بخشی از مقاله
مقدمه:
يكي از كميتهايي كه در صنايع دانستن مقدار آن اهميت زيادي دارد دما مي باشد. به خصوص در كوره ها و جاهايي كه امكان دماي بالا وجود دارد داشتن مقدار دقيق دما بسيار حائز اهميت است. پروژه اي هم كه اينجانب به عنوان پروژه پايان دوره تحصيلات كارشناسي خود انتخاب نموده ام نمايش دماي از 0 تا 1500 درجه سانتي گراد مي باشد كه سنسور دما از نوع ترموكوپل، ميكروكنترلر مورد استفاده از خانواد 8051 و نمايش گر هم از نوع LCD مي باشد.
امروزه اهميت استفاده از ميكروكنترلرها بر كسي پوشيده نيست. ميكروكنترلر داراي يك CPU به همراه مقدار ثابتي ROM , RAM و پورتهاي I/O ، تايمر درون خود مي باشد و اين امر باعث مي شود كه ميكروكنترلر فضاي بسيار كم و قيمتي مناسب و ارزان را دارا مي باشد و در كاربردهاي نه چندان پيچيده و تك منظوره از آنها استفاده مي شود. در حال حاضر تقريباً در تمام وسايلي كه روزانه با آنها سروكار داريم. مانند لوازم خانگي، لوازم اداري، لوازم خودرو و … وجود آنها را احساس مي كنيم.
در اين پروژه هم به عنوان بخش مهم و اصلي سيستم از يك نوع اين ميكروكنترلرها استفاده كرده ايم. ميكروكنترلرها برحسب كارخانه سازنده آنها انواع و مدلهاي مختلفي دارند كه انواع ميكروكنترلرها همراه با كارخانه سازنده آن و زبانهاي برنامه نويسي در زير ليست مي شود.
و خانواده MCS51 شامل انواع IC ها به شرح زير مي باشد.
در پروژه اي كه شرح آن مي رود از ميكروكنترلر 89C51 از خانواده MCS-51Tm استفاده شده است و سخت افزار مدار پايه هاي آن و قابليت هاي موجود در آن در بخش هاي بعدي پروژه توضيح داده مي شود.
اميدوارم دانشجويان و اساتيد محترم با ارائه نظرات و پيشنهادات خود ياري گر اينجانب در انجام پروژه هاي بزرگتر باشند.
با تشكر
فصل اول: مطالب تئوري و توضيح المانهاي مدار
بخش اول: آي سي هاي جبران ساز دما
1- آدرس هاي مبدل دما به كميت الكتريكي
2- مبدل دما به ولتاژ
3- ترموكوپل
4- قوانين ترموكوپل ها
5- مدار داخلي جبران ساز دما (AD595) , (AD594)
بخش دوم: LCD
1- مقايسه LCD با LED هاي هفت قسمتي
2- شرح پايه هاي LCD
3- عملكرد LCD
4- فرستادن اطلاعات به LCD
5- نحوه اتصال به LCD به ميكروكنترلر
بخش سوم: ميكروكنترلر
1- اجزاء يك سيستم ميكروكامپيوترها
2- واحد پردازش مركزي (cpu)
3- حافظه RAM و ROM و گذرگاه ها
4- خانواده MCS – 51Tm
5- بررسي پايه هاي 8051
6- پورت هاي ورودي و خروجي ميكرو
بخش چهارم: مبدل آنالوگ به ديجيتال (ADC 804)
1- اتصال ADC و سنسورها به 8051
2- پايه هاي ADC 804
3- خروجي هاي ADC 804
4- زمين آنالوگ و زمين ديجيتال ADC 804
5- تست ADC 804
6- اتصال سنسور حرارت به 8051
مبدل دما به كميت الكتريكي
عناصر نيمه هادي وابستگي زيادي به حرارت دارند. از اين خاصيت جهت ساخت مدارات مجتمع كه سنسور دما مي باشند استفاده مي شود. در اين مدارات مجتمع ولتاژ با جرياني متناسب با دماي مطلق (درجه كلوين) ايجاد مي شود. وابستگي عناصر نيمه هادي به دما به سه صورت ظاهر مي شود.
1- صورت اول ايجاد زوج الكترون – حفره ناشي از حرارت مي باشد الكترونهاي باند والانس با گرفتن انرژي حرارتي لازم به باند هدايت مي روند. نرخ ايجاد زوج الكترون – حفره در اين فرايند به طور نمايي با حرارت افزايش مي يابد.
2- در يك پيوند P–N زوج الكترون – حفره هاي ايجاد شده در نزديكي ناحيه تخليه در جهت ميدان الكتريكي پيوند حركت كرده و باعث ايجاد جريان اشباع معكوس مي شوند. پارامترهاي بسياري در وابستگي اين جريان به حرارت نقش دارند. ولي بطور ساده مي توان ديد كه بازاي C100 افزايش حرارت مقدار جريان حدوداً دو برابر مي شود از تغيير جريان اشباع معكوس با دما مي توان به عنوان اندازه گيري دما استفاده كرد ولي متأسفانه اين پارامتر در دو عنصر مشابه يكسان نبوده و علاوه به اين شدت غير خطي است.
3- اثر ديگر دما روي پيوند P-N تغيير ولتاژ دو سر پيوند در باياس مستقيم و در يك جريان ثابت است.
مبدلهاي دما به ولتاژ:
شكل شماره 1-1 زير يك مبدل دما به ولتاژ را نشان مي دهد مجموعه ترانزيستورهاي Q3 الي Q5 تشكيل منبع جريان را مي دهند. سطح مقطع اميترترانزيستور Q5 8 برابر Q3 و Q4 مي باشد.
ولتاژ تقويت شده مي باشد. گين تقويت كننده فوق R3/R2 بوده و لذا ولتاژ خروجي به صورت زير است كه تابعي خطي از دماي مطلق مي باشد بايد توجه داشت كه ساخت چنين مداري بصورت گسسته نياز به مقاومتهاي دقيق با ضريب حرارتي يكسان دارد. مداري كه شرح آن رفت. جزو مبدلهاي سه پايه مي باشد كه پايه هاي آن عبارتند از V+ و زمين و از نمونه هاي عملي چنين مبدلي مي توان به مدار مجتمع LM35 اشاره كرد.
مبدل دما به ولتاژ با دو پايه:
عملكرد اين نوع از مدارات مجتمع مانند يك ديودزنر بوده كه ولتاژ شكست آن با دما به طور خطي تغيير مي كند مانند شكل زير نمونه اي از مدار داخلي اين نوع مبدل را نشان مي دهد در اينجا نيز اساس كار مانند قبل آشكار نمودن اختلاف ولتاژ بيس دو ترانزيستور با جريان متفاوت است. در اين شكل 2-1 اگر گين A2 بزرگ باشد، به اجبار ولتاژ كلكتورهاي Q1 و Q2 نيز مساوي خواهد بود. اين مطلب بخاطر وجود فيدبك منفي شديد مي باشد. فرض كنيد كه بنا به دليلي ولتاژ كلكتور Q1 بالا رود. اين حالت باعث مي شود تا خروجي تقويت A2 مثبت باشد و جريان Q3 و Q4 افزايش يابد. اين افزايش جريان كاهش ولتاژ را بدنبال داشته و لذا ولتاژ دو سر مقاومت R4 نيز كاهش مي يابد اين به معني كم شدن Vbe مي باشد كه در نتيجه افزايش جريان Q1 و كاهش ولتاژ كلكتور آن را در پي خواهد داشت.
در صورتيكه فاصله منبع حرارت از دستگاه اندازه گيري خيلي زياد باشد همچنين مي توان ICAD590 كه يك منبع جريان وابسته به حرارت، حساسيت استفاده نمود.
ترموكوپل:
در سال 1821 توماس سي بك موفق به كشف ولتاژ ترموالكتريك (يك ولتاژ سي بك) گرديد كه امروزه به عنوان يكي از ابزار مهم در اندازه گيري حرارت بحساب مي آيد.
اگر در فلز مختلف A و B كه در يك نقطه به يكديگر متصل شوند در محل اتصال آنها يك اختلاف پتانسيل الكتريكي كه به آن پتانسيل تماس، ولتاژ ترمو الكتريك يا emf مي گويند، بوجود مي آيد.
ميزان پتانسيل تماس بستگي به جنس دو فلز A و B و نيز دماي محل تماس (T) دارد و از نظر رياضي توسط يك چند جمله اي قابل بيان مي باشد.
مقادير و و … بستگي به جنس دو فلز A و B دارند. به عنوان مثال مقادير فوق براي دو فلز آهن – كنستانتان كه در طبقه بندي ترموكوپلها نوع J را تشكيل مي دهند بصورت زير مي باشد.
شكل 3-1 چند نمونه منحني مشخصه ترموكوپلهاي صنعتي را نشان مي دهد.
همانطور كه در شكل پيداست ترموكوپل يك مدار بسته متشكل از محل اتصال با دماهاي T1 و T2 مي باشد اگر يك ولتمتر با امپدانس ورودي خيلي بالا را در مدار قرار دهيم بطوريكه بتوان از جريان حلقه صرفنظر نمود، در اين صورت ولتاژ اندازه گيري شده عبارت خواهد بود از تفاوت پتانسيل تماس در نقاط اتصال.
بنابراين emf اندازه گيري شده بستگي به دماهاي T1 و T2 در هر دو محل اتصال دارد. در ادامه بحث T1 دماي مورد اندازه گيري كه به آن دماي اتصال گرم (Hot junction) نيز مي گويند خواهد بود و همچنين T2 درجه حرارت اتصال مرجع كه به آن اتصال سرد (cold junction) يا (Reference junction) نيز مي گويند خواهد بود بديهي است كه جهت پي بردن به مقدار دقيق T1 از روي ولتاژ ترموالكتريك اندازه گيري شده مقدار حرارت اتصال مرجع T2 مي بايست معلوم باشد در زير به پنج قانون مربوط به رفتار ترموكوپل را كه در اندازه گيري درجه حرارت بسيار مهم مي باشند را خلاصه كرده است.
قانون اول: ولت ترموالكتريكي مستقل از دماي سيمهاي رابطه بوده و فقط به دماي محل اتصالات بستگي دارد.
اين قانون از اين نظر مهم است كه در نصب ترموكوپل در محيطهاي صنعتي، سيم هاي رابط و نيز اتصال مرجع ممكن است. متأثر از تغييرات شديد دماي محيط خود باشند. مانند Law1 از شكل 4-1.
قانون دوم: در صورتيكه يك فلز سوم C به مدار A يا B اضافه شود. بشرطي كه اتصالات جديد داراي دماي يكساني باشد، emf تغييري نخواهد كرد. اين قانون بدين معني است كه مثلاً يك ولتمتر بدون آن كه در ولتاژ مدار تأثير بگذارد مي تواند وارد مدار شود. مانند Law2 از شكل 4-1
قانون سوم: اگر فلز سوم، C بين A و B در هر اتصال قرار گيرد در صورتيكه در محل اتصالات AC و CB داراي دماي يكساني باشند باز هم emf تغييري نمي كند. كاربرد عملي اين قانون اين است كه سيمهاي A و B مي توانند توسط يك فلز سوم در محل هاي اتصالات به هم جوش داده شوند. به علاوه مي توان ولتمتر را در محل اتصال مرجع در مدار قرار داد. مانند Law3 از شكل 4-1.
قانون چهارم: اين قانون به نام قانون فلزات مياني معروف مي باشد بر طبق اين قانون مي توان emf دو فلز، مثلاً مس – آهن (AB) را از emf هاي مس – كنستانتان (AC) و كنستانتان – آهن (CB) استنتاج نمود. مانند Law4 از شكل 4-1.
قانون پنجم: اين قانون به نام قانون دماي مياني معروف است. مطابق اين قانون: بطوريكه T3 حرارت مياني مي باشد. اگر باشد. مانند Law5 از شكل 4-1.
در شكل 5-1 اهميت نصب صحيح ترموكوپلها را نشان مي دهد در اين حالت هدف اندازه گيري حرارت در داخل يك لوله حاوي بخار با فشار بالا مي باشد. حرارت مذكور كه حدود C2000 مي باشد. توسط ترموكوپل كرومل – آلومل با اندازه گيري مي نماييم. حال به بررسي هر يك از حالتهاي a تا d مي پردازيم.
(a در حالت a براي اندازه گيري دما در كنار لوله كار بي ارزش و بيهوده اي است چون درجه حرارت اتصال مرجع مي تواند داراي تغييرات شديد از ير صفر در هوا خيلي سرد تا احتمال C500+ در صورت نشت بخار باشد.
(b در اين حالت قرار دادن ولتمتر در اتاق كنترل توسط سيم هاي مسي به ترموكوپل متصل شده به همان اندازه حالت (a) بي فايده است و emf اندازه گيري شده خطا و بي مفهوم است.
(c در اين حالت ترموكوپل توسط سيم هاي از جنس خودش و يا احتمالاً سيم هاي جبراني به اتاق كنترل براي اندازه گيري رفته است. در اين حالت ديگر اتصال مرجع به اتاق كنترل كه داراي نوسانات حرارتي خيلي كمتري (حداكثر C100) مي باشد، منتقل شده است.
البته اين روش هنوز براي يك اندازه گيري دقيق غير قابل قبول بوده و بهتر است كه اتصال مرجع در يك دماي ثابت كنترل شود مثلاً در يك يخچال با دماي صفر درجه قرار داده شود.
(d يك راه حل ديگر جبران كننده تغييرات دماي اتاق كنترل، استفاده از قانون حرارت هاي مياني مي باشد كه در اين حالت با اضافه كردن يك منبع ولتاژ وابسته كه خروجي آن برابر مي باشد، خروجي اندازه گيري شده برابر با مي گردد همانطوريكه ديده مي شود منبع ولتاژ وابسته، متناسب با توان اول T2 است. چون دماي T2 پايين مي باشد. (حدود C300-20) درجات بالاتر T2 چندان تأثير در emf توليدي ندارند. منبع وابسته توسط يك پل انحرافي كه يك شاخه آن را يك مقاومت حرارتي از جنس پلاتين تشكيل مي دهد، قابل ساخت است. شكل زير يك مدار عملي جهت جبران حرارت اتصال سرد مي باشد.
گرچه جبران حرارتي اتصال سرد توسط مدار شكل بالا و با مدارهاي مشابه قابل طراحي است ولي كارخانه Analog Device كليه مدارات لازم شامل منبع ولتاژ وابسته به دما و تقويت كننده تفاضلي را در داخل يك مدار مجتمع به نام هاي AD594/AD595 قرار داد، مانند شكل 7-1 زير ساختمان داخلي اين آي سي را نشان مي دهد. كه AD594 جهت جبران سازي ترموكوپلهاي نوع (j) و AD595 براي نوع (K) طراحي و ساخته شده است. ضمن آنكه با اضافه كردن 2 يا 3 مقاومت امكان تنظيم دستي براي انواع ديگر ترموكوپل نيز وجود دارد.
اين آي سي همچنين يك خروجي اعلام خطر (Alarm) دارد كه در صورت قطع شدن هر يك از سيم هاي ترموكوپل در مسير، فعال مي گردد. خروجي اين آي سي ولتاژ را با حساسيت حدود مي باشد كه چون از معادله ترموكوپل تبعيت مي كند داراي رابطه غير خطي نسبت به T1 بوده كه مي توان با معرفي جدول در حافظه يك سيستم ديجيتال و يا حل معادله چند جمله اي به مقدار T1 دست يافت.
جهت جلوگيري از تركيب ترموكوپل با محيط، معمولاً آنها را در محفظه هايي قرار مي دهند و اين موضوع باعث زياد شدن ثابت زماني آنها مي شود. البته ميزان ثابت زماني به قطر سيم ها و جنس ماده پوشاننده آن دارد. قطر سيم هاي ترموكوپل معمولاً بين 4/0 تا 2 ميلي متر است. در صورتيكه ثابت زماني خيلي مورد نظر است. سيم هايي به قطر 1/0 هم ساخته مي شود.
