Проектирование электронного градусника

Московский авиационный  институт

(Государственный технический  университет)

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине:

«Электроника  и микропроцессорная техника»

 

 

 

 

 

Студента группы 06-325

Панина Марк Александровича

 

 

Москва, 2012

Оглавление.

1. Введение…………………………………………………………………….3
2. Технические требования к проектируемому устройству………………..3
3. Анализ технических требований на проектируемое устройство; выбор и обоснование структурной электрической схемы устройства и используемой элементной базы; описание структурной схемы………..3
4. Принципиальная электрическая схема устройства.
5. Описание принципиальной схемы и её расчёт…………………………..8
6. Перечень элементов схемы.
7. Список литературы и использованных материалов……………………14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Проектируемый прибор- электронный медицинский термометр, в простонародье градусник. Необходим для точного измерения температуры человеческого организма и  дальнейшей постановки правильного диагноза. Среди методов выявления бытовой инфекции (простуда, грипп, ОРВИ и т.п.) измерение температуры тела является первоочередным методом.

 

Технические требования.

Измерительный диапазон от 35 до 45 градусов Цельсия.

Точность 0,1 градуса.

Диапазон температуры хранения от 15ти до 40 градусов Цельсия.

 

Анализ технических  требований на проектируемое устройство.

 

Описание  структурной схемы.

Структурная схема платы датчиков входного блока представлена на чертеже. Схема содержит:

• Вторичный источник питания;
• Датчик температуры;
• Усилитель;
• Аналого-цифровой проебразователь;
• Дешифратор;
• Семисегментный индикатор – 3 шт;

 

Обоснование структурной схемы.

• Для питания активных элементов цепи нам необходим вторичный источник питания, так как без напряжения питания они не работают.
• Так как мы проектируем прибор, измеряющий температуру нам необходим датчик температуры. В данной работе мы используем терморезистор, который изменяет своё сопротивление в зависимости от своей температуры. Если подать на него напряжение, то ток, проходящий через резистор будет изменяться обратно пропорционально его сопротивлению, которое в свою очередь будет зависеть от температуры. Следовательно ток в цепи будет функцией температуры резистора – датчик температуры.
• Далее сигнал идущий от датчика необходимо будет усилить и преобразовать в цифровое значение.
• Следующий затем в структурной цепи шифратор преобразует соответствующее цифровое значение для каждой температуры в цифровое значение, вызывающее на индикаторе изменение цвета соответствующих сегментов.

 

 

 

 

Обоснование конкретных элементов электрической  схемы.

В качестве датчика температуры  будем использовать терморезистор (резистор, изменяющий свое сопротивление  в зависимости от температуры). Лучше  всего нам подойдёт Резистор СТ3-19-2,2к.

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ

Источник информации: Зайцев Ю. В. Полупроводниковые резисторы.—М. Энергия, 1969. – 48 с.; ил.

 

КМТ-1	СТ3—19

Тип резистора	КМТ-1	СТ3—19
Максимальная мощность рассеяния, Вт	0,6	0,045
Диапазон номинальных сопротивлений по ряду Е24 при 200 С, кОм	1—220	2,2 10 15
Интервал рабочих температур, 0 С	-60 +125	-90 +125
Температурный Коэффициент Сопротивления, %Rном / 0 С	4,2—8,4	3,4 – 4,5
Коэффициент рассеяния, мВт / 0С	6	0,5
Постоянная времени не более, с	85	3
Масса не более г	1,0	0,25

Пример обозначения: Резистор СТ3-19-2,2к

Преимущества Терморезистора СТ№-19 заключаются в том, что:

1. Он покрыт стеклом и благодаря этому защищен от коррозии.
2. У него меньший размер, а значит ему потребуется меньше времени чтобы нагреться до нужной температуры.
3. Его контакты направлены в одну сторону.

 

Далее нам нам необходим в мостовой схеме переменный резистор, с помощью которого можно было бы откалибровать мост.

Возьмём резистор СП5—2.

Резисторы подстроечные многооборотные проволочные с круговым перемещением подвижной системы, для печатного монтажа, редназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока.

Тип резистора		СП5—2
Номинальная мощность рассеяния, Вт		0,5
Диапазон номинальных сопротивлений по ряду Е6 с допусками ± 5%, ± 10% Ом		3,3—47×103
Предельное рабочее напряжение постоянного и переменного тока В		250
Масса не более г		1,8

 

Он подходит по диапазону номинальных сопротивлений.

Сигнал, идущий с датчика необходимо усилить, чтобы в дальнейшем с  ним работать.

В качестве усилителя аналогового  сигнала возьмём дифференциальный (т.к. в условиях конкретной схемы  необходимо усиливать разность напряжений, см. разбор принципиальной схемы) операционный (т.к. нам необходимо усиливать постоянное напряжение) усилитель.

Нам подойдёт усилитель К140УД17.

Прецизионный операционный усилитель  с малым напряжением смещения и высоким коэффициентом усиления. Частотная коррекция внутренняя. Может работать в диапазоне напряжений питания 3...18 В. Тип корпуса – металлостеклянный, круглый, 8 выводов.

Для того чтобы работать с сигналом только усилить его мало, его необходимо еще перевести в цифровую форму. Для этого используем Аналогово-Цифровой Преобразователь (АЦП).

Подбираем по Uпит, габаритам и кол-ву разрядов.

Микросхема К572ПВ3 
Микромощный 8-разрядный АЦП последовательных приближений, сопрягаемый с микропроцессорными устройствами.  
Цифровые выходы преобразователя допускают прямое подключение к входным портам и шине данных МП. 
Число выходных разрядов 8 
Время преобразования 7,5 мкс 
Нелинейность квантов 0,5 
Напряжение питания 5 В 
Потребляемая мощность 25 мВт  
Тип корпуса – Керамический, 
прямоугольный, 22 вывода.

Для работы АЦП нам нужен будет Генератор Импульсов. В нашей схеме он сделан на логических элементах

Логические  элементы.

К155ТЛ2 – шесть логических элементов НЕ с характеристикой триггера Шмита. Используется в схеме для создания генератора прямоугольных импульсов.	К561ЛЕ6 – два логических элемента 4ИЛИ-НЕ. Используется в схемах А типа.	К561ЛА7 – четыре логических элемента 2И-НЕ. Используется в схемах А типа.

 

После преобразования аналогового  сигнала в цифровой в АЦП, нам  необходимо присвоить каждому двоичному  значению температуры двоичное значение вызывающее загорание определенных сегментов на индикаторах. Это возможно с помощью дешифратора.Дешифратор состоит из 3ех запоминающих устройств (по одному на индикатор)

Запоминающее устройство Микросхема КР556РТ5 
Организация 512 слов × 8 разрядов 
Напряжение питания 5 В ± 5% 
Потребляемая мощность 1000 мВт 
Тип выхода — Открытый коллектор 
Совместимость по входу и выходу — ТТЛ  
Исходное состояние —  1  
Тип корпуса — Пластмассовый,  
прямоугольный, 24 вывода

Достаточное количество входов и выходов  и организация.

Выходы дешифратора подсоединены к схеме А, которая работает на логических элементах, описанных выше. Для нормального функционирования схемы А также необходим Т-триггер.

К561ТМ2 – два триггера D типа. Сделаем из одного из этих D-триггеров Т-триггер, для этого необходимо заземлить все входы, кроме С1.

Наш Ж-К индикатор должен показывать минимум 3 цифры и запятую перед единичным разрядом. Этим требованиям удовлетворяет Ж-К индикатор ИЖЦ5-4/8.

Описание принципиальной электрической схемы и её расчёт.

Терморезистор R6 подключим по мостовой схеме для того, чтобы при 35 градусах Цельсия напряжение на выходе датчика температуры было равно нулю. R6 имеет номинальное сопротивление при 20ти градусах равное 2,2 кОма, учитывая его температурный коэффицент сопротивления (ТКС), равный от 0,034-0,045 (возьмём среднее значение 0,0395/2,2кОм/градус) найдём его сопротивление при 35 градусах Цельсия.

ΔR(Δt=15 C)=2,2*(1-exp(-0,0395*15))=0,98352 кОм

R6=3,183 кОм

Для того чтобы в мостовой схеме Uвых=0 необходимо, чтобы соблюдалось условие R6/R5=R3+R4/R2. Чтобы учесть погрешность ТКС резистор R4 будет переменным. Возьмём в качестве R4 переменный резистор СП3—39, также последовательно с ним поставим постоянный резистор R3, сопротивлением 3кОма для того чтобы упростить калибровку мостовой схемы. А резисторы R2 и R5 возьмём из ряда E24 сопротивлением 3 кОма.

R2 - Резистор С2-33-0,125—3к ±5%

R3- Резистор С2-33-0,125—3к ±5%

R4 - Резистор СП3-39-0,5—330 ±10%

R5 - Резистор С2-33-0,125—3к ±5%

Для того чтобы мостовая схема работала необходимо, чтобы входящий ток не зависел от сопротивления схемы, для этого сделаем «источник тока». Подключим резистор R1 последовательно к мостовой схеме, R1>>Rнагрузки. Сопротивление мостовой схемы при 35 градусах будет примерно ~3,25 кОма, пусть R ист будет в 50 раз больше, выбираем номинальное сопротивление 160 кОм из ряда Е24.

R1 - Резистор С2-33-0,125—160к ±10%

Далее необходимо рассчитать перегрев терморезистора, для того чтобы уменьшить погрешность измерения температуры. Нам задана точность 1/10 градуса, это значит, что терморезистор может нагреться не более чем на эту температуру. Перегрев – Θ. Он равен отношению мощности рассеяния к коэффициенту рассеяния.

Θ=Ppac/H

Ррас=Н*Θ=0,1*0,5=0,05 мВт

Найдём допустимый ток. Возьмём максимальное значение сопротивления терморезистора R6, т.к. при нём будет выделяться наибольшая мощность.

ΔR(Δt=25 C)=2,2*(1-exp(-0,0395*25))=1,38 кОм

R6 (45)= 3,58 кОм

Ррас=I^2*R6  =>  I= 0,12 мА

То есть ток через  R6 не должен превышать 0,12 мА. Следовательно, тк R2+R3+R4=R5+R6, Iист<0,24 мА.

При данном R1, Iист= Uпит/Rист=5/160000=0,03 мА. Полученный ток удовлетворяет условию.

Далее находим, какое изменение выходного напряжения даст нам изменение на 0,1 градуса.

ΔRt=Rноминальное*(1-exp(-ТКС*Δt))= 0,726 кОм

Rмоста (t=45)=3,19 кОм

Uпит. моста(t=45)= 2I*Rмоста(t=45)=0,03*3,19=0,0957 В

Найдём токи отдельно в  каждой ветви. В ветви с терморезистором:

I4=0,0957/(3000+3580)=14,5 мкА

Аналогично ток через  переменный резистор R4:

I2=15,5мкА

В таком случае:

ΔUмоста мах (Δt=10)=I2*R2-I4*R6(t=45)=0,00541 В=5,4 мВ

ΔUmax (Δt=0,1)= 0,0000541 В=54 мкВ

Далее необходимо рассчитать коэффициент усиления усилителя К140УД17. Мы знаем, что его Uпит =+-5 В, Uвх мах=5,4 мВ. Uвых=1,95 В (Следует из расчёта АЦП на странице 13), тогда коэффициент усиления по напряжению Ku  будет равен:

Ku=1,95/0,00541=360,4

Rвх реального операционного усилителя должно быть порядка 10^6-10^7 Ом. Пусть Rвх =R7= 1000 кОм по ряду Е24 номинальных сопротивлений, тогда Rос определяется из соотношения:

R7- Резистор С2-33-0,125—1000к ±10%

Ku=Rвх/Roc

Roc=Rвх/Ku=1000/360,4=2,77 кОм

Наиболее рациональным решением будет включить вместо Rос резистор переменного сопротивления. Последовательно с ним включим постоянный резистор сопротивлением 2,4 кОм по ряду E6.

Так как для дифференциального  усилителя R7=R8=Rвх, а R21+R10=R9+R22=Roc, то следовательно:

R7 - Резистор С2-33-0,125—1000к ±5%

R8 - Резистор С2-33-0,125—1000к ±5%

R21- Резистор СП5—2-0,5—470 ±10%

R10- Резистор С2-33-0,125—2,4к ±10%

R9- Резистор С2-33-0,125—2,4к ±10%

R22- Резистор СП5—2-0,5—470 ±10%

R11 - Резистор С2-33-0,125—100к ±5%

Переходим к расчёту АЦП.

Вход AI1 соединяем с выходом усилителя, а вход AI2 используем для компенсации смещения. Подаём на него напряжение питания Uпит= 5 В, устанавливаем делитель напряжения . Т.к. Uсм<<Uпит, то приходится устанавливать дополнительные резисторы (для повышение точности калибровки).

По з-ну Ома для участка цепи IR12+IR13+IR14=10B;

 IR12=0,6 В; (т.к. напряжение смещения может быть порядка +- 30 мВ)

 IR14=IR13;

 пусть I=1 мА, тогда:

0,001R14+0,001*R13+0, 001*R12=10B

Тк R14=R13, а IR12=0,6 В

0,001*R14 =4,7 B

R14=4700 Oм= R13