У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

Лабораторна робота 1

Работа добавлена на сайт samzan.net: 2015-07-05

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Имя

Выберите тип работы:

Принимаю Политику конфиденциальности

Скидка 25% при заказе до 3.2.2025

PAGE 7

Пристрої зв’язку з об’єктом_2011 Лабораторна робота №1

UЦАП

Пуск

UВХ

КОМП

ЦАП

R T

CT2

I 1

2n-1

tр

UВХ

UЦАП

СТ2

“Пуск”

Uвих

+7В

LM335M

2,2 кОм13

Лабораторна робота № 1

U=UT / kU

АЦП

Атенюатор

Термосерсор

tmin

Umin

Umax

tmax

Dn-1

лабораторна робота № 1

зчитування аналогового сигналу з сенсора температури

Мета: вивчити принципи роботи сенсорів температури, аналогово-цифрового перетворення сигналів, навчитися вимірювати температуру об’єкту за допомогою сенсорів.

Завдання: зібрати вимірювальну систему згідно зі схемою, провести вимірювання температури за допомогою термосенсора в режимах нагрівання та охолодження, визначити статичні та динамічні параметри сенсора.

Обладнання: пристрій (адаптер) аналогово-цифрового перетворення сигналів „LPT_Sensor_10h”, блок живлення, вольтметр, персональний комп’ютер.

Програмне забезпечення: програма „LPT_Sensor_10s”, середовище програмування Delphi.

1. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

У даній лабораторній роботі за допомогою пристрою (адаптеру) „LPT_Sensor_10h” (hardware), що містить аналогово-цифровий перетворювач (АЦП), виконується зчитування аналогової напруги, перетворення її у двійковий код і запис отриманого двійкового коду в комп’ютер через порт принтера. Керування АЦП виконується програмою „LPT_Sensor_10s” (software). Вхідна аналогова напруга формується термосенсором. Тому в теоретичній частині описано основні види сенсорів температури і принципи аналогово-цифрового перетворення сигналів. Будову та принцип дії пристрою „LPT_Sensor_10h” описано в додатку А, а програма „LPT_Sensor_10s” описана в додатку Б.

1.1. Сенсори температури

При вимірюванні температури є два способи взаємодії сенсора з об’єктом [1]:

Тепло від об’єкта передається сенсору через середовище шляхом теплопровідності або конвекції (термометрична взаємодія).
Тепло передається через випромінювання (радіаційна пірометрія).

Розрізняють чотири типи сенсорів температури (табл. 1.1):

термоелементи (термопари);
резистивні детектори температури (РДТ) або терморезистори;
термістори;
напівпровідникові сенсори температури.

Таблиця 1.1

Типи сенсорів температури

Термопари	РДТ	Термістори	Напівпровідникові сенсори
Діапазон температур від -184˚С до 2300˚С	Діапазон: -200˚С ... 850˚С	Діапазон: -50˚С ... 300˚С	Діапазон: -50˚С ... 150˚С
Висока точність і повторюваність	Висока лінійність	Низька лінійність	Лінійність: 1˚С Точність: 1˚С
Необхідність компенсації холодного спаю	Потрібне зовнішнє живлення	Потрібне зовнішнє живлення	Потрібне зовнішнє живлення
Низька вихідна напруга	Низька вартість	Висока чутливість	Вихідний сигнал близько 10 мВ/˚С

Термопара – це два провідника (термоелектрода), виготовлені з різних металів і сплавів, спаяні (зварені) в одній точці. Чутливість термопар до температури заснована на термоелектричному ефекті (ефекті Сібека/ Seebeck), при якому використовується з’єднання двох матеріалів (металів і сплавів, наприклад міді і мідно-нікелевого сплавів, заліза і мідно-нікелевого сплавів чи платини і платинородійного сплавів).

Резистивні детектори температури (терморезистори) використовують зміну опору провідників при зміні температури (при підвищенні температури опір збільшується). Для точного виміру температури в діапазоні від -200°С до +850°С звичайно використовують сенсори температури з нікелю чи платини. Електричний опір металевих провідників змінюється згідно формули:

, (1.1)

де R0 – опір при 0 °С (тобто при 273 °К), R1 – опір при температурі T1,

α – температурний коефіцієнт опору (наприклад, для платини

α=0.004 °C-1).

Термістор – це напівпровідниковий резистивний прилад, опір якого залежить від температури. Опір термістора при збільшенні температури зменшується. Матеріалами для термісторів служать суміші сульфідів і селенідів. Опір термістора нелінійно залежить від температури

, (1.2)

де Т – температура в градусах Кельвіна, β – постійна.

В якості напівпровідникових термосенсорів часто використовують стабілітрони з нормованим температурним коефіцієнтом напруги [2]. До таких сенсорів відноситься температурний чутливий елемент LM335M, а схема його ввімкнення відповідає типовій схемі ввімкнення стабілітрона (рис. 1.1). Напруга живлення на термосенсор подається через резистор. Температурний коефіцієнт напруги сенсора або коефіцієнт перетворення [3, C.95-96] kT =10 мВ/ºК, тобто зміна температури сенсора на 1ºК приводить до зміни напруги на 10 мВ. Допустимий температурний діапазон від -40ºС до 100ºС. При цьому нульова вихідна напруга відповідає температурі абсолютного нуля 0ºК (-273ºС), а температурі 100ºС (373ºК) відповідає напруга 3,73 В. Тобто напруга на термосенсорі:

, (1.3)

де Т – абсолютна температура, К. Дана формула описує функцію перетворення сенсора, тобто залежність між вихідною Y та вхідною X величинами: Y = F(X).

Рис. 1.1. Схема ввімкнення температурного чутливого елементу LM335M

1.2. Аналогово-цифрове перетворення

Для комп’ютерної обробки дискретні аналогові значення вимірювального сигналу необхідно представити у цифровій формі (у вигляді n-бітного цифрового вихідного сигналу), тобто виконати аналого-цифрове перетворення. Відповідний пристрій являється аналого-цифровим перетворювачем (АЦП, Analog-Digital Converter – ADC). В АЦП застосовуються такі методи перетворення [4, с.179-190]:

Послідовної лічби (з використанням ЦАП або з двотактним інтегруванням).
Порозрядного кодування (послідовного двійкового наближення).
Паралельної дії.
Паралельно-послідовні (комбіновані).

В багатьох АЦП використовуються ЦАП, тому розглянемо коротко їх принцип роботи. Ідеальний цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП, Digital-analog Converter – DAC) виробляє вихідний аналоговий сигнал, що лінійно залежить від n-бітного цифрового вхідного сигналу. ЦАП призначені для перетворення цифрової інформації в аналогову форму у вигляді напруги (іноді струму). Використовуються у складі АЦП та для керування виконавчими пристроями (принтери, монітори, електричні двигуни та ін.).

Цифро-аналогове перетворення полягає в перетворенні вхідного n-розрядного коду N у пропорційні йому рівні напруг U(N):

U(N) = k · N = k (Dn-12n-1 + .. Dі 2і .. + .. D121 + D020), (1.4)

де k – коефіцієнт пропорційності,

Dn-1, Dі, D1, D0 – розряди (біти) n-розрядного коду N,

2і – вага і-го розряду .

Використовують ЦАП із додаванням струмів і напруг, але частіше – з додаванням струмів.

1.2.1. Аналого-цифрові перетворювачі послідовної лічби

Метод послідовної лічби заснований на урівноваженні вхідної напруги UВХ вихідною напругою з ЦАП (рис. 1.2 а). На початку АЦ-перетворення сигналом "Пуск" RS-тригер перемикається в стан "1" і дозволяє проходження імпульсів від генератора G через елемент AND на вхід двійкового лічильника СТ2. Наростаючий цифровий код Dn-1, ..., D0 з виходу лічильника СТ2 перетворюється за допомогою ЦАП в напругу, яка подається на вхід компаратора КОМП. На другий вхід КОМП поступає вимірювана напруга UВХ. У момент рівності напруг UВХ=UЦАП компаратор виробляє сигнал скидання тригера. Після цього рахунок імпульсів припиняється і на виході лічильника СТ2 фіксується цифровий еквівалент вхідної напруги. Час перетворення tр залежить від значення напруги UВХ (рис. 1.2 б).

а) б)

Рис. 1.2. Аналого-цифровий перетворювач послідовної лічби з ЦАП:

а – схема; б – часові діаграми роботи

Важливим параметром АЦП є опорна напруга U0. Якщо вхідна аналогова напруга UВХ вимірюється відносно 0 В, то в цьому випадку опорна напруга U0 – це максимальне допустиме значення UВХ. Якщо UВХ=U0, то всі біти вихідного коду АЦП рівні 1.

1.2.2. Параметри АЦП

До основних параметрів АЦП належать:

кількість розрядів n вихідного коду;
діапазон і полярність вхідної напруги UВХ, значення опорної напруги U0;
роздільна здатність hU = U0/ (2n -1) – мінімальний квант вхідної напруги, за якої вихідний код змінюються на одиницю молодшого розряду;
абсолютна похибка ΔU = h/2 – найбільше відхилення вихідного коду від розрахункового в кінцевій точці шкали;
час перетворення tр – інтервал від моменту початку перетворення до появи на виході сталого коду; часто замість tр швидкодія АЦП характеризується частотою дискретизації fd = 1/ tp.

2. Порядок виконання лабораторної роботи

Завдання для всіх варіантів V 1...V 99

Під’єднати пристрій "LPT_Sensor_10h" (див. додаток А) до комп’ютера за допомогою стандартного кабелю принтера, ввімкнути живлення плати (напруга 4.5 В, полярність „+”). Запустити керуючу програму „LPT_Sensor_10s” (див. додаток Б) на виконання.
Тумблером S2 на платі пристрою встановити значення „Т”, тобто в такому режимі сигнал на АЦП подається з термосенсора.
Отримати два значення напруги з термосенсора командою „Зчитати_U” при розміщенні сенсора на пристрої в початковому положенні. Для кожного виміру в звіт записати отримані значення UBit, Ud та U, які відповідають напрузі на вході АЦП. При цьому, оскільки резистивний дільник (атенюатор) зменшує напругу з термосенсора в kU разів (kU=2.18 для пристрою „LPT_Sensor_10h_1” і kU=2.11 для пристрою „LPT_Sensor_10h_2”), тому напруга на виході термосенсора UT = U ∙ kU (рис. 2.1). На основі формули (1.3) абсолютна температура сенсора T=UT / kT. Для двох зчитаних значень напруги розрахувати абсолютну температуру T сенсора та температуру TС в градусах Цельсія.

Рис. 2.1. Звязок напруги UT на виході термосерсора та напруги U на вході АЦП

Виміряти температуру сенсора у часі t при короткочасному нагріванні. Зчитування сигналу почати командою „Пуск”. Після цього через 1 с тумблером S1 ввімкнути нагрівач сенсора два рази: на 1 с та на час секундах, рівний молодшій цифрі числа V, інтервал між нагріванням вибрати рівним 1 с. Виміри проводити при частоті дискретизації fd = (20 + V2) Гц, де V2 – старша цифра варіанту V, кількість точок QI =501. Для встановлення частоти дискретизації вибрати відповідний час дискретизації (Time_Discret). Отриману екранну форму з графіком напруги на вході АЦП UN(t) вставити у звіт, залежність UN(t) зберегти у файлі. На основі значень UN(t) обчислити QI значень напруги UNT(t) на виході термосенсора. Враховуючи зв’язок напруги на сенсорі та його температури, розрахувати на основі UNТ(t) залежність температури у градусах Цельсія від часу TСN(t). Залежності UNT(t), TCN(t) зобразити у вигляді графіків та вставити у звіт. Зобразити у вигляді графіку такий фрагмент UNT(t), для якого діапазон зміни напруги не перевищував би 0.01 В. До звіту додати у вигляді таблиці перші 10 значень сигналів: i (номер точки), ti, UN(ti), UNT(ti), TN(ti), TCN(ti).
Виміряти температуру сенсора у часі t при тривалолому нагріванні. Тумблером S1 ввімкнути нагрівач сенсора через 3 с після команди „Пуск” на час tN секундах, рівний номеру варіанта V при V<30 (якщо 30<V<60, то tN = V-30; якщо 60<V<90, то tN =V-60; якщо 90>V, то tN = V-90). Виміри проводити при частоті дискретизації fd = 2 Гц (кількість точок QI =201) для непарних варіантів та fd = 4 Гц (QI =401) для парних варіантів. Отриману екранну форму з графіком напруги на вході АЦП US(t) вставити у звіт, залежність US(t) зберегти у файлі. На основі значень US(t) обчислити QI значень напруги UST(t) на виході термосенсора. Враховуючи зв’язок напруги на сенсорі та його температури, розрахувати на основі USТ(t) залежність температури у градусах Цельсія від часу TСS(t). Залежності UST(t), TCS(t) зобразити у вигляді графіка та вставити у звіт. До звіту додати у вигляді таблиці перші 10 значень сигналів: i (номер точки), ti, UN(ti), UNT(ti), TN(ti), TCN(ti).
Визначити параметри АЦП: роздільну здатність hU, абсолютну похибку ΔU. Пояснити графік UN(t), отриманий у п.4, враховуючи розраховане значення hU.
Визначити наступні статичні характеристики пристрою: роздільну здатність за температурою hT=hU·T/U, абсолютну похибку за температурою ΔT=ΔU·T/U. В якості U і T вибрати максимальне значення U, отримане в п.3, та відповідне розраховане значення T.

Визначити наступні динамічні характеристики термосенсора (для першого нагрівання на основі залежності UN(t), отриманої в п.4) (рис. 3.2).

1) час tmax, через який U перший раз досягає максимального значення Umax після початку нагрівання;

2) час tmin, через який U після першого максимуму досягає

мінімального значення Umin.

Виконати програмне моделювання сигналів (встановити перемикач „Модель”), на формі „АЦП_Моделювання” перемикачем S2 вибрати режим „Т” (термосенсор). Встановити середнє значення вхідної напруги US=(0.5 + 0.01·V) В, амплітуду випадкової складової напруги URndS=0.1 В, час дискретизації – 50 мс. Зчитати два графіки залежностей U10(t) та U100(t), для 10 та 100 точок відповідно. Графіки додати до звіту, для кожного графіку вказати значення US, URndS, розрахувати середні значення UC10 і UC100, середні квадратичні відхилення US10 і US100. Пояснити отримані значення.
Оформити звіт. Вивчити роботу пристрою АЦ-перетворення на рівні електричної схеми (крім блоків генератора та атенюатора) та роботу керуючої програми на рівні програмного коду.

Примітка. Всі виміри за допомогою пристрою та програми виконати під час першого заняття, розрахунки і оформлення звіту виконати до другого заняття.

Необхідні розрахунки та побудову графіків виконати, наприклад, засобами MS Excel.

Без доступу до пристрою „LPT_Sensor_10h” виміри можна виконати самостійно в режимі моделювання (Simulation).

Файли з залежностями U(t) зберігати в окремій папці, назви файлів повинні бути змістовними: вказувати на прізвище студента, № варіанту, номер завдання.

Після завершення вимірювань нагрівач термосенсора обов’язково вимкнути.

3. Приклад виконання роботи

Пристрій "LPT_Sensor_10h" під’єднуємо до комп’ютера за допомогою стандартного кабелю принтера, вмикаємо живлення плати (напруга 4,5 В, полярність «+»). Запускаємо керуючу програму „LPT_Sensor_10s” на виконання.
Тумблером S2 на платі пристрою встановлюємо значення режиму „Т”, в якому сигнал на АЦП подається з термосенсора.
Зчитуємо два значення напруги з термосенсора командою „Зчитати_U” при розміщенні сенсора на пристрої в початковому положенні. Для кожного виміру в звіт записуємо отримані значення UBit, Ud та U (рис. 3.1):

UBit = 1001 0010 1011, Ud = 2347, U=1.4328 В.

Оскільки резистивний дільник зменшує напругу з термосенсора в kU=2.18 разів (для пристрою „LPT_Sensor_10h_1”), тому дійсна напруга на виході термосенсора

UT = U ∙ kU = 1.4328 ∙ 2.18 = 3.1235 В.

На основі формули (1.3) абсолютна температура сенсора

T=UT / kT = 3.1235 В / 0.01 В/ºК = 312.35 ºК.

У градусах Цельсія

TС= T – 273 = 312.35 ºК – 273 =39.35ºС.

Рис. 3.1. Фрагмент форми програми при зчитуванні значень напруги з термосенсора

Вимірюємо з допомогою сенсора температуру нагрівача у часі t. Тумблером S1 вмикаємо нагрівач сенсора два рази: на 1 с та 1 с, інтервал між нагріванням вибираємо рівним 1 с. Виміри проводимо при частоті дискретизації fd = 50 Гц, відповідно час дискретизації Time_Discret=20 мс. Кількість точок QI =401, тобто номер виміру i=1,... ,QI. Отриману екранну форму з графіком напруги на вході АЦП UN(t) вставляємо у звіт (рис. 3.2), залежність UN(t) зберігаємо у файлі. На основі значень UN(t) обчислюємо QI=401 значень дійсної напруги UNT(t) на виході термосенсора (рис. 3.3). Враховуючи зв’язок напруги на сенсорі та його температури, розраховуємо на основі UNТ(t) залежність TСN(t) температури у градусах Цельсія від часу (рис. 3.4). Приклад розрахунку для перших 10 вимірів показано в таблиці 3.1.

Рис.1. Нагрів термосерсора

Рис. 3.2. Залежність напругина вході АЦП від часу UN(t) при короткочасному нагріванні термосерсора

Рис. 3.3. Залежність напруги на виході термосенсора від часу UNТ(t) при короткочасному нагріванні термосерсора

Рис. 3.4. Залежність температури термосенсора від часу ТСN(t) при короткочасному нагріванні термосерсора

Таблиця 3.1

Розрахунок значень температури при короткочасному нагріванні

i	t, с	UN, В	UNT, В	TN, К	TCN, °С
1	0.00	1.3742	2.9958	299.576	26.576
2	0.02	1.3742	2.9958	299.576	26.576
3	0.04	1.3742	2.9958	299.576	26.576
4	0.06	1.3742	2.9958	299.576	26.576
5	0.08	1.3742	2.9958	299.576	26.576
6	0.10	1.3742	2.9958	299.576	26.576
7	0.12	1.3742	2.9958	299.576	26.576
8	0.14	1.3742	2.9958	299.576	26.576
9	0.16	1.3742	2.9958	299.576	26.576
10	0.18	1.3736	2.9944	299.445	26.445

Виміряємо за допомогою сенсора температуру нагрівача у часі t при тривалолому нагріванні. Тумблером S1 вмикаємо нагрівач сенсора через 3 с після команди „Пуск” на час tN=35 с. Виміри проводимо при частоті дискретизації fd = 2 Гц (кількість точок QI =201). Отриману екранну форму з графіком напруги на вході АЦП US(t) вставляємо у звіт (рис. 3.5), залежність US(t) зберігаємо у файлі. (Наступний порядок дій аналогічний до п.4).
Визначаємо основні параметри АЦП (див. п. 1.2.2).

Рис. 3.5. Залежність напругина вході АЦП від часу UN(t) при тривалому нагріванні термосерсора

Визначаємо статичні характеристики пристрою на основі параметрів АЦП (розрахунки провести самостійно; спочатку записати формулу, потім підставити в неї числові значення величин, виконати обчислення і записати результат).
Визначаємо динамічні характеристики термосенсора на основі залежності UN(t) (рис. 3.2) графічно, а також на основі числових значень UN(t) (записати отримані значення tmax, tmin).
Для програмного моделювання сигналів встановлюємо перемикач „Simulation/ Модель”, на формі „ADC_Simulation/ АЦП_Моделювання” перемикачем S2 вибираємо режим „Т” (термосенсор). Встановлюємо згідно варіанту середнє значення вхідної напруги US=0.4 В, амплітуду випадкової складової напруги URndS=0,1 В, час дискретизації – 50 мс. Зчитуємо командою „Пуск” два графіки залежностей: U10(t) та U100(t), для 10 та 100 точок відповідно (рис. 3.6).

а)

б)

Рис. 3.6. Фрагменти форми програми з графіками, отриманими в режимі моделювання: а) U10(t) ; б) U100(t)

Отримані графіки записуємо у файли, відкриваємо їх в MS Excel і обчислюємо:

1) середні значення UC10 = 0.39700 В; UC100=0.39726 В;

2) середні квадратичні відхилення US10 =0.02685 В; US100.= 0.02789 В.

Контрольні запитання

Описати основні типи сенсорів температури.
Як залежить напруга на температурному чутливому елементі LM335M від температури?
Описати основні параметри АЦП.
Як залежить точність АЦП від розрядності?
Пояснити принцип роботи пристрою „LPT_Sensor_10h” на основі його схеми електричної функціональної.
Пояснити принцип роботи пристрою „LPT_Sensor_10h” на основі його схеми електричної принципової.
Які біти LPT-порта використовуються для зв’язку з пристроєм „LPT_Sensor_10h”?
Чим відрізняються АЦП з послідовним перетворенням від АЦП з послідовним виводом?
Яким чином встановити в програмі „LPT_Sensor_10s” частоту дискретизації 2 Гц?
Як в програмі „LPT_Sensor_10s” цифровий код напруги Ud отримується з масиву бітів UBit?
Яким чином в програмі „LPT_Sensor_10s” цифровий код напруги Ud перетворюється у значення зчитаної напруги U?
Як в пристрої „LPT_Sensor_10h” відбувається перемикання режимів „термосенсор” / „генератор”?
Як залежить напруга на виході термосенсора LM335M від температури?
Як залежить похибка АЦ-перетворення сигналу від його амплітуди?

список використаних джерел

Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение / Г. Виглеб. – М.: Мир, 1989. – 196 с.
Гелль П. Как превратить компьютер в измерительный комплекс / П. Гелль. – М.: ДМК, 1999. – 144 с.
Поліщук Є.С. Засоби та методи вимірювань неелектричних величин. Підручник для вищих навч. закл. / Є.С. Поліщук, М.М. Дорожовець, Б.І. Стадник. – Л.: Бескид Біт, 2008. – 615 с.
Бабич М.П. Комп’ютерна схемотехніка : Навчальний посібник / М.П. Бабич, І.А. Жуков. – К.: МК-Пресс, 2004. – 412 с.

1. тема сословных судов 7 ноября 1775 г
2. Сосновка поступившее из прокуратуры Московской области
3. Метафоры интернета
4. Прямые иностранные инвестиции в экономику стран Центрально-Восточной Европы в 2000-2006 гг
5. Жанр виртуальной конференции
6. 14 Уголовное право
7. Монополия- сущность и виды Антимонопольное регулирование
8. РЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата економічних наук Київ ~
9. Религиозный фактор в национал-патриотическом движении.html
10. Арабский Халифат

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе