Ψηφιακού Θερμομέτρου

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών Κατασκευή Ψηφιακού Θερμομέτρου

2 Εισαγωγή Αντικείμενο της εργασίας, είναι η κατασκευή ενός θερμομέτρου. Η χρήση του προορίζεται για τη μέτρηση θερμοκρασίας χώρων, αντικειμένων και υγρών. Φυσικά, με τις ανάγκες - συνήθειες της εποχής, δημιουργούνται κάποιες απαιτήσεις: Η ψηφιακή λύση, όπως και η απεικόνιση του μετρούμενου μεγέθους σε μια ευανάγνωστη οθόνη είναι μονόδρομος. Επίσης, πρέπει να ληφθεί υπόψη και η φορητότητα της συσκευής, όσον αφορά την τροφοδοσία της, αλλά και το μέγεθός της. Έτσι χρησιμοποιήθηκε το ολοκληρωμένο ICL7136 της Intersil, το οποίο συμπεριλαμβάνει όλα τα απαραίτητα κυκλώματα για τη λειτουργία του θερμομέτρου. Η χρήση του μειώνει δραστικά το μέγεθος και αυξάνει την αξιοπιστία της συσκευής, χωρίς παρόλα αυτά να χάνεται η απαιτούμενη ακρίβεια. Φυσικά τα κυκλώματα που εμπεριέχονται στο ICL7136 χρειάζονται κάποια ρύθμιση μέσω εξωτερικών αντιστάσεων. Έτσι το ICL7136 δεν αποτελεί κάποια έτοιμη λύση, αλλά απλά μειώνει τον αριθμό των ολοκληρωμένων που θα έχουμε στην πλακέτα ράστερ μας, όπως και την οπτική πολυπλοκότητα του όλου κυκλώματος (βελτίωση αξιοπιστίας). Η ένδειξη του οργάνου φαίνεται σε μια οθόνη LCD 3 ½ ψηφίων, προκειμένου να διευκολύνεται η ανάγνωσή της, ακόμα και από σχετικά μεγάλη απόσταση, αλλά και να έχουμε καλύτερο αισθητικό αποτέλεσμα (σε σχέση με τη χρήση μερικών LED - 7 segment). Η τροφοδοσία της συσκευής γίνεται με δύο 9V μπαταρίες, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η φορητότητα της συσκευής, αλλά και η σταθερότητα της τάσης τροφοδοσίας. Η μπαταρία έχει αρκετά μεγάλη διάρκεια ζωής λόγω της μικρής κατανάλωσης του ολοκληρωμένου ICL7136. Μπορεί βέβαια κάλλιστα να χρησιμοποιηθεί και το τροφοδοτικό των 15V dc του πάγκου του εργαστηρίου. Ο αισθητήρας είναι ένα απλό τρανζίστορ, με μικρό κόστος. Η τοποθέτησή του δε γίνεται δίπλα στα υπόλοιπα στοιχεία του κυκλώματος, αλλά σε κάποια απόσταση από αυτά, έτσι ώστε η μετρούμενη θερμοκρασία να μην επηρεάζει τη λειτουργία του κυκλώματος και την αξιοπιστία της ένδειξης, αλλά και για να είναι δυνατή η βύθιση του αισθητήρα μέσα σε υγρό. 1

3 Συμπερασματικά, θα μπορούσαμε να απαριθμήσουμε τα εξής χαρακτηριστικά του θερμομέτρου: Απλή κατασκευή Σχετικά μικρό κόστος Μικρό μέγεθος βάρος Μεγάλη ακρίβεια και αξιοπιστία Φορητότητα λόγω των μπαταριών Μεγάλη διάρκεια των μπαταριών Απλό και φτηνό σένσορα θερμοκρασίας. Άλλα χαρακτηριστικά: Περιοχή μετρήσεως: -25 ο έως +150 o (εξαρτάται απ το τρανζίστορ και τον τρόπο ρύθμισης του κυκλώματος) Ακρίβεια ένδειξης: +/- 0,1 ο (ένα δεκαδικό ψηφίο στην LCD) Ονομαστική τάση λειτουργίας: 9V dc Ρεύμα λειτουργίας: 2,27mA Ακολουθεί μια πιο λεπτομερής ανάλυση των στοιχείων του κυκλώματος. 2

4 Στοιχεία του κυκλώματος Το κύκλωμα που αναπτύχθηκε περιέχει τα παρακάτω στοιχεία: ICL7136 Intersil (ολοκληρωμένο κύκλωμα) Lcd 3 ½ digits (οθόνη υγρών κρυστάλλων) BC337 (τρανζίστορ - αισθητήρας) 78L09 regulator (σταθεροποιητής τάσης 9V) Αντιστάσεις: (ανοχής 1%) o 1 ΜΩ o 470 kω o 390 kω o 200 kω o 22 kω Πυκνωτές: o 47 pf o 100 nf o 10 nf o 47 nf o 0.47 μf Trimmer: (ροοστάτες ακριβείας) o 100 kω o 200 kω Ένα κομμάτι καλωδίου utp (~ 40 cm ή και μικρότερο) Ένα κουμπάκι on-off 2 μπαταρίες των 9 V (εκτός εάν προτιμηθεί τροφοδοτικό) 2 κλιψάκια για τις παραπάνω μπαταρίες Αρκετά μακρύ καλώδιο για ράστερ (εάν η ανάπτυξη δε γίνει σε πλακέτα) 3

5 Παρουσίαση εξαρτημάτων Πιο ειδικά, εξηγείται η χρήση κάθε εξαρτήματος παρακάτω: ICL7136 Intersil (ολοκληρωμένο κύκλωμα) Το ICL7136 είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα με 40 ποδαράκια, το οποίο περιέχει όλα τα κατάλληλα υποκυκλώματα έτσι ώστε η θερμοκρασία μετά από κατάλληλες διεργασίες να απεικονιστεί σε μια οθόνη σαν αριθμητικό μέγεθος. Σχεδιάστηκε εξαρχής έτσι ώστε να συνεργάζεται με lcd οθόνη 3 ½ ψηφίων. Έτσι, το ολοκληρωμένο κύκλωμα περιέχει τα εξής υποκυκλώματα : o A/D μετατροπέας (Analog to Digital Converter - ADC). o Reference Voltage o Clock o BCD to 7-segment κωδικοποιητές o Κύκλωμα οδήγησης της LCD οθόνης 3 ½ ψηφίων. O Α/D converter είναι αυτό το εξάρτημα που μετατρέπει το αναλογικό σήμα του αισθητήρα (θερμοκρασία) σε ψηφιακό, ώστε να είναι δυνατή η επεξεργασία του και η τελική απεικόνισή του. Ο ADC έχει δυνατότητα ένδειξης της πολικότητας (θετική - αρνητική) της αναλογικής εισόδου του. Το εύρος τάσης που μπορεί να μετρηθεί είναι ±200mV ή ±2V (με πολύ μικρό σφάλμα). Τα κυριότερα χαρακτηριστικά πλεονεκτήματά του είναι: o Δραστική μείωση του μεγέθους και της πολυπλοκότητας της τελικής συσκευής o Χαμηλή κατανάλωση (μικρότερη από 1mW) o Υψηλή απόδοση o Μία μόνο τροφοδοσία για όλα τα υποκυκλώματα o Πολύ καλή συμπεριφορά στο θόρυβο o Εύκολη διασύνδεσή της με LCD οθόνη o Δε χρειάζεται εξωτερικό κύκλωμα δειγματοληψίας και συγκράτησης (sample and hold) Τεχνικά χαρακτηριστικά του είναι: o Μέγιστη τάση τροφοδοσίας V+ to V- 15 V o Αναλογική τάση εισόδου V+ to VReference o Είσοδος TEST to V+ o Θερμοκρασία λειτουργίας 0 C to 70 C 4

6 LCD 3 ½ ψηφίων Δίπλα απεικονίζεται μία οθόνη υγρών κρυστάλλων 3 ½ ψηφίων. Αυτό σημαίνει ότι η οθόνη έχει τη δυνατότητα απεικόνισης 4 ψηφίων, αλλά το πρώτο (ΠΣΨ πλέον σημαντικό ψηφίο) ψηφίο μπορεί να πάρει σαν μέγιστη τιμή το 1. Δεν είναι δυνατό να λειτουργεί συνεχώς με συνεχές ρεύμα. Παρόλα αυτά όταν εφαρμόσουμε μία τάση περίπου 5 V dc ανάμεσα στο κοινό άκρο της οθόνης (backplane - common) και ενός τμήματός της (terminal), το τμήμα αυτό θα πάρει προσωρινά μαύρο χρώμα Κανονικά, χρησιμοποιώντας 5 V παροχή, θα πρέπει να τοποθετήσουμε μια αντίσταση 10kΩ σε σειρά, ώστε να αποφευχθεί η ροή μεγάλου ρεύματος, με κίνδυνο καταστροφής της οθόνης. Τυπικά χαρακτηριστικά μιας τέτοιας οθόνης: o Ύψος χαρακτήρα απεικόνισης: 12.7 mm o Μέγιστη εφαρμόσιμη τάση: 10 V o Θερμοκρασία λειτουργίας: -10 to 55 C Trimmer Αυτά είναι ποτενσιόμετρα ακριβείας, που χρησιμεύουν να ρυθμίσουμε κάποιες τάσεις αναφοράς, μεταβάλλοντας κάποιες αντιστάσεις. Η μεταβολή των αντιστάσεων γίνεται με το βοήθεια βίδας κατσαβιδιού, δίνοντάς μας έτσι τη δυνατότητα ακριβούς ρύθμισης. Χρησιμεύουν στη ρύθμιση του οργάνου (calibration) όπως θα δούμε παρακάτω. Αντιστάσεις Οι αντιστάσεις που χρησιμοποιούνται έχουν ανοχή 1% Η ακρίβεια της τιμής της αντίστασης δεν παίζει και πάρα πολύ μεγάλο ρόλο στη λειτουργία του κυκλώματος. Επειδή όμως πρόκειται για θερμόμετρο, είναι πιθανό η τιμή της αντίστασης να μεταβάλλεται λόγω της μετρούμενης θερμοκρασίας, με αποτέλεσμα την εισαγωγή σφάλματος στη μέτρηση. 5

7 Multilayer ceramic capacitor (κεραμικός πυκνωτής) Αυτού του είδους οι πυκνωτές χρησιμεύουν για τη δίοδο υψηλής συχνότητας ρεύματος, γιατί έχουν καλή συμπεριφορά στις υψηλές συχνότητες. Film capacitor Αυτοί οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της τάσης εισόδου, και την τάση αναφοράς στο ICL7136. Επειδή επιδρούν στην ακρίβεια του μετρούμενου μεγέθους, είναι προτιμότερο να χρησιμοποιηθούν πυκνωτές που δεν επηρεάζονται πολύ απ τις μεταβολές της θερμοκρασίας. Ceramic capacitor Αυτοί οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται στο ρολόι του ICL7136. Για να πετύχουμε ταλάντωση περίπου 50 khz θα πρέπει ο πυκνωτής να έχει καλή χαρακτηριστική στις υψηλές συχνότητες. Περιστραμμένο καλώδιο Το θερμόμετρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση αρκετά ακραίων θερμοκρασιών. Έτσι, η τιμή της μετρούμενης θερμοκρασίας μπορεί να είναι απαγορευτική για τη λειτουργία των εξαρτημάτων του κυκλώματος. Οι συνέπειες μπορεί να κυμαίνονται από εισαγωγή θορύβου ή σφάλματος στη μέτρηση μέχρι και καταστροφή κάποιου εξαρτήματος. Έτσι είναι σημαντικό ο αισθητήρας να βρίσκεται σε κάποια απόσταση από το υπόλοιπο κύκλωμα. Και για να μειωθεί η επίδραση του θορύβου, ο αισθητήρας ενώνεται με το κύκλωμα μέσω ειδικού καλωδίου με ειδική θωράκιση (περιστραμμένα καλώδια, εξωτερικό πλέγμα) Επίσης, το γεγονός ότι ο αισθητήρας προσκολλάται στο κύκλωμα με κάποιο καλώδιο, κάνει δυνατή τη μέτρηση θερμοκρασίας υγρών. 6

8 Τρανζίστορ BC337 Το ευαίσθητο αυτό στη θερμοκρασία τρανζίστορ (όπως όλα τα τρανζίστορ) χρησιμεύει σαν αισθητήρας θερμοκρασίας. Στο κύκλωμα χρησιμοποιείται συνδεσμολογημένο σαν κοινή δίοδος, δηλαδή με βραχυκυκλωμένη τη βάση με το συλλέκτη, (και έτσι συμπεριφέρεται σαν δίοδος). Προτιμάμε τη χρήση ενός τρανζίστορ και όχι απλής διόδου, γιατί οι επαφές του τρανζίστορ είναι πολύ πιο αξιόπιστες και ακριβείς από τις κοινές διόδους. Regulator 78L09 Στον A/D μετατροπέα είναι πολύ σημαντικό για την ακρίβεια του οργάνου και την αξιοπιστία της ένδειξης να έχουμε όσο κατά το δυνατόν πιο σταθερή τάση αναφοράς. Αυτό επιτυγχάνεται με το σταθεροποιητής τάσης 78L09, που δίνει ~9V έξοδο. Αυτή η έξοδος χρησιμοποιείται και για την τάση αναφοράς και για την τροφοδοσία του κυκλώματος. Έτσι όπως απεικονίζεται στο παραπάνω σχήμα έχουμε: o Το αριστερό πόδι είναι η έξοδος o Το μεσαίο το Ground GND o Το δεξί η είσοδος Η χρήση του επιβάλλεται, καθώς η τάση μιας 9V μπαταρίας δεν είναι σταθερή. Προκυμένου να έχουμε την επιθυμητή έξοδο, το regulator χρειάζεται μια είσοδο 11,5 24 V. Έτσι προκειμένου να αποφευχθούν οι ογκώδεις 12V μπαταρίες (οι μικρές 9V μπαταρίες έχουν πολύ μικρή αυτονομία), χρησιμοποιούμε δύο 9V μπαταρίες σε σειρά. Έτσι τα ~18V (μεταβαλλόμενη τάση) στη είσοδο του regulator πέφτουν στα 9V (σταθερή τάση). 7

9 Χαρακτηριστικά αισθητήρα Όπως αναφέρθηκε, σαν αισθητήρα χρησιμοποιούμε ένα τρανζίστορ συνδεσμολογημένο σαν δίοδος. Τα άκρα αυτής της αισθητήριας διόδου είναι η βάση (άνοδος διόδου) και ο εκπομπός (κάθοδος) του τρανζίστορ. Χαρακτηριστικό αυτού του ημιαγωγικού αισθητήρα είναι η γρήγορη απόκριση. Ένα τρανζίστορ με αυτή τη συνδεσμολογία έχει θερμοκρασιακό συντελεστή (temperature coefficient) περίπου -2mV/oC. Μιας και η τάση είναι το πιο συχνά μετρούμενο μέγεθος στις συσκευές μετρήσεων, η αισθητήρια δίοδος μετασχηματίζει τη θερμοκρασία σε τάση. Έτσι, στο θερμόμετρο αυτό που πραγματικά μετράται είναι μία τάση, ή ακριβέστερα η διαφορά δυναμικού ανάμεσα σε δύο σημεία. Μετά από την κατάλληλη ρύθμιση του θερμομέτρου, η συσκευή θα μετατρέπει τη μετρούμενη διαφορά δυναμικού (με μεταβαλλόμενη αναλογική τιμή) σε μια ακριβή ψηφιακή ένδειξη. Έτσι η τάση της διόδου αλλάζει σύμφωνα με το συντελεστή -2mV/oC όταν αλλάζει η θερμοκρασία. Επειδή ο συντελεστής είναι αρνητικός, όταν η θερμοκρασία αυξάνεται η τάση της διόδου μειώνεται. Γενικά (μπορεί να διαφέρει στην πράξη) η ορθή τάση της διόδου που αντιστοιχεί στους 20 C είναι περίπου 600 mv. Αυτή η τάση γίνεται περίπου 400 mv (600mV-(2mV/ C x 100 C)) όταν η θερμοκρασία αυξάνει κατά 100 C και γίνεται 120 C. Τότε το θερμόμετρο απεικονίζει αυτή την αλλαγή της τάσης σαν θερμοκρασιακή τιμή. Η πτώση της τάσης σύμφωνα με το θερμοκρασιακό συντελεστή της διόδου είναι σχεδόν γραμμική. Έτσι έχουμε την ίδια αύξηση της τάσης όταν η θερμοκρασία πέφτει από τους 88 ο C στους 87 ο C, όπως και όταν πέφτει από τους 23 ο C στους 22 ο C. Πιο εξειδικευμένοι αισθητήρες έχουν και πιο γραμμική χαρακτιριστική. Με βάση αυτά που μόλις περιγράψαμε, όταν μεταφράζουμε την τάση στα άκρα της διόδου σε αριθμητική ένδειξη στην οθόνη, το κύκλωμα είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί σαν θερμόμετρο. Το ICL7136 έχει τους ακροδέκτες (ποδαράκια) εισόδου High και Low. Επίσης, έχει το κοινό άκρο - γείωση (Common). Το ποδαράκι COM είναι η ηλεκτρική γείωση που επιτυγχάνεται στο εσωτερικό του ολοκληρωμένου, και είναι διαφορετικό από το αρνητικό άκρο ( - ) της πηγής τροφοδοσίας. Όσον αφορά τη μέτρηση της τάσης εισόδου, μετριέται η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα ποδαράκια IN HI και IN LO. Στην περίπτωση του διπλανού σχήματος, η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα HI και LO γίνεται VH-VL. 8

10 Αυτή η διαφορά δυναμικού γίνεται μεγάλη όταν η τάση στα άκρα της αισθητήριας διόδου μικραίνει υπό την επίδραση της αυξανόμενης μετρούμενης θερμοκρασίας. Έτσι, η αριθμητική ένδειξη μεγαλώνει. Ένα τρανζίστορ με τη συνδεσμολογία που εφαρμόζουμε έχει πιο γραμμική χαρακτηριστική από μια δίοδο. Η τιμές θερμοκρασίας που μπορεί να μετρήσει το θερμόμετρο, ειδικά απ τη στιγμή που ο αισθητήρας είναι σχετικά απομακρυσμένος από το υπόλοιπο κύκλωμα, εξαρτώναται από τις θερμοκρασίες που αντέχει ο αισθητήρας. Το BC337 αντέχει θερμοκρασίες περίπου -55 ο C έως 150 ο C. Τα θερμοκρασιακά όρια εξαρτώνται από το είδος της διόδου, αλλά σαν γενικά όρια μπορούμε να πούμε ότι έχουμε περίπου -25 ο C έως 150 ο C. Γενικά μία δίοδος ή ένα τρανζίστορ εσωκλύεται σε μία γυάλινη ή πλαστική συσκευασία, Έτσι, ακόμα και αν η μετρούμενη θερμοκρασία μεταβάλλεται, η τάση στα άκρα της διόδου δεν έχει πολύ γρήγορη απόκριση μεταβολή. Το παραπάνω γράφημα απεικονίζει τις ενδείξεις του ψηφιακού θερμομέτρου και ενός θερμομέτρου με υδράργυρο για διάφορες θερμοκρασίες. Γενικά, η τάση της διόδου μεταβάλλετα κατά - 2mV/ C, αλλά, ανάλογα και με την εκάστοτε δίοδο, η αλλαγή της τάσης δεν είναι στην πραγματικότητα γραμμική. Συγκρίνοντας τις ένδειξεις των δύο θερμομέτρων, του ψηφιακού και του υδραργύρου (αφού γίνει η απαραίτητη ρύθμιση του ψηφικού θερμομέτρου), βλέπουμε ότι η ένδειξη του ψηφιακού είναι ελαφρώς χαμηλότερη. Η διαφορά δε φαίνεται να είναι μεγάλη, και το μεγαλύτερο σφάλμα που παρατηρείται είναι 1.5 C απόκλιση από την πραγματική τιμή στο διάστημα μεταξύ 30 C και 80 C. 9

11 Συνδεσμολογία κυκλώματος Παρακάτω φαίνεται η συνδεσμολογία του προς δημιουργία κυκλώματος. Value depends on clock frequency Πρέπει όμως να σημειωθεί ότι: o το τρανζίστορ BC337 μπαίνει στη θέση του εικονιζόμενου τρανζίστορ, και ότι o το τρανζίστορ συνδέεται στο υπόλοιπο κύκλωμα μέσω ειδικού καλωδίου για προστασία από το θόρυβο. o σαν 9V μπαταρία θα χρησιμοποιήσουμε την έξοδο του regulator 78L09. (υπάρχει περιγραφή για τα ποδαράκια του regulator παραπάνω) Σαν είσοδος στο regulator έχουμε δύο 9V μπαταρίες σε σειρά, δηλαδή περίπου 18V. o Επειδή δεν υπάρχει πυκνωτής 50 pf χρησιμοποιούμε έναν 47 pf o 100 nf = 0.1 μf και 10 nf = 0.01 μf o οι τιμές των στοιχείων με το σύμβολο εξαρτώνται από την επιθυμητή συχνότητα του ρολογιού, επιλέξαμε όμως τις τιμές 200 kω και 47 nf. Η συνδεση του ICL7136 με την lcd οθόνη είναι σχετικά εύκολη υπόθεση, λόγω της φιλοσοφίας σχεδιασμού του ολοκληρωμένου. 10

12 Τα σχήματα που παρατίθενται είναι ενδεικτικά της σύνδεσης του ολοκληρωμένου με την οθόνη. Πρέπει να τονίσουμε ότι οι οθόνες δεν έχουν κάποιο σημαδάκι όπως τα ολοκληρωμένα κυκλώματα για να αντιληφθεί κανείς την αρίθμηση για τα ποδαράκια. Έτσι, αν η ένδειξη της οθόνης είναι απροσδιόριστη, απλά την αποσυνδέουμε και την επανασυνδέουμε ανάποδα. 11

13 Ακολουθεί ένας αναλυτικο πίνακας που εξηγεί τη χρησιμότητα για το κάθε ποδαράκι του ολοκληρωμένου ICL7136, ώστε να γίνει και καλύτερα κατανοητή η συνδεσμολογία της προηγούμενης σελίδας που θα εφαρμόσουμε. 12

14 Λειτουργία του κυκλώματος Παρατηρώντας την συνδεσμολογία που θα ακολουθήσουμε, και που παρουσιάστηκε προηγουμένως, συμπεραίνουμε ότι το θερμόμετρό μας είναι στην ουσία το κύκλωμα ενός βολτομέτρου, με τη διαφορά στην είσοδο αντί για τάση έχουμε ένα θερμοευαίσθητο τρανζίστορ. Τα ποδαράκια του ολοκληρωμένου, όπως υποδηλώνει και το όνομά τους, χρησιμεύουν για τη σύνδεση των στοιχείων ταλάντωσης (η αντίσταση των 200kΩ και ο πυκνωτής των 47pF) στον εσωτερικό χρονιστή. Ανάλογα με την τιμή αυτών των στοιχείων ρυθμίζουμε τη συχνότητα του εσωτερικού ταλαντωτή. Επιλέγουμε να προκαλέσουμε ταλάντωση περίπου 48kHz, ώστε να έχουμε 3 μετρήσεις το δευτερόλεπτο. Έτσι είμαστε σίγουροι ότι η ένδειξη του θερμομέτρου ανανεώνεται πολύ συχνά, παρακολουθώντας αμέσως τη μεταβολή της μετρούμενης θερμοκρασίας. Για 200 kω και 47 pf η συχνότητα του ταλαντωτή είναι: f osc = = 48kHz 3 12 R C Η περίοδος του ταλαντωτή είναι: t osc = R C 0.45 = msec Για την πραγματοποίηση μιας μέτρησης απαιτούνται 4000 παλμοί ρολογιού. Επειδή η συχνότητα του ταλαντωτή είναι τετραπλάσια από τη συχνότητα του ρολογιού χρειάζονται παλμοί του ταλαντωτή για μία μέτρηση. Άρα η διάρκεια του κύκλου μετατροπής στο A/D είναι: t t 0.33sec (ενδεικτικό της διάρκειας της μέτρησης) CYC = osc Άρα θα έχουμε 1/0.33 =3 αναγνώσεις το δευτερόλεπτο. Ο πυκνωτής των 0,1μF, με τα άκρα του στα ποδαράκια 33 και 34, είναι ο πυκνωτής που χρησιμεύει για την τάση αναφοράς, δηλαδή φορτίζεται σε μια σταθερή τάση, η οποία θα αποτελέσει την τάση αναφοράς του κυκλώματος. Έτσι, για όσο το δυνατόν ακριβέστερη ένδειξη (χωρίς σφάλματα), η τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή δε θα πρέπει να αποκλίνει από την παραπάνω τιμή. 13

15 Τα ποτενσιόμετρα των 100kΩ και 200kΩ, όπως και οι αντιστάσεις των 1ΜΩ και 470kΩ (βλ. ποδαράκια 32, 35, 36, 31) χρησιμεύουν στη ρύθμιση των τάσεων αναφοράς, αλλά και στη όρια της μέτρησης (min - max). Ειδικότερα, στο σχήμα που δόσαμε για τη συνδεσμολογία του κυκλώματος, το ποτενσιόμετρο των 200kΩ σημειώνεται ως zero adjust, ενώ το ποτενσιόμετρο των 100kΩ ως scale factor adjust. Ειδικότερα για το scale factor adjust: Η αναλογική είσοδος που απαιτείται ώστε να έχουμε full scale έξοδο (2000 μετρήσεις) είναι: VlN = 2 VREF. Έτσι, για την κλίμακα των 200mV και των 2V scale, η τάση αναφοράς VREF πρέπει να είναι ίση με 100mV και 1V, αντιστοίχως. Παρόλα αυτά, σε πολλές εφαρμογές που ο A/D είναι συνδεδεμένος με μια διάταξη μετατροπής (transducer), υπάρχει κάποιο scale factor διαφορετικό της μονάδας ανάμεσα στην τάση εισόδου και την ψηφιακή ένδειξη. Για παράδειγμα, σε μια διάταξη μέτρησης βάρους, ο σχεδιαστής ίσως να θέλει να έχει full scale reading όταν η τάση του μετατροπέα είναι 0.662V Αντί να διαιρούμε την είσοδο με τα 200mV, ο σχεδιαστής πρέπει να εφαρμόσει την τάση εισόδου ευθέως και να διαλέξει V REF = 0.341V. Στα ποδαράκια 28, 27 υπάρχουν αντίστοιχα η αντίσταση των 390kΩ και ο πυκνωτής των 47nF. Τα στοιχεία αυτά αποτελούν το δικτύωμα ολοκλήρωσης της τάσης εισόδου, εμποδίζοντας επίσης τη διαίρεση της τάσης εισόδου. Έτσι το κύκλωμα γίνεται πιο αξιόπιστο και γρήγορο, με το μικρότερο δυνατό σφάλμα μέτρησης. Η τάση εισόδου από το αισθητήριο τρανζίστορ (συνδεσμολογημένο σαν κοινή δίοδος) εφαρμόζεται στο ολοκληρωμένο στα ποδαράκια 30 (IN LOW) και 32 (COMMON) (δηλαδή ουσιαστικά η τάση εφρμόζεται στο in low). Ο πυκνωτής των 0.47μF στο ποδαράκι 29 χρησιμεύει για τον αυτομηδενισμό του οργάνου. Αλλαγή στην τιμή της χωρητικότητάς του συνεπάγεται και αλλαγή στην κλίμακα μέτρησης του οργάνου, με αποτέλεσμα να διαφοροποιούνται τα όρια και ο αυτομηδενισμός να γίνεται δύσκολα. Τελικά, V Display Reading = 1000 V IN REF 14

16 Ρύθμιση του οργάνου Αρχικά, μόλις τελειώσει η συναρμολόγηση του κυκλώματος και τεθεί σε λειτουργία, η ένδειξη του θερμομέτρου θα είναι τελείως αναξιόπιστη, μιας και δεν έχει γίνει η κατάλληλη ρύθμιση (calibration). Για του λόγου το αληθές, βυθίζουμε τον αισθητήρα σε μια τρύπα ενός μεγάλου πάγου και διαπιστώνουμε ότι η ένδειξη δεν ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα. Η ρύθμιση του θερμομέτρου μπορεί να γίνει εύκολα (και με πολύ καλά αποτελέσματα ακρίβειας) εάν εκμεταλλευτούμε τις ιδιότητες του νερού. Κατά τη ρύθμιση χρησιμοποιούνται τα trimmer και κάποιο κατσαβίδι για μεγαλύτερη ακρίβεια. Για να είναι δυνατή η μέτρησή της θερμοκρασίας πρέπει να υπάρχει μία άλλη θερμοκρασία αναφοράς. Η θερμοκρασία αυτή προσομοιώνεται ηλεκτρονικά, και συνήθως είναι το 0. Η ρύθμιση του θερμομέτρου αποτελείται από 2 στάδια: 1. Τοποθετούμε το αισθητήριο τρανζίστορ μέσα σε πάγο, και ρυθμίζουμε το zeroing ποτενσιόμετρο έτσι ώστε να έχουμε ένδειξη

17 2. Έπειτα το τοποθετούμε σε νερό που βράζει (τοποθετώντας το σε κάποια αδιάβροχη σακούλα) και ρυθμίζουμε το scale-factor ποτενσιόμετρο ώστε να έχουμε ένδειξη Βέβαια η ιδανικότερη ρύθμιση θα γινόταν με τη χρήση ενός άλλου ψηφιακού θερμομέτρου ακριβείας, ώστε να ρυθμίσουμε το ρυθμίσουμε το κύκλωμά μας να έχει την ίδια ένδειξη με αυτό. Επειδή όμως συνήθως κάτι τέτοιο δεν είναι δυνατόν, μπορούμε να ακολουθήσουμε την προηγούμενη μέθοδο, με πολύ καλή ακρίβεια λόγω των ιδιοτήτων του νερού. 16

18 Αποτέλεσμα Κοντινή φωτογραφία του αισθητήριου τρανζίστορ, που είναι απομακρυσμένο απ το υπόλοιπο κύκλωμα. Με αυτόν τον τρόπο η μετρούμενη θερμοκρασία δεν επηρεάζει τη λειτουργία των διάφορων στοιχείων του κυρίως κυκλώματος. Επίσης γίνεται δυνατή και η βύθιση του αισθητήρα μέσα σε υγρό, με σκοπό τη μέτρηση της θερμοκρασίας του (με χρήση κατάλληλου αδιάβροχου μέσου). Μία φωτογραφία της τροφοδοσίας του κυκλώματος. Διακρίνονται οι δύο 9V μπαταρίες, συνδεδεμένες σε σειρά, ώστε να έχουμε ~18V είσοδο στο regulator, που διακρίνεται αμυδρά λίγο πιο κάτω από τα δύο ποτενσιόμετρα, ακριβώς κάτω από την κόκκινη γραμμή του ράστερ. Η έξοδος του regulator είναι στεθερή περίπου 9V, και χρησιμεύει στην τροφοδοσία του κυκλώματος και στη δημιουργία της τάσης αναφοράς. 17

19 Ακολουθούν 2 φωτογραφίες κατά την κανονική λειτουργία του θερμομέτρου, μετά τη ρύθμισή του, σε θερμοκρασία δωματίου. 18

20 19

21 Προτάσεις για βελτιώσεις Η λειτουργία του θερμομέτρου που παρουσιάστηκε παραπάνω θα μπορούσε να βελτιωθεί ή και να εμπλουτιστεί με νέα χαρακτηριστικά, σύμφωνα με τις παρακάτω προτάσεις: Πρώτα απ όλα θα μπορούσε να γίνει μεταφορά του κυκλώματος σε πλακέτα, έτσι ώστε να αποκτήσει μικρότερο μέγεθος, καλύτερη εμφάνιση, και φυσικά μεγαλύτερη αξιοπιστία. Κάτι τέτοιο δεν έγινε λόγω στενότητας χρόνου, παρόλο που αναπτύχθηκε ο σχετικός σκοτεινός θάλαμος για την εμφάνιση πλακετών. Θα μπορούσε να υλοποιηθεί ένα κατάλληλο τροφοδοτικό (σταθεροποιημένο) 9V ώστε η συσκευή να μπορεί να τροφοδοτείται από ένα συνηθισμένο ρευματοδότη όταν χρησιμοποιείται σε κλειστούς χώρους. Μάλιστα θα ήταν δυνατή συνύπαρξη μπαταρίας και τροφοδοτικού με την προσθήκη ενός διακόπτη επιλογής, έτσι ώστε να δίνεται η δυνατότητα στο χρήστη να επιλέγει τον τύπο τροφοδοσίας της συσκευής ανάλογα με τον τόπο χρήσης της συσκευής. Εάν ενδιαφέρει η φορητότητα θα επιλέξει τις μπαταρίες, ενώ αν η χρήση γίνεται σε κλειστό χώρο θα επιλέξει το τροφοδοτικό σε συνδυασμό με το δίκτυο των 220 V. Αντί των μπαταριών των 9V θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μία 12V μπαταρία από κάποιο κατάστημα ηλεκτρονικών, σε περίπτωση που το σχετικά μεγάλο μέγεθος και κόστος της δεν αποτελεί πρόβλημα. Το κυριότερο ίσως χαρακτηριστικό του θερμομέτρου είναι ο αισθητήρας του. Έτσι μία από τις σημαντικότερες αναβαθμίσεις της συσκευής θα ήταν η αλλαγή του αισθητήριου τρανζίστορ με κάποιον εξειδικευμένο αισθητήρα θερμοκρασίας, με πιο γραμμική χαρακτηριστική, όπως για παράδειγμα οι πολύ διαδεδομένοι LM335 ή LM35 (ο τελευταίος με τη συνοδεία τρανζίστορ) της National. (10mV/ ο C ) Ο λόγος που χρησιμοποιήθηκε το τρανζίστορ και όχι ο LM335 ήταν απλά και μόνο η επιλογή χρήσης πιο απλών στοιχείων. Η ρύθμιση που παρουσιάστηκε παραπάνω, με βάση τις ιδιότητες του νερού, παρόλο που είναι πολύ απλή και οδηγεί σε καλά αποτελέσματα, είναι αρκετά υποκειμενική (εξαρτάται από την υποκειμενικότητα του χρήστη, ενώ και οι ιδιότητες του νερού επηρεάζονται από το υψόμετρο και την ατμοσφαιρική πίεση), και δεν εξασφαλίζει απόλυτα αλάνθαστες μετρήσεις. Επιπρόσθετα, η ρύθμιση των trimmer με αυτή τη μέθοδο οδηγεί στο να έχουμε full scale μέτρηση για τους 100 ο C, περιορίζοντας έτσι το εύρος των μετρούμενων θερμοκρασιών (αν λάβουμε υπόψην το αρκετά μεγαλύτερο ύρος θερμοκρασιακής αντοχής του αισθητήρα, που δίνεται στη σελίδα 2). Έτσι θα ήταν αποτελεσματικότερη η ρύθμιση του κυκλώματός μας με τη χρήση ενός ψηφιακού θερμομέτρου μεγάλης ακριβείας, ώστε να έχουμε και πιο αλάνθαστες μετρήσεις και το μεγαλύτερο δυνατό εύρος θερμοκρασίας στις μετρήσεις μας. 20