Разработка термостата и канала обработки аналогового сигнала (стр. 1 из 2)
Вступ
В сьогодення нас оточують автоматичні пристрої, які мають змогу приймати рішення без участі людини. В деяких пристроях використовуються датчики деякої зовнішньою дії. Усі такі датчики діляться на дві групи: цифрові та аналогові. В наш час поки що неможливо знайти заміну всім аналоговим датчикам. Саме тому створюються інтерфейси для обробки сигналу с аналогових датчиків. По своїй суті цифровий датчик це той самий аналоговий датчик, який має у своєму корпусі деяку схему для обробки цього аналогового сигналу. І вже на виході цього датчика ми маємо о цифровану інформацію про цей сигнал. По суті своїй обробка аналогового сигналу зводиться до розробки схеми необхідної для коректного під’єднання до Аналого Цифрового Перетворювача. АЦП - це пристрій який перетворює аналоговий сигнал на вході у цифровий сигнал на виході. Тобто кожній напрузі на вході можливо співставити двійковий код на виході. Але не усі датчики можливо безпосередньо приєднувати до АЦП. Вхідний опір АЦП повинен бути значно більшим ніж вихідний опір схеми з якої поступає сигнал. Саме тому в цій курсовій роботі її основною метою є розробка такої схеми.
1. Аналіз технічного завдання
Розробка пристрою відбувалась на основі поставленої задачі. Потрібно розробити прилад для автоматичного ввімкнення / вимкнення навантаження, в залежності від температури навколишнього середовища. Також необхідно розробити схему, з допомогою якої можливо подавати сигнал з датчик на АЦП, а на виході вже отримувати цифровий код. Дану систему автоматичного ввімкнення / вимкнення навантаження можна назвати простіше - термостат. Для неї можна знайти широке застосування. Ну наприклад: в системах опалення, бойлерах (водонагрівачах), дослідницьких установках та інших системах де необхідно підтримувати заданий рівень температури.
2. Вибір датчика
Для початку я склав список аналогових датчиків до якого входять:
| DS56 | DS600 | LM20 | LM35 |
| LM335 | LM56 | LM60 | LM94021 |
| LM94022 | MAX6605 | MAX6607-MAX6608 | MAX6610-MAX6611 |
| MAX6612-MAX6612MXK | MAX6613 | К1019ЧТ1 |
Потім я став аналізувати можливість придбання даних датчиків. Серед них мене спочатку дуже зацікавив DS56. Окрім того що він має безпосередньо вихід на якому змінюється напруга в залежності від температури, він має всередині 2 компаратори, напруга ввімкнення яких задається зовнішніми резисторами.
Але я зіштовхнувся в неочікуваною проблемою: їх не було у продажу. Як мені пояснив один продавець, це пов’язано з тим що їх зняли з виробництва.
Потім я зацікавився К1019ЧТ1. Він був у продажу та мав ціну приблизно 4 гривні. Це температурний датчик з лінійною залежністю вихідної напруги від температури.
Ось витяг з файлу його опису:
Він має широкий діапазон робочих напруг. Випускається він у металевому корпусі, що дозволяє в сотню разів збільшити зміну сигналу на виході у порівнянні з датчиками які випускаються у пластмасовому корпусі. Що міні також у ньому сподобалось то це те що вихідна напруга складає 10 мВ на 1 градус С. Також він має малий вихідний опір, що складає менше одного Ома. Отже було вирішено робити прилад на основі цього датчика.
3. Вибір та розрахунок структурної схеми
3.1 Опис роботи системи
Дана схема буде складатися з двох основних функціональних блоків. Вони будуть повністю незалежними від роботи друг-друга. Єдине від чого вони будуть залежати, так це від функціонування датчика. Перший блок буде вмикати / вимикати навантаження, а інший підготовлювати сигнал до входу в АЦП.
На вході системи стоїть температурний датчик, котрий реагує на зміну температури навколишнього середовища, та видає на виході напругу рівній температурі у градусах Кельвіна помноженій на 10.
Далі сигнал буде подається на компаратор, що відноситься до першого блоку схеми. В цей же час він подається на операційний підсилювач (ОП), що належить до другого блоку схеми.
Виберемо шкалу АЦП: 5 Вольт.
3.1.1 Блок:
Нам необхідно керувати нагрівачем. Отже потрібно реалізувати схему що буде керувати його включенням та виключенням. Для цього нам необхідно мати інформацію про температуру. З датчика поступає напруга, що пропорційна температурі. Користувач повинен мати змогу виставляти температуру, яку він хоче постійно підтримувати у середовищі. Тобто нам потрібен пристрій який би порівнював 2 напруги: одна яка надходить від датчика, а інша яку задає користувач. Цій заданій користувачем напрузі відповідає деяка температура. Для порівняння напруг є пристрій КОМПАРАТОР. Він порівнює 2 напруги на 2 своїх входах і видає на виході або 0 або +5 Вольт в залежності від того яка напруга більша.
Далі нам потрібно реалізувати ввімкнення/вимкнення навантаження. Для цього випадку колись давно було придумано реле. Це електромеханічний пристрій який працює за рахунок електромагнітної сили. Яка в свою чергу створюється за рахунок проходження струму через котушку. У котушці за рахунок індуктивності створюється електромагнітне поле. Це в свою чергу зрушує контакти з місця, оскільки вони металеві.
Але ми не можемо вихід компаратора безпосередньо з’єднувати з реле. Оскільки компаратор не в змозі видати достатньо велику силу струму для перемикання реле.
Для цього нам потрібний проміжний елемент - буфер. Його роль у схемі буде виконувати транзистор.
Отже навантаження буде керуватися через реле, що в свою приєднується через буфер до компаратору.
3.2.2 Блок:
Я вибрав шкалу АЦП 5 Вольт. Це означає що максимальну напругу яку зможе показати нам АЦП складає 5 Вольт. Отже нам необхідно посилити вихідний сигнал від датчика до 5 Вольт. Для цього ми використаємо операційний підсилювач (ОП).
Нам необхідно напругу подавати на АЦП. Під час вимірювання АЦП, напруга на його вході не повинна змінюватися від час вимірювання. Для цього було придумано Пристрій-вибірки-зберігання. Цей прилад складається із конденсатора та ключа та ОП.
Сигнал від датчика подається через замкнутий ключ на конденсатор. Він заряджається до напруги що приходить. Далі поступає імпульс на ключ і він розмикається. Конденсатор весь цей час зберігає значення напруги. У цей час АЦП оцифровує значення напруги на конденсаторі. Далі приходить імпульс на ключ і він замикається. Конденсатор заряджається до нового значення напруги. Далі усе повторюється.
Мало не забув про ОП. Навіщо він необхідний? А необхідний він для погодження опорів. У ОП великий вхідний опір. Це означає що конденсатор буде довго розряджатись. ОП має малий вихідний опір, що є добре для вхідної частини АЦП, оскільки вона має великий опір.
Структурна схема
Розрахунок структурної схеми
Uдат вих. = 2.23…4.01 В.
Rдат вих. = 1 Ω.
Uопор вх. = 1…5 В.
Uкомп вих. = 0-5 В.
Uреле вх. = 0-5 В.
Iреле потреб. =100 mA.
Uнав. вих. = 0…220 В.
Iнав. вих. = 0…32 A.
Uпос. вих. = 2.78…5 В.
Uпвз. вх. = 2.78…5 В.
UАЦП. вх. = 2.78…5 В.
UПОС. вх. = 2.78…5 В.
4. Вибір елементної бази
По завданню нам необхідний компаратор. Він повинен відповідати наступним вимогам:
Наявність у продажу.
Діапазон вхідних напруг від 0 до +5 Вольт.
Проста схема підключення.
Одно полярне живлення.
Було вирішити використати LM311 від виробника Fairchild. Будемо використовувати версію компаратора у DIP-8 корпусі. Ось схема компаратора:
Будемо використовувати одно полярне живлення +5В. Далі приведу максимальні значення вхідних та вихідних сигналів:
Вихід компаратора буде перемикати реле. Стум необхідний для перемикання реле складає 100 mA. Це було встановлено експериментально. Було використано 5 вольтове реле невідомого японського виробника. Якщо вірити надписам то це реле дозволяє комутувати навантаження із наступними параметрами:
Максимальна напруга 250 В.
Максимальний струм навантаження складає 32 А.
Отже сумарно можна комутувати навантаження у 8 kW. Цього більш ніж достатньо для керуванням потужним нагрівачем.
Компаратор не витримає струму у 100 mA. Отже потрібно використовувати транзистор. Його вибираємо за такими параметрами.
Я вибрав польовий транзистор з індукованим каналом BS170. Це транзистор N каналу. Будем використовувати транзистор у корпусі TO-92. Він задовольняє нас за усіма вимогами
Принципова схема термостату без АЦП.
Отже розглянемо усі елементи схеми.
DA1 - це параметричний стабілізатор. На вхід подаємо не стабілізовану напругу у діапазоні 7-15 В, а на виході маємо стабілізовану напругу у 5 Вольт. Вихідний струм може досягати 0,5 А.
C1 - електролітичний конденсатор. Він необхідний для сгладжування пульсацій які надходять від джерела живлення.
VT1, VT2, R1, R2 - вхідна схема термодатчика. Ця схема забезпечує на вході термодатчика постійний струм 1 мА.
DA2 - термодатчик.
DA3 - компаратор.
RV2 - змінний резистор. Ним ми задаємо опорну напругу, що поступає на один з входів компаратора. Опорна напруга може коливатися у діапазоні від 0 до 5 Вольт.