LED Termometar - Milana

Tehnička škola Bečej

Maturski rad iz Osnova automatskog

upravljanja

Četvorocifreni digitalni termometar sa LED

pokazivačem

Mentor: Učenik:

Tašković Svetlana Bugarski Milana, IV4

Bečej, avgust 2013. god.

S A D R Ž A Ј

Contents

1 Uvod.......................................................................................................................................2

2 Opis uredjaja......................................................................................................................3

3 Električna šema i pricip rada........................................................................................5

4 Štampana ploča i raspored elemenata......................................................................................7

5 Integrisano kolo ICL7107........................................................................................................8

5.1 Interna organizacija...........................................................................................................8

6 Sedmosegmentni displej........................................................................................................11

7 Senzori temperature...............................................................................................................13

7.1 Temperaturni senzor KTY-10.........................................................................................13

8 Fizički izgled gotovog uređaja...............................................................................................15

Literatura...............................................................................................................................16

1

1 UVOD

Termometar (od grčkog θερμός (termo) u značenju „toplo“ and metar, „mjerenje") je uređaj koji mjeri temperaturu koristeći nekoliko različitih principa.Sastoji se obično od dva elementa: senzora (osjetila, davača) temperature i od pretvarača izmjerene vrijednosti u formu pogodnu za ljudsko ili mašinsko očitavanje.

U procesu merenja temperature objekta, toplota se prenosi između objekta i termometra dok oba nisu u stanju ravnoteže temperature. Prema tome, termometar u stvari meri temperaturu ekvilibrijuma (ravnoteže) a ne stvarnu inicijalnu temperaturu objekta. Iz toga proizilazi da svako merenje temperature ima netačnosti, koje su utoliko veće što je toplotni transfer veći. Bimetalni termometar.

Kod bimetalnog termometra dva sloja različitih metala su povezani zajedno tako da obrazuju bimetal u obliku lista, zavojnice ili heliksa. Metali trebaju imati različite koeficijente termalne ekspanzije tako da promena temperature deformira originalni oblik. Bimetalni termometar se formira tako da se indikator sa skalom poveže sa bimetalnim elementom.

Termometar sa punjenim termalnim sistemom

Ove vrste termometra koriste posudu ispunjenu tekućinom (tečnošću), gasom ili parom kao senzor temperature. Kapilarna cev vrlo malog prečnika povezuje posudu sa spiralnim, helikoidalnim ili drugim elementom koji pretvara pritisak u korisni signal, indikaciju temperature, ili zapis temperature.

Otporni temperaturni detektor u mosnom spoju.

Otporni temperaturni detektori (eng. RTD) koriste promenu električnog otpora materijala sa promenom temperature za merenje. Otpor većine metala se povećava sa povećanjem temperature, a posebno se koriste platina i nikl zbog velike promene otpora i stabilnosti. Otpornik od pogodnog materijala je načinjen u obliku zavojnice namotane na inertan materijal i stavljen u prostor gdje se meri temperatura. Promena otpora se dalje procesira sa merenjem promene napona na vanjskom otporniku ili metodom otpornog mosta koja daje vrlo precizne rezultate.

Termočlan

Termočlan (termospoj) se sastoji od dve metalne žice od raznih materijala koje su spojene u jednoj tački (merni spoj, vrući spoj) i u drugoj tački da obrazuju referentni spoj (hladni spoj). Kada su ova dva spoja na raznim temperaturama, stvara se mali napon između de žice. Ovaj napon se zove Seebekov ekfekt.Veličina ovog napona je proporcionalna razlici temperatura između dve žice i može se dalje pojačati i upotrebiti za merenje temperature.

Integralna kola

Postoji veći broj integrisanih kola proizvedenih za potrebe merenja temperature. Serija LM35 na primer proizvodi izlazni napon 10 milivolti puta temperatura u celzijusima od -55 do +155. Izlazni napon kola pri temperaturi od 20 stepeni će biti 750 milivolti.

Milana Bugarski, IV4

2 OPIS UREDJAJA

Osnovna prednost digitalnog termometra nad onim sa živinim stubom bi trebalo da bude preciznost. Jedna od takođe velikih prednosti to što nije potrebno da dođete do samog termometra kako bi očitali temperaturu. LED displej svetle dovoljno jako tako da je iz cele prostorije moguće pročitati temperaturu. Ovaj termometar predviđen je za napajanje sa jednosmernim naponom 7 do 18V kod struje od 200 mA. Merni opseg mu je od –50 do +150 stepeni Celzijusovih. Rezolucija, odnosno mogućnost očitavanja temperature mu je 0,1 stepen. Skala mu čine četiri sedmo-segmentna 13,5mm LED displeja. Dimenzija štampane ploče 88 x 67mm.

Elektronski termometar u principu nije ništa drugo nego digitalni voltmetar koji meri napon zavisan od temperature a koji nastaje na temperaturnom senzoru. Koristi se standardno integrisano kolo ICL7107 koje se koristi kao upravljački modul za digitalne voltmetre koje ima kompletnu potrebnu automatiku uključujući i drajvere za LED sedmocifrene displeje sa zajedničkom anodom.

Kao što je rečeno, ovaj spoj zadovoljava se sa nestabilizovanim naponom napajanja 7 do 18V koji se naknadno stabilizuje na napon od 5V pomoću regulatora napona IC3 koji čini popularno kolo 7805. Dopunski potreban napon od –4V proizvodi se pomoću oscilatora u ICL7107 na pinovima 38,39 i 40 i CMOS kola IC2 4049. Napon oscilacija ispravlja se pomoću dioda D1 i D2 1N4148. Napon iznosi –4V a vodi se na pin 26 IC1 kola ICL7107.Ovaj komplet nije za baterijsko napajanje. Za upravljanje LED displejom IC kolo ICL7107 poseduje automatiku koja daje konstantnu struju svakog segmenta displeja bez obzira koliko je segmenta trenutno uključeno. Tako se dobija konstantna jačina svetla displeja.

3


3 ELEKTRIČNA ŠEMA I PRICIP RADA

4


Merni signal sa mernog otpornika KTY10 vodi se na IC1 na pinove 30 i 31. Kondenzator C7 od 100nF služi za blokiranje eventualnih VF smetnji.

5


Linearnost skale očitavanja je dobra i odgovara preciznosti senzora KTY10. Inače nema kritičnih elemenata. Koriste se standardni delovi. Za otpornike R5 i R7 koji su u mernom mostu sa senzorom poželjno je staviti metal-film otpornike a trimer potenciometre za podešavanje P1 i P2 svakako višeobrtne vretenaste potenciometre. Kod nas je odomaćen izraz helipot potenciometar.

Neophodno je paziti na polaritet dioda kao i na ispravnu orijentaciju IC kola i displeja. Displeji se ne leme. Za njih je predviđeno jedno četrdesetopinsko podnožje. Sve je to predviđeno na štampanoj pločici. Za lemljenje koristiti lemilo recimo 18W sa špicastim vrhom i tinol žicu za lemljenje ne deblju od 1mm. Let pastu nesmete koristiti. Tinol žica se sastoji od legure kalaja 60% i olova 40% sa specijalnim punjenjem na bazi kalafonijuma koji pospešuje lemljenje. Kada se montiraju i zaleme svi delovi, izvrši se vizuelna kontrola lemljenja i priključi se napon napajanja 7 do 18V nekog ispravljača. Premeri se napon posle stabilizatora IC3. Na desnom priključku stabilizatora mereno prema masi treba da je 5V. pogledajte šemu. Na anodi diode D2 treba da je napon oko minus 4V a na displeju će se pojaviti slučajna četvorocifrena indikacija. Za podešavanje na 0 stepeni potreban nam je pravi izvor takve temperature da bi sa potenciometrom P2 istu podesili. Temperaturu od 0 ( nula ) stepeni dobićemo ako istucani led stavimo u jednu čašu, mešamo dok se posle dužeg mešanja prestane da topi. U toj zasićenoj mešavini leda i vode stabilna je temperatura od 0 stepeni. Pozitivnu referentnu temperaturu najlakše je pronaći u lončetu vode koja ključa na ringli. Plus 100 stepeni celzijusa podešava se potenciometrom P1

Ove operacije podešavanja možete ponoviti nekoliko puta. Odstupanje od temperature ključanja moguće je u zavisnosti od atmosferskog pritiska odnosno od visine mesta stajališta na kome se nalazimo i to može biti greška reda deseti deo stepena temperature što je za normalnu upotrebu nevažno. Izradu temperaturne sonde i njeno mehaničko izvođenje i obezbeđenje od vlage prepuštamo graditelju na njegovu volju, znanje, želju i mogućnosti. Tačnost termometra od 1% mislimo da nije nikakav problem postići. Međutim oni koji žele mogu uz malo dobre volje postići i tačnost od 0,1% pogotovu ako se radi o užem mernom području kod koga je nelinearnost mernog KTY10 senzora minimalna. Sondu KTY10 proizvodi Siemens, u pitanju je poluprovodnička sonda u modifikovanom TO-92 kućištu ( samo dve nožice ). Sonda je simetrična izrade tako da je sve jedno kako je okrenete. Nema razlike u polovima izvoda.

U svakom slučaju uz pomoć neke cevčice i dvokomponentnog lepka možete napraviti gotovo profesionalnu sondu. Takođe možete koristiti i termo bužir ukoliko temperature koje merite nisu veće od 100C.

6


4 ŠTAMPANA PLOČA I RASPORED ELEMENATA

7


5 INTEGRISANO KOLO ICL7107 Ovo je jedno od prvih integrisanih kola i tipičan je predstavnik ICL71XX serije integrisanih kola namenjenih primenama u mernim instrumentima.

Sa aspekta interne arhitekture, kolo ICL7107 u sebi sadrži A/D konvertor koji radi na principu dvostruke integracije, dok na svom izlazu ima integrisane dekodere sa BCD koda na 7‐segmentni displej i drajvere za segmente, a namenjeno je za prikaz izmerene vrednosti na LED displeju. Merni instrument sa ovakvim kolom može da prikaže 3 ½ cifre i predznak. Samo kolo ne zahteva nikakav spoljašnji generator takta, pošto je ta logika integrisana na čipu. Takođe, nije potreban ni izvor referentnog napona za A/D konvertor jer je i on takođe integrisan. u sebi ima i implementiranu logiku za automatsko podešavanje nule te za automatsku indikaciju polariteta ulaznog – merenog napona.

5.1 Interna organizacija

Kolo ICL7106 sastoji se iz analognog i digitalnog dela kola. Analogni deo obuhvata sklopove koji su neophodni za realizaciju A/D konvertora sa dvojnim nagibom, dok digitalni deo kola obuhvata kontrolnu logiku A/D konvertora kao i kola koja služe za prikaz izmerene vrednosti na displeju. Pored toga, za realizaciju nekog uredjaja na spoljašnje priključke ovog kola se spajaju prateći pasivni elementi ‐ otpornici i kondenzatori. Na sledećoj slici prikazana je blok‐šema analognog dela kola ICL7106 sa pripadajućim pasivnim elementima.

8


Vidljivo je da se radi o diferencijalnom, odnosno tzv plivajućem ulazu kod kojeg

priključak IN LO nije spojen sa masom. Oznake pasivnih komponenata jasno ukazuju na funkcije koje svaki od pasivnih elemenata obavlja. Bitno je još napomenuti da se kondenzator CAZ puni tokom prvog koraka u integraciji – automatskog podešavanja nule i na taj način se obavlja kompenzacija naponskog ofseta bafera, integratora i komparatora. Kondenzator CREF se puni tokom faze automatskog podešavanja nule da bi se omogućilo pravilno izvršavanje trećeg koraka – integracije referentnog napona. Tokom integracije referentnog napona će biti odbrojani impulsi sa generatora takt signala čiji broj zavisi od odnosa referentnog i ulaznog signala.

Takođe, ovo kolo ima razdvojenu analognu masu od digitalne, kao što je to slučaj i kod drugih A/D konvertora. Te mase se unutar kola spajaju samo na jednom mjestu. Analogna masa se koristi i za priključenje negativnog pola baterije za napajanje, pri simetričnom napajanju a ona je i kratko spojena sa IN LO priključkom tokom automatskog podešavanja nule i referentne integracije. Digitalna masa služi kao masa digitalnog dijela kola. U ovom kolu digitalna masa dobija se uz pomoć jedne zener diode i jednog p‐kanalnog tranzistora. Blok šema digitalnog dela kola ICL7107 prikazana je na sledećoj slici:

9


Takt‐signal koji je neophodan za funkcionisanje ovog kola može da se generiše uz

dodavanje jednog otpornika i jednog kondenzatora pošto je u kolu implementirana sva ostala logika. Ovo je najjednostavniji način za generisanje takt signala. Sa druge strane, takođe je moguće da se takt u kolo dovede i sa nekog laboratorijskog generatora pravougaonih impulsa, ukoliko je to potrebno za željenu primenu. Sledeća slika prikazuje ove dve mogućnosti realizacije takt‐signala.

Takt‐signal doveden iz vanjskog oscilatora

10


Interno generisan takt‐signal

6 SEDMOSEGMENTNI DISPLEJ

Sedmosegmentni displej predstavlja u jednoj komponenti integrisano sedam svetlećih(LED) dioda, koje se pale/gase posebnim kontrolnim signalima. Sve LED diode imajujednu zajedničku tačku (anodu ili diodu), i na osnovu toga indikator zovemo sazajedničkom anodom ili zajedničkom katodom.

11


Indikatori sa zajedničkom katodom se pale logičkom jedinicom, a indikatori sa zajedničkom anodom logičkom nulom. Otpornici sa slike se montiraju spolja, i služe za ograničenje struje kroz LED diode.

12


7 SENZORI TEMPERATURE

Merenje i regulacija temperature je najčešći oblik u regulaciji nekoga procesa. Za kvalitetno merenje temperature potrebno je definisati temperaturnu skalu. Najčešće temperaturne skale su Celzijusova i Farenheitova (°C i °F). Za razliku od navedenih relativnih temperaturnih skala u tehnici se koristi SI apsolutna temperaturna skala u stupnjevima Kelvina- temperatura mržnjenja: 32°F 0°C- temperatura ključanja 212°F 100°C- Konverzija: 0 K = -273,16°C, F = 9/5C + 32, C = 5/9(F - 32) U industrijskim primenama temperatura izražena u °C široko je rasprostranjena, ali je konverzija u Kelvinove stepene potrebna pri različitim termodinamičkim proračunima.

7.1 Temperaturni senzor KTY-10

KTY temperaturne senzore je razvio Siemens još krajem 70-tih godina. Značajna osobina im je(a to je i bila namera kostruktora) da sa jednim otporikom (2,4k do 3k) spojenim na red čine razdelnik napona kod koga je zavisnost temperatura-napon praktično linearna. Zbog te osobine im nije potrebna nikakva naknadna linearizacija.

Opšte informacije, karakteristike :Opšte informacije, karakteristike :

Slika 1 Temperaturni senzor

Najkvalitetniji otpornički termometar je od platine (tzv. Pt100 sonda) jer ima najstabilniju linearnu karakteristiku u širokom temperaturnom području, otporan je na različite hemijske supstance, ne oksidira i primenljiv je za merenje visokih temperatura • Nikl je najosetljiviji ali ima izrazito nelinearnu karakteristiku za temperature veće od 3000C, dok bakar ima najlinearniju karakteristiku, ali oksidira već na srednjim temperaturama i nije primenljiv za temperature veće od 150 0C.

13


Skica industrijskog Pt senzora

14


8 FIZIČKI IZGLED GOTOVOG UREĐAJA

15


LITERATURA

1. Vladimir D. Krstić,Željko V.Krstić Mala škola elektronike , Beograd,

2005.

2. http://sr.wikipedia.org

16

http://sr.wikipedia.org/

LED Termometar - Milana

Documents

Transcript of LED Termometar - Milana