Размещено на http://www.allbest.ru/

Школа Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности

КУРСОВАЯ РАБОТА

По предмету «ПРОЕКТИРОВАНИЕ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ»

Тема работы

«Разработка карманного медицинского электронного термометра»

Выполнил студент Группа

1БМ92 Чеснокова Анна Константиновна

Доцент ОКД ИШНКБ Гусельников М.Э.

Томск 2019 г.



ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Исходные данные к работе (наименование объекта проектирования; назначение; измеряемые величины; режим работы (непрерывный, периодический, циклический и т. д.); требования к изделию	Разработка электронного термометра, предназначенного для измерения температуры воздуха в диапазоне от 35 до 45 °С с основной абсолютной погрешностью измерения + 0,2 °С. При проектировании прибора использовать внешние источники электропитания +12 В. Время обновления информации на цифровом индикаторе - 1 сек. Температура окружающей среды от +15 до + 35 °С. В качестве датчика используется терморезистор СТ1-18, 33кОм.
Перечень подлежащих исследованию, проектированию и разработке вопросов (аналитический обзор по литературным источникам с целью выяснения достижений мировой науки техники в рассматриваемой области; постановка задачи исследования, проектирования,; содержание процедуры исследования, проектирования, заключение по работе).	При проектировании прибора использовать предложенную преподавателем функциональную схему прибора. Провести аналитический обзор по литературным источникам в рассматриваемой области. В соответствии с предложенными методическими указаниями произвести разработку, расчет и моделирование в программной среде Multisim-13 прибора для измерения температуры.
Перечень дополнительного материала	Файл (ms13) созданной в программной среде Multisim-13 модели электронного термометра



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО ТЕРМОМЕТРА

1.1 МОСТОВАЯ СХЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОРЕЗИСТОРОМ

1.2 АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ПОДСТРОЕЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ

1.3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СХЕМЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

2. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ИНДИКАЦИИ И АНАЛОГО- ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

2.1 СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ИНДИКАТОРОМ С ПОМОЩЬЮ ДЕШИФРАТОРА

2.2 СХЕМА РЕГИСТРА И ДВОИЧНО-ДЕСЯТИЧНОГО СЧЕТЧИКА

3. РАЗРАБОТКА ГЕНЕРАТОРА НИЗКОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА ДЛЯ ЗАДАНИЯ ВРЕМЕНИ СЧЕТА ИМПУЛЬСОВ Т

4. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ФОРМИРОВАТЕЛЯ ИМПУЛЬСОВ

5. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ

ЗАКЛЮЧЕНИЯ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

термометр преобразователь генератор низкочастотный

Основной целью курсовой работы является закрепление и углубление теоретических знаний по дисциплине «Проектирование средств измерения и контроля».

При выполнении курсовой работы необходимо решить следующие задачи:

- изучение возможных функциональных схем электронного термометра;

- разработка схем электрических принципиальных элементов функциональной схемы;

- расчет основных погрешностей элементов функциональной схемы;

- моделирование схем электрических принципиальных элементов функциональной схемы при помощи программы Multisim-13 и экспериментальная проверка рассчитанных значений основных погрешностей элементов;

- составление бюджета основной абсолютной погрешности электронного термометра, разработка схемы электрической принципиальной электронного термометра, моделирование разработанной схемы при помощи программы Multisim-13.

Курсовая работа состоит из пояснительной записки, графического материала и файла разработанной схемы электрической принципиальной электронного термометра, моделированной при помощи программы Multisim-13.



1. РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО ТЕРМОМЕТРА

1.1 Мостовая схема измерения температуры терморезистором

Для измерения температуры чаще всего используют эффект зависимости сопротивления резистора электрическому току от температуры. У терморезисторов этот эффект максимален. Данная зависимость у терморезисторов не линейна. Для упрощения при небольших интервалах изменения температуры зависимость сопротивления резистора электрическому току от температуры считают линейной. В этом случае она характеризуется температурным коэффициентом сопротивления ТКС. В справочных данных ТКС указывается для нормальных условий эксплуатации (для России 20 °С, а для США это 25 °С). Сопротивление резистора с учетом температуры определяется по формуле (1):

где R₂₀ - сопротивление при температуре резистора 20°С,

t - расчетная температура, для которой вычисляется сопротивление резистора.

Для измерения температуры воздуха используем «бусинковые» терморезисторы, исполнения СТ1-18. Основные технические характеристики этих терморезисторов приведены в (таблице 1).



Таблица 1

Основные технические характеристики терморезисторов

Тип терморезистора	Пределы номинального сопротивления при 20 °С, кОм	Допуск, %, не более	Интервал рабочих температур, °С	ТКС, %/°С, при 20°С
			от	до
СТ1-18	1,5; 2,2; 22;33; 1500; 2200	20	-60	+300	2,2…5,0 (при 150 С)

Нулевой температуре соответствует отличающееся от нуля сопротивление терморезистора. Для устранения этого эффекта терморезистор включаем в мостовую измерительную схему, представленную на (рисунке 1).

Рисунок 1 Мостовая схема для измерения температуры воздуха

Выходной сигнал схемы описывается выражением по формуле (2):

Для обеспечения нулевого выходного сигнала при нулевой температуре необходимо вычислить сопротивление R₁ при нулевой температуре и выполнить условие по формуле (3):



Таблица 2

Исходные данные

Параметры	Значения
R1	33 кОм
Диапазон измеряемых температур	35-45 oC
Тип терморезистора	СТ1-18
ТКС	0,025 %/С
при 20 oC сопротивление	R1 ± 20 %
ц	± 0,2 °С

В программной среде Multisim-13 отсутствуют терморезисторы СТ1-18. Поэтому данный элемент R₁ моделируем как обычный резистор. В представленном окне его параметров при температуре 20 °С задаем требуемый линейный ТКС (рисунок 2). В этом же окне при экспериментах задаем величину измеряемой температуры. Для упрощения выбираем прецизионные резисторы R₂, R₃, R₄. Считаем их ТКС нулевым и учитываем только разброс номиналов этих резисторов, представленных на рисунке 3.



Рисунок 2 Окно для изменения параметров резистора

Сопротивление резистора R₁ с учетом температуры определяем по формуле (1).

При температуре 0 °С:

Собираем мостовую схему в среде Multicim-13 и подставляем полученные номиналы резисторов (рисунок 3).

Рисунок 3 Схема прибора для измерения температуры воздуха, реализуемая в среде Multicim-13

Полученные результаты заносим в таблицу 3.

Таблица 3

Результаты значений напряжения

Т, °С	0	10	20	30	35	40	45
U, В	0	1,2	2	2,571	2,8	3	3,176

Рисунок 4 Зависимость напряжение от температуры

1.2 Алгоритм расчета подстроечных резисторов

Если резисторы R₂, R₃, R₄ имеют погрешность допуска номинала, например, 5%, то для получения нулевого выходного сигнала на выходе мостовой измерительной схемы при нулевой температуре в схему необходимо добавить регулировочный потенциометр R₅. Его сопротивление ориентировочно должно превышать:

0,05·(R₂ + R₃ + R₄) + 0,1·R₁ = 5,7 кОм. Примем R₅ = 6,2 кОм.

Расчет максимального выходного сигнала измерительного моста при температуре +45 °С дает: 12 В · 16,5 кОм / (16,5 кОм + 33 кОм) = 4 В.

К выходу измерительного моста подключаем милливольтметр и по его показаниям судим об измеряемой температуре. Для этого необходимо, чтобы индицируемый милливольтметром 1 мВ соответствовал температуре 1°С. В нашем случае температуре +45°С соответствует напряжение 3176 мВ. Для получения выходного сигнала 45 мВ необходимо снижение напряжения в 3176 / 45 = 70,5 раз.

Такое снижение напряжения осуществим с помощью делителя напряжения, собранного на резисторах R₆ и R₇. Введение этих резисторов окажет влияние на работу схемы измерительного моста. Для снижения этого влияния необходимо выбрать обеспечить R₆ + R₇ >> R₂. Поэтому выберем R₆ = 1 МОм. Расчет делителя R₆, R₇ с коэффициентом передачи 1 / 70,5 даст значение R₇ = 14,2 кОм. Для возможности более точной настройки прибора в качестве R₇ используем потенциометр с сопротивлением 20 кОм.

С функциональным преобразователем необходимо использовать схему измерительного усилителя. Ее пример дан на (рисунке 5). Усилитель собран на двух операционных усилителях. Обладает большими входными сопротивлениями.



Рисунок 5 Схема измерительного усилителя

Данный измерительный усилитель выполняет операцию по расчетной формуле (5):

1.3 Проектирование и расчет схемы функционального преобразователя

По собранной в среде Multisim-13 схеме (рисунок 3), меняя температуру в окне (рисунок 2), снимаем зависимость выходного напряжения U от температуры t. Результаты представляем в таблице 4.



Рисунок 6 Схема измерительного усилителя, реализуемая в среде Multicim-13

Таблица 4

Результаты измерений

Т, °С	Uтр, В	Uвых, мВ	Uтр / Uвых
0	0	49,612	0
10	1	-2339	-0,428
20	2	-3931	-0,509
30	3	-5069	-0,592
35	3,5	-5524	-0,634
40	4	-5922	-0,675
45	4,5	-6273	-0,717
50	5	-6585	-0,759
60	6	-7116	-0,843
70	7	-7550	-0,927
80	8	-7912	-1,011

По полученным результатам измерений построим график зависимости выходного напряжения от температуры окружающего воздуха (рисунок 7).



Рисунок 7 График зависимости выходного напряжения от температуры окружающего воздуха

По результатам расчетов таблицы 4 строим аппроксимацию зависимости напряжения U от температуры t (рисунке 8).

Рисунок 8 Аппроксимация зависимости напряжения от температуры

Далее рассчитываем коэффициенты для схемы преобразователя.

Полученные данные подставляем в значения резисторов функционального преобразователя на (рисунок 11).

Функциональный преобразователь представляет собой универсальную схему, с помощью которой можно реализовать любую зависимость выходного напряжения от входного. Идея функционального преобразователя заключается в представлении нужной нелинейной зависимости выходного и входного напряжений в виде кусочно-линейной аппроксимации и построении такой схемы усилителя, коэффициент усиления которой зависит от входного или выходного напряжения. На рисунках 8-9 представлена требуемая нелинейная характеристика и ее аппроксимация отрезками прямых линий.

Из рисунков видно, что на участке от 0 до U_t1 преобразователь должен иметь коэффициент усиления К₁ на следующем участке, от U_t1 до U_t2 - коэффициент усиления К₁ К_2А = К₁²/ К₂ и т.д.

За основу функционального преобразователя обычно берут схему инвертирующего усилителя на основе ОУ (рисунок 10).

Рисунок 9 Схема функционального преобразователя

Рисунок 10 Схема функционального преобразователя, реализуемая в среде Multicim-13

Строим измерительную схему температуры в среде Multicim-13, и снимаем показания напряжения при температурах 35°С, 40°С, 45°С (рисунки 12-14).

Рисунок 11 Измерителя схема температуры при 35°С, напряжение 3,641 В

Рисунок 12 Измерителя схема температуры при 40°С, напряжение 4,081 В



Рисунок 13 Измерителя схема температуры при 45°С, напряжение 4,605 В

Таблица 5

Результаты измерение

Т, С	U, В
0	0,235
10	1,104
20	2,183
30	3,034
35	3,641
40	4,081
45	4,605



2. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ИНДИКАЦИИ И АНАЛОГО- ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

2.1 Схема управления индикатором с помощью дешифратора

Для отображения результатов измерений в цифровой форме выпускаются микросхемы семи сегментных индикаторов. Каждый из семи сегментов представляет собой светодиод, который начинает светиться при пропускании через него электрического тока. Часто в индикатор добавляют восьмой сегмент - точку в правом нижнем углу. Аноды (схема с общим анодом) или катоды (схема с общим катодом) всех семи (или восьми) светодиодов соединены вместе. Включение диодов осуществляется подключением общих анодов (катодов) к источнику положительного электропитания (общему проводу). При этом на выводы подлежащих зажиганию сегментов подается нулевое (положительное) напряжение. Это напряжение формируется открыванием транзисторного ключа. Между транзисторными ключами и светодиодами необходимо установить ограничивающие ток резисторы R_ОГР. Резисторы выбираются такими, чтобы ток через светодиоды I_СД не превышал максимальную допустимую величину:

где Е - напряжение электропитания схемы;

1 В - напряжение, падающее на светодиоде и переходе коллектор-эмиттер транзисторного ключа.

Преобразование двоично-десятичного кода в код управления семи сегментным индикатором осуществляется специально выпускаемыми микросхемами дешифраторов DC и схема подключения индикатора с общим катодом представлена на (рисунке 15).

Рисунок 15 Схема управления семи сегментным индикатором

Рисунок 16 Схема управления семи сегментным индикатором

Схема имеет 4 входа и 7 выходов, также цепи для подачи напряжений электропитания. На (рисунке 16) использована микросхема дешифратора типа 7448N.

В проектируемом приборе требуется измерение температур от 35°С до 45°С с погрешностями до +0,2°С. Поэтому необходимо взять три семи сегментных индикатора и у среднего из них через резистор 330 Ом сегмент H подключить к цепи электропитания +5 В. Для сокращения числа элементов в качестве токоограничивающих резисторов рекомендуется использование микросхему, представляющую собой набор резисторов с сопротивлением 330 Ом.



2.2 Схема регистра и двоично-десятичного счетчика

Двоично - десятичный счетчик реализуется на интегральной микросхеме 74390. Внешний вид и функциональная схема микросхемы представлена на (рисунке17):

Рисунок 17 Внешний вид и функциональная схема микросхемы 74LS248

Моделирование работы дух декадного (счет от 0 до 99) счетчика в программной среде Multisim-13 (рисунки 18-20).

Собираем схему для изучение, особенности ее работы при трех частотах

Рисунок 18 Исследование работы двоично-десятичного счетчика при частоте 1кГц



Рисунок 19 Исследование работы двоично-десятичного счетчика при частоте 5кГц

Рисунок 20 Исследование работы двоично-десятичного счетчика при частоте 10кГц

Моделирование работы дух декадного (счет от 0 до 99) счетчика, поставляющего информацию в 10- разрядный регистр в программной среде Multisim-13 при двух частотах (рисунки 21-22).



Рисунок 21 Исследование совместной работы двоично-десятичного счетчика и регистра при частоте 1кГц

Рисунок 22 Исследование совместной работы двоично-десятичного счетчика и регистра при частоте 10 кГц



3. РАЗРАБОТКА ГЕНЕРАТОРА НИЗКОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА ДЛЯ ЗАДАНИЯ ВРЕМЕНИ СЧЕТА ИМПУЛЬСОВ Т

В проектируемом устройстве необходим генератор цифровых импульсов («0» - амплитудой от 0 до 1В и «1» - амплитудой от 3 до 5 В). Период колебаний Т 0,3 секунды. Погрешность формируемого периода - не более 0,05%.

Мультивибратором называют генератор прямоугольных импульсов. В его основе лежит триггер Шмидта или компаратор с гистерезисом, но в отличие от триггера напряжение в мультивибраторе формируется интегрирующей цепочкой R₁C₁. На рисунке 23 приведена схема мультивибратора на ОУ. На рисунке 23 представлены результаты моделирования при организации однополярного питания операционного усилителя.

Рисунок 23 Схема мультивибратор

При проектировании схемы генератора необходимо в соответствии с требуемой величиной погрешности формирования импульсов заданной длительности вычислить необходимые значения ТКС резисторов R1 и R4, а также ТКЕ конденсатора С1.



4. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ФОРМИРОВАТЕЛЯ ИМПУЛЬСОВ

Формирователь импульсов схемы, представленной на рис.1, предназначен для управления работой двоично- десятичного счетчика и регистра схемы рисунке 19. Схема формирователя один раз за период Т = 1 сек. должна формировать перепад логического сигнала из низкого в высокий уровень (из 0 в 1) для записи информации в регистр, а затем вырабатывать короткий положительный импульс «Сброс» для установки содержимого счетчика в исходное нулевое состояние. Длительность импульса «Сброс» должна быть много меньше (хотя бы в 10 раз) длительности импульсов, подсчитываемых двоично- десятичным счетчиком (1сек / 1000 / 10 = 100 · 10^-6 сек).

Схему формирователя проектируем на цифровых элементах. Цифровые схемы работают с двоичными числами, состоящими из набора сигналов высокого («1») и низкого («0») уровня. Цифровые схемы строятся на базе биполярных (ТТЛ логика, где «1» соответствует высокое напряжение 3-5 В, а «0» - низкое напряжение 0-2 В) или полевых (МОП логика, где «1» соответствует высокое напряжение, а «0» - низкое напряжение) транзисторов.

Связь аналоговых схем (с непрерывно изменяющимся по амплитуде сигналом) с цифровыми схемами обычно осуществляется при помощи компаратора. Компаратор - это операционный усилитель, сравнивающий амплитуды двух сигналов. Выходной сигнал компаратора - логическая единица (истина) или логический ноль - (ложь).

Результаты моделирования схемы программой Multisim-13 представлены на (рисунке 24). Сигнал управления регистром отображен красным цветом, а сигнал сброса счетчика - зеленым.



Рисунок 24 Схема формирования импульсов



5. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ

Преобразователи напряжение - частота ПНЧ (Voltage-to-Frequency Converters VFC) являются наиболее дешевым средством преобразования сигналов для многоканальных систем ввода аналоговой информации в ЭВМ, обеспечивающим высокую помехозащищенность и простоту гальванической развязки. ПНЧ -- отличное решение для задач измерения усредненных параметров, расхода, а также задач генерирования и модуляции частоты.

Данный функциональный элемент является звеном, связывающим измеритель температуры с аналоговым выходным сигналом и представленный частотомер на (рисунке 25).

Рисунок 25 Модель и результаты испытаний ПНЧ

Разработанный комплект элементов функциональной схемы образует устройство преобразования импульсов измеряемого сигнала в отображающуюся на светодиодных индикаторах информации

Разработанная схема электронного термометра для измерения температуры представлена на (рисунке 26).



Рисунок 26 Схема электронного термометра для измерения температуры, реализуемая в среде Multicim-13 (показания при 35°С)



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсовой работы была разработана схема электронного термометра для измерения температуры, а также были решены следующие задачи:

- изучены возможные функциональные схемы электронного термометра;

- разработаны схемы электрических принципиальных элементов функциональной схемы;

- рассчитаны основные погрешности элементов функциональной схемы;

- смоделированы схемы электрических принципиальных элементов функциональной схемы при помощи программы Multisim-13 и экспериментально проверили рассчитанные значения основных погрешностей элементов;

- составлен бюджет основной абсолютной погрешности электронного термометра, разработана схема электрическая принципиальная электронного термометра, моделированной при помощи программы Multisim-13.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Введение в Multisim -Трехчасовой курс [электронный ресурс] URL.http://of.bsu.ru/e-book/mikroprochess/Manual_multisim_rus.pdf

2. Системы комплексной электромагнитотерапии: Учебное пособие для вузов/ Под ред А.М. Беркутова, В.И. Жулева, Г.А. Кураева, Е.М. Прошина. М.: Лаборатория Базовых знаний, 2000г. 376 с.

3. А.С. Уваров, «Программа P-CAD. Электронное моделирование», Диалог-МИФИ, 2008.

4. А.П. Семьян, «500 схем для радиолюбителей. Приёмники», 2004.

5. Щербаков В.И. «Электронные схемы на операционных усилителях», 1983.

6. Гришин Ю. П «Анализ и расчет основных типов транзисторных усилителей», 1985.

7. Н.И. Чистяков. Справочник радиолюбителя - конструктора. Москва, 1983. 560 с.

8. Горюнов Н.Н., Клейман А.Ю., Комков Н.Н. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. Москва, 1976. 744 с.

9. Бакланов Н.И. и др. «Охрана труда на предприятиях связи». М., «Радио и связь», 2010 г.

10. А.А. Шегал, «Применение программного комплекса Multisim для проектирования устройств на микроконтроллерах» - Екатеринбург, 2014. 116 с.

11. Компания National Instruments «MultiSIM проектирование и моделирование». Канада, 2005. 113 с.

12. Кирина М., Фомина К., «Программа схемотехнического моделирования Multisim», 33 с.

13. https://static.chipdip.ru/lib/005/DOC001005850.pdf.

Размещено на Allbest.ru