Розробка вимірювача температури тіла

Спектр використання температурних  датчиків надзвичайно широкий: від  зарядних пристроїв до дорогих портативних  приладів. Всюди, де характеристики системи  залежать від температурних чинників, застосовуються ці прилади.

Всі термодатчики, за винятком зібраних на ІС, мають нелінійну залежність вихідною сигналу від температури. В минулому для корегування цієї нелінійності був розроблений широкий спектр аналогових схемотехнічних рішень. Ці схеми часто вимагали індивідуальною калібрування. Щоб досягнути заданої точності, в них використовувалися прецизійні резистори. Сьогодні, завдяки наявності АЦП з високою роздільною здатністю, сигнали з датчиків можуть бути оцифровані безпосередньо, без попереднього посилення і лінеаризації. Лінеаризація, компенсація напруги на опорному спаї і інша обробка виконуються потім цифровими способами, що дозволяє понизити складність і вартість системи.

Сучасні напівпровідникові  датчики температури дають високу точність і високу лінійність в робочому діапазоні від -55°С до +150°С. Вбудовані підсилювачі можуть масштабувати вихідні сигнали датчика, приводячи їх до зручних величин, як, наприклад, 10 мВ/°С. Датчики також досить корисні в ланцюгах компенсації температури холодного спаю для широкодіапазонних термопар.

Датчики температури з  цифровим виходом мають ряд перЗмн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

11

еваг над датчиками  з аналоговим виходом, особливо у  випадку дистанційних застосувань. До того ж, для забезпечення гальванічної розв’язки (ізоляції) між дистанційним датчиком і вимірювальною системою можна використовувати елементи опторазв’язки. Наприклад, функцію пристрою з цифровим виходом виконує датчик температури з напругою на виході, за яким слідує конвертор напруга-частота, хоча існують інші типи мікросхем, що є ефективнішими і дають додаткові переваги в роботі [5].

На рис. 1.3 зображено цифровий датчик температури DS18b20.

 

Рисунок 1.3 – Температурний датчик DS18b20

 

1.2 Цифрові вимірювачі  температури

Загальні особливості  побудови цифрових вимірювачів температури (ЦВТ) зв`язані з низьким рівнем сигналів первинних вимірювальних  перетворювачів, високим рівнем завад  нормального та спільного видів (як правило, співвимірним з корисним сигналом), необхідністю лінеаризації загальної функції перетворення, забезпеченням високої часової стабільності та малих змін їх показів у широкому діапазоні зміни температури довкілля. Спеціальні вимоги випливають з особливостей використання первинних вимірювальних перетворювачів: необхідність компенсації впливу зміни температури вільних кінців термоелектричних перетворювачів, суттєве зменшення похибок від перегріву терморезистивних перетворювачів вимірювальним струмом, забезпечення інваріантності результату вимірювання до значення вимірювального струму, а також опорів з`єднувальних ліній. Для врахування вказаних особливостей ЦВТ виконуються з автоматичною корекцією адитивної складової похибки в цифровій частині приладу ата цифровою лінеаризацією загальної функції перетворення. Значного послаблення завад досягають використанням методу АЦП з ваговим двотактним інтегруванням та гальванічним розділенням аналогової та цифрової частини приладів[3].

В ЦВТ з термоелектричними  перетворювачами (рисунок Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

12

1.4) використовуються аналогова схема компенсації впливу зміни температури вільних кінців, а корекція адитивної похибки здійснюється за методом комутаційного інвертування.

Рисунок 1.4 – Структурна схема ЦВТ з термоелектричними перетворювачами.

Аналогова частина ЦВТ  містить перемикач полярності П, масштабний підсилювач МП, перетворювач напруги в інтервал часу ПНЧ, блок опорної напруги Е₀ та блок керування аналоговою частиною БКА. Ця частина екранована та гальванічно розділена з його цифровою частиною за допомогою блока гальванічного розділення БГР. Цифровачастина складається з блоку керування БК, боку корекції адитивної похибки БКА, блоку цифрової лінеаризації БЦЛ та блоку відображення інформації БВІ.

Код результату вимірювання  і пропорційний йому показ отримується за два цикли перетворення при протилежних полярностях вхідної напруги , яка інвертується перемикачем полярності П,

                        

,                                          (1.1)

 

де Т - тривалість часу інтегрування вхідної напруги; - опорна частота;

- коефіцієнт передачі масштабного підсилювача МП; Е₀ – опорна напруга АЦП; - коефіцієнт перетворення блока цифрової лінеаризації. Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

13

 

Оскільки скореговане за методом  комутаційного інвертування значення адитивної похибки є нехтовно малим (менше ±0,5 мкВ і не перевищує половини одиниці молодшого розряду), то стабільність таких ЦВТ визначається тільки стабільністю їх масштабних елементів. Для сучасної елементної бази нормований час безперервної роботи приладів без підстроювання становить 5000 год (1 календарний рік) у важких промислових умовах.

          Рисунок 1.5 – Структурна схема ЦВТ з терморезистивними перетворювачами

ЦВТ з терморезистивними  перетворювачами відрізняються  тільки наявністю деяких блоків в  аналоговій частині (рисунок 1.5). В аналоговій частині є такі відсінні блоки: перетворювач напруга-струм ПНС, перетворювач струм-напруга ПСН, суматор СМ, масштабний резистор . Терморезистивні перетворювачі можуть під`єднуватись до ЦВТ як чотирипровідною лінією до струмових С1, С2 та потенціальних П1, П2 входів (ключ S - в положенні 1), так і трипровідною (ключ S – в положенні 2). Корекція адитивной похибки здійснюється за методом модуляції вимірювального струму, значення яких встановлюється перетворювачем напруга-струм ПНС.

За умови  код результату вимірювання для чотирипровідної лінії зв`язку визначатиметься як

                           

,                        (1.2)

де  - опір терморезистивного перетворювача при 0 ; - коефіцієнт пертворення напуги на струм; - відношеЗмн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

14

ння опорів терморезистивного  перетворювача.

Для трипровідної лінії зв`язку код  результату вимірювання знаходиться як

,                       (1.3)

де  , - опори першого та другого струмових дротів; - коефіцієнт передачі суматора за середнім входом.

При виконанні коефіцієнта  передачі підстроюваним, трудомістка операція підгонки різниці опорів ( , де - опір резистора підгонки) замінюється набагато простішою операцією підстроювання . Це забезпечує інваріантність результату вимірювання до опорів три провідної лінії зв`язку.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Технічне завдання на курсове проектуванняЗмн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

15

 

 

1. Призначення та мета створення пристрою

• Призначений для застосування у побуті та системах лікарського контролю;
• Мета створення : розробка приладу для вимірювання температури тіла;
• Кінцевий результат : схема електрична-принципова.

2. Вимоги до структури та функцій об’єкту розробки в цілому

• Функції приладу:

• Зняття сигналу ;
• Підсилення знятого сигналу і перетворення в цифровий;
• Вивід значення температури на дисплей;

3. Технічні параметри об’єкту розробки :

• На вхід пристрою подається інформація знята з тіла людини ;
• На виході схеми відображається значення температури ;
• Діапазон вимірювання температури -50...+100°С
• Похибка вимірювань 0,1...0,2 °С;

4. Вимоги до методів і засобів захисту від зовнішніх впливів :

• Прилад захищений  від зовнішніх впливів корпусом;

5. Вимоги щодо експлуатації та обслуговування :

• Призначений для систематичної роботи ;
• Пристрій призначений для роботи в приміщенні;
• Допустимі впливи температури -10С…+40С ;
• Відносна вологість не вище 80 %.

6. При експлуатації приладу дотримуватись загальних правил безпеки .

 

3. Техніко-економічне обгрунтування доцільності розробки

 Як було сказано вище, сигнал потрібно певним чином зняти, подати його на мікропроцесор, обробити та вивести результат. Тому згідно поставленого завдання розробимо можливі варіанти структурної схеми даного пристрою:

1 варіант:

Структурна схема, яка містить Д, АЦП, П, ПВ.

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

16

 

 

Рисунок 3.1 – Структурна схема мікропроцесорної системи з АЦП.

Недоліком даної структурної  схеми є невеликий діапазон вимірювання. Даний пристрій має економічну базу елементів і невеликий розмір.

2 варіант:

Рисунок 3.2- Структурна схема системи з вбудованим АЦП в МК

1. Д– датчик, які буде перетворювати не електричну величину – в електричну .
2. П- підсилювач.
3. МК з АЦП – мікроконтролер та генератора тактових імпульсів, який входить до складу мікроконтролера разом з аналоговим цифровим перетворювачем.
4. Пристрій відображення.

В даній схемі мікроконтролер є дуже затратним елементом, так як поєднує в собі 2 елементи.

3 варіант:

Рисунок 3.3 – Структурна схема мікропроцесорної системи.

 

Структурна схема складається з наступних блоків:

1. Д – датчика, який буде перетворювати не електричну величину – в електричну.
2. П – підсилювач сигналу.
3. МК– мікроконтролер.
4. АЦП- аналого-цифровий перетворювач сигналу.
5. Пристрій відображення.

Недоліками даної структурної  схеми є економічні затрати, збільшення розміру приладу.

  З наведених прикладів структурних схем найбільш мене задовольняє схема №1, тому що на мою думку вона є найбільш раціональним, надійним та економічним рішенням, тому що в кінцевому результаті ми отримаємо пристрій з невеликими економічними  витратами.

Принцип роботи : Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

17

 

Датчики  (Д) підключається  до досліджуваного об’єкта (пацієнта) і, вимірюючи зміну опору терморезистора, видають на виході певне значення напруги. Сигнал через підсилювач йде на аналогово-цифровий перетворювач. АЦП перетворює значеня аналогового сигналу в цифровий сигнал, та видає певний результат на пристрій відображення.

 

4.Розробка принципової  схеми системиЗмн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

18

 

4.1 Принципова  схема мікропроцесорної системи  приведена в додатку 1.

4.2 Обґрунтування  та вибір елементної бази.

Датчик

Чутливим елементом пристрою служить температурний датчик, принцип  дії якого базується на властивостях деяких матеріалів змінювати свій електричний  опір при зміні температури. Датчики  температури можуть бути різними. В  промисловості,наприклад, часто використовують масивні металічні (мідні або платинові) термоперетворювачі. Для побутових приладів найбільш підходять напівпровідникові малогабаритні терморезистори ММТ, КМТ, СТ1, СТ3, ТР-1,ТР-2,ТР-4, ММТ-4, які в порівнянні з металічними перетворювачами,значно менш тепло інерційні, вони мають майже в 10 разів більший температурний коефіцієнт опору (ТКО), більший електричний опір,який дозволяє повністю знехтувати опором провідників, які з’єднують датчик з приладом[4].

Розглянемо терморезистори ТР-1,ТР-2,ТР-4:

Терморезистори даної марки призначені для роботи в ланцюгах змінного і постійного струмів частотою до 1кГц для вимірювання та регулювання температури; для температурної компенсації елементів електричного кола.

Термочутливий елемент терморезистора виконаний у вигляді бусини, яка залита в скляний корпус різної конструкції.

Рисунок 4.1- Будова терморезисторів ТР-1,ТР-2,ТР-4

Таблиця 4.1Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис