Разработка электронного термометра с памятью

Министерство образования и науки Российской Федерации
Севастопольский государственный университет
Институт радиоэлектроники и информационной безопасности
Кафедра электронной техники



Курсовой проект
По дисциплине: «МКвЭУ»
На тему: « Разработка электронного термометра с памятью»







Выполнила:
Ст. гр ЭН/б-41о
Могировская А.С.
Проверил:



г. Севастополь 2016
СОДЕРЖАНИЕ
Введение …………………………………………………………………………………3
Тех. Задание……………………………………………………………………………...5
1. Современное состояние методов  измерения температуры………………………..6
    1.1.Анализ современного состояния температурных измерителей………………..6
2. Разработка термометра………………………………………………………………..9
    2.1. Разработка структурной схемы………………………………………………….9
    1.2. Разработка принципиальной схемы……………………………………………10
3. Алгоритм работы термометра………………………………………………………14
Заключение ……………………………………………………………………………..17
Список использованной литературы………………………………………………….18
Приложение А. Основные параметры элементов схемы…………………………….19
Приложение Б. Схема электрическая принципиальная термометра………………..20
















ВВЕДЕНИЕ
 	С ускорением темпов научно-технической революции роль первичных источников информации становится всё более значимой. К ним, безусловно, относятся средства измерений во всем их многообразии. Благоприятно сопутствующим фактором в решении актуальных задач развития общества является дальнейшее развитие и успешное внедрение автоматических систем измерения контроля и управления процессами на основе эффективной переработки первичной информации современными кибернетическими устройствами с использованием микропроцессоров и ЭВМ. 
     Температура играет важную роль в повседневной жизни, в познавании природы, исследовании новых явлений, а ее единица — Кельвин, является одной из семи основных единиц, на которых основана Международная система единиц (СИ). Особое значение имеет температура при контроле, автоматизации и управления технологическими процессами. Точность соблюдения температурного режима часто определяет не только качество, но и принципиальные возможности применения продукции в определенных целях, например, при выращивании полупроводниковых кристаллов.
     Температура является показателем интенсивности, т.е. качественной характеристикой. Поэтому понятие температуры в простых представлениях смешивается с понятием качества теплоты, лежащим в основе осязательных ощущений. Теплоте свойственна суперпозиция, температуре — нет. В силу чисто физиологических причин, связанных с терморегуляцией, теплокровные организмы способны очень быстро реагировать на изменения теплового воздействия окружающей среды с переходом от нагревания к охлаждению и наоборот. При температуре близкой к телесной, организм в состоянии реагировать на изменения порядка 0,1К.
     Исторически жидкостно-стеклянные термометры были первыми термометрами, получившими массовое распространение. До сих пор в медицинских учреждениях и в быту широко используются стеклянные ртутные термометры. Хрупкость последних затрудняет их применение у детей, психически нездоровых и находящихся в бессознательном состоянии людей. Кроме того, имеется опасность экологического заражения помещения ртути.
     Для замены ртутных термометров разрабатываются электротермометры,  как аналоговые, так и цифровые. 
     К недостаткам аналоговых термометров относится их хрупкость, низкая точность, а также возникает трудность непрерывного сочетания такого термометра с электрическими системами дальнейшей переработки первичной информации.
     Цифровые термометры, реализованные на дискретной логике, имеют большое количество элементов, что увеличивает габариты, массу, электропотребление прибора и понижают надежность схемы.







     
















ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
   Разработать электронный термометр с памятью
	   Термопреобразователь СТ-16 (R0=16кОм) на основе никеля, кобальта и марганца.
   Термосопротивление с погрешностью +- 0.01К.
   Время измерения 2 минуты.
   Точность 0.1оС.
   Интервал температур от 30 до 42оС.
   



















1.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
1.1.Анализ современного состояния температурных измерителей
     Потребность в измерителе температуры обусловлена многими обстоятельствами. В быту, например, необходимостью быстрого измерения температуры внутри или вне помещения, парнике, подвале, если там хранятся овощи и многих других объектах. Крайне необходимы в промышленности при контроле, автоматизации и управлении технологическими процессами, в исследовательской практике, авиастроении, приборостроении, в радиоэлектронике для определения свойств исследуемого объекта точность соблюдения температурного режима часто определяет не только качество, но и принципиальные возможности применения продукции в определенных целях, например, при выращивании полупроводниковых монокристаллов. В современных условиях технологические требования к точности поддержания температуры находятся на уровне высших метрологических достижений. 
     Существует множество способов и методов измерения температуры исследуемых объектов, что привело к разнообразию выпускаемых термометров. Рассмотрим некоторые из них. 
     Первыми были жидкостно-стеклянные термометры, которые получили массовое распространение. Подвижность молекул, а, следовательно, интенсивность объемного и линейного термического расширения у жидкостей значительно больше, чем у твердых тел. Поэтому жидкость, заполняющая твердотельный сосуд, с ростом температуры оказывается в избытке, а при уменьшении — в недостатке. Именно это явление положено в основу таких термометров. Их конструктивная схема включает резервуар, содержащий термометрическую жидкость, и присоединенный к нему капилляр, частично заполненный избыточной жидкостью. Об измеряемой температуре резервуара судят по высоте столбика жидкости в капилляре при помощи шкалы, которая нанесена либо прямо на стекло, либо на специальную пластину, соединенную с капилляром. Жидкостно-стеклянные термометры стали такими популярными благодаря своей неприхотливости, простоте в обращении, дешевизне.
     В медицинских учреждениях и быту широко используются стеклянные ртутные термометры. Их хрупкость затрудняем применение у детей, психически нездоровых и находящихся в бессознательном состоянии людей. Кроме того, опасностью является экологическое заражение помещения ртутью. 
     Также существуют манометрические термометры. Принцип действия таких термометров основан на использовании однозначной зависимости между температурой и давлением термометрического вещества, находящегося в герметично замкнутой манометрической термосистеме. Такая термосистема состоит из термобаллона, соединительной трубки и упругого чувствительного элемента, которые вместе создают герметичный объем, занятый накопителем — термометрическим (рабочим) веществом. В зависимости от рабочего вещества и агрегатного состояния манометрические термометры подразделяют на:
     - газовые;
     - конденсационные;
     - парожидкостные.
     Манометрические термометры выпускают в разных вариантах исполнения. В виде показывающих, самопишущих приборов без или с встроенными устройствами сигнализации или регулирования температуры. Недостатками таких термометров являются их инерционность, зависимость показаний термометра не только от температуры объекта, но и от давления окружающей среды.
     Широко распространены термометры на основе термопары. Действие преобразователя электрического тока основывается на эффекте Зеебека. В электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных различных проводников, возникает термо- ЭДС, если в местах контактов поддерживается различная температура. Термоэлектрические преобразователи просты, надежны в работе и состоят из двух термоэлектродов. Их конструктивные формы и размеры позволяют обеспечить малый показатель тепловой инерции. Данный тип термопреобразователей не применим для измерения температуры тела человека, т.к. термопары имеют большие размеры и имеется зависимость показаний от температуры окружающей среды. 
     Помимо всех перечисленных термометров, существует ультразвуковая термометрия. Она основана на использовании температурной зависимости параметров, описывающих процесс распространения упругих колебаний в различных средах. Существенное их преимущество в том, что нет необходимости в специальном чувствительном элементе, введение которого может исказить первоначальную картинку распределения температуры. Такие термометры не используют в быту для измерения температуры человека.
     Менее известны шумовые термометры. Термошумовой метод основан на температурной зависимости флуктуирующей разности электрических потенциалов. Этот метод позволяет измерять термодинамическую температуру. 
     В курсовой работе используется полупроводниковый термопреобразователь, поскольку для всех полупроводников характерна высокая чувствительность. 
     




















2. РАЗРАБОТКА ТЕРМОМЕТРА
2.1. Разработка структурной схемы прибора
     	К современным медицинским термометрам для измерения температуры тела человека обычно предъявляют такие требования, как точность измерения — не хуже +-0,1оС в интервале температур от 30 до 42оС при минимальном времени измерения — 2 минуты.
     	Разрабатываемое устройство должно включать следующие блоки: температурный датчик, аналого-цифровой преобразователь, устройство управления, источник звукового сигнала, индикаторы, блок питания. В качестве датчика предпочтительно использовать термопреобразователи сопротивления, имеющие высокую чувствительность. Так как напряжение, снимаемое с датчика, имеет малую величину, то необходимо применять усиливающее устройство, например, операционный усилитель. 
     	Далее сигнал, снимаемый с операционного усилителя, должен поступить на аналого-цифровой усилитель. Для обеспечения требуемой точности желательно использовать восьмиразрядный аналого-цифровой преобразователь. Сигнал выхода АЦП необходимо отобразить на индикаторах. Для отображения полученной информации можно использовать светодиодные индикаторы. В схеме желательно применять звуковое оповещение о конце измерительного периода. Им может служить пьезоизлучательный элемент. Для отсчета времени измерения температуры используют таймер. Управляющее устройство схемы можно организовать на дискретной логике, но при этом растет количество элементов, что увеличивает габариты прибора и понижает надежность схемы. Для её повышения лучше использовать схемы с высокой степенью интеграции. Всем перечисленным требованиям микроконтроллер, который также включает в себя таймер, АЦП и другие периферийные устройства. 
     Блок питания необходим для питания всех узлов схемы соответствующим напряжением. 
 	Сигнал, снимаемый с датчика, усиливается блоком усиления схемы и далее поступает на вход АЦП.
      Оцифрованный сигнал обрабатывается и отображается на индикаторах. Время измерения температуры отсчитывается таймером. Окончание измерительного цикла оповещается звуковым сигналом пьезоэлемента.
      Разработанная структурная схема представлена на рисунке 2.1.

Рис. 2.1 — структурная схема термометра

2.2. Разработка принципиальной схемы термометра

   	  Рассмотрим принципиальную схему разрабатываемого прибора. Измерительную цепь устройства образуют токозадающий резистор R4, операционный усилитель D1.2, а резисторы R1 и R2, формирующие образцовое напряжение
    	 В качестве датчика температуры наиболее целесообразно использовать термосопротивление. В работе выбран полупроводниковый термопреобразователь сопротивления СТ4-16, обладающий высокой чувствительностью, малыми габаритами и массой.
   	  Для повышения чувствительности датчика необходимо повышать ток, текущий через термосопротивление, однако при слишком большом токе, текущем через термосопротивление он начинает выделять Джоулево тепло и, следовательно, перестает зависеть от температуры окружающей среды. Из этих соображений выбираем ток, текущий через токозадающее сопротивление R4 примерно на 0,5 мА.
   	  Напряжение, снимаемое с датчика, имеет малую амплитуду, поэтому использован операционный усилитель D1.4, обеспечивающий необходимый коэффициент усиления. В качестве операционных усилителей DD1.1..1.4 выбрана микросхема LM324 (характеристики в приложении А).
     	Проведем расчет аналоговой части схемы.
     	Образцовое напряжение U1.которое обеспечивает ОВ на выходе операционного усилителя DD1.1,  при температуре t=20oC
U1=I0*R t(20oC),
где I0 — ток, текущий через терморезистор R t(20oC),
I0=0,5 мА
R t(20oC)=1400 (Ом)
U1=0,5*10-3*14000=7 (В)
     Номиналы резисторов R1 и R2 определяются из соотношения:
U1=Uref * (I/(R1/R2+1)),
где Uref — стабилизированное напряжение, подаваемое от микросхемы DD1.1, Uref=9В
R1/R2=(9/7)-1=2/7
Выбираем R2=70 кОм, тогда R1=20 кОм,
Падение напряжения на R4
UR4=Uref-U1=9-7=2 (В)
Тогда номинал R4:
R4= UR4/I0=2/(0,5*10-3)=4000 (Ом)
     Напряжение на выходе операционного усилителя DD1.1 при максимальной температуре t=45oC
U2=U1-I0 R t(45oC)
где R t(45,5oC)=15(1-4,26*10-3*45,5)*1000=7212 (Ом)
Тогда:
U2=9-5*10-3*7212=6,1(В)
     Определим коэффициенты усиления операционного усилителя D1.4:
K=(R7/R8)+1=Uвых max/Uвх max=9В/6,1В=1,5
Выберем R7=10 кОм, R8=20 кОм.
     	Сигнал с выхода операционного усилителя D1.4 поступает на вход аналогового ключа, а затем на аналого-цифровой преобразователь двухстадийного интегрирования. Принята цена деления младшего разряда, равная 0,1oC.
    	 Сигнал с АЦП поступает на вход микроконтроллера, применение которого позволило снизить энергопотребление и обеспечить прибору малые габариты и массу. Достоинствами его является относительно низкая стоимость, широкая система команд, достаточное количество портов, высокое быстродействие. 
    	 Контроллер имеет 4КБ электрически программируемой памяти программ (EPROM), 128 байт внутреннего ОЗУ, четыре восьмибитных порта ввода – вывода, два шестнадцатибитных таймера/счетчика, пять источников двухуровневых прерываний: внутренние прерывания от двух таймеров ТО и Т, последовательного асинхронного порта, внешний прерывный INTO. INTI. Напряжение питания микроконтроллера (4,5..5,5)В, частотный диапазон тактового генератора (0,01..24)МГц.
   	  Ядром микроконтроллера является блок восьмиразрядного процессорного устройства.
  	  Распределение памяти в микроконтроллере следующее:
ЕА=0 внешняя память программ ООООН— FFFFH
ЕА=1 внутренняя память программ ООООН— 7FFFH, внешняя память программ 8ОООН— FFFFH.
   	  Внутренняя память программ данных — восьмиразрядная, состоит из:
ООН..1FH — четыре банка регистров пользователя;
20Н..2FH — регистры с побитной адресацией;
30Н..7FH — регистры пользователя;
80Н..FFH — регистры специальных функций.
   	 Система команд поддерживает следующие типы адресации:
— прямая
— непосредственная
— регистровая
— косвенно-регистровая
— косвенно-регистровая по сумме базового и индексного регистров.
   	  Система команд включает:
— команды пересылки данных (имеется возможность побитной адресации),
— логические,
— арифметические команды,
— команды обращения к подпрограмме,
— команды ветвления.
     	Отображение полученной информации осуществляется посредством динамической индикации через порты РО и Р2. Разряды порта Р2 отвечают за вывод информации на соответствующий индикатор, а разряды порта РО за горение соответствующих сегментов данного индикатора. В работе выбраны индикаторы типа АЛС 3138А [7]. Это цифровые девятиразрядные индикаторы, арсенид-фосфид-галлиевые красного света свечения. Корпус пластмассовый, индикатор имеет семь сегментов и децимальную точку, излучающие свет при прохождении прямого тока. Комбинации сегментов, осуществляемые внешней коммутацией, позволяют воспроизводить цифры от 0 до 9 и децимальную точку. Сегменты индикаторов имеют общий катод. Прямой постоянный ток через сегмент — 5 мА. Высота цифры — 5мм, масса индикатора не более 7,7 г.
    	Т.к. выходной ток не обеспечивает нагрузочную способность, необходимую для свечения индикаторов, то в схеме применены цифровые логические КМОП микросхемы серии 1554 с повышенной нагрузочной способностью. Для зажигания всех сегментов нужен ток, равный 40мА, что обеспечивается микросхемой КР1554 в импульсном режиме. При этом Iвых — 86 мА.
     	Цикл измерения температуры отсчитывается таймером ТО в течении двух минут. Конец измерительного периода оповещается звуковым сигналом, формируемым тем же таймером ТО.
  	   Излучателем служит пьезоэлемент ЗП-1, подключенный к порту Р1.4 через измерительный элемент — транзистор IRLML 2402. Его основные характеристики приведены в приложении А.
   	  Таким образом контроллер обслуживает все узла схемы: индикаторы, преобразование входного сигнала посредствам АЦП, отсчет времени таймером Т1.
   	  Устройство позволяет запоминать от одного до сорока девяти измерений температуры.
  	   Управление всеми перечисленными функциями термометра осуществляется с помощью следующих кнопок:
Кнопка №1 (порт Р1.0) выбирает десятки или единицы номера измерений температуры.
Кнопка №2 (порт Р1.1) инкрементирует номер десятков или единиц измерения, с одновременным чтением соответствующей температуры из памяти.
Кнопка №3 (порт Р1.2) производит запуск прибора на измерение температуры под текущим номером. 
       Блок питания схемы должен вырабатывать напряжение U =5+-0,5В.























3. АЛГОРИТМ РАБОТЫ ТЕРМОМЕТРА
    	 Основным управляющим звеном а разрабатываемом приборе является микроконтроллер, который требует для своей работы специализированное программное обеспечение. Алгоритм программы состоит из тела основное программы (рис. 3.1) и программ обработок прерываний (рис 3.2).
   	 Рассмотрим алгоритм основной программы. Основная программа начинается с инициализации ячеек памяти ОЗУ, где будут храниться значения измеренных температур.  Далее инициализируются таймеры ТО И Т1, также внешнее прерывание INT1. Для этого разрешаем общее прерывание и прерывание от таймеров и в нем прерывание регистром прерываний IЕN0,  устанавливаем режим работы таймеров ТО и Т1, записав соответствующую константу в регистр режимов ТМОД. И запускаем таймеры с помощью регистра ТСОN. Далее в основной программе определяем какая из четырех кнопок нажата в данный момент считав соответствующие биты порта Р1.
    	 При нажатии кнопки 1 первый раз, а затем кнопки 2 происходит инкрементирование десятков номера измерения температуры и происходит чтение из памяти температуры соответствующей номеру измерения.
    	 При втором нажатии кнопки 1, а затем кнопки 2 происходит инкрементирование единиц номера измерения температуры и происходит чтение из памяти температуры соответствующей номеру измерения.
  	  При нажатии кнопки 3 происходит запуск цикла измерения — включается таймер на две минуты — период измерительного цикла, в течение которого происходит чтение константы температуры из АЦП. По окончании времени измерения происходит сохранение последнего значения температуры в память, а также подается звуковой сигнал окончания измерения в течение 13 секунд.
      В случае если одна кнопка не нажата, на индикаторах высвечивается последняя информация, а далее снова проверяется номер нажатой кнопки и цикл продолжается.
     Таймер Т1 и внешнее прерывание INT0 обслуживают АЦП двойного интегрирования. По приходу прерывания INT0 содержимое таймера Т1 переписывается в соответствующие ячейки памяти, инвентируется вывод управляющий переключением тактами АЦП, и таймер включается на время равное двадцати миллисекундам. За это время конденсатор интегратора АЦП заряжается опорным напряжением (первый такт интегрирования). После этого инвентируется управляющий вывод и начинают считать время разряда конденсатора под воздействием входного напряжения (второй такт интегрирования). При полном разряде конденсатора подеется сигнал на вход внешнего прерывания INT0. 
     Затем цикл повторяется.
   

Рис. 3.1 — блок-схема алгоритма основной программы
     




Рис. 3.2 — блок-схема алгоритма обработки прерывания таймера ТО

Рис. 3.3 — блок-схема алгоритма обработки прерывания таймера Т1


Рис. 3.4 — блок-схема алгоритма обработки внешнего прерывания INT0
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     	Широко применяемые ртутные, а также аналоговые и цифровые термометры не отвечают современным требованиям безопасности, надежности и точности измерения, предъявляемые к медицинским термометрам.
    	Разработанный цифровой термометр на основе микроконтроллера позволил не только устранить недостатки, но и расширил функциональные возможности прибора.
     	Применение микроконтроллера позволило уменьшить габариты, массу прибора, энергопотребление и повысило надежность схемы.
     	Для окружающей среды и человека разработанный термометр представляет наименьшую опасность из числа подобных устройств, т.к. не содержит экологически вредных веществ и отвечает основным требованиям безопасности жизнедеятельности.

























СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Токарев Б.В., Захаров Ю.К. «Температурные измерения» — М.: Энергия, 1989
2. Пароль Н.В., Кайдалов С.А. «Знакосинтезирующие индикаторы и их применение» М: Радио и связь, 1989
3. Фогельсон И.Б., Бердников С.И., Завитков Ю.В. «Электротермометры и датчики для измерения температуры тела человека», Санкт – Питербург: Нива, 1996























Приложение А
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ

1. Основные параметры транзистора IRLML 2402

Напряжение сток-исток максимальное  20В
Ток стока 0,93 мА
Максимальное температурное сопротивление 370оС/Вт
Максимальная рассеиваемая мощность 340 мВт





2. Основные параметры операционного усилителя LM 324

Напряжение смещения (15..18) мВ
Входной ток 
Входное дифференциальное сопротивление (26..45) мОм
Выходное сопротивление 80 Ом
Ток потребителя (2..4) мА
Максимальная рассеиваемая мощность 4 Мв





































ПРИЛОЖЕНИЕ Б
СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕРМОМЕТРА

20


.......................