SAIIV - Sistem de mentinere a temperaturii la anumiti parametri

 

istem de mentinere a temperaturii la anumiti parametri -

PRINCIPIUL  DE FUNCTIONARE

Circuitul din schema actioneaza ca un termostat

Termostatul este un dispozitiv folosit la pastrarea unei temperaturi constante intr-o incinta. Circuitul electronic prezentat mai jos poate fi folosit la comanda unui element de incalzire pentru a mentine temperatura mediului in anumite limite

circuitul este alimentat la o sursa de curent continuu de 5V

ca senzor de temperatura am folosit o dioda cu Si ce are o variatie cu temperatura de 2,2mV/C

Ca element de racire am folosit un ventilator alimentat la 12V prin intermediul unui amplificator operational LM358N inseriat cu un potentiometru pentru limitarea voltajului

Pentru achitionarea de date am folosit integratul MAX232N conectat la portul serial al unui PC

SENZORII DE TEMPERATURA

Senzorii de temperatura sunt utilizati de multi ani in proiectarea de sisteme electronice, in aplicatii precum: oprirea sistemului datorita unor conditii de supraincalzire, pentru calibrare din punct de vedere termic la precizii inalte si pentru afisarea de informatii privind temperatura sistemului. In ultimii ani, necesitatea unor performante ridicate si sisteme din ce in ce mai compacte, a condus la adoptarea pe scara larga a senzorilor de temperatura bazati pe siliciu pentru numeroase aplicatii.

Permanenta crestere a performantelor dispozitivelor digitale, precum CPU si ASIC, a condus la sisteme ce disipa o cantitate mare de caldura. Aceste sisteme au impus noi cerinte de gestionare a temperaturii, ducand la dezvoltarea unei noi generatii de senzori de temperatura de tip circuit integrat, care au menirea de a simplifica proiectarea sistemului si interfatarea cu alte componente. Proiectantilor le este necesara intelegerea diferentelor dintre pricipalele tipuri de senzori de temperatura (CI), pentru a putea selecta optimul in cazul aplicatiei dorite, cu scopul evident de crestere a performantelor sistemului proiectat si reducerea ciclului de dezvoltare

Senzorii de siliciu pentru determinarea temperaturii, se bazeaza pe variatia predictiva a proprietatilor materialelor semiconductoare. Pentru a fi mai exacti, ei lucreaza pe principiul determinarii tensiunii pe o dioda bipolara, creata dintr-un tranzistor PNP sau NPN format pe substratul unui circuit CMOS.

Ecuatia fundamentala a tensiunii pentru o dioda contine doi parametri dependenti de proces: o constanta (h) si curentul de saturatie (IS). Aceasta ultima dependenta poate fi eliminata prin utilizarea a doua surse de curent pentru a compensa variatia curentului de saturatie. Constanta h este aproape 1 si variaza foarte putin pentru un proces dat.

Expresia simplificata a tensiunii pe o jonctiune PN, proportionala cu temperatura este:

DVBE = (K/q) ln (N) x T

unde T este temperatura in grade Kelvin, K este constanta lui Boltzmann, N este raportul sursei de curent, iar q este sarcina unui electron. Aceasta ecuatie arata ca diferenta de tensiune directa este direct proportionala cu temperatura si trei constante. Astfel, reglarea precisa a raportului celor doua nivele de curent - si nu valoarea absoluta a curentului - poate permite masurarea VBE, care este (aproape) independenta de tensiunea directa initiala, marimea fizica a jonctiunii, scurgere, sau alte caracteristici ale jonctiunii.

Principala metoda de clasificare a senzorilor de temperatura din siliciu este in functie de semnalul de iesire. Primii senzori de pe piata bazati pe siliciu au fost de tip iesire analogica. Acum, tendinta in crestere pentru circuitele integrate este aceea de a integra o parte semnificativa de circuite de conditionare de semnal. Astazi, cele mai populare tipuri de senzori termici sunt cele cu iesire tensiune analogica, semnal logic si semnal digital (multi-bit).

DIODA CU SILICIU

Dioda pn este unul din dispozitivele semiconductoare cele mai simple care este mult folosit, datorita functiunilor sale simple. Aceste functiuni sunt in general urmatoarele: (1) sa permita curentului sa se deplaseze in sens direct cu o opozitie mica; (2) sa previna aparitia curentului invers; (3) sa dea o divizare redusa a tensiunii in sens direct; (4) sa asigure un mijloc de protectie termica pentru alte dispozitive.

Polarizarea directa

Cand o dioda este conectata intr-un circuit alimentat de la o sursa, ca in fig. 1, se spune ca aceasta este polarizata in sens direct. In acest caz sursa este aplicata astfel incat borna negativa este conectata la catod, in timp ce borna pozitiva este conectata la anod. Acest tip de conectare determina o deplasare a electronilor in sens direct prin dioda si prin restul circuitului atunci cand tensiunea sursei este mai mare decat bariera de potential a diodei.

Fig.1 Circuit pentru masurarea     Fig. 2 Caracteristici directe pentru diode tensiunii directe si a curentului    cu germaniu si siliciu

prin dioda

Bariera de potential a diodei cu germaniu este putin mai mica de 0,1 V, in timp ce la dioda cu siliciu este mai mare de 0,5 V. Marimea curentului direct ce trece prin ambele tipuri de diode depinde de marimea tensiunii directe aplicate diodei. Se observa in fig. 1 ca se foloseste o rezistenta serie cu dioda. Aceasta formeaza impreuna cu dioda un divizor de tensiune ce limiteaza curentul. Tensiunea directa V_F va creste pana la aproximativ 0,2 V la germaniu si 0,6 V la siliciu, dupa care ramane in jurul acestei valori cand curentul creste. In fig. 2 se prezinta o comparatie intre caracteristicile volt-amperice ale diodelor cu siliciu si cu germaniu. De notat ca pentru dioda cu siliciu caracteristica creste brusc dupa depasirea barierei de potential de circa 0,6 V si ca tensiunea directa creste intr-o oarecare masura.

Polarizarea inversa

Cand o dioda este plasata in circuit ca in fig. 3 (invers fata de fig. 1), aceasta se considera a fi polarizata invers. in mod ideal, nici un curent nu va circula in aceasta conditie de polarizare. In realitate, un curent slab totusi circula, valoarea sa depinzand de temperatura diodei; din acest motiv, curentul respectiv este numit curent invers.

Fig.3 Conectarea diodei pentru

masurarea caracteristicilor

inverse

Pentru diodele cu Si curentul invers este extrem de mic la temperatura camerei, de ordinul a catorva nanoamperi. Pentru Ge, curentul invers al diodei este de cativa microamperi. Daca functionarea montajului din fig. 3 este urmarita foarte atent, se poate observa ca acul ampermetrului se misca foarte putin. Pentru masurarea cu acuratete a curentului invers (de fuga), este necesar un aparat foarte sensibil.

Curentul invers (de fuga) este cauzat de miscarea purtatorilor minoritari ce sunt generati functie de temperatura absoluta. O regula simpla arata ca valoarea curentului invers se dubleaza pentru fiecare 10 C de crestere a temperaturii; evident ca se reduce la jumatate pentru scaderea cu 10 C a temperaturii.

Tensiunea jonctiunii

Tensiunea directa pentru jonctiunea cu siliciu este la temperatura camerei de aproximativ 0,6 V. Daca temperatura creste, aceasta tensiune are tendinta sa scada, prin modificarea mobilitatii purtatorilor. Aceasta proprietate permite utilizarea diodei in multe circuite pentru a obtine o actiune de divizare a tensiunii ce se modifica cu temperatura. In fig. 4 se prezinta o comparatie intre caracteristicile directe ale diodei cu siliciu la doua temperaturi diferite.

Fig. 4 Dependenta de temperatura a

caracteristicilor directe a diodei cu siliciu

INTEGRATUL    MAX232N

Este un integrat care este dedicat conectarii la interfata seriala.

Interfata seriala RS232

Sistemele de calcul pot sa comunice in doua moduri: paralel si serial. In modul paralel, de obicei se utilizeaza[ 8 sau mai multe linii (cabluri). Exemple de utilizare a comunicatiei paralele sunt imprimanta sau hard discul. Comunicatia paralela se utilizeaza doar pentru distante foarte scurte (ca tiva metri). Motivul este de fapt ca pentru cablurile lungi, semnalele sunt atenuate si pot apare distorsiuni. In plus nu este deloc de neglijat costul cablurilor si problemele ce pot apare la conexiuni. Avantajul comunicatiei paralele este viteza mare de transmisie.

Comunicatia seriala este utilizata pentru sisteme aflate la mare distanta intre ele.Comunicatia seriala utilizeaza un numar redus de cabluri. In comunicatia seriala, datele transmise trebuie serializate la transmisie si deserializate la receptie. Pentru aceasta, la transmisie se utilizeaza un registru paralel-serie iar la receptie un registru serie-paralel.

Registrul paralel-serie este utilizat pentru transformarea unei date de 8 biti intr-un sir de biti. Registrul serie-paralel este utilizat pentru transformarea unui sir de 8 biti intr-un octet.

Pentru distante lungi, comunicatia paralela poate utiliza linia telefonica. In acest caz semnalele logice 0 si 1 trebuie transformate in semnale sinusoidale. Aceasta conversie este realizata de un dispozitiv numit modem (MODulator/DEModulator). Pentru distante scurte acesta conversie nu este necesara. De exemplu, tastatura si mouse-ul comunica serial informatia catre unitatea centrala a PC.

Comunicatia seriala utilizeaza doua metode:

- sincrona: se transfera blocuri de octeti (caractere)

- asincrona : se transfera cate un octet

Se pot realiza programe pentru realizarea comunicatiei seriale insa aceste pot fi lungi. Este indicat ca programatorul sa se concentreze asupra problemelor specifice aplicatiei si nu asupra unei probleme extrem de generale precum comunicatia seriala. Aici intervin si aspectele economice legate de productivitatea muncii. Din acest motiv producatorii de circuite au realizat circuite ce rezolva problemele legate de comunicatia seriala. Aceste circuite se numesc UART (Universal Asyncronus Receiver Transmitter).

Prezentare integrat. Legare pini

Alimentarea integratului se face la 5V pe pinu 16

Pinii 7si8 ai integratului sunt legati la pinii 2 respectiv 3 ai portului serial

Pinul 15 este masa

Pinul 6 deasemenea este o masa dar mai este legata aditional un condensator de 22mF

Pinii 1,3 si respectiv 4,5 sunt legati in serie cu cate un condensator de 10mF

Pinul 9 este legat la catodul diodei

Pinul 10 este pentru reset si este alimentat la sursa de tensiune din circuit

si anume 5V

PORTUL SERIAL

Interfata seriala asincroma a fost proiectata ca un port de comunicatie de la sistem la sistem. Asincron se traduce prin faptul ca nu exista nici o sincronizare sau semnal de ceas, astfel incat caracterele pot fi transmise la orice interval de timp.
Fiecare caracter transmis prin intermediul unei conexiuni seriale este incadrat de un semnal standard de inceput si de sfarsit. Un singur bit 0, denumit bit de start, preceda fiecare caracter, informand sistemul receptor ca urmatorii 8 biti constituie un octet de date. Dupa fiecare caracter urmeaza unul sau doi biti de stop, semnaland terminarea caracterului transmis.

La capatul receptor al liniei de comunicatie caracterele sunt recunoscute dupa semnalele de start si de stop, nu dupa momentul in care sosesc. Interfata asincrona, este orientata pe caracter si are o supraincarcare de aproximativ 20% pentru informatiile suplimentare necesare identificarii fiecarui caracter.
Termenul serial se refera la date transmise pe un singur fir, bitii plasandu-se intr-o serie pe masura ce sunt transmisi. Acest tip de comunicatie este folosit de sistemul telefonic, deoarece asigura o linie de date in fiecare directie. Sunt disponibile porturi seriale suplimentare pentru PC de la mai multi producatori. Puteti gasi aceste porturi pe una dintre placile multifunctionale disponibile sau pe o placa avand cel putin un port paralel.

Conectorul de port serial cu 9 pini

Modelul comunicatiei seriale

Un exemplu de sistem care utilizeaza comunicatia seriala este ilustrat in figura.

Componentele unui sistem de comunicatie seriala sunt urmatoarele:

1. ETD - Echipamente terminale de date (calculatoare, terminale de date). Acestea contin si interfetele seriale sau controlerele de comunicatie.

2. ECD - Echipamente pentru comunicatia de date. Aceste echipamente se numesc modemuri si permit calculatorului sa transmita informatii printr-o linie telefonica analogica. Functiile principale realizate de un modem sunt urmatoarele:

Conversia digital/analogica a informatiilor din calculator si conversia analog/digitala a semnalelor de pe linia telefonica analogica.

Modularea/demodularea unui semnal purtator. La transmisie, modemul suprapune (moduleaza) semnalele digitale ale calculatorului pe frecventa purtatoare a liniei telefonice. La receptie, modemul extrage (demoduleaza) informatiile transportate de semnalul purtator si le transfera calculatorului.

3. Linia de comunicatie reprezinta o linie fizica sau o linie telefonica. Linia telefonica poate fi, la randul ei, o linie comutata (conectata la o centrala telefonica) sau o linie inchiriata (dedicata).

4. Circuitul de date cuprinde portiunea dintre doua echipamente terminale de date, deci, modemurile si linia de comunicatie. In cazul unor distante reduse, este posibila comunicatia seriala directa intre doua echipamente terminale de date prin linii fizice, fara utilizarea unor modemuri. In acest caz, circuitul de date este reprezentat de aceste linii.

Legatura de date contine circuitul de date si interfetele seriale ale echipamentelor terminale de date.

Numarul echipamentelor interconectate printr-o legatura seriala poate fi de doua (intr-o legatura punct la punct) sau mai mult de doua (intr-o legatura multi-punct

Parametrii comunicatiei seriale

Viteza de transmisie (numita si debit binar) este masurata in biti/s:

unde T este perioada de timp necesara pentru transmiterea unui bit.

Modemul reprezinta semnalele de date prin diferite stari electrice, in functie de tipul de modulatie pe care il utilizeaza: frecventa, amplitudine, faza. Fiecare stare electrica este mentinuta la iesirea modemului pentru un interval de timp numit interval de modulatie. Viteza de modulatie este inversul intervalului de modulatie, reprezentand numarul schimbarilor pe secunda ale starii electrice a modemului:

Unitatea de masura a vitezei de modulatie este baud, dupa numele inginerului si telegrafistului francez Jean-Maurice Baudot. Relatia dintre viteza de transmisie D si viteza de modulatie Vm este:

unde n este numarul starilor electrice distincte ale modemului. In particular, daca exista doar doua stari electrice distincte ale modemului, viteza de transmisie este egala cu viteza de modulatie. In general insa, exista un numar mai mare de stari electrice ale modemului, astfel incat viteza de transmisie este un multiplu al vitezei de modulatie.

Sistemul ROM BIOS al calculatoarelor IBM PC originale permitea utilizarea a doua porturi seriale, cu numele COM1 si COM2. Ulterior, numarul acestor porturi a fost extins cu inca doua, cu numele COM3 si COM4. Sistemul de operare Windows 3.1 permitea instalarea a pana la noua porturi seriale in calculator, acest numar fiind extins la 128 incepand cu sistemul de operare Windows 95.

Aceste porturi sunt gestionate cu ajutorul driverelor de dispozitiv care le controleaza.Accesul la porturile seriale se poate realiza prin functii BIOS (intreruperea 14h), prin functii ale sistemului de operare, sau direct prin registrele circuitelor UART. Fiecare circuit UART asociat unui port serial dispune de un numar de opt registre de I/E incepand de la adresa de baza a portului serial. ROM BIOS memoreaza adresele de baza ale porturilor seriale COM1..COM4 in 4 cuvinte succesive de 16 biti, incepand cu adresa 0000:0400h pentru portul COM1.

Adresele de baza ale porturilor seriale COM1..COM4 sunt indicate in Tabelul 3.4. In general, adresele porturilor COM1 si COM2 sunt fixe, avand valorile indicate in acest tabel. Adresele porturilor COM3 si COM4 pot fi diferite uneori de cele indicate. In Tabelul 3.4 se indica si nivelele de intrerupere utilizate de porturile seriale COM1..COM4

Semnalele interfetei seriale

Interfata seriala utilizeaza atat semnale pentru transmisia si receptia datelor, cat si semnale pentru controlul fluxului de date intre doua echipamente. In Figura 3.3 se prezinta denumirea semnalelor interfetei seriale conform standardului RS-232C. Legatura ilustrata este cea pentru care a fost conceput initial portul serial, si anume, conectarea unui modem la calculator. Cifrele indica numarul pinilor conectorilor DB-25 utilizati in cazul unei asemenea legaturi prin modemuri, iar cifrele din paranteze reprezinta semnalele conform standardului V.24.

Varianta alternativa de Termostat

 Montajul actioneaza un releu la scaderea temperaturii sub un anumit prag si elibereaza releul atunci cand temperatura din incinta ajunge la pragul stabilit. Variatia temperaturii mediului depinde foarte mult de inertia sistemului de incalzire. Pragul de temperatura poate fi setat din meniul termostatului. Ca senzor de temperatura am folosit o dioda cu Si ce are o variatie cu temperatura de 2,2mV/C. Dioda este conectata intr-o schema de generator de curent constant astfel incat caderea de tensiune pe dioda sa depinde numai de temperatura. Semnalul este apoi amplificat si aplicat microcontrolerului PIC12F675 pe o intrare analogica. Pentru ca amplificatorul operational este alimentat la 5V domeniul de tensiune obtinut la iesirea integratului LM358 este limitat la 1,5V- 3,5V. Elementul de incalzire se comanda prin intermediul unui releu actionat de o iesire a microcontrolerului. Afisarea temperaturii se face pe un afisaj cu 2 digiti, afisaj de tipul celui descris la sectiunea Afisaj serial. Cu ajutorul a 2 taste ( 2 microswitch-uri ) se selecteaza temperatura ce trebuie tinuta constanta in incinta. Din potentiometrul R7 se regleaza tensiunea in punctul "X" la 1,5V. Din potentiometrul R6 se regleaza tensiunea pe pinul 7 al CI LM358 la 1,5V pentru temperatura minima, iar din potentiometru R5 se regleaza tensiunea pe pinul 7 al CI LM358 la 3,5V pentru temperatura maxima. Programul ce va scris in microcontroler va trebui sa tina cont de temperatura minima si maxima ce vor fi afisate. Schema electronica este urmatoarea:

BIBLIOGRAFIE

Internet