Курсовая. Российской федерации курганский государственный университет
 Скачать 135.54 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра автоматизации производственных процессов Тема курсовой работы «Разработка устройства контроля температуры» Вариант 19 Курсовая работа Расчетно-пояснительная записка Дисциплина: Электротехника и электроника Студент: Кучин Д.И. Группа: ИТ-20419 Руководитель: Кудряшов Б.П. Курган 2021 СодержаниеВВЕДЕНИЕ В данной работе разработано четырехканальное устройство контроля температуры, предназначено для построения автоматических систем контроля производственных технологических процессов в различных отраслях промышленности, жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве. Во время работы прибор выполняет следующие основные функции: · контролирует с помощью первичных преобразователей (датчиков) физические параметры объектов в четырех каналах измерения и отображает эти значения на ЭВМ; · формирует аварийный сигнал при выходе контролируемого параметра за заданные пределы в любом из каналов измерения; · формирует аварийный визуальный сигнал при обрыве одного из датчиков; Формирует сигнал о выходе температуры за верхний установленный предел, информация отображается визуально при помощи светодиодов. Верхний аварийный предел температуры устанавливается с помощью переменного резистора. В основу данной курсовой работы положена цель разработать такое устройство контроля температуры, которое бы обеспечили необходимую точность измерения температуры. В качестве рабочего органа для разрабатываемого устройства используется термодиод. При этом оно должно быть: 1.работоспособным 2.не иметь лишних цепей 3.легко настраиваться 4. удобным в обращении 5. защищённым от дестабилизирующих факторов 6.недорогим 1. Техническое задание 1.1 Основание для разработки Основанием для разработки является учебный план для специальности 220700 “Автоматизации производственных процессов”, а также задание на курсовую работу по дисциплине “Электроника”. 1.2 Цель и назначение разработки Целью разработки является разработка устройства, которое имеет возможность контроля температуры в диапазоне: +10…+40°С. 1.3 Источники разработки Основным источником разработки является “ Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Электротехника и электроника» для студентов очной и заочной форм обучения направления 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств»”, а также различные справочники и книги. 1.4 Режимы работы объекта Данное устройство работает в реальном режиме времени, с одновременной передачей информации о текущей температуре на ЭВМ. Количество контролируемых каналов 4. Информация поступает на коммутатор, далее к ЭВМ. 1.5 Условия эксплуатации Питание - сеть 50Гц 220В ±10%. Диапазон рабочих температур +10…+40°С. относительной влажности от 45 до 75%, атмосферном давлении от 630 до 800 мм. рт. ст. 1.6 Технические требования Устройство должно обеспечивать передачу информации о температуре в рабочих зонах технологического процесса в ЭВМ. При этом ЭВМ осуществляет только регистрацию полученной информации и в состав устройства не входит. Погрешность, вносимая устройством, не должна превышать 0,3°С. Устройство должно быть выполнено в виде одной или нескольких печатных плат, соединенных друг с другом и с внешними устройствами посредством кабелей и разъемов. Питание - сеть 50Гц 220В ±10%. Диапазон рабочих температур +10…+40°С. Количество одновременно контролируемых каналов 4. Датчики температуры – термодиоды. В случае нарушения хода технологического процесса для предотвращения аварийных ситуаций по причине выхода температуры за установленные границы также должна быть предусмотрена соответствующая аварийная индикация. При этом аварийное верхнее или аварийное нижнее значение температуры по каждому каналу должно устанавливаться переменным резистором. 2. Описание устройства В состав устройства входят следующие компоненты: 1.Четыре датчика температуры; 2.Два усилителя; 3.Аналоговый коммутатор; 4.Фильтр низких частот; 5.Преобразователь напряжение-частота; 6.Схема контроля обрыва датчиков; 7. Схема контроля выхода температуры за установленные пределы; 8.Блок питания. 3. Работа элементов устройства 3.1 Датчик температуры В качестве датчика температуры в данном устройстве используется термодиод. Измерение температуры с помощью полупроводниковых диодов представляет особый интерес для массового применения, т.к. они доступнее и дешевле других датчиков и имеют хорошую повторяемость параметров, малые габариты, возможность взаимозаменяемости и, главное, дешевизна, позволяющая применять их в датчиках одноразового употребления. Физический принцип работы полупроводникового термометра основан на зависимости падения напряжения на p-n переходе, смещенном в прямом направлении, от температуры. Данная зависимость близка к линейной, что позволяет создавать датчики, не требующие сложных схем коррекции. Для измерений используется прямая ветвь ВАХ диодов, поскольку обратная ветвь менее стабильна. Нелинейность показаний легко учитывается двумя программными методами. Во-первых, можно плавно аппроксимировать температурную характеристику эмпирической формулой, во-вторых, можно использовать дискретную таблицу поправок с сохранением коэффициентов в ПЗУ МК. Считается, что термодатчики на диодах обеспечивают приемлемую линейность измерения температуры в диапазоне 0…+ 100°С (по некоторым оценкам -60…+ 150°С). 3.2 Усилитель LM358 Микросхема LM358 как написано в его DataSheet является универсальным решением, так как схема включения большинства популярных устройств весьма проста, в случаях отсутствия жестких требований к высокому быстродействию, рассеиваемой мощности и нестандартному питающему напряжению. Небольшая стоимость, отсутствие необходимости подключения дополнительных элементов частотной коррекции, возможность использования во всем диапазоне стандартных питающих напряжений (до +32В) и низкий потребляемый ток, делают его кандидатом номер один для электронных проектов с ОУ. LM358 состоит из двух ОУ, каждый имеет по 4 вывода, имеющих свое назначение. Всего получается 8 контактов. Производятся в нескольких видах корпусного исполнения, для объемного DIP и поверхностного монтажа на плату SO. Так же могут встречается в усовершенствованных корпусах SOIC, VSSOP, TSSOP. Какие же характеристики LM358 принесли ему такую популярность: низкая стоимость; никаких дополнительных цепей компенсации; одно или двуполярное питание; широкий диапазон напряжений питания от 3 до 32 В; Максимальная скорость нарастания выходного сигнала: 0,6 В/мкс; Ток потребления: 0,7 мА; Низкое входное напряжение смещения: 0,2 мВ. Так как LM358 имеет в своем составе два операционных усилителя, у каждого по два входа и один выход (6 — выводов) и два контакта нужны для питания, то всего получается 8 контактов.  Рис. 1 Расположение выводов (Вид сверху) 3.3 Аналоговый коммутатор K590KH5 Микросхемы представляют собой четырехканальные аналоговые ключи со схемами управления. Корпус микросхем серии КР590 типа 238.16-2, серии К590—типа 402.16-18. Масса микросхемы в корпусе 238.16-2 не более 1,2 г, в корпусе 402.16-18 не более 1,3 г.
1. Запрещается подача каких-либо электрических сигналов на выводы микросхемы, не используемые согласно функциональной электрической схеме. 2. При напряжениях питания, равных 0, напряжения на выходах микросхемы должны быть равны 0. Допускается наличие напряжений на выводах микросхемы при напряжении питания источников, равном 0 , если приняты меры, исключающие протекание токов логических входов более 0,5 мА и токов аналоговых входов (выходов) более 5 мА; при этом следует обеспечить мощность, рассеиваемую микросхемой, не более 150 мВт. 3.4 Фильтр нижних частот К544УД1 Микросхемы представляют собой операционные дифференциальные усилители с высоким входным сопротивлением и низким уровнем входных токов, с внутренней частотной коррекцией, обеспечивающей устойчивую работу при любых режимах отрицательной обратной связи, включая режимы интеграторов и повторителей напряжения. Тракт передачи сигнала ИС состоит из входного дифференциального каскада, выполненного на полевых транзисторах, промежуточного каскада на p-n-p транзисторе и выходного каскада, образующего двухтактный выход. Частотная коррекция осуществляется внутренним конденсатором. Построение входного каскада позволяет получить низкое и стабильное напряжение на входных полевых транзисторах, почти не зависящее от изменения напряжения питания и синфазного входного напряжения, в связи с чем малый уровень входного тока (или большое входное сопротивление для синфазного сигнала ) сохраняются во всем диапазоне входного синфазного напряжения и допустимом диапазоне напряжения питания. От ФНЧ сигнал поступает на вход ПНЧ. 3.5 Преобразователь напряжение частота Преобразователи напряжение - частота (ПНЧ) 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. ПНЧ преобразует входное напряжение в частоту выходных импульсов, которые могут передаваться на большие расстояния без искажения информационного параметра - частоты. Второй этап аналого-цифрового преобразования: «частота-код» осуществляется путем подсчета импульсов за фиксированный интервал времени, то есть усреднением. В данной схеме использован ПНЧ типа КР1108ПП1. ПНЧ включает в себя усилитель А1, компаратор А2, одновибратор, источник стабильного тока I0, аналоговый ключ S и выходной транзистор. Для построения ПНЧ микросхему следует дополнить двумя конденсаторами С1, С2 и двумя резисторами R1, R2. Элементы R1, С1, А1 образуют интегратор. Конденсатор С2 задает длительность импульса одновибратора t= kC2, где k определяется характеристиками микросхемы (в VFC32 I0 = 1 мА, k = 75 кОм). Импульсы тока I0 уравновешивают входной ток, управляемый напряжением VIN.  КР1108ПП1 3.6 Схема контроля обрыва датчиков При отсутствии сигнала с датчиков, сигнал с усилителей будет нулевым. Напряжение сигнала с выхода каждого усилителя подается на входы компараторов DA5 – DA8. Напряжение на выходе усилителя сравнивается компаратором с напряжением на втором входе, при обрыве проводов компаратор сработает и покажет это. В качестве светодиода индикации HL1-HL4 можно использовать АЛ307 с параметрами: Постоянное прямое напряжение Uпр=2 В (при Iпр=10 мА) Максимальный постоянный прямой ток Iпр=20 мА Цвет свечения – красный 3.7 Схема контроля температуры за установленные границы При перегреве датчиков, сигнал с усилителей будет максимальным. Напряжение сигнала с выхода каждого усилителя подается на входы компараторов DA9 – DA12.Напряжение на выходе усилителя сравнивается компаратором с напряжением установленным переменным резистором, при достижении верхней температуры компаратор сработает и покажет это. В качестве светодиода индикации HL5-HL8 можно использовать АЛ307 с параметрами: Постоянное прямое напряжение Uпр=2 В (при Iпр=10 мА) Максимальный постоянный прямой ток Iпр=20 мА Цвет свечения - красный 3.8 Блок питания Блок питания построен с использованием трансформатора серии ТПП215 имеющего одну вторичную обмотку; один диодный мост КЦ407Е. Рабочий диапазон температур стабилизаторов -40…120 С. Эта схема обеспечивает устройство питающими напряжениями :± 5В и ±15В. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате проделанной работы было разработано устройство контроля температуры от +10до +40°С. Устройство имеет четыре канала измерения температуры, снабжено схемой выхода температуры за установленные пределы и схемой для контроля обрыва датчиков. Данные о температуре передаются на ЭВМ через ПНЧ, установка верхнего значения температуры задается с переменного резистора. ЭВМ осуществляет только регистрацию полученной информации и в состав устройства не входит. В результате проделанной работы были получены навыки разработки электрической схемы в программе Компас 3D v13, подбора компонентов для схемы. Список использованных источников Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники, В 3-х томах.- М.: Мир, 1992. Расчет электронных схем. Примеры и задачи. Учеб. пособ. для вузов. Под ред. Изъюровой Г.Н. и др.- М.: Высш. шк., 1987.- 335 с, ил. Жеребцов Н.П. Основы электроники. - Л.: Энергоатомиздат, 1990.-352 с, ил. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника, Справочное руководство. Материалы с сайта www.chipdip.ru Материалы с сайта www.alldatasheet.com Материалы с сайта www.radiokot.ru http://nauchebe.net/2011/02/termodatchiki-na-diodax%C2%A0-v-sxemax-na-mk/ |
