Разработка стендовой автоматизированной системы контроля температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание:

Разработка стендовой автоматизированной системы контроля температуры РЭА.

Ш Количество датчиков: 50;

Ш Диапазон изменения температуры РЭА: +60…..+150С;

Ш Максимальная скорость изменения температуры: 90 С/мин;

Ш Расстояние от датчиков до компьютера: 200 м;

Ш Погрешность измерения: не более 2%



Введение

Температура -- физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества.

Из определения температуры следует, что она не может быть измерена непосредственно и судить о ней можно по изменению других физических свойств тел (объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС, интенсивности излучения и т.д.). В зависимости от диапазона измеряемых температур различают две основные группы методов измерения: контактные (собственно термометрия) и бесконтактные (пирометрия или термометрия излучения), применяемые в основном для измерения очень высоких температур. В первую, более обширную группу входят жидкостные, манометрические, термоэлектрические термометры, термометры сопротивления и др. Для измерения криогенных температур используются также газовые, акустические и магнитные термометры. Кроме того, в системах, не требующих высокой точности измерений, в определенном диапазоне температур широко используются полупроводниковые датчики температуры на диодах, транзисторах и специальных интегральных микросхемах.



Теоретическая часть

Цель курсовой работы - разработка системы многоточечного мониторинга температуры РЭА. Проект выполнен на базе цифровых термометров с выводом показаний на компьютер.

В качестве датчика температуры используется микросхема цифрового термометра DS18S20, который опрашивается контроллером на основе PIC16F84A. Микросхемы цифрового термометра DS18S20, опрашиваются контроллером на основе PIC16F84A по протоколу 1-Wire. Далее показания температуры контроллер подаёт на СОМ порт компьютера.

Программа TermoHost.exe, написанная на Visual Basic 6.0, позволяет считывать и отображать показания всех термометров, а также в одной из сетевых папок хранит показания температуры за последние 12 часов (Data.txt) и показания текущих значений температур (Current.txt), которые обновляются каждые 5 сек. В случае превышения температуры заданного порога, программа рассылает сообщения Net Send на предварительно выбранные этой же программой компьютеры, предупреждая об аварийной ситуации. Структурная схема мониторинга температуры РЭА показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема мониторинга температуры РЭА

На компьютер, на котором необходимо следить за температурой, устанавливается клиентская программа TermoGraf.exe, которая считывает файлы данных Data.txt и Current.txt и отображает их в удобном для пользователей виде графиков и диаграмм.

Как говорилось, контроллер температуры по однопроводному интерфейсу 1-Wire считывает показания температуры с 50 датчиков DS18S20, размещенных в отслеживаемых зонах технологического оборудования.

Каждый датчик имеет уникальный 48-битный номер, записанный с помощью лазера в ПЗУ в процессе производства. Этот номер используется для адресации устройств. Предварительно необходимо проинициализировать все эти датчики. Для этого у контроллера предусмотрен режим “Инициализация”, в который необходимо войти выключением-включением напряжения питания при нажатой потайной кнопке S1. Потайной она сделана для исключения случайного стирания данных. При инициализации поочередно по одному опрашиваются датчики и им присваивается порядковый номер от 1 до 50. При этом уникальные 48-битные номера всех 50 датчиков записываются в EEPROM память микросхемы PIC16F84.

Далее показания температуры контроллер подаёт на СОМ порт компьютера по протоколу RS 232. Программа TermoUnit.exe, написанная на Visual Basic 6.0, позволяет считывать и отображать показания термодатчика, а также создаёт LOG файл температуры за последние 12 часов (Data.txt) и показания текущих значений температур (Current.txt), который обновляется каждую секунду.

Для DS18S20 температура представляется в виде 9-битного значения. Дискретность представления температуры составляет 0.5°C. Можно бы было довести её до 0.1°C, но пока в такой точности нет необходимости.

Контроллер также хранит в EEPROM памяти значение порога. Это значение выбирается кнопками SW1,SW2. В режим установки порога необходимо войти при одновременном нажатии любой из кнопок SW1,SW2 и включении питания контроллера.

В основном режиме измерения-отображения температуры нажатием кнопок SW1,SW2 выбирается номер отображаемого на индикаторе датчика. Цифра 0 соответствует отображению пороговой температуры.

Номер отображаемого на индикаторе датчика никак не влияет на передачу данных на СОМ порт. На него всегда подаются 6 значений измеренной температуры и значение порога. Информация передается 1 раз в секунду.

Контроллер температуры реализован на микросхеме PIC16F84A, выпускаемой фирмой Microchip. Порт RB задействован под динамическую индикацию на 2 разряда: RB0 выбирает индицируемую цифру, RB1..RB7- код выводимых цифр на семисегментный индикатор, выводы порта RA0,RA3-для индикации режимов устройства, RA1-опрос кнопок SW1 и SW2, RA2- опрос термодатчиков, RA4- выводит информацию на СОМ-порт компьютера.

В качестве датчиков для измерения температуры РЭА был выбран высокоточный 1-проводный цифровой термометр DS18S20.

Отличительные особенности:

Уникальный 1-проводный интерфейс требует только одного вывода порта для подключения

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Каждое устройство имеет 64-битный уникальный серийный номер, хранящийся в ПЗУ на кристалле

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Возможность многоабонентской работы упрощает создание приложений, осуществляющих распределённое измерение температурыРазмещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Не требует внешних компонентов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Микросхема может быть запитана от линии данных. Рабочее напряжение от 3.0В до 5.5В.Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Измеряет температуру от -55°C до +125°C (от -67°F до +257°F)

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Точность ±0,0Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

3% от -10°C до +185°C.

Разрешение термометра 9-бит

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Преобразует температуру за 2Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

0 мкс (максимум)

Считывание значения измеренной температуры, а также передача команды начала преобразования и других команд производится с помощью 1-проводного интерфейса (1-WireTM) фирмы DALLAS. На основе этого интерфейса фирма DALLAS даже создала сеть, называемую microLAN (или µLAN).

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задаваемые пользователем энергонезависимые параметры настройки температурных сигналовРазмещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Команда поиска сигнала распознаёт и адресует те устройства, температура которых вне запрограммированных границ (условие температурной сигнализации)Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применяется в управлении термостатированием, промышленных системах, устройствах широкого потребления, термометрах или любых чувствительных к температуре системах.

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчетная часть

мониторинг температура термометр погрешность

Распределим результирующую погрешность между устройствами ИИС.

Суммарная среднеквадратическая погрешность оценивается выражением

= (2Д + 2ВВ)1/2 .

Причем должно соблюдаться условие . Необходимая разрядность АЦП определится выражением

m int log2 ( 1/ АЦП ).

По заданию погрешность измерения по этим каналам =2%.

2. Оценка погрешности каналов измерения температуры.

Высокоточный 1-проводный цифровой термометр DS18S20. (со встроенным АЦП и однопроводным интерфейсом), время преобразования которого составляет 20 мкс, обеспечивает точность измерения ±0,03% при представлении сигнала в цифровом коде. Т.е. уже на выходе встроенного АЦП. По заданию требуется обеспечить скорость изменения температуры:

Ш 90 С/мин или 1,5єС/сек.

Применяемые датчики для измерения температуры обеспечивают точность и скорость измерения во всем диапазоне температур.

Большую роль при построении 1-Wire-сетей играет исполнение однопроводной линии связи. Как правило, такие линии имеют структуру, состоящую из трех основных проводников: DATA - шина данных, RET - возвратный или земляной провод, EXT_POWER - внешнее питание не только обслуживаемых ведомых устройств, но и внешних относительно них цепей датчиков и органов управления. В зависимости от способа прокладки, сопряжения с ведомыми устройствами и используемых при прокладке материалов, в соответствии с ниже следующей Таблицей различают три основных варианта качества организации 1-Wire-сетей, каждый из которых подразумевает использование особой технологии и аксессуаров при реализации линии.

Классификация линии	Длина линии	Количество ведомых устройств	Тип используемого кабеля	Топология	Мастер линии
1. Короткие линии	До 30м	До 50шт.	4-хпроводный телефонный	Свободная	Пассивная подтяжка (резистор)
2. Средние линии	До 100м	До 200шт.	Витая пара 5 категории	Общая шина	Активная подтяжка (DS2480, DS2490 или специальное схемное решение)
3. Длинные линии	До 300м	До 300шт.	IEEE1394 (Firewire)	Общая шина с единым стволом	Активная подтяжка с учетом тока в линии

По условию задания расстояние от датчиков до компьютера: 200 м, следовательно, нам подходит третий вариант качества организации 1-Wire-сетей.

Датчики (n=50) имеют 1-проводный интерфейс. Погрешность выбранных датчиков DS18S20 составляет 0,03% у каждого. Следовательно, погрешность преобразования

В нашем случае задана погрешность: =2%.

Суммарная погрешность находится по формуле:

Тогда

Под это условие подходит контроллер температуры реализованный на микросхеме PIC16F84A, выпускаемой фирмой Microchip.

Основные технические характеристики микроконтроллера PIC16F84A:

-35 команд;

-все команды выполняются за один цикл (200 нс);

-рабочая частота 0 Гц ... 20 МГц (минимальный цикл команды - 200 нс);

-4096 х 14бит ячеек памяти на кристалле для программы;

-192 х 8бит регистров общего назначения для данных;

-45 специальных регистров SFR управления узлами контроллера;

-восьми уровневый аппаратный стек;

-прямая, косвенная и относительная адресация данных и команд;

-двенадцать источников прерывания;

-33 линии ввода-вывода с индивидуальной настройкой;

- 16-ти битовое защелкивание счетчика "на лету" с максимальным

временным разрешением 200 нс;

- восьмивходовый аналоговый мультиплексор;

- интервал рабочих температур -55 ... +125С;

- температура хранения -65 ... +150С;

- рабочая температура: -40 +125 C (для автомобильного исполнения);

-40 +85 C (для индустриального исполнения);

0 + 70 C (для коммерческого исполнения);

- рабочее напряжение 4.0... 6.0 В.

Учитывая разрядность АЦП -16 бит, получаем:

Суммарная погрешность получается ,

Тогда измерительный канал будет соответствовать требованию "Задания" по точности измерения.

3. Определение временных параметров.

Длительность измерения по каналу измерения температуры РЭА:

tИЗМ=20 мкс.

Пусть длительности коммутации и выборки равны соответственно 3 мкс и 2 мкс. Тогда на долю АЦП и микро ЭВМ остается временной ресурс

Каналы измерения температуры РЭА:

tАЦП + tВВ 20-5 = 15 мкс

Следовательно, длительность ввода информации в микро ЭВМ не должна превышать

tВВ 15-5,5=9,5мкс .

Необходимая скорость передачи данных через входной интерфейс микро ЭВМ составит

СВВ 1/tВВ = 105 кслов/c.



Практическая часть

В качестве датчиков температуры используются микросхемы цифрового термометра DS18S20, которые по протоколу 1-Wire опрашиваются контроллером на основе PIC16F84A. Далее показания температуры контроллер подаёт на СОМ порт компьютера.

Рис. 2. Обобщённая схема мониторинга температуры

На рис.3 показано окно программы TermoGraf. Текущие показания всех датчиков температуры представлены в виде диаграммы. Нажатием кнопок 1…50 слева от диаграммы можно вызвать график температуры этого датчика в течение 12 последних часов. Полоса прокрутки внизу позволяет по графику выбрать конкретный отсчёт (показать координаты время-температура для любой точки графика).



Рис.3. Окно клиентской программы TermoGraf



Заключение

В результате проделанной работы был разработан стенд автоматизированной системы контроля температуры РЭА.

Разработанный стенд автоматизированной системы контроля температуры РЭА осуществляет следующие измерения: Количество датчиков: 50; Диапазон изменения температуры РЭА: +60…..+150С; Максимальная скорость изменения температуры: 90 С/мин; Расстояние от датчиков до компьютера: 200 м; Погрешность измерения: не более 2%

При этом в штатном режиме для обслуживания системы управления достаточно одного оператора.



Литература

1. Комелин А. Автоматизированная система управления стендами тестирования электронных приборов. // Современные технологии автоматизации. 2004. № 3. С. 16_23.

2. Комелин А. Автоматизированная система управления стендом тестирования РЭА // Современные технологии автоматизации. 2005. № 2. С. 58_61.

3. Евдокимов Ю.К., Лобзов С.Н. Проектирование автоматизированных систем измерения, контроля и управления РЭС: Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 1999. 40 с.

4. Средства массовых коммуникаций(интернет).

Размещено на Allbest.ru