خلاصه پایان نامه طراحی و ساخت سامانه اندازه گیری دمای چند کاناله با قابلیت های ذخیره سازی، پردازش، نمایش و ارسال از طریق شبکه
کارشناسی ارشد برق گرایش الکترونیک
چکیده
اندازهگیری و کنترل دقیق دما در سیستم های 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
ذخیره سازی 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.
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
ت "پ" مشاهده کنید.
ABSTRACT
The accurate and precise measurement of temperature in industrial and research systems is of prime importance. These systems are usually limited in their channel numbers (e.g. 8 channels) and measurement area size. The aim of this project is to design and implement a 64 channels remote temperature measurement system with precision of 0.25 degree centigrade, distributed in a length of 900 meters (Variable according to the cable specifications). The sampling time of the mentioned system is defined by the operator with minimum of 1 second for all the channels.
The hardware of the proposed system is composed of a microcontroller with ARM7 architecture as a gateway between RS485 data bus and Ethernet, plus combination of AVR microcontrollers and MAX6675 to measure and transmit the user selected temperatures.
The graphic user interface of the proposed system is written by labVIEW and is capable of adjusting the sampling time, selecting the channels; attributing a name to each channel, displaying of up to 10 channels, applying digital filters and recording data.
Though the proposed system is designed for thermocouples of type K, and in the range of zero to 1024 degrees centigrade, but with some slight modifications could be generalized to a data logger.
Key words
Temperature measurement, Remote measurement, labVIEW, Data logger, RS485, Ethernet, TCP
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:
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:
ندارد