Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство высшего и среднего профессионального образования

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Физико-технологический институт

Кафедра экспериментальной физики

Курсовой проект на тему:

«Измеритель температуры в диапазоне до 400К»

Пояснительная записка

Студенты: Нурисламова К.А.

Десятов Д.Д.

Группа: ФТ-420303

Преподаватель: Хохлов К.О.

Н.контроль: Новиков Е.Г.

Екатеринбург, 2015



Содержание

Введение

1. Задание

2. Обоснование выбора датчика

3. Выбор микросхемы AD594

4. Схема на ОУ

5. Обоснование выбора микроконтроллера

5.1 Микроконтроллер ATmega8

5.2 Встроенный АЦП МК ATmega8

6. Семисегментный индикатор

7. Блок - схема для программирования МК АТmega8

Заключение

Список литературы



Введение

Большинство технологических процессов идет сейчас по пути автоматизации. Кроме того, управление многочисленными механизмами и агрегатами, а зачастую и машинами просто немыслимо без точных измерений всевозможных физических величин. Самыми распространенными (около 50%) являются температурные измерения. Диапазон измерений и их условия могут сильно отличатся друг от друга, разработаны разные по точности, помехоустойчивости и быстродействию типы датчиков. Какого бы типа не был температурный датчик, общим для всех является принцип преобразования. А именно: измеряемая температура преобразуется в электрическую величину. Это обусловлено тем, что электрический сигнал просто передавать на большие расстояния (высокая скорость приема-передачи), легко обрабатывать (высокая точность измерений) и, наконец, быстродействие.

Существуют следующие виды датчиков для измерения температуры:

1. Терморезистивные термодатчики

Терморезистивные термодатчики -- основаны на принципе изменения электрического сопротивления (полупроводника или проводника) при изменении температуры.

2. Полупроводниковые термодатчики

Полупроводниковые датчики регистрируют изменение характеристик p-n перехода под влиянием температуры.

3. Термоэлектрические термодатчики

Термоэлектрические преобразователи -- иначе, термопары. Они действуют по принципу термоэлектрического эффекта, то есть благодаря тому, что в любом замкнутом контуре (из двух разнородных полупроводников или проводников) возникнет электрический ток, в случае если места спаев отличаются по температуре.



1 Задание

Номер Варианта: 4

Название темы: Измеритель температуры в диапазоне до 400К.

Для выполнения данной работы необходимо разработать блок схему данного измерителя, определить вид датчика, способ обработки результатов измерения и метод визуализации полученных значений.

В качестве преобразователя температуры в электрический сигнал выбрана термопара. Для более узкого диапазона температур выбирает термопару типа Т (ТМК), материалом которой является медь - константан.

Подключение термопары реализуем с помощью микросхемы AD594.

На выходе микросхемы AD594 сигнал двухполярный, а на вход микроконтроллера необходимо подавать однополярный. Для этого применяется схема на операционном усилителе.

Для обработки данных используем микроконтроллер (МК) ATmega8.

В качестве устройства визуализации выбран семисегментный индикатор.

Ниже представим структурную схему данного измерителя (Рис. 1).

Рис.1 Структурная схема.

Структурная схема содержит:

1. Датчик ТМК

2. Микросхема AD595

3. Схема на операционном усилителе

4. Микроконтроллер ATmega8

5. Семисегментный индикатор

6. Источник питания



2. Обоснование выбора датчика

Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов.

Если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т₁, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т₂, которое будет пропорционально разности температур Т₁ и Т₂.

Термопары не требуют вспомогательного источника питания, имеют широкий диапазон измеряемых температур (от ?250 °C до +2500 °C), просты по конструкции, являются не дорогостоящими, надежны, обладают высокой точностью измерений (вплоть до ±0,01 °С). Однако им присуща заметная нелинейность характеристики преобразования. Некоторые проблемы создает необходимость учета (или компенсации) влияния температуры свободных концов термопары на результат измерения. Кроме того, малое выходное напряжение (0...50 мВ) и сравнительно невысокая чувствительность (10...50 мкВ/°С) требует довольно чувствительных вторичных преобразователей (усилителей).

В данной курсовой работе представлен процесс создания измерительного преобразователя на основе термопары. На основании предложенного для измерения диапазона температур в качестве датчика была выбрана термопара типа Т, которая имеет среднюю стоимость, среднюю чувствительность, высокую точность. Она удобна для работы с невысокими температурами.

Таблица 1

Тип	Буквенное обозначение	Материал термоэлектродов	Коэффициент термоЭДС,мкв/°С (в диапазоне температур, °С)	Диапазон рабочих температур, °С
		+	-
ТМК	Т	Медь (Сu)	Сплав константан (55% Сu + 45% Ni, Mn, Fe)	40-60 (0-400)	от -200 до +350

Зависимость развиваемой термопреобразователем термоЭДС от температуры рабочего спая t при нулевой температуре свободных концов t0 = 0°С называется номинальной статической характеристикой преобразования (НСХ). Она задается в виде таблиц (градуировочных) или формул.



Рис. 2- Характеристики термопары. Зависимость ТЭДС от температуры.

По градуированной таблице для термопары ТМК (Т) для диапазона температур от -273 до +172єС с шагом 10 єС, пользуя программу Microsoft Excel построен график, представленный ниже (Рис.3).

Рис. 3 Зависимость ТермоЭДС от температуры

Как видно из графика, зависимость для датчика ТМК является не линейной. Данное уравнение получено с помощью программы Microsoft Excel.

, мВ (Т, С)



3. Выбор микросхемы AD594

Рис. 4 Блок схема AD594

Микросхема предназначена для подключения к термопарам типа J(AD594) или типа K(AD595). Может использоваться с термопарами типа Т, как в нашем случае.

AD594/AD595 -- инструментальный усилитель и компенсатор напряжения прохладного спая, выполненный в одном чипе. Эта микросхема осуществляет привязку к «точке таяния льда» и содержит предварительно откалиброванный усилитель, который обеспечивает получение выходного напряжения высочайшего уровня (10 мВ/°С) конкретно с выхода термопары. В ряде всевозможных случаев чрезвычайно принципиально, чтоб чип находился при той же температуре, что и прохладный спай термопары. Традиционно это достигается методом размещения обоих в конкретной близости друг от друга и изоляции их от источников тепла.

Характеристики AD594:

- широкий интервал напряжений питания: +5В и до ±15В.

- Низкая мощность: <1 мВт в обычных условиях.

- Сигнализация разрыва термопары.

- Лазерная калибровка до точности 1°С.

- Режим установки операции.

- Встроенная операция с термометром по Цельсию. Дифференциальный вход высокого сопротивления.

- AD594 может питаться напряжением одной полярности (+5В) и напряжением обоих полярностей при необходимости измерения температуры ниже 0°С, а именно такое питание и используется в разработанной схеме.

Подключение одиночного и двойного питания:

Рис. 5 Одиночное питание

Можно использовать любое удобное напряжение от +5 В до +30 В, при этом возникают ошибки, связанные с самонагревом, более низкое значение которой соответствует более низкому уровню напряжения. В случае одиночного питания +5 В подключается на ножку 11, а «земля» - на ножку 7 (для обеспечения питания) и на ножку 4 (общий сигнал). Термопара подключается к ножкам 1 и 14, либо непосредственно в месте измерения, либо через проводники, соответствующие типу термопары. В случае, когда сигнализация не используется, ножку 13 необходимо подключить на «землю». Калиброванный выходной сигнал с ножки 8 вместе с выходом ножки 9 позволяет получить номинальную температурную характеристику в 10 В/°С для передачи.

Рис. 6 Двойное питание

При использовании двойного питания в широком интервале напряжений, как показано на Рис. 6, AD594/AD595 может измерять температуру и меньше и больше нуля в более широком интервале, чем при использовании одинарного питания. С отрицательным питанием на выходе можно измерять отрицательные температуры и управлять нагрузкой на заземление или нагрузкой обратного положительного напряжения. Увеличение положительного напряжения от 5 до 15 В расширяет уровень выходного напряжения, что позволяет измерять температуру до 750°С для термопары типа J и до 1250°С для термопары типа K.

Напряжение в обычном режиме на входе термопары должно соответствовать пределу обычного режима AD594/AD595 с обратной связью для смешения потоков. В случае если термопара не заземлена отдельно, тогда рекомендуется связи, показанные на Рис. 5 и 6 пунктирной линией. Для подключения этой связи возможно потребуется резистор, чтобы наверняка стабилизировать индуцируемое напряжение в обычном режиме.

А в качестве источника питания мы используем простую в использовании солевую батарейку «Крона», которая будет выдавать 9 В.



Рис. 7 Батарейка «Крона»

Наша схема требует питания в 5 В. Мы можем использовать линейный стабилизатор напряжения MCL7805, который будет давать на выходе необходимое напряжение в 5 В. Стабилизатор имеет функцию защиты от перегрева: в случае перегрева стабилизатор отключается. Конденсатор С2 на входе необходим для ликвидации ВЧ помех при подачи входного напряжения. Конденсатор С3 на выходе стабилизатора, как и в любом другом источнике питания, обеспечивает стабильность блока питания при резком изменении тока нагрузки, а так же уменьшает степень пульсаций. Ко входу («+» и «-» на схеме) подключается источник постоянного напряжения 9В, в нашем случае батарейка.

Рис 8. Стабилизатор MCL7805



Рис.9 Схема стабилизатора MCL7805

Стоит отметить, что на выходе у стабилизатора однополярное напряжение, а на входе у AD594 мы используем двухполярное. Чтобы получить необходимое двухполярное напряжение, добавим в схему DC/DC преобразователь AM10. В него входят инвертор, трансформатор и выпрямитель.

Подключение термопары

Изотермическое подключение к терминалу пары выводов термопары происходит путем спайки. Этот спай должен находиться при такой же температуре, как и AD594/AD595, что обеспечивает эффективную внутреннюю компенсацию холодного спая.

Рис. 11

Схема соединения, обеспечивающая равенство температур - печатная плата соединения выходов показана на рисунке 11. Здесь температурная часть чипа AD594/AD595 и печатная плата припаяны к медным дорожкам 1 и 14. В этом случае холодный спай представляет собой медь-константан (или медь-алюмель) и медь-железо (или медь-хромель), оба из них имеют такую же температуру, как и AD594/AD595.

Представленная печатная плата также имеет выводы для расположения резисторов на выходе нагрузки сигнализации, калибровочных резисторов и компенсационного конденсатора для ограничения пропускной способности. Для улучшения контакта перед пайкой необходимо зачистить концы термопары, чтобы убрать слой оксида. Чтобы избежать коррозии спаев для железа, константана, хромели и алюмели необходимо применять флюсы следующего состава: 95% олова - 5% сурьмы, 95% олова - 5% серебра или 90% олова - 10% свинца.



4. Схема на ОУ

На выходе микросхемы AD594 сигнал двухполярный, а на вход микроконтроллера необходимо подавать однополярный в пределах от 0 до +5В.

Для этого применяется схема операционного усилителя (ОУ).

В устройство входит:

- Три резистора

- Операционный усилитель

Коэффициент усиления микросхемы для AD594: К=193,4

Для -270С: U1 = -6,458*К=-1,25 В

Для 127С: U2=26,052*К=1,1 В

Используя закон Ома, составим систему уравнений. Номиналы резисторов рассчитали по формулам, принимая резистор R1= 10 кОм, исходя из того, что нельзя брать низкоомное сопротивление, чтобы не перегружать операционный усилитель и высокоомное из-за появления погрешностей.

датчик микросхема термопара питание

Решая систему уравнений, получены следующие значения:

R2=40 кОм; R3=12,8 кОм

Номиналы резисторов подобраны из стандартного ряда Е24.

R1=10кОм; R2=43кОм; R3=13кОм



Рис. 12 Повторитель напряжения

В качестве повторителя напряжения использован TL071CP, его характеристики приведены ниже.

Характеристики TL071CP

· Количество каналов: 1

· Напряжение питания: ±18В

· Частота: 4 МГц

· Рабочая температура: 0…70 єC

Питание ОУ составляет +5 и -5 В, такой выбор можно объяснить тем, что МК ATmega8 имеет напряжение питания 4.5 - 5.5 В. Усиление сигнала выше данного значения не имеет смысла.



5. Обоснование выбора микроконтроллера

При выборе микроконтроллера учитывались следующие параметры:

1) Достаточное количество портов вводов/выводов для подключения индикаторов

2) Наличие встроенного АЦП

5.1 Микроконтроллер ATmega8

В нашей курсовой работе мы выбрали микроконтроллер ATmega8 (Рис.13). Он сочетает в себе функциональность, компактность и сравнительно не высокую цену. Такие качества дали широчайшее распространение ATmega8 среди профессиональных и любительских конструкций. Микроконтроллер имеет широкий набор модулей, и может быть использован в большом количестве устройств.

Микроконтроллер ATmega8 выполнен по технологии CMOS, основан на AVR-архитектуре RISC.

Сердцем микроконтроллеров AVR является 8-битное микропроцессорное ядро или центральное процессорное устройство (ЦПУ). Основой этого блока служит арифметико-логическое устройство (АЛУ). По системному тактовому сигналу из памяти программ в соответствии с содержимым счетчика команд (Program Counter - PC) выбирается очередная команда и выполняется АЛУ. АЛУ подключено к регистрам общего назначения РОН (General Purpose Registers - GPR). Регистров общего назначения всего 32, они имеют байтовый формат, то есть каждый из них состоит из восьми бит. РОН находятся в начале адресного пространства оперативной памяти, но физически не являются ее частью. Поэтому к ним можно обращаться двумя способами (как к регистрам и как к памяти). Такое решение является особенностью AVR и повышает эффективность работы и производительность микроконтроллера. Отличие между регистрами и оперативной памятью состоит в том, что с регистрами можно производить любые операции (арифметические, логические, битовые), а в оперативную память можно лишь записывать данные из регистров.

В микроконтроллерах AVR реализована Гарвардская архитектура, в соответствии с которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но и шины доступа к ним. Каждая из областей памяти данных (оперативная память и EEPROM) также расположена в своем адресном пространстве.

Память программ предназначена для хранения последовательности команд, управляющих функционированием микроконтроллера, и имеет 16-ти битную организацию. Все AVR имеют Flash-память программ, которая может быть различного размера - от 1 до 256 КБайт. Ее главное достоинство в том, что она построена на принципе электрической перепрограммируемости, т. е. допускает многократное стирание и запись информации. Гарантированное число циклов перезаписи Flash-памяти у микроконтроллеров AVR второго поколения составляет не менее 10 тыс. циклов.

Память данных разделена на три части: регистровая память, оперативная память (ОЗУ - оперативное запоминающее устройство или RAM) и энергонезависимая память (EEPROM).

Технические параметры микроконтроллера ATmega8:

· 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением

· 32 восьмиразрядных рабочих регистра общего назначения

· 8 Кбайт внутрисистемной программируемой Flash памяти (Обеспечивает 10000 циклов стирания/записи)

· 512 байт EEPROM (Обеспечивает 100000 циклов стирания/записи)

· 1 Кбайт встроенной SRAM

· Два 8-разрядных Таймера/Счетчика

· 16-разрядный Таймер/Счетчик

· 23 порта ввода/вывода

· Таймер реального времени с независимым генератором

· 6 каналов 10-разрядного АЦП

· Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый)

· Встроенный аналоговый компаратор

· Внутренние и внешние источники прерываний

· Сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания

· Напряжение питания 4.5 - 5.5В

· Тактовая частота 0-16 МГц

Рис.13 МК ATmega8



У данного микроконтроллера 23 порта ввода/вывода объединены в 3 группы ( Порт В, Порт С, Порт D).

Описание выводов микроконтроллера ATmega8:

Таблица 2

Питание

№	Название	Тип	Описание
7	VCC	Вход	напряжение питания от +4.5 до +5.5 В
8,22	GND	Вход	Общий (земля)
20	AVСС	Вход	напряжение питания + 5 В для модуля АЦП
21	AREF	Вход	вход опорного напряжения для АЦП

Таблица 3

Порт B

№	Название	Тип	Описание
14	PB0	Вход/Выход	цифровой порт РВ0
15	PB1	Вход/Выход	цифровой порт РВ1
16	PB2	Вход/Выход	цифровой порт PB2
17	PB3	Вход/Выход	цифровой порт РВЗ

Таблица 4

Порт C

№	Название	Тип	Описание
2	PC0	Вход/Выход	цифровой порт РС0

Таблица 5

Порт D

№	Название	Тип	Описание
2	PD0	Вход/Выход	цифровой порт PD0
3	PD1	Вход/Выход	цифровой порт PD1
4	PD2	Вход/Выход	цифровой порт PD2
5	PD3	Вход/Выход	цифровой порт PD3
6	PD4	Вход/Выход	цифровой порт PD4
11	PD5	Вход/Выход	цифровой порт PD5
12	PD6	Вход/Выход	цифровой порт PD6

5.2 Встроенный АЦП МК ATmega8

В микроконтроллере Atmega8 существует 10 битный АЦП. 10 бит означает, что входное напряжение будет разбито на 2¹⁰ равных частей. МК будет оперировать числами от минимального - 0 до максимального - 1023. Минимальное будет соответствовать - 0 В, а максимальное - 5 В. Значит шаг измерения составляет 5/1023=0.0049, т.е. 4.9мВ. Напряжение на одном из входов измеряется относительно опорного напряжения. Измеренное напряжение преобразуется в 10-битное число и сохраняется в регистрах ADCL и ADCH. Первый из них хранит старшие биты результата измерения, а второй младшие. В процессе измерения микроконтроллер может работать в двух режимах, в режиме однократного преобразования и в режиме непрерывного преобразования. Как следует из названия режимов, непрерывное преобразование происходит постоянно не зависимо от нашего участия, а в режиме однократного мы сами задаем, когда нам нужно измерить напряжение.

Основные регистры, отвечающие за настройку АЦП микроконтроллера.

В МК ATmega8 номер вывода, подключенного к входу АЦП, задается с помощью регистра ADMUX - регистр мультиплексора АЦП. Рассмотрим, какие биты за что отвечают в этом регистре.



Рис. 14 Биты ADMUX

Таблица 6

Номер	Название	Функция
7	REFS1	выбор опорного напряжения
6	REFS0	выбор опорного напряжения
5	ADLAR	способ записи значения в ADCL и ADCH
4	-
3	MUX3	бит выбора аналогового канала
2	MUX2	бит выбора аналогового канала
1	MUX1	бит выбора аналогового канала
0	MUX0	бит выбора аналогового канала

Биты REFS1 и REFS0

00 - источник Aref;

01 - AVcc c внешним конденсатором на Aref;

10 - Резерв;

11 - внутренний 2.56 В источник, c внешним конденсатором на Aref.

Бит ADLAR

При помощи этого бита мы выбираем способ записи измеренного нами значения в регистры ADCL и ADCH.

ADLAR = 0 Таблица 7

ADLAR = 1 Таблица 8

При ADLAR = 0 в ADCH записываются два старших бита (2 MSB), а остальные в ADCL. А при ADLAR = 1 в ADCH записываются 8 старших битов (8 MSB), а два младших (2 LSB) в ADCL. Это удобно, если для точности измерений достаточно 8-ми старших бит преобразования.

Биты MUX

При помощи этого бита мы выбираем нужный нам канал АЦП.

Таблица 9

MUX0: MUX3	Аналоговый вход
0000	ADC0
0001	ADC1
0010	ADC2
0011	ADC3
0100	ADC4
0101	ADC5
0110	ADC6
0111	ADC7

Если необходимо проверить несколько каналов, то можно изменить соответствующие биты в регистре ADMUX и канал сменится сразу же по окончании текущего преобразования. То есть в режиме непрерывного преобразования можно легко произвести сканирование нужных каналов. Меняя номер канала во время преобразования - следующее преобразование начнется на новом канале.

Регистр ADCSR - регистр контроля и состояния АЦП. В МК ATmega8 он называется ADCSRA.

Рис. 15- Регистр ADCSRA

Таблица 10

Номер	Название	Функция
7	ADEN	разрешение АЦП ( 0 - АЦП выключен, 1 - АЦП включен)
6	ADSC	запуск однократного преобразования (0 - преобразование закончено, 1 - старт преобразования)>
5	ADFR	режим работы АЦП (0 - однократное, 1 - непрерывное)
4	ADIF	флаг преобразования АЦП (выставляется в 1, если преобразование завершено)
3	ADIE	разрешение прерывания от АЦП (0 - запрещено,1 - разрешено)
2	ADPS2	тактовая частота АЦП
1	ADPS1	тактовая частота АЦП
0	ADPS0	тактовая частота АЦП

Биты ADPS- Выбор тактовой частоты АЦП

Таблица 11

ADPS0	ADPS1	ADPS2	Значение частоты АЦП
0	0	0	Частота АЦП = такту микроконтроллера
0	0	1	Частота АЦП = такту микроконтроллера / 2
0	1	0	Частота АЦП = такту микроконтроллера / 4
0	1	1	Частота АЦП = такту микроконтроллера / 8
1	0	0	Частота АЦП = такту микроконтроллера / 16
1	0	1	Частота АЦП = такту микроконтроллера / 32
1	1	0	Частота АЦП = такту микроконтроллера / 64
1	1	1	Частота АЦП = такту микроконтроллера / 128

Микроконтроллер является основным управляющим звеном всей схемы. От его параметров и записанных в него программ зависит качество работы всей схемы.

С выхода схемы на операционном усилителе сигнал попадает на АЦП микроконтроллера, для этого используется порт PC0 (аналоговый вход). АЦП представляется полученные результаты в двоичном коде и записывает в память микроконтроллера.

Микроконтроллер работает в режиме непрерывного преобразования, то есть будет периодически измерять значение сигнала. Выбираем тактовую частоту работы микроконтроллера 4 МГц, так как в нашем курсовом проекте не требуется максимальной вычислительной способности ATmega8. Для более точного измерения частота должны быть менее 200 кГц, только при этом условии будет достигнута 10-ти битная точность измерения, следовательно, чтобы получить необходимое значение, необходимо установить предделитель частоты для АЦП на 32:

Через микроконтроллер осуществляется также вывод значений на семисегментный индикатор.



6. Семисегментный индикатор

Семисегментные индикаторы широко применяются в цифровой технике: в бытовых приборах, измерительной технике, в промышленных устройствах. По сравнению с жидкокристаллическими индикаторами светодиодные имеют свои преимущества, это контрастность отображения информации, малое потребление энергии. Семисегментный индикатор представляет собой матрицу из семи светодиодов, размещенных таким образом, чтобы зажигая их в разных сочетаниях, можно было бы отобразить любую десятичную цифру, а также специальные символы. Кроме этого индикатор дополняется еще одним сегментом, который предназначен для отображения десятичной точки.

Принято каждый сегмент индикатора обозначать латинской буквой: a, b, c, d, e, f, g. Точка обозначается буквой h.

Каждый цифровой разряд индикатора представляет собой группу светодиодов, соединённых собой одним из выводов (катодом, либо анодом).

Рис.16 Схемы индикаторов с общим анодом(OA) и катодом (OK)

В нашей курсовой работе, мы будем использовать схему с общим анодом.

Обозначение сегментов индикатора:

Рис.17 Сегменты индикатора

В данном проекте используется три семисегментных индикатора АЛС335А1.

Технические характеристики:

Таблица 12

Материал	GaAs
Цвет свечения	Зеленый
Длина волны, нм	560-570
При токе Iпр., мА	20
Количество сегментов	7
Количество разрядов	1
Схема включения.	общ.анод
Высота знака, мм	12
Максимальное прямое напряжение, В	3.5
Максимальное обратное напряжение, В	5
Максимальный прямой ток, мА	25
Максимальный импульсный прямой ток, мА	200
Рабочая температура, єС	-60…70

Для отображения цифровых данных одного семисегментного индикатора недостаточно. Поэтому к микроконтроллеру подключается сразу несколько индикаторов - в нашем случае три. Однако, из-за отсутствия достаточного количества выводов у микроконтроллера применяется специальные методы - динамическая индикация. Режим динамической индикации применяется для построения многоразрядных индикаторов. При таком режиме разряды индикатора работают не одновременно, а по очереди. Переключение разрядов происходит с большой скоростью (50 Гц), из-за этого человеческий глаз не замечает, что индикаторы работают по очереди. Для того, чтобы человек воспринимал это переключение потребуется частота обновления не больше 20 Гц. Так как у светодиодов очень малая инерционность, сменяющиеся разряды сливаются в одно изображение. В этом режиме в каждый момент времени работает только один разряд, включаются по очереди, начиная с первого заканчивая последним, затем все начинается сначала.

Микроконтроллер ATmega8 располагает 8-разрядным таймером-счетчиком, который можно использовать для задания частоты обновления разрядов индикатора.

Выставим предделитель частоты таймера-счетчика на 64. Так как тактовая частота работы микроконтроллера 4 МГц, то таймер-счетчик будет увеличиваться на единицу каждые 16 мкс.

Переполнение таймера-счетчика будет возникать:

Тогда частота обновления равна 245 Гц. Этого достаточно чтобы человек не воспринимал смену разрядов.

Вывод значений на семисегментный индикатор

В памяти микроконтроллера хранятся значения сигнала термопары в двоичном коде. Двоичный код преобразуется в десятичный программно, а потом преобразуется в двоичный код семисегментного индикатора (Таблица 13).

Преобразование кода Таблица 13

Цифра	Сегмент
	G	F	E	D	C	B	A
0	0	1	1	1	1	1	1
1	0	0	0	0	1	1	0
2	1	0	1	1	0	1	1
3	1	0	0	1	1	1	1
4	1	1	0	0	1	1	0
5	1	1	0	1	1	0	1
6	1	1	1	1	1	0	1
7	0	0	0	0	1	1	1
8	1	1	1	1	1	1	1
9	1	1	0	0	1	1	1

Светодиодные сегменты индикатора требуют подключения токоограничивающих резисторов при питании от 5 В на логическом выводе, чтобы не вывести из строя диоды.

Номиналы резисторов рассчитаны по представленной ниже формуле:

,

где U_п - прямое напряжение светодиода; U - напряжение питания светодиода; I_п - ток работы светодиода;

Для семисегментного индикатора АЛС335А1:

Общие выводы семисегментного индикатора подключаются через транзисторы, играющие роль ключа и усиливающие ток на выходе микроконтроллера до значений, необходимых для включения определенного разряда индикатора. Для этой цели выбраны транзисторы модели КТ502. Он имеет малую мощность, низкочастотную структуру p-n-p. Предназначен для использования в низкочастотных усилителях, преобразователях, переключающих и импульсных устройствах.

Технические характеристики транзистора КТ502Д:

Таблица 14

Структура	p-n-p
Макс. напр. к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э.(Uкбо макс), В	60
Макс. напр. к-э при заданном токе к и разомкнутой цепи б.(Uкэо макс),В	80
Максимально допустимый ток к ( Iк макс, А)	0.15
Статический коэффициент передачи тока h21э мин	40
Граничная частота коэффициента передачи тока fгр.МГц	350
Максимальная рассеиваемая мощность, Вт	0.35

Статический коэффициент передачи тока для транзистора h21э = 40. Если зажигаются все сегменты индикатора (цифра 8), то понадобится величина тока в 140 мА (20 мА на сегмент). Следовательно, ток базы:

При напряжении на линии порта 5В, резистор соединенный последовательно с базой транзистора должен быть около 1429 Ом. Выбираем из типового ряда Е24 номинал резисторов 1,5кОм.



6 Блок - схема для программирования МК АТmega8



Пояснения к блок-схеме:

1. Задание рабочих параметров микроконтроллера ATmega8 (тактовая частота 4 МГц, внешнее питание микроконтроллера, другие системные настройки)

2. Включение встроенного АЦП (тактовая частота АЦП 125 кГц с учетом предделителя, аналоговый вход PC0.)

3. Считывание входного сигнала (микроконтроллер считывается входной сигнал, преобразует в двоичный код и сохраняет в соответствующие регистры)

4. Сравнение полученного кода с кодом, который соответствует 0єС. Если его значение меньше заданного кода, то выводится на индикатор знак «-»

5. Обработка измеренных значений (микроконтроллер берет сохраненный в регистрах двоичный код величины сигнала, пересчитывает в десятичную систему счисления, с учетом градуировочного уравнения для термопары пересчитывает в температуру)

6. Выборка семисегментного кода (код преобразуется в двоичный код семисегментного индикатора по представленной таблице 13)

7. Запись преобразованных данных в память (сохранение результатов пересчета в температуру в EEPROM)



Подпрограмма вывода значений температуры на индикатор

Пояснения к блок-схеме подпрограммы

1. Сброс значений индикаторов (сбросить значения на всех разрядах в ноль)

2. Преобразование записанных в память значений в код семисегментного индикатора (Таблица 13)

3. Зажечь индикатор (по полученному семисегментному коду зажечь соответствующий разряд, начиная с первого индикатора и продолжая последующими)

4. Выставление задержки 0,5с для измеренного значения температуры (при данной задержке не должно быть видно мерцания)

5. Сброс значений в “0”, проведение следующего измерения



Заключение

В данном курсовом проекте был разработан измеритель температуры в диапазоне до 400К. Для реализации проекта были использованы такие устройства как термопара типа Т, микросхема AD594 для усиления сигнала и компенсации холодного спая термопары, схема на ОУ для преобразования двухполярного сигнала в однополярный, микроконтроллер ATMega8 и семисегментный индикатор с общим анодом для визуализации результатов. В качестве источника питания использовали обычную батарейку «Крона». Главной целью проекта было проектирование датчика таким образом, чтобы он получился недорогим, простым в использовании и реализации. Благодаря работе над проектом, мы получили бесценные навыки в разработке электронных устройств.



Список литературы

1. https://ru.wikipedia.org/wiki

2. http://www.kipis.ru/info/index.php?ELEMENT_ID=42778

3. http://catalog.gaw.ru/index.php?page=component_detail&id=5185

4. http://www.elekont.ru/catalog/usiliteli-1844616/tl071cp.html

5. http://www.myrobot.ru/stepbystep/mc_architecture.php

6. http://www.radio-magic.ru/microcontrollers/242-acp-atmega8

7. http://www.platan.ru/shem/pdf/dat01.pdf

8. http://geektimes.ru/post/253700/

9. http://temperatures.ru/pages/termoelektricheskie_termometry

10. http://microkontroller.ru/praktikum-mikrokontrollershhika/semisegmentnyiy-indikator/

11. http://lib.chipdip.ru/063/DOC000063875.pdf

12. http://www.chipdip.ru/product/kt502d/

13. http://sinus.ucoz.com/publ/rezistor_2/1-1-0-6

14. А. И. Иванов-Цыганов - электропреобразовательные устройства.

15. Конспект лекций

Размещено на Allbest.ru