2 Розробка структурної схеми

Розглянемо основні завдання які вимагаються від нашої вимірювальної системи. Двоканальна інформаційно-вимірювальна система температури повинна здійснювати вимірювання температури за двома вимірювальними каналами і передавати вимірювальну інформацію до персональної ЕОМ за допомогою інтерфейсу RS-485. Отже система, що розробляється матиме два вимірювальних канали.

Детальніше розглянемо та обґрунтуємо принцип роботи вимірювального каналу температури та можливі варіанти його реалізації

Температурні сенсори бувають різноманітних типів [1].

В теперішній час існує багато різноманітних типів температурних сенсорів. Найпоширенішими серед них є:

- резистивні датчики температури, які є я досить точними пристроями, але потребують зовнішнього струму збудження і зазвичай використовуються в мостових вимірювальних схемах;

- термістори мають найвищу чутливість, але в той же час мають найбільшу нелінійність. Проте, вони популярні в портативних додатках, таких як вимірювання температури акумуляторної батареї і в других системах вимірювання критичних температур;

- напівпровідникові датчики температури дають високу точність і мають високу лінійність по діапазону робочих температур від - 55°С до + 150 °С. Вони також корисні для використання в колах компенсації температури холодного спая для широкодіапазонних датчиків температури – термопар. Напівпровідникові температурні датчики можна об’єднувати в багатофункціональні інтегральні схеми (ІС), які виконують ряд других

моніторіруючих функций;

- термопара – використовується переважно для вимірювання високих температур в умовах промислового виробництва

- цифрові вимірювачі температури

- датчики температури з цифровим виходом

Цифрові вимірювальні перетворювачі, як правило випускаються у вигляді інтегральних мікросхема або у вигляді функціонально закінчених моделей. Такі перетворювачі реалізовані на базі первинних вимірювальних перетворювачів (ПВП) та мікроконтролера, які інтегровані в одному корпусі. Мікропроцесор аналізує стан ПВП та розраховує температуру на виході мікропроцесор формує цифровий код відповідний значенню температури, або сигнал в параметри якого закладена інформація про температуру.

Для виведення результатів вимірювання використаємо інтерфейс. Інтерфейсом називається сукупність апаратних та програмних засобів та правил за якими здійснюється передача інформації.

Отже, розглянувши основні блоки структурної схеми скомпонуємо їх та отримаємо загальний вигляд інформаційно вимірювальної системи вимірювання теплофізичних властивостей будівельних матеріалів рисунок 5.

Рисунок 5 – Структурна схема інформаційно вимірювальної системи вимірювання теплофізичних властивостей будівельних матеріалів.

3 Розробка принципової схеми

Розглянемо детальніше кожен вимірювальний канал. Для вимірювання температури використаємо мікросхему виробництва Analog Devices TMP03.

Характеристики даного цифрового перетворювача:

- модульований послідовний цифровий вихід;

- діапазон вимірювання температури ;

- температурна похибка ;

- максимальна потужність споживання 6,5 мВт;

- діапазон робочої напруги від 4,5 до 7 В.

Датчики температури з цифровим виходом мають ряд переваг над датчиками з аналоговим виходом, особливо у випадку дистанційних приєднань.

 ТМР03/ТМР04 – сімейство датчиків з цифровим виходом включають в себе опорне джерело напруги, генератор V_ПАТ, сігма-дельта АЦП, тактовий генератор, рисунок 6.

Рисунок 6 - Датчик з цифровим виходом

Найбільш важливо те, що даний метод кодування виключає помилки, властиві другим методам модуляції, оскільки він не залежить від абсолютного значення частоти. Номінальна вихідна частота складає 35 Гц при +25°С і пристрій працює з фіксованою довжиною імпульсу Т1, яка складає 10 мс.  і температура визначається виразом

(3.1)

Для виведення результатів вимірювання використаємо інтерфейс RS485. Основні характеристики:

- лінія зв’язку – симетрична екранована вита пара;

- рекомендована відстань, на якій здійснюється обмін даними – 1200м;

- максимальна швидкість обміну даними – 10 М біт /с;

Згідно стандарту на ці інтерфейси кожен драйвер повинен мати захист від короткого замикання на шину живлення та захист від перегріву. При t=150C драйвер повинен відключатися. Значення різниці потенціалів на лінії зв’язку 7В.

Інтерфейс RS485 призначений для обміну даними по симетричній лінії зв’язку. Стандартом не регламентується формат обміну даними паралельний чи послідовний. Регламентуються тільки рівні сигналів та лінія зв’язку. Стандарт рекомендує забезпечити гальванічну розв’язку між драйверами та приймачами інтерфейсу та джерелами даних.

Рисунок 7 – Гальванично ізольований інтерфейс RS485

Визначимо один з основних елементів системи - мікроконтролер. При виборі якого врахуємо що на даний час одна з передових фірм виробників мікроконтролерів є Atmel. AVR - це молодий продукт корпорації Atmel. У цій лінії мікроконтролерів загального призначення постійно з'являються нові кристали, обновляються версії вже існуючих мікросхем, удосконалюється і розширюється програмне забезпечення підтримки.

Оберемо тип мікроконтролера AT90S8515: 8-ми розрядний AVR мікроконтролер з 8 Кбайт Flash пам'яттю з підтримкою внутрішньо системного програмування.

Характеристики мікроконтролера AT90S8515:

- AVR® - висока продуктивність і RІSC архітектура з низьким енергоспоживанням;

- 118 потужних інструкцій - більшість з них виконуються за один такт;

- 8 Кбайт Flash- пам'яті з підтримкою внутрішньо системного програмування;

- 512 байт EEPROM (100 000 циклів запису/ стирання);

- 512 байт внутрішньої SRAM пам’яті;

- 32 х 8 робочих регістрів загального призначення;

- 32 програмувальні шини І/O;

- програмувальний послідовний UART порт - асинхронний послідовний приймач та передавач;

- SPІ послідовний інтерфейс;

- напруга живлення: від 2.7 В до 6.0 В;

- цілком статичний режим роботи;

- один 8-ми розрядний таймер/лічильник з окремим попереднім подільником частоти;

- один 16-ти розрядний таймер/ лічильник з окремим попереднім подільником частоти з режимами порівняння, захоплення;

- зовнішні і внутрішні джерела переривання;

- програмувальний таймер, що стежить, з вбудованим тактовим генератором;

- вбудований аналоговий компаратор;

- режими зниженого енергоспоживання - Спокою (Іdle), Відключення (Power Down);

- програмне блокування для безпеки програмного забезпечення.

Рисунок 8 – Розташування виводів AT90S8515

AT90S8515 має: 8 Кбайт Flash - пам'яті з підтримкою внутрішньо системного програмування, 512 байт EEPROM, 512 байт SRAM, 32 ліній І/O загального призначення, 32 робочих регістра загального призначення, універсальні таймери/ лічильники з режимами порівняння, внутрішні і зовнішні переривання, програмувальний UART послідовного типу, програмувальний таймер, що стежить, з вбудованим тактовим генератором і

програмувальний послідовний порт SPІ, а також, два програмно обираних режими економії енергоспоживання. Режим чекання "Іdle Mode" зупиняє CPU, але дозволяє функціонувати SRAM, таймеру/ лічильникам, SPІ порту і системі переривань. Режим економії енергоспоживання "Power Down" зберігає значення регістрів, але зупиняє тактовий генератор, відключаючи всі інші функції мікроконтролера, аж до наступного зовнішнього переривання, чи до апаратної ініціалізації.

Пристрій виробляється з застосуванням технологи енергонезалежної пам'яті з високою щільністю розміщення, розробленою в корпорації Atmel.

Вбудована Flash - пам'ять з підтримкою внутрішньо системного програмування забезпечує можливість перепрограмування програмного коду в складі системи, за допомогою SPІ послідовного інтерфейсу, чи за допомогою стандартного программатора енергонезалежної пам'яті. Завдяки сполученню удосконаленого 8-ми розрядного RІSC CPU з Flash- пам'яттю з підтримкою внутрішньо системного програмування на одному кристалі вийшов високопродуктивний мікроконтролер AT90S8515, що забезпечує гнучке й економічно високоефективне рішення для багатьох додатків систем керування, що вбудовуються.