دانلود مقاله آی سی های جبران ساز دما

مقدمه:

یکی از کمیتهایی که در صنایع دانستن مقدار آن اهمیت زیادی دارد دما می باشد. به خصوص در کوره ها و جاهایی که امکان دمای بالا وجود دارد داشتن مقدار دقیق دما بسیار حائز اهمیت است. پروژه ای هم که اینجانب به عنوان پروژه پایان دوره تحصیلات کارشناسی خود انتخاب نموده ام نمایش دمای از 0 تا 1500 درجه سانتی گراد می باشد که سنسور دما از نوع ترموکوپل، میکروکنترلر مورد استفاده از خانواد 8051 و نمایش گر هم از نوع LCD می باشد.

امروزه اهمیت استفاده از میکروکنترلر ها بر کسی پوشیده نیست. میکروکنترلر دارای یک CPU به همراه مقدار ثابتی ROM , RAM و پورتهای I/O ، تایمر درون خود می باشد و این امر باعث می شود که میکروکنترلر فضای بسیار کم و قیمتی مناسب و ارزان را دارا می باشد و در کاربردهای نه چندان پیچیده و تک منظوره از آنها استفاده می شود. در حال حاضر تقریباً در تمام وسایلی که روزانه با آنها سروکار داریم. مانند لوازم خانگی، لوازم اداری، لوازم خودرو و … وجود آنها را احساس می کنیم.

در این پروژه هم به عنوان بخش مهم و اصلی سیستم از یک نوع این میکروکنترلرها استفاده کرده ایم. میکروکنترلرها برحسب کارخانه سازنده آنها انواع و مدلهای مختلفی دارند که انواع میکروکنترلرها همراه با کارخانه سازنده آن و زبانهای برنامه نویسی در زیر لیست می شود.

و خانواده MCS51 شامل انواع IC ها به شرح زیر می باشد.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

در پروژه ای که شرح آن می رود از میکروکنترلر 89C51 از خانواده MCS-51Tm استفاده شده است و سخت افزار مدار پایه های آن و قابلیت های موجود در آن در بخش های بعدی پروژه توضیح داده می شود.

امیدوارم دانشجویان و اساتید محترم با ارائه نظرات و پیشنهادات خود یاری گر اینجانب در انجام پروژه های بزرگتر باشند.

با تشکر

فصل اول: مطالب تئوری و توضیح المانهای مدار

بخش اول: آی سی های جبران ساز دما

آدرس های مبدل دما به کمیت الکتریکی

مبدل دما به ولتاژ

ترموکوپل

قوانین ترموکوپل ها

مدار داخلی جبران ساز دما (AD595) , (AD594)

بخش دوم: LCD

مقایسه LCD با LED های هفت قسمتی

شرح پایه های LCD

عملکرد LCD

فرستادن اطلاعات به LCD

نحوه اتصال به LCD به میکروکنترلر

بخش سوم: میکروکنترلر

اجزاء یک سیستم میکروکامپیوتر ها

واحد پردازش مرکزی (cpu)

حافظه RAM و ROM و گذرگاه ها

خانواده MCS – 51Tm

بررسی پایه های 8051

پورت های ورودی و خروجی میکرو

بخش چهارم: مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC 804)

اتصال ADC و سنسورها به 8051

پایه های ADC 804

خروجی های ADC 804

زمین آنالوگ و زمین دیجیتال ADC 804

تست ADC 804

اتصال سنسور حرارت به 8051

مبدل دما به کمیت الکتریکی

عناصر نیمه هادی وابستگی زیادی به حرارت دارند. از این خاصیت جهت ساخت مدارات مجتمع که سنسور دما می باشند استفاده می شود. در این مدارات مجتمع ولتاژ با جریانی متناسب با دمای مطلق (درجه کلوین) ایجاد می شود. وابستگی عناصر نیمه هادی به دما به سه صورت ظاهر می شود.

صورت اول ایجاد زوج الکترون – حفره ناشی از حرارت می باشد الکترونهای باند والانس با گرفتن انرژی حرارتی لازم به باند هدایت می روند. نرخ ایجاد زوج الکترون – حفره در این فرایند به طور نمایی با حرارت افزایش می یابد.

در یک پیوند P–N زوج الکترون – حفره های ایجاد شده در نزدیکی ناحیه تخلیه در جهت میدان الکتریکی پیوند حرکت کرده و باعث ایجاد جریان اشباع معکوس می شوند. پارامترهای بسیاری در وابستگی این جریان به حرارت نقش دارند. ولی بطور ساده می توان دید که بازای C100 افزایش حرارت مقدار جریان حدوداً دو برابر می شود از تغییر جریان اشباع معکوس با دما می توان به عنوان اندازه گیری دما استفاده کرد ولی متأسفانه این پارامتر در دو عنصر مشابه یکسان نبوده و علاوه به این شدت غیر خطی است.

اثر دیگر دما روی پیوند P-N تغییر ولتاژ دو سر پیوند در بایاس مستقیم و در یک جریان ثابت است.

مبدلهای دما به ولتاژ:

شکل شماره 1-1 زیر یک مبدل دما به ولتاژ را نشان می دهد مجموعه ترانزیستورهای Q3 الی Q5 تشکیل منبع جریان را می دهند. سطح مقطع امیترترانزیستور Q5 8 برابر Q3 و Q4 می باشد.

ولتاژ  تقویت شده  می باشد. گین تقویت کننده فوق R3/R2 بوده و لذا ولتاژ خروجی به صورت زیر است که تابعی خطی از دمای مطلق می باشد باید توجه داشت که ساخت چنین مداری بصورت گسسته نیاز به مقاومتهای دقیق با ضریب حرارتی یکسان دارد. مداری که شرح آن رفت. جزو مبدلهای سه پایه می باشد که پایه های آن عبارتند از V+ و زمین و  از نمونه های عملی چنین مبدلی می توان به مدار مجتمع LM35 اشاره کرد.

مبدل دما به ولتاژ با دو پایه:

عملکرد این نوع از مدارات مجتمع مانند یک دیودزنر بوده که ولتاژ شکست آن با دما به طور خطی تغییر می کند مانند شکل زیر نمونه ای از مدار داخلی این نوع مبدل را نشان می دهد در اینجا نیز اساس کار مانند قبل آشکار نمودن اختلاف ولتاژ بیس دو ترانزیستور با جریان متفاوت است. در این شکل 2-1 اگر گین A2 بزرگ باشد، به اجبار ولتاژ کلکتورهای Q1 و Q2 نیز مساوی خواهد بود. این مطلب بخاطر وجود فیدبک منفی شدید می باشد. فرض کنید که بنا به دلیلی ولتاژ کلکتور Q1 بالا رود. این حالت باعث می شود تا خروجی تقویت A2 مثبت باشد و جریان Q3 و Q4 افزایش یابد. این افزایش جریان کاهش ولتاژ  را بدنبال داشته و لذا ولتاژ دو سر مقاومت R4 نیز کاهش می یابد این به معنی کم شدن Vbe می باشد که در نتیجه افزایش جریان Q1 و کاهش ولتاژ کلکتور آن را در پی خواهد داشت.

در صورتیکه فاصله منبع حرارت از دستگاه اندازه گیری خیلی زیاد باشد همچنین می توان ICAD590 که یک منبع جریان وابسته به حرارت، حساسیت  استفاده نمود.

ترموکوپل:

در سال 1821 توماس سی بک موفق به کشف ولتاژ ترموالکتریک (یک ولتاژ سی بک) گردید که امروزه به عنوان یکی از ابزار مهم در اندازه گیری حرارت بحساب می آید.

اگر در فلز مختلف A و B که در یک نقطه به یکدیگر متصل شوند در محل اتصال آنها یک اختلاف پتانسیل الکتریکی که به آن پتانسیل تماس، ولتاژ ترمو الکتریک یا emf می گویند، بوجود می آید.

میزان پتانسیل تماس بستگی به جنس دو فلز A و B و نیز دمای محل تماس (T) دارد و از نظر ریاضی توسط یک چند جمله ای قابل بیان می باشد.

مقادیر  و  و … بستگی به جنس دو فلز A و B دارند. به عنوان مثال مقادیر فوق برای دو فلز آهن – کنستانتان که در طبقه بندی ترموکوپلها نوع J را تشکیل می دهند بصورت زیر می باشد.

شکل 3-1 چند نمونه منحنی مشخصه ترموکوپلهای صنعتی را نشان می دهد.

همانطور که در شکل پیداست ترموکوپل یک مدار بسته متشکل از محل اتصال با دماهای T1 و T2 می باشد اگر یک ولتمتر با امپدانس ورودی خیلی بالا را در مدار قرار دهیم بطوریکه بتوان از جریان حلقه صرفنظر نمود، در این صورت ولتاژ اندازه گیری شده عبارت خواهد بود از تفاوت پتانسیل تماس در نقاط اتصال.

بنابراین emf اندازه گیری شده بستگی به دماهای T1 و T2 در هر دو محل اتصال دارد. در ادامه بحث T1 دمای مورد اندازه گیری که به آن دمای اتصال گرم (Hot junction) نیز می گویند خواهد بود و همچنین T2 درجه حرارت اتصال مرجع که به آن اتصال سرد (cold junction) یا (Reference junction) نیز می گویند خواهد بود بدیهی است که جهت پی بردن به مقدار دقیق T1 از روی ولتاژ ترموالکتریک اندازه گیری شده مقدار حرارت اتصال مرجع T2 می بایست معلوم باشد در زیر به پنج قانون مربوط به رفتار ترموکوپل را که در اندازه گیری درجه حرارت بسیار مهم می باشند را خلاصه کرده است.

قانون اول: ولت ترموالکتریکی مستقل از دمای سیمهای رابطه بوده و فقط به دمای محل اتصالات بستگی دارد.

این قانون از این نظر مهم است که در نصب ترموکوپل در محیطهای صنعتی، سیم های رابط و نیز اتصال مرجع ممکن است. متأثر از تغییرات شدید دمای محیط خود باشند. مانند Law1 از شکل 4-1.

قانون دوم: در صورتیکه یک فلز سوم C به مدار A یا B اضافه شود. بشرطی که اتصالات جدید دارای دمای یکسانی باشد، emf تغییری نخواهد کرد. این قانون بدین معنی است که مثلاً یک ولتمتر بدون آن که در ولتاژ مدار تأثیر بگذارد می تواند وارد مدار شود. مانند Law2 از شکل 4-1

قانون سوم: اگر فلز سوم، C بین A و B در هر اتصال قرار گیرد در صورتیکه در محل اتصالات AC و CB دارای دمای یکسانی باشند باز هم emf تغییری نمی کند. کاربرد عملی این قانون این است که سیمهای A و B می توانند توسط یک فلز سوم در محل های اتصالات به هم جوش داده شوند. به علاوه می توان ولتمتر را در محل اتصال مرجع در مدار قرار داد. مانند Law3 از شکل 4-1.

قانون چهارم: این قانون به نام قانون فلزات میانی معروف می باشد بر طبق این قانون می توان emf دو فلز، مثلاً مس – آهن (AB) را از emf های مس – کنستانتان (AC) و کنستانتان – آهن (CB) استنتاج نمود. مانند Law4 از شکل 4-1.

قانون پنجم: این قانون به نام قانون دمای میانی معروف است. مطابق این قانون: بطوریکه T3 حرارت میانی می باشد. اگر  باشد. مانند Law5 از شکل 4-1.

در شکل 5-1 اهمیت نصب صحیح ترموکوپلها را نشان می دهد در این حالت هدف اندازه گیری حرارت در داخل یک لوله حاوی بخار با فشار بالا می باشد. حرارت مذکور که حدود C2000 می باشد. توسط ترموکوپل کرومل – آلومل با  اندازه گیری می نماییم. حال به بررسی هر یک از حالتهای a تا d می پردازیم.

(a در حالت a برای اندازه گیری دما در کنار لوله کار بی ارزش و بیهوده ای است چون درجه حرارت اتصال مرجع می تواند دارای تغییرات شدید از یر صفر در هوا خیلی سرد تا احتمال C500+ در صورت نشت بخار باشد.

(b در این حالت قرار دادن ولتمتر در اتاق کنترل توسط سیم های مسی به ترموکوپل متصل شده به همان اندازه حالت (a) بی فایده است و emf اندازه گیری شده خطا و بی مفهوم است.

(c در این حالت ترموکوپل توسط سیم های از جنس خودش و یا احتمالاً سیم های جبرانی به اتاق کنترل برای اندازه گیری رفته است. در این حالت دیگر اتصال مرجع به اتاق کنترل که دارای نوسانات حرارتی خیلی کمتری (حداکثر C100) می باشد، منتقل شده است.

البته این روش هنوز برای یک اندازه گیری دقیق غیر قابل قبول بوده و بهتر است که اتصال مرجع در یک دمای ثابت کنترل شود مثلاً در یک یخچال با دمای صفر درجه قرار داده شود.

(d یک راه حل دیگر جبران کننده تغییرات دمای اتاق کنترل، استفاده از قانون حرارت های میانی می باشد که در این حالت با اضافه کردن یک منبع ولتاژ وابسته که خروجی آن برابر  می باشد، خروجی اندازه گیری شده برابر با  می گردد همانطوریکه دیده می شود منبع ولتاژ وابسته، متناسب با توان اول T2 است. چون دمای T2 پایین می باشد. (حدود C300-20) درجات بالاتر T2 چندان تأثیر در emf تولیدی ندارند. منبع وابسته توسط یک پل انحرافی که یک شاخه آن را یک مقاومت حرارتی از جنس پلاتین تشکیل می دهد، قابل ساخت است. شکل زیر یک مدار عملی جهت جبران حرارت اتصال سرد می باشد.

گرچه جبران حرارتی اتصال سرد توسط مدار شکل بالا و با مدارهای مشابه قابل طراحی است ولی کارخانه Analog Device کلیه مدارات لازم شامل منبع ولتاژ وابسته به دما و تقویت کننده تفاضلی را در داخل یک مدار مجتمع به نام های AD594/AD595 قرار داد، مانند شکل 7-1 زیر ساختمان داخلی این آی سی را نشان می دهد. که AD594 جهت جبران سازی ترموکوپلهای نوع (j) و AD595 برای نوع (K) طراحی و ساخته شده است. ضمن آنکه با اضافه کردن 2 یا 3 مقاومت امکان تنظیم دستی برای انواع دیگر ترموکوپل نیز وجود دارد