خلاصه پایان نامه طراحی و ساخت سامانه اندازه¬گیری دمای چند کاناله با قابلیت¬های ذخیره¬سازی، پردازش، نمایش و ارسال از طریق شبکه
پایان نامه جهت اخذ مدرک کارشناسی ارشد برق گرایش الکترونیک
چکیده
اندازهگیری و کنترل دقیق دما در سیستمهای صنعتی و پژوهشی از اهمیت ویژهای برخوردار است و کارکرد صحیح برخی ابزارهای صنعتی و آزمایشگاهی فقط در محدوده مکانی مشخص با تعداد کانال کم (حداکثر 8 کانال) امکان پذیر میباشد. بنابراین تصمیم به ساخت سامانه اندازهگیری دمای 64 کاناله با اهداف اندازهگیری با دقت حداکثر 0.25 درجه سانتیگراد، پراکندگی در فضایی به وسعت حداکثر 900 متر (بسته به نوع کابل متغیر است)، اندازهگیری 64 کانال در حداکثر زمان 1 ثانیه، نمایش دقیق دما در رایانه و امکان بارگذاری دادهها را گرفتیم.
این سامانه از میکروکنترلر قدرتمند ARM7 برای انجام محاسبات لازم و ارتباط بین دو شبکه قدرتمند و معروف TCP/IP و RS485 استفاده کرده و برای اندازهگیری دما و بستهبندی آن از میکروکنترلر AVR استفاده میکند. هر میکروکنترلر AVR در بردهای جانبی، دمای 4 ترموکوپل را اندازه میگیرد و آنها را در قالب خاصی بسته بندی کرده و به صورت همزمان به برنامه رایانهای ارسال میکند، همچنین یک نرمافزار کامپیوتری قدرتمند برای این سامانه نوشته شده است که کارهای نمایش، ذخیرهسازی، بارگذاری و پردازشهای مختلف را انجام میدهد. برای ارزیابی دقت و عملکرد، سامانه را در مدت زمانهای طولانی (2 تا 3 روز) روی تست قرار دادیم که نتایج مطلوبی حاصل شد. این سامانه دارای دقت و رنج دمایی مناسبی است، بنابراین میتوان از آن در ساختمانهای صنعتی، گلخانهها، مراکز پروش طیور و کارهای پژوهشی استفاده کرد.
این سامانه در حال حاضر برای اندازهگیری دمای ترموکوپل نوع K طراحی شده است، اما میتوان با کمی تغییر در بردهای جانبی، مقدار هر نوع سنسوری را خواند (دادههای آن را به دیجیتال تبدیل کرد) و آنها را در بستهبندی خاصی که برای دادهها در نظر گرفته شده به برنامه تحت رایانه ارسال کرد. همچنین میتوان در این سامانه با تغییرات جزئی در بردهای جانبی و برنامه کامپیوتری آن را به یک سامانه کنترلی نیز تبدیل کرد.
کلمات کلیدی
ذخیرهسازی دما (Temperature Dataloger)، نمایش دما (Displaying Temperature)، پردازش روی سیگنال دما (Processing on Temperature Signal)، اِترنت (Ethernet)، فیلتر دیجیتال (Digital Filter)
پیشگفتار
ابزارهای اندازهگیری و ثبت کمیتهای فیزیکی، در صنعت آزمایشگاه و استفادههای عمومی کاربرد بسیاری دارند. امروزه پیشرفت فناوری و استفاده از قطعات الکترونیکی، علاوه بر سهولت در استفاده از ابزارها، دقت بسیار بالا و صرفۀ اقتصادی بیشتری را نیز با خود به همراه داشتهاند.
همانطور که از موضوع این پروژۀ مقطع کارشناسی ارشد پیداست، سامانهای برای اندازهگیری دما با روش خاص طراحی و ساخته شده است. برای اندازهگیری این کمیت فیزیکی، روشهای بسیار متنوعی وجود دارند و ما روش اندازهگیری توسط ترموکوپل را انتخاب نمودهایم، روشی که در صنعت به شکل گستردهای استفاده میشود. این پروژه شامل دو بخش سختافزاری و نرمافزاری میباشد که در بخش سختافزاری سعی بر آن بوده تا از تراشههای رایج در بازار استفاده گردد و برای ارتباط بخشهای مختلف سخت افزار با یکدیگر، از روشهای استاندارد ارتباطی میان تراشههای الکترونیکی استفاده شده است. برای تحلیل، نمایش، ثبت اطلاعات، بارگذاری و همچنین کنترل عملکرد بخش سختافزار، نرمافزار پیچیدهای در محیط LabVIEW طراحی شده است.
از آنجایی که بدون شک این سامانه اشکالات و کمبودهای خود را دارا است، از تمام شما اساتید، علاقمندان و دانشجویان درخواست میشود تا با انتقادات و پیشنهادات خود در مورد عیوب و کمبودهای احتمالی نرمافزاری و سختافزاری، بنده را در بهبود نسخههای بعدی این سامانه یاری فرمائید.
مفهوم دما
از نظر فیزیکی، گرما مقداری از انرژی ذاتی یک جسم است که در اثر حرکت تصادفی مولکولها و اتمهای آن به وجود می‌آید. برای مثال همان گونه که افزایش سرعت توپ تنیس باعث افزایش انرژی آن میشود، انرژی درونی یک جسم نیز با افزایش دما افزایش می‌یابد. دما پارامتری است که با پارامترهای دیگر مانند جرم و نظایر آن، میزان انرژی یک جسم را بیان میکند.
استاندارد اولیه دما، کلوین میباشد. در صفر درجه کلوین کلیه مولکولهای یک ماده در استراحت کامل هستند. آنها در این حالت دیگر هیچ انرژی گرمایی از خود نداشته و این بدان معنی است که در این حالت دمای منفی‌تری نخواهیم داشت زیرا سطح انرژی مولکولها از این پایین‌تر نخواهد رفت.
1-2- تاریخچه اندازهگیری دما[2]
در سال 1592 میلادی تعریف صحیحی از دما وجود نداشت. دانشمندی ایتالیایی به نام گالیله دست به سلسله آزمایشاتی زده و توانست دستگاه دماسنجی متشکل از یک حباب، یک تیوب شیشه‌ای متصل به آن و یک ظرف پر از آب که تیوب در آن قرار می‌گرفت را بسازد (شکل 1-1). به گونه‌ای که درون حباب شیشه‌ای پر از هوا بوده و در اثر گرم شدن هوای محبوس درون این حباب، فشاری به ستون آب درون تیوب وارد آمده و آب را به طرف پایین حرکت می‌داد.
شکل 1-1: دماسنج گالیله
جابجایی سطح آب درون تیوب شیشه‌ای متناسب با دما بوده و به این ترتیب گالیله می‌توانست دما را اندازهگیری کند. اما یک اشکال بزرگ در کار این نوع دماسنج جلوه می‌نمود و آن اینکه بالا یا پایین آمدن سطح مایع تنها به علت حرارت یا برودت هوا صورت نمی‌گرفت. بلکه عوامل دیگری مانند تغییرات فشار جوی نیز در این کار سهیم بودند که دقیق نبودن دماسنج گالیله را آشکار می‌ساخت.
در سال ۱۶۳۱ ری، تغییراتی را در دمانِگار گالیله پیشنهاد کرد. پیشنهاد وی همان بطری وارونه گالیله بود که در آن فقط سرد و گرم شدن از روی انقباض و انبساط آب ثبت می‌شد.
در سال ۱۶۳۵ دوک فردینالند توسکانی، که به علوم علاقه‌مند بود دماسنجی ساخت که در آن از الکل (که در دمایی خیلی پایین‌تر از دمای آب یخ می‌بندد) استفاده کرد و سر لوله را چنان محکم بست که الکل نتواند تبخیر شود. سرانجام در سال ۱۶۴۰ دانشمندان آکادمی لینچی در ایتالیا نمونهای از دماسنج‌های جدیدی را ساختند که در آن جیوه به کار برده و هوا را دست کم تا حدودی از قسمت بالای لوله بسته خارج کرده بودند. توجه به این نکته جالب است که در حدود نیم قرن طول کشید تا دماسنج کاملاً تکامل یافت.
به دنبال کشف دماسنج گابریل دانیل فارنهایت دانشمند هلندی در قرن هفدهم نوعی دماسنج گازی و الکلی ساخت که با دقت اندازهگیری بیشتری میتواند دمای هوا را اندازهگیری کند. او به سال ۱۷۱۴ میلادی دماسنج جیوه‌ای را طراحی و با ضریب دقت بالایی با شیوه‌ای خاص درجهبندی نمود. فارنهایت نتایج تحقیقات خود را در سال ۱۷۲۴ میلادی منتشر ساخت. او همچنین یک مقیاس خاص را برای گرما تعریف کرد که بعدها و حتی تا به امروز به نام او ماندگار شد. او برای تعیین درجه صفر، مبنای خود از سرمای زمستان سال 1709 میلادی الهام گرفت و ترکیبی از یخ، آمونیوم کلراید جامد و آب را به کار برد. با انتخاب این صفر، او امیدوار بود که دیگر دماهای منفی‌تری نخواهد داشت.
در سال 1742 میلادی سلسیوس سوئدی اعلام کرد که به جای مقیاس حرارتی فارنهایت مقیاس ساده‌تر و کاربردی‌تری کشف کرده است. او دو نقطه خاص که در هر جای دنیا قابل تولید بودند را مرجع کار خود قرار داد. یکی نقطه ذوب یخ صفر درجه سانتیگراد و یکی نقطه جوش آب 100 درجه سانتیگراد بود. او فاصله بین آنها را به صد قسمت مساوی تقسیم کرد و این امر باعث شد که هر ترمومتری به سادگی در این دو نقطه (0 و 100 درجه سانتیگراد) قابل تنظیم وکالیبره شدن باشد.
1-3- واحدهای اندازهگیری دما
درجه سلسیوس (Celsius): مقیاس علمی متداولی است که در آن صفر درجه، نقطۀ انجماد آب و صد درجه نقطه جوش آب در فشار یک اتمسفر است.
درجۀ فارنهایت (Fahrenheit): منشأ این مقیاس دقیقاً روشن نیست ولی گزارش شده است که صفر فارنهایت از قرار دادن حباب دماسنج در مخلوطی از یخ و کلرو آمونیوم حاصل شده است و بالاترین نقطۀ این مقیاس دمای شروع جوشش جیوه است؛ بین این دو دما به ۶۰۰ درجه تقسیم شده است که نقطۀ انجماد آب ۳۲ درجه و نقطۀ جوش آب ۲۱۲ درجۀ فارنهایت میباشد.
درجه کلوین (kelvin): در سیستم SI دمای مطلق را برحسب درجۀ کلوین اندازهگیری میکنند. در حقیقت صفر مطلق در مقیاس کلوین ۲۷۳- درجه سلسیوس است که توسط مخترع آن لرد کلوین در نظر گرفته شده، این دما پایینترین دمای ممکن است و در این دما انرژی جنبشی مولکولها به صفر میرسد.
از روابط زیر میتوان برای تبدیل واحدهای دما استفاده کرد:
(°C + ۲۷۳) = °K. (1-1)
(°C × ۱.۸)+ ۳۲ = °F. (1-2)
1-4- انواع روشهای اندازهگیری دما
دو روش عمده برای اندازهگیری درجه حرارت وجود دارد:
1-4-1- اندازهگیری دما با استفاده از مبدلهای غیرالکتریکی
1-4-1-1- ترمومترها (حرارت سنجهای محتوی سیال)
1-4-1-1-1- حرارت سنجهای محتوای مایعات: اساس کار این نو ع حرارت سنجها رابطۀ بین دما و حجم مایع میباشد.
VT = V0 (1+ αT + βT2 +…). (1-3)
مایع مورد استفاده در این نوع دستگاهها عموماً الکل، هیدروکربنها و جیوه میباشد. از آنجا که درجهبندی از طریق رویت قرائت میشود، برای قرائت و حتی محدوده مقدار بالای قرائت محدودیتهایی وجود دارد، زیرا در درجات بالاتر از نقطۀ جوش مایع بخار تولید شده، فشار متناسب با خود ایجاد میکند که موجب اشتباه در قرائت میگردد (شکل 1-2).
شکل 1-2: حرارت سنج محتوی مایعات
1-4-1-1-2- حرارت سنجهای محتوی گاز: برای گازها در حجم ثابت و درجه حرارت متفاوت، رابطه بین دما و فشار تقریباً به صورت زیر میباشد.
. (1-4)
در حرارت سنجهای محتوی گاز (شکل 1-3) میتوان با دقت کافی، از این رابطه استفاده نمود. در حرارت سنجهای محتوی گاز عموماً از ازت و هلیوم استفاده میگردد.
شکل 1-3: حرارت سنج محتوی گاز
1-4-1-1-3- حرارت سنجهای محتوی بخار: فشار بخار یک مایع، تابعی از درجه حرارت آن میباشد؛ از این خاصیت در حرارت سنجهای صنعتی (شکل 1-4) استفاده میگردد. سرعت زیاد پاسخ، قیمت کم، سادگی تعمیرات از مزایای این وسیله میباشد.
مایعات مورد استفاده در این نوع حرارت سنج ها الکل، اتر، متیل کلراید، سولفور و تولوئن میباشد.
شکل 1-4: حرارت سنج محتوی بخار
1-4-1-2- حرارت سنجهای بیمتال
در مواردی که نیاز به قرائت دما بطور مرتب نمیباشد و کنترل دما صرفاً جهت اطمینان از عملکرد سیستم به کار میرود، حرارتهای بیمتال (شکل 1-5) مورد استفاده میگیرد. اختلاف انبساط دو فلز تشکیل دهنده این دستگاه در اثر حرارت معیار عملکرد دستگاه میباشد. از آنجا که ضریب انبساط فلزات تشکیل دهنده عنصر حساس بیمتال کاملاً خطی نیست، درجهبندی این نوع حرارت سنجها نیز خطی نمیباشد.
شکل 1-5: حرارت سنج بیمتال
1-4-1-3- پیرومترها
در میان وسایل اندازهگیری درجۀ حرارت، پیرومترهای تشعشعی و نوری بزرگترین محدوده اندازهگیری را دارند و برخلاف سایر وسایل نیازی به اتصال فیزیکی با جسم مورد اندازهگیری را ندارند. اساس کار این نوع وسیله به صورت زیر است:
در پیرومترهای نوری (شکل 1-6) مقایسۀ دو رنگ، یکی متعلق به جسم گداخته شده و دیگری متعلق به مقاومت الکتریکی یا فیلامان پیرومتر مبنای تعیین درجۀ حرارت جسم گداخته شده میباشد. با منطبق کردن چشمی از داخل تلسکوپ پیرومتر بر روی جسم گداخته شده و تغییر شدت جریان فیلامان توسط پتانسیومتر به ترتیبی که باعث محو و عدم تشخیص آن در زمینۀ جسم گداخته گردد، درجۀ حرارت مجهول جسم گداخته شده برابر درجه حرارت معلوم فیلامان خواهد بود.
شکل 1-6: پیرومتر نوری
در پیرومتر تشعشعی (شکل 1-7) انرژی ساطع شده از جسم گرم را توسط یک لنز و یا یک مجموعه آینه بر روی عنصر حسگر دما متمرکز میکنند. این عنصر میتواند مقاومت حساس یا ترموکوپل باشد. در نتیجه برخلاف پیرومتر نوری که باید به صورت دستی تنظیم یا قرائت گردد، پیرومتر تشعشعی قابل استفاده به صورت اتوماتیک میباشد.
شکل 1-7: پیرومتر تشعشعی
1-4-2- اندازهگیری دما با استفاده از مبدلهای الکتریکی
1-4-2-1- ترمیستور
فهرست پایان نامه طراحی و ساخت سامانه اندازه¬گیری دمای چند کاناله با قابلیت¬های ذخیره¬سازی، پردازش، نمایش و ارسال از طریق شبکه
فهرست:
فهرست
پیشگفتار. 1
1- دما و اندازهگیری آن. 2
1-1- مفهوم دما 3
1-2- تاریخچه اندازهگیری دما 3
1-3- واحدهای اندازهگیری دما 4
1-4- انواع روشهای اندازهگیری دما 5
1-4-1- اندازهگیری دما با استفاده از مبدلهای غیرالکتریکی.. 5
1-4-1-1- ترمومترها (حرارت سنجهای محتوی سیال). 5
1-4-1-1-1- حرارت سنجهای محتوای مایعات... 5
1-4-1-1-2- حرارت سنجهای محتوی گاز. 6
1-4-1-1-3- حرارت سنجهای محتوی بخار. 6
1-4-1-2- حرارت سنجهای بیمتال. 7
1-4-1-3- پیرومترها 7
1-4-2- اندازهگیری دما با استفاده از مبدلهای الکتریکی.. 9
1-4-2-1- ترمیستور. 9
1-4-2-2- ترموکوپل.. 9
1-4-2-2-1- اثر ترموالکتریک... 10
1-4-2-2-2- روشهای استفاده و اندازهگیری دما 12
1-4-2-2-3- ضریب سیبک... 16
1-4-2-2-4- تراشه MAX6675. 19
1-4-2-2-4-1- پایههای تراشه. 19
1-4-2-2-4-2- تبدیل سیگنال به دما 21
1-4-2-2-4-3- واسط سریال (SPI). 21
1-4-2-2-4-4- بسته داده خروجی.. 22
1-4-2-2-5- اصول حاکم بر ترموکوپلها 23
1-4-2-2-6- انواع ترموکوپل.. 25
1-4-2-2-7- محافظت از ترموکوپل.. 30
1-4-2-2-8- مزایای ترموکوپلها 34
1-4-2-2-9- معایب ترموکوپلها 34
1-4-2-2-10- اتصال سری و موازی ترموکوپلها 35
2- آشنایی با سامانه اندازهگیری و نحوۀ عملکرد آن. 36
2-1- پردازندهها 38
2-2- بسته دریافتی کامپیوتر از بردها 41
2-3- ترموکوپلها 44
2-4- تراشه MAX6675. 44
2-5- کانالهای ارتباطی.. 44
2-6- نرمافزار کامپیوتری.. 45
2-7- بسته ارسالی برنامه کامپیوتری.. 46
2-8- برخی مشخصات مهم سامانه. 47
2-8-1- سختافزاری.. 47
2-8-2- نرمافزاری.. 48
3- پروتکلهای ارتباطی.. 51
3-1- پروتکل SPI. 52
3-1-1- جزئیات... 52
3-1-2- نحوه عملکرد. 53
3-2- ارتباطSerial 56
3-2-1- پروتکل RS485 56
3-2-1-1- کاربردها 58
3-2-2- مقایسه دو پروتکل RS485 و RS232. 58
3-3- TCP/IP. 60
3-3-1- معرفی پروتکل TCP/IP. 60
3-3-2- لایههای پروتکل TCP/IP. 61
3-3-2-1- لایه Application. 62
3-3-2-2- لایه Transport 62
3-3-2-3- لایه اینترنت... 62
3-3-2-4- لایه Network Interface 63
3-3-3- آدرس IP. 63
3-3-4- پورت TCP/UDP. 63
3-3-5- ارسال اطلاعات با استفاده از TCP. 64
3-4- شبکه محلی LAN.. 65
3-5- پیادهسازی نرمافزاری و سختافزاری.. 65
4- راهنمای فنی سامانه. 66
4-1- برخی مشخصات برنامه کامپیوتری.. 67
4-1-1- PC-BOARD.vi 69
4-1-2- Data send receive (TCP).vi 69
4-1-3- Receive ASCII.vi 69
4-1-4- Convert String number to number.vi 70
4-1-5- %d to Hex.vi 70
4-1-6- Check valid board and T.vi 71
4-1-7- Extract data.vi 71
4-1-8- F_CRLF_tcp read.vi 71
4-1-9- Error Dialog.vi 72
4-1-10- Send ASCII.vi 72
4-1-11- Zero before Number less 10.vi 72
4-1-12- Max Min Median Data.vi 73
4-1-13- Load Data Mode APPENDED (T).vi 73
4-1-14- Fill WDT.vi 73
4-1-15- Name Legend.vi 74
4-1-16- Number to time String. 74
4-1-17- Save WDT Graph.vi 74
4-1-18- Fill Menu.vi 75
4-1-19- Selected T.vi 75
4-1-20- Save name termo.vi 76
4-1-21- Load name termo.vi 76
4-1-22- Select Thermocouple.vi 76
4-1-23- Selected Board.vi 77
4-1-24- Select board.vi 77
4-1-25- Load setting.vi 77
4-1-26- Load and fill board or thermocouple.vi 78
4-1-27- Match Array (TF).vi 78
4-1-28- Save setting.vi 79
4-1-29- Search Board in PC.vi 79
4-1-30- First Check BN.vi 79
4-1-31- Folder Permission access.vi 80
4-1-32- Dialog Path for Save. 80
4-1-33- Dialog path.vi 80
4-2- برنامه میکروکنترلر ARM... 81
4-2-1- ARM-BOARD.vi 82
4-2-2- Serial Port Init.vi 82
4-2-3- Byte at Serial Port.vi 83
4-2-4- Serial Port Read.vi 83
4-2-5- Serial Port Write.vi 83
4-2-6- MCB2300 Turn On LED.vi 83
4-2-7- MCB2300 Turn Off LED.vi 84
4-2-8- MCB2300 Init LCD.vi 84
4-2-9- MCB2300 Clear LCD Screen.vi 84
4-2-10- MCB2300 Set Text on LCD.vi 84
نتیجهگیری و پیشنهادات... 85
مراجع.. 86
پیوست الف: جدول ترموکوپل نوع K.. 87
پیوست ب: Reentrant در نرمافزار LabVIEW... 91
پیوست پ: نمونهای از نمودارهای بارگذاری شده 95
پیوست ت: راهنمای کاربری سامانه. 100
منبع:
مراجع
[1] امیرحسین رضایی و محمدرضا ذهابی، "اندازهگیری الکترونیکی" چاپ چهارم، دانشنگار، 1384، صص 194-201
[2] J.P.Holman، "Heat Transfer" Sixth Edition، کبری، 1368، صص 1-22
[3]امیر ره افروز، "میکروکنترلرهای AVR و کاربرد آنها"، چاپ هفتم، 1392، نص، صص 55-66
[4] Tanenbaum، " Computer Networks"، 4th edition، نص، 1388
[5] عبدوس محمد علی، صنعت هوشمند، "معیار انتخاب حسگرهای دما"، 16، 1392، 49-51
[6] http://www.atryco.com/en/index.php/download/16-2012-04-14-09-54-39/82-concept
[7] http://www.omega.com/
[8] “DataSheet Max6675”, MAXIM Co, 2002
[9] http://www.gilsoneng.com/reference/ THERMOCOUPLE GENERALINFORMATION.pdf
[10] “SPI Block Guide V03.06 “ Motorola inc. , 2001
[11] http://zone.ni.com/reference/en-XX/help/371361K-01/