Temperaturmessung. Sensor LM 35. Christian Obert, Ingo Göppert, Stefan Birth, Timo Wendle und Wolfgang Fischer

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1 Temperaturmessung Sensor LM 35 Christian Obert, Ingo Göppert, Stefan Birth, Timo Wendle und Wolfgang Fischer 2004

2 Inhaltsverzeichnis Projektarbeit 2003/ Inhaltsverzeichnis 1.Inhaltsverzeichnis Aufgabenstellung Verwendete Komponenten Technische Daten Blockschaltbild Gesamtbeschreibung Aufbau der Spannungsversorgung Timer-IC NE Berechnung Sensor und Meßverstärker Abgleich der Schaltung AD-Wandler Eigenschaften Beschreibung Interner Aufbau Layout und Bestückungsplan Das fertig bestückte Board Der Schaltplan Temperaturmessung mit LM 35 Seite 2 von 11

3 Aufgabenstellung Projektarbeit 2003/ Aufgabenstellung Ziel dieses Projektes war es, als Teil der am Anfang des Schuljahres geplanten Wetterstation, eine Schaltung zur Temperaturmessung zu entwerfen. Dabei sollten alle bisher im Elektronik-Unterricht kennen gelernte Komponenten zur Anwendung kommen, um im Ergebnis dem Atmel-Controller-Board ein der Temperatur äquivalentes 8-Bit Wort anzubieten Verwendete Komponenten - LM 35 als Temperaturfühler. - Operationsverstärker TL 062 zur Anpassung an den AD-Wandler. - AD-Wandler ZN 427 von Ferranti zur Wandlung in 8Bit. - Timerbaustein NE555 zur Erzeugung der Taktfrequenz. - ICL 7660 von Maxim zur Erzeugung der vom ZN 427 benötigten negativen Spannung. - LM7805 zur Stabilisierung der Eingangsspannung auf 5 Volt. - ULN fach-Treiber, zur Visualisierung des Wandlerwertes mittels 8 Leuchtdioden Technische Daten Betriebsspannung (vom µc) Betriebsspannung (externe Versorgung) Stromaufnahme Messbereich Auflösung Genauigkeit (Sensor) 5V 7-20V= max. 20mA -30 C bis +97 C 0,5 C ¼ C bei Raumtemperatur, ¾ C über gesamten Bereich Temperaturmessung mit LM 35 Seite 3 von 11

4 Blockschaltbild Projektarbeit 2003/ Blockschaltbild 3.1. Gesamtbeschreibung Das Blockschaltbild zeigt die verschiedenen Schaltungsteile die auf der Platine untergebracht sind und die Schnittstellen die zur Anbindung an das Mikrocontrollersystem, den Sensor und das Netzteil vorhanden sind. Die komplette Schaltung wird normalerweise vom Mikrocontrollersystem mit Strom versorgt. Alternativ kann die Schaltung jedoch auch extern mit einem handelsüblichen Steckernetzteil betrieben werden. Die für den A/D-Wandler und den Messverstärker notwendige negative Spannung wird intern mit einem speziellen IC erzeugt. Beim Sensor handelt es sich um einen Halbleitertemperaturfühler der mit drei Drähten an die Platine angeschlossen wird. Das analoge Signal wird vom Meßverstärker bestehend aus zwei Operationsverstärkern auf einen für den A/D- Wandler passenden Pegel gebracht. Der Taktgenerator liefert einen konstanten Takt für den A/D Wandler. Der A/D-Wandler setzt den Analogwert vom Ausgang des Messverstärkers in einen 8-Bit Datenbyte um und stellt es auf Anforderung am seinem Ausgang zur Verfügung. Um die Funktion der Platine ohne großen Aufwand testen zu können wurde eine LED-Anzeige integriert. Sie zeigt den Status der acht Datenbit an die auch am Interface zum Mikrocontroller anliegen. Zur Steuerung des Wandlervorgangs werden noch einige Steuerleitungen benötigt, diese sind am zweiten Port des Interface angeschlossen. Temperaturmessung mit LM 35 Seite 4 von 11

5 Aufbau der Spannungsversorgung Projektarbeit 2003/ Aufbau der Spannungsversorgung Die auf dem Print realisierte Spannungsversorgung lässt zum einen den Stand-alone -Betrieb ohne Controllerbord zur Inbetriebnahme zu, ist zum anderen auch dazu geeignet, ohne zusätzliche Spannungsversorgung über die Portstecker des Atmel Controllers mit versorgt zu werden. Mit dem Schalter JP3 kann die jeweilige Versorgungsquelle ausgewählt werden. Wird die externe Versorgung über ein Steckernetzteil eingeschaltet, gelangt die Versorgungsspannung über die Diode D1 / 4148 zum Festspannungsregler. D1 schützt die Elektronik vor einer falsch gepolten Eingangsspannung. C5 glättet die eventuell noch vorhandenen Brummspannung, C2 und C3 hindern den Festspannungsregler 7805 daran, aufzuschwingen. C9 puffert letztendlich die aufbereitete 5Volt-Versorgung. Die 78xx-Serie ist ein Klassiker unter den Spannungsregler. Im TO220-Gehäuse befinden sich eine Spannungsreferenz, Längstransistor und Schutzschaltungen, die den Regler vor dem Hitzetod bewahren und die Stromentnahme auf 1 A begrenzen. Der von uns verwendete AD-Wandler ZN 427 benötigt für seine Arbeit eine negative Versorgungsspannung von 5 V. Diese Spannung wird mit dem integrierten Baustein ICL 7660 von MAXIM erzeugt. Dieses IC ist in der Lage durch Umladung von Kondensatoren die positive Eingangspannung zu invertieren. Die Anzahl der externen Komponenten bleibt dabei erstaunlich gering. Lediglich 3 Kondensatoren a 10 µf sind für den einwandfreien Betrieb notwendig. Da die Stromaufnahme im 5 V Zweig recht gering ist, spielt der Innenwiderstand der Ladungspumpe (ca. 50 Ohm) keine gewichtige Rolle. Bei der Dimensionierung der Schaltung konnte die Standardapplikation aus dem Datenblatt herangezogen werden. C8 wird dabei für den Umladevorgang benötigt, während C6 die Eingangsspannung stützt, da im Schaltmoment recht große Spitzenströme benötigt werden. C7 und C4 dienen letztendlich dazu, die negative Ausgangspannung zu puffern und eventuelle Restwelligkeiten zu unterdrücken. Temperaturmessung mit LM 35 Seite 5 von 11

6 Timer-IC NE 555 Projektarbeit 2003/ Timer-IC NE 555 Mit dem Timer-IC NE 555 können Zeitschaltungen und Oszillatoren realisiert werden, da der Ausgang des ICs einen Impuls oder eine Rechteckspannung abgibt. Die Zeitkonstanten werden dabei durch die äußere Beschaltung festgelegt und bewegen sich zwischen einer Mikrosekunde und einer Stunde. Die Abbildung zeigt den Timer in astabiler Funktion. Nach dem Einschalten der Betriebsspannung kippt das Flipflop in seine Ausgangslage. Der Ausgang Q führt HIGH- Pegel und der Transistor sperrt. Der Kondensator C1 lädt sich über R1 und R2 auf. Erreicht die Spannung am Schwelleneingang 2/3 der Betriebsspannung, so setzt der Komparator 2 das Flipflop zurück, der Ausgang des Timers schaltet auf LOW und der interne Transistor schaltet den Pin 7 an Masse. Der Kondensator C1 kann sich nun über R2 gegen Masse entladen. Dabei sinkt die Spannung am Triggereingang Pin 2. Erreicht die Spannung des Kondensators am Triggereingang ein Drittel der Betriebsspannung, setzt der Komparator 1 das Flipflop und der Ausgang führt wieder HIGH-Pegel. Der interne Transistor sperrt und der Kondensator kann sich erneut aufladen. Die Ladung des Kondensators pendelt so zwischen 1/3 und 2/3 der Betriebsspannung. Das entstehende Rechtecksignal ist nicht symmetrisch, da sich der Kondensator C1 über R1 und R2 auflädt, während beim Entladen nur R2 wirksam ist. Der Kondensator entlädt sich daher schneller als er aufgeladen wird. Das bedeutet, dass die HIGH Phase am Ausgang länger ist als die LOW Phase. Die Frequenz der entstehenden Wechselspannung ist abhängig von der Lade- und Entladezeit des Kondensators C1 und damit von R1, R2 und C1. Durch eine Spannung am Pin 5, die von 2/3 der Betriebsspannung abweicht, kann die Frequenz zusätzlich beeinflußt werden. Eine höhere Spannung am Pin 5 bedeutet eine längere Lade- und Entladezeit des Kondensators C1 und eine niedrigere Ausgangsfrequenz. Eine niedrigere Spannung am Pin5 bewirkt dagegen eine höhere Ausgangsfrequenz Berechnung gewählt 1 khz = f=1/t ==> T =1ms; ti = 0,6 ms = 0,69 * ( R1 + R2 ) * C1 tp = 0,4 ms = 0,69 * R2 *C1 R2 = 0,4 ms / ( 0,69 * 100nF )= 5,797k ==> gewählt 5,6k R1 = 0,6 ms / ( 0,69 * 100nF ) = 2,898k ==> gewählt 3,3k T = 0,69 * ( R1 +2 * R2 ) * C1 T =1ms==> 1kHz Temperaturmessung mit LM 35 Seite 6 von 11

7 Sensor und Meßverstärker Projektarbeit 2003/ Sensor und Meßverstärker Der in diesem Projekt verwendete Temperaturfühler LM35 begnügt sich mit nur drei Anschlüssen und bietet darüber hinaus hervorragenden Eigenschaften bezüglich Genauigkeit(+/-0,5 %) und Linearität (+/-0,25%). Der LM 35 liefert eine Ausgangsspannung von 10 mv / Kelvin in einem Bereich von 55 C bis 150 C. Im vorgesehenen Temperaturbereich von 30 C bis + 97 C würde demnach theoretisch die Ausgangsspannung des Sensors an Pin2 gegenüber Pin3 als Folge -300 mv bis 970 mv betragen. Da der AD-Wandler jedoch nur positive Eingangsspannungen verarbeiten kann, ist es notwendig, dem Temperatursensor eine Offsetspannung mitzugeben. Diese Offsetspannung wird mit einem Spannungsteiler und dem IC 5a generiert. An Poti P1 wird die entsprechende Spannung abgegriffen und durch den nachgeschalteten Impedanzwandler gepuffert. IC 5b hat nun die Aufgabe, die Ausgangsspannung des Temperatursensors an den maximalen Eingangsspannungswert des AD-Wandlers von 2,56 Volt anzupassen. Mit Poti P2 kann die Verstärkung eingestellt werden Abgleich der Schaltung Der Abgleich der Schaltung gestaltet sich recht einfach, zumal der Wert des AD-Wandlers direkt an den LEDs betrachtet werden kann. Zunächst wird der Nullpunkt (Messung 0 C) eingestellt. Bei dieser Temperatur stellt sich am Sensor eine Ausgangsspannung von 0 Volt ein. Diese Temperatur kann mit Schalter JP4 simuliert werden, in dem Pin 5 und Pin 6 von IC 5b auf das gleiche Potential gelegt wird (Pin 2+3 gebrückt). Mit Poti P1 kann nun die Ausgangsspannung von IC 5b auf 0 C abgeglichen werden. Anhand der LEDs nun den Wert einstellen (61 dezimal), dies entspricht dem Wandlerwert im Gefrierpunkt. Nun den Schalter JP4 nach rechts schieben und damit den Temperaturfühler an den Messverstärker ankoppeln. Mit dem Poti P2 kann jetzt die aktuelle Temperatur eingestellt werden, ein separates Thermometer als Referenz ist dabei sehr nützlich. Poti P2 nun so lange justieren, bis die angezeigte Temperatur, der aktuellen Zimmertemperatur entspricht, bei 21 C z.b. die Bitkombination (103 dezimal). Damit ist die Temperaturmessung einsatzbereit. Temperaturmessung mit LM 35 Seite 7 von 11

8 AD-Wandler Projektarbeit 2003/ AD-Wandler 7.1. Eigenschaften Einfaches anschließen an Mikrocontroller Schnelle Wandlungszeit (garantierte 10µs) Three-State-TTL kompatible Datenausgänge Restliche Ein- und Ausgänge TTL und CMOS kompatibel Interne oder externe Referenz-Spannungsquelle 7.2. Beschreibung Der ZN427 ist ein 8-Bit Sukzessiv-Approximations-Wandler mit Three-State Ausgängen zum einfachen anschließen an einen gemeinsamen Datenbus. Das IC enthält ein R2R-Netzwerk mit Spannungsschaltern, einen schnellen Komparator, ein Sukzessive-Approximations-Logik und eine Pin-optionale 2,56V Präzisions- Spannungsreferenz. Statt der internen Referenz kann eine externe variable oder feste Referenz angeschlossen werden. Zum Betrieb des Wandlers werden nur noch passive externe Bauteile benötigt. Der in der Schaltung eingesetzte Wandler arbeitet mit der internen Referenz, die durch eine Bücke an Pin 7 und Pin 8 mit den Spannungsschaltern verbunden ist. Der Wandler ist wahlweise im Stand-Alone-Betrieb oder an einem Mikrocontroller-System zu betreiben. Im Stand-Alone-Betrieb wird Pin 1 (Busy) mit Pin 2 (RD) gebrückt, Pin 1 gibt somit automatisch die 8 Datenausgänge nach einer kompletten Wandlung frei. Die Wandlung wird durch eine negative Flanke an Pin 4 (WR) gestartet. Wenn der Wandler an ein Mikrocontroller-System angeschlossen ist werden die drei Steuerleitungen vom Mikrocontroller bedient. Zur Kontrolle des Daten-Bytes ist ein ULM2803 an die Datenleitungen angeschlossen der als Treiber für die acht Anzeige-LEDs dient. Die Anzeige-LEDs können durch einen Jumper zu- oder weggeschaltet werden Interner Aufbau Temperaturmessung mit LM 35 Seite 8 von 11

9 Layout und Bestückungsplan Projektarbeit 2003/ Layout und Bestückungsplan Das Layout wurde mit EAGLE V4.11 erstellt. Die Dateien befinden sich auf der Diskette im Anhang. Temperaturmessung mit LM 35 Seite 9 von 11

10 Das fertig bestückte Board Projektarbeit 2003/ Das fertig bestückte Board Temperaturmessung mit LM 35 Seite 10 von 11

11 Der Schaltplan Projektarbeit 2003/ Der Schaltplan Temperaturmessung mit LM 35 Seite 11 von 11