля.

Термометр сопротивления платиновый типа ТСП-972 (рисунок 4) предназначен для измерения температуры от -10 до +120°С при относительной влажности до 98%.

Измерение сопротивления  термометра фиксируется вторичным  прибором, имеющим шкалу в градусах Цельсия. Термометр типа ТСП-972 состоит из термоэлемента и головки. Чувствительный элемент термометра представляет собой спираль из платиновой проволоки марки Пл-2 диаметром 0,05 мм, помещенную в канал каркаса. Каналы каркаса заполнены порошком безводной окиси алюминия и залиты глазурью. Концы спирали припаяны серебром к выводам из сплава, состоящего из иридия и родия. Головка термометра сопротивления состоит из корпуса и крышки, соединенных болтами.

Темометры сопротивления (термосопротивления) обычно используют для замера температур в диапазоне от -263 С до +1000 ^oС. У медных термометров сопротивления диапазон значительно меньше – всего лишь от -50 до +180 ^oС. Основное требование к конструкции термометра сопротивления – она должна быть достаточно чувствительной и стабильной, т.е. достаточной для необходимой точности замеров в указанном диапазоне температур при соответствующих условиях использования. Условия использования могут быть как благоприятными, так и неблагоприятными – агрессивные среды, вибрации и т.д.

Обычно термометры сопротивления  работают в совокупности с потенциометрами, логометрами, мостами измерительными. От точности этих приборов в значительной степени зависит и точность измерений  самого термометра сопротивления (термосопротивления).

Термометры сопротивления  могут быть различными: поверхностными, ввинчивающимися, вставными, с байонетным соединением или присоединительными проводами. Термосопротивления могут  использоваться для измерения температуры  в жидких и газообразных средах, в климатической, холодильной и  нагревательной технике, печестроении, машиностроении и т.д.

2. Конструкторский раздел

В соответствии с поставленными  задачами была разработана принципиальная электрическая схема и проведена  выборка элементов, которые будут  использоваться в устройстве.

Чуствительным элементом  для устройства был выбран цифровой термодатчик DS18B20. DS18B20 цифровой термометр с программируемым разрешением, от 9 до 12–bit, которое может сохраняться в EEPROM памяти прибора. DS18B20 обменивается данными по 1-Wireшине и при этом может быть как единственным устройством на линии так и работать в группе. Все процессы на шине управляются центральным микропроцессором.

Диапазон измерений от –55°C до +125°C и точностью 0.5°C в диапазоне от –10°C до +85°C. В дополнение, DS18B20 может питаться напряжением линии данных (“parasite power”), при отсутствии внешнего источника напряжения.

Каждый DS18B20 имеет уникальный 64-битный последовательный код, который  позволяет, общаться с множеством датчиков DS18B20 установленных на одной шине. Такой принцип позволяет использовать один микропроцессор, чтобы контролировать множество датчиков DS18B20, распределенных по большому участку. Приложения, которые  могут извлечь выгоду из этой особенности, включают системы контроля температуры  в зданиях, и оборудовании или  машинах, а так же контроль и управление температурными процессами.

В качестве микроконтроллера, был выбран микроконтроллер фирмы ATMEL AVR ATmega8.

Отличительные особенности:

1. 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением
2. Прогрессивная RISC архитектура
1. 130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл
2. 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения
3. Полностью статическая работа
4. Приближающаяся к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц) производительность
5. Встроенный 2-цикловый перемножитель
3. Энергонезависимая память программ и данных
1. 8 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash)
2. Обеспечивает 1000 циклов стирания/записи
3. Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки
4. Обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write)
5. 512 байт EEPROM
6. Обеспечивает 100000 циклов стирания/записи
7. 1 Кбайт встроенной SRAM
8. Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя
4. Встроенная периферия
1. Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения
2. Один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения
3. Счетчик реального времени с отдельным генератором
4. Три канала PWM
5. 8-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусах TQFP и MLF)
6. 6 каналов с 10-разрядной точностью
7. Программируемый последовательный USART
8. Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый) 
9. Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором
10. Встроенный аналоговый компаратор
5. Специальные микроконтроллерные функции: 
1. Сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания 
2. Встроенный калиброванный RC-генератор 
3. Внутренние и внешние источники прерываний 
4. Пять режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby и снижения шумов ADC
6. Выводы I/O и корпуса 
1. 23 программируемые линии ввода/вывода 
2. 28-выводной корпус PDIP, 32-выводной корпус TQFP и 32-выводной корпус MLF
7. Рабочие напряжения 
1. 4,5 - 5,5 В (ATmega8)
8. Рабочая частота 
1. 0 - 16 МГц (ATmega8)

Список элементов, входящих в устройство:

1. Микроконтроллер ATmega8 (без индекса "L” в конце);
2. Температурный датчики DS18B20(диапазон измерений от -55 до +125 градусов цельсия), без индекса PAR в конце, в противном случае максимальная температура будет +85 градусов;
3. Кварцевый резонатор с частотой 12 МГц;
4. 2 конденсатора 22 пФ и один конденсатор по питанию (10V и не менее 100 мФ;
5. 2 резистора 68 Ом, 1 резистор 200 Ом, 1 резистор около 2,2 – 4,7 кОм, 1 резистор 10 кОм и 1 резистор 1,5 кОм.
6. 2 стабилитрона 3.6V;
7. Штекер или разъем USB;
8. Светодиод;
9. Печатная плата, на которой будет собрано устройство.

Слева расположены 4 контакты USB. Стабилитроны VD1 и VD2 снижают напряжение на линии передачи данных до 3,3В. Датчик DS18B20 Можно не ставить на плату, а вывести на нужное место, длина провода может быть до 100 метров. Светодиод меняет свой состояние (загорается/тухнет) при каждом запуске измерения температуры. Если он с хаотической скоростью мигает, тогда с термодатчик работает нормально, если постоянно светиться или не светиться – с датчиком проблемы (неправильно подключен, нерабочий, или очень длинный провод, возле которого сильные электромагнитные помехи). Справа расположен разъем для внутрисхемного программирования микроконтроллера.

2.1 Блок питания

Для данного устройства необходим  болк питания, который будет обеспечивать работоспособность всей системы. Его  принципиальная электрическая схема  представлена ниже.

Блок питания состоит  из следующих элементов:

1. 2 диода;
2. 3 кондесатора;
3. 2 резистора;
4. Стабилитрон;
5. Источнок напряжения (в данном случае крона).

Два диода будут защищать источник от переполюсовки. Конденсаторы сглаживают скачки напряжения. Стабилитрон  нужен для того чтобы из 9В, идущих от источника напряжения, делать 5В, которые подаются на устройство.

 

2.2 Расчет потребляемой мощности

Потребляемая мощность является одной из важных характеристик любого электрического прибора. В данном случае потребляемая мощность это ничто  иное, как сумма мощность микроконтроллера и мощности датчика DS18B20, и находится она будет по следующей формуле:

, где

P_мк – потребляемая мощность микроконтроллера;

P_д – потребляемая мощность датчика DS18B20;

 

 

После того как были вычислены  потребляемые мощности всех устройств  системы, вычисляем общую потребляемую мощность по выше приведенной формуле:

 

 

Заключение

В соответствии поставленной целью и задачами были осуществлены следующие мероприятия: произведен анализ 10 литературных источников в том числе 5 источников изданных не поздне 2004 года.

 Проведен анализ элементов  для принципиальной электрической  схемы, определены основные параметры  этих элементов. В соответствии с данным анализом были выбраны наиболее подходящие элементы. Разработана принципиальная электрическая схема устройства и блока питания. Подсчитана потребляемая мощность всего устройства.

В дальнейшем предполагается усовершенствование системы контроля температуры, в направлении создания многоканальной системы контроля.

 

Список литературы:

1. Схемотехника электронных систем. Микропроцессоры и микроконтроллеры, Бойко В.И., Гуржий А.Н., Жуйков В.Я.,Зори А.А., Спивак В.М. , издательство БХВ-Петербург, 2004 год
2. Справочник по цифровой схемотехнике, Зубчук В., издательство техника, 1990 год
3. Микроконтроллеры AVR семейства Mega, Евстифеев Ф.В., издательство ДОДЕКА, 2007 год
4. Специальные термометры с термопреобразователями сопротивления, Фандеев, Г.А. Лущаев, В.А. Карчков, издательство Энергоатомиздат, 1987 год
5. Крамарухин Ю. Е., Приборы для измерения температуры. - М.: Машиностроение, 1990 год
6. Создаем устройства на микроконтроллерах, Белов А.В., издательство Наука и Техника, 2007 год
7. Датчики справочник, под редакцией 3. Ю. Готры и О. И. Чайковского, 1995 год
8. Микроконтроллеры AVR. Вводный курс,  Джон Мортон, 2006 год
9. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR микроконтроллеров, Вольфганг Трамперт, 2006 год
10. Оптические датчики температуры, Г.П. Катыс, издательство Госэнергоиздат, 1959 год