Termometr E K T Y J albo K
P R O J z termoparami
Termometr z termoparami
J albo K
AVT 918
O niezwykłej przydatności
mikrokontrolerów PSoC do
aplikacji analogowo cyfrowych
pisaliśmy już na łamach EP
wielokrotnie. Przedstawiamy
kolejny przykład projektu,
w którym chyba nie ma lepszego
wyboru niż PSoC.
Rekomendacje:
łatwy w wykonaniu i obsłudze
termometr z czujnikiem, którego W wielu przypadkach stajemy wiele typów termopar (oznaczanych
wobec problemu zmierzenia tempe- literami alfabetu) różniących się za-
użycie często stanowi dość
ratury powyżej 100oC. Nie nadają kresem mierzonej temperatury. Do
duży problem dla konstruktora,
się do tego dostępne czujniki pół- pomiaru wysokiej temperatury zbu-
zainteresuje wszystkich, którym
przewodnikowe teoretycznie działa- dowano niezwykle prosty termometr
jące do 150oC. umożliwiający pomiar za pomocą
potrzebny jest przyrzÄ…d do
Do pomiaru temperatury w sze- termopary typu J, albo K. Bardzo
mierzenia wysokiej temperatury.
rokim zakresie wartości są stosowa- prostą budowę uzyskano dzięki za-
ne termopary, które są tanie, pro- stosowaniu nowoczesnego mikrokon-
ste i niezawodne. Dostępnych jest trolera PSoC, w którym zawarto cały
PODSTAWOWE PARAMETRY
" PÅ‚ytka o wymiarach 111 x 38 mm
" Zasilanie: 9...15 VDC
" Współpraca z termoparami typu J i K
Napięcie [mV]
" Zakres pomiarowy: 0...760ºC (termopara
J),  200...1260ºC (termopara K)
" Rozdzielczość pomiaru Ä…1ºC
Rys. 1. Zależność napięcia termopary od temperatury dla kilku typów
" Rejestracja wartości min oraz max
termopar
Elektronika Praktyczna 2/2006
22
Temperatura [ÚC]
Termometr z termoparami J albo K
kolorem czarnym, a ty- jest wzmacniacz, blok linearyzujÄ…cy
pu K kolorem żółtym. charakterystykę termopary oraz ele-
Termopary mają nieli- ment (może być półprzewodnikowy,
niowÄ… charakterystykÄ™ bo temperatura jest niska) mie-
zależności napięcia od rzący temperaturę zimnego złącza
temperatury. Na rys. 1 termopary. Przy cyfrowym pomia-
przedstawiono zależność rze napięcia termopary wymagany
temperatury złącza od jest wzmacniacz, element mierzący
napięcia na końcach ter- temperaturę końca zimnego oraz
mopary dla kilku typów dwa przetworniki A/C. Przykłado-
termopar. wy schemat takiego układu pomia-
Nieliniowa charak- rowego przedstawiono blokowo na
terystyka może być li- rys. 2b. W tym przypadku lineary-
nearyzowana układowo zacja charakterystyki termopary od-
(z zastosowaniem wzmac- bywa siÄ™ programowo, z wykorzysta-
niaczy operacyjnych), niem odpowiedniej tablicy zawiera-
bÄ…dz
aproksymowana jącej obliczone wartości wielomianu
wielomianem o dobra- aproksymujÄ…cego. W prezentowanym
nych eksperymentalnie termometrze, ze względu na zasto-
współczynnikach. Za sowanie mikrokontrolera wybrano
pomocÄ… mikrokontrolera metodÄ™ pomiaru z rys. 2b.
można obliczyć  w bie-
gu wartość temperatury Działanie układu
z wielomianu aproksy- Na rys. 3 przedstawiono sche-
mujÄ…cego (na podstawie mat ideowy termometru. Tak prostÄ…
Rys. 2. a) Schemat blokowy objaśniający ogólną odczytanego napięcia) jego budowę uzyskano dzięki zasto-
zasadę odczytu temperatury za pomocą termo- lub pobierać wartość sowaniu nowoczesnego mikrokontro-
pary, b) schemat blokowy układu pomiarowego tego wielomianu wcze- lera PSoC. Wbudowano w nim nie
stosowanego do cyfrowej metody pomiaru tempe- śniej stablicowanego. tylko potrzebne peryferia cyfrowe,
ratury za pomocÄ… termopary Druga metoda nie obciÄ…- ale i analogowe (np. wzmacniacz
ża mikrokontrolera i jest operacyjny). Termopara (złącze Z1)
analogowy tor pomiarowy. Termopa- wskazana szczególnie wtedy, gdy jest dołączana wprost do wyprowa-
ra jest podpięta wprost do wypro- realizuje on jeszcze inne zadania. dzeń mikrokontrolera. Jedna z linii
wadzeń mikrokontrolera. Zastosowa- termopary jest polaryzowana napię-
nie nowoczesnych podzespołów zre- Metoda pomiaru ciem AGND, które zostało ustalone
dukowało także do minimum koszt Na rys. 2a przedstawiono sche- na wartość 2,6 V. Także czujnik
tego typu termometru. Dodatkowo, mat blokowy układu pomiarowe- temperatury zimnego złącza termo-
prezentowany termometr umożliwia go objaśniający zasadę odczytu pary (U2) jest bezpośrednio dołą-
rejestracjÄ™ minimalnej i maksymalnej temperatury za pomocÄ… termopa- czony do mikrokontrolera. Wyma-
wartości temperatury. ry w sposób analogowy. Wymagany ga on do prawidłowej pracy tylko
Termopara
Zasada działania termopar opie-
ra siÄ™ na zjawisku Seebeck a prze-
jawiającym się kontaktową różnicą
potencjałów powstającą na styku
dwóch metali o różnej pracy wyj-
ścia elektronów (stają się swobod-
nymi nośnikami prądu). Termoparę
stanowią więc dwa zgrzane ze sobą
metale o różnej pracy wyjść. Kon-
taktowa różnica potencjałów zależy
od temperatury.
Zakres mierzonej temperatury za-
leży od metali z jakich została zbu-
dowana termopara. W tab. 1 przed-
stawiono wybrane typy termopar,
metale z jakich zostały zbudowane
oraz zakresy mierzonej temperatu-
ry. Prezentowany termometr może
obsługiwać termoparę typu J oraz
typu K. Każdy typ termopar jest
oznaczany innym kolorem. Przykła-
dowo, termopara J jest oznaczana Rys. 3. Schemat elektryczny termometru
Elektronika Praktyczna 2/2006
23
Termometr z termoparami J albo K
do realizacji termometru z termopa- czono na nim parametry konfigu-
rą peryferia mikrokontrolera. Sygnał racyjne wzmacniacza operacyjnego
z termopary o poziomie kilkudzie- oraz parametry globalne mikrokon-
sięciu mV musi być wzmocniony. trolera. Wzmocnienie wzmacnia-
Wzmocnienie wzmacniacza wej- cza ustalono na 16, a częstotliwość
ściowego zostało ustalone na 16. pracy mikrokontrolera na 24 MHz.
Wzmocnione napięcie z termopary W ten sposób można skonfigurować
jest mierzone przez 12 bitowy prze- każdy wybrany do projektu blok
twornik A/C. Duże napięcie z czuj- peryferyjny. Można także bloki pe-
nika LM335 nie wymagało wzmoc- ryferyjne podmieniać i konfigurować
nienia, więc wzmocnienie pośredni- programowo, nawet podczas działa-
czącego wzmacniacza zostało usta- nia programu mikrokontrolera. Bloki
lone na wartość równą 1. Timery peryferyjne toru pomiarowego ter-
Rys. 4. Schemat blokowy termometru ADC_TMR i ADC_T_TMR służą do mometru, zostały połączone zgodnie
taktowania przetworników A/C. Nie- ze schematem blokowym z rys. 4.
rezystora R1. Przyciski S1 oraz S2 zbędny jest także blok generujący Wykorzystywane przetworniki o roz-
umożliwiają ustawianie parametrów napięcie referencyjne o ustalonej dzielczości 12 bitów dadzą wystar-
termometru. Wyniki pomiaru są wy- wartości 2,6 V, które służy do po- czającą dokładność pomiaru tempe-
świetlane na alfanumerycznym wy- laryzacji jednej z linii wzmacniacza ratury zwłaszcza małych sygnałów
świetlaczu LCD 2x16 znaków. Po- operacyjnego. Blok LCD steruje wy- z termopary.
tencjometr P1 umożliwia regulację świetlaczem LCD, natomiast blok
kontrastu wyświetlacza. Elementy EEPROM, to blok nieulotnej pa- Oprogramowanie sterujące
termometru są zasilane napięciem mięci, w której są przechowywane Oprogramowanie sterujące termo-
o wartości 5 V stabilizowanym wartości kalibracyjne termometru. metrem zostało przygotowane w śro-
przez układ U3. Zaznaczone na schemacie przełącz- dowisku PSoC Designer i napisane
niki S1 i S2 służą do okresowego w języku C. Jak wspominałem, mi-
Wymagane peryferia zerowania torów pomiarowych czuj- krokontroler pracuje z maksymalną
mikrokontrolera PSoC ników temperatury (otrzymana war- częstotliwością 24 MHz. Tak duża
Mikrokontrolery PSoC firmy Cy- tość jest odejmowana od wartości częstotliwość pracy mikrokontrolera
press są uniwersalnymi układami zmierzonej temperatury), co skutku- wynika z konieczności przeprowa-
programowalnymi, z rekonfigurowal- je zmniejszeniem szumów oraz po- dzenia dużej liczby obliczeń. Ważną
nymi peryferiami zarówno analogo- prawą dokładności. Skonfigurowanie częścią oprogramowania sterującego
wymi i cyfrowymi. Należą one do peryferiów oraz oprogramowanie termometrem jest aproksymacja cha-
rodziny 8 bitowych mikrokontrole- mikrokontrolera zostało przygotowa- rakterystyki termopary. W tym celu
rów o maksymalnej częstotliwości ne w darmowym oprogramowaniu należy stablicować następujący wie-
taktowania 24 MHz. W mikrokontro- PSoC Designer. W pierwszej kolej- lomian:
lerach PSoC można wybierać rodzaj ności wybrano potrzebne peryferia, T=(a0+a1V+a2V2+& +a Vn)
n
i liczbę peryferiów analogowych których jest w bibliotece ponad 100. gdzie:
i cyfrowych, sposób ich połączenia Podczas wyboru peryferii dostępny T  obliczona temperatura
oraz wyprowadzenia sygnałów na jest ich schemat blokowy oraz opis V  napięcie termopary
płytkę drukowaną. Wskutek mo- wraz z przykładami wykorzystania. a  współczynniki wielomianu
n
dyfikacji ustawień rejestru, można Dostępna jest także informacja, ile W tab. 2 przedstawiono współ-
dynamicznie zmieniać konfigurację wybrany komponent peryferyjny czynniki wielomianu aproksymu-
mikrokontrolera tak, by dostosowy- zajmuje zasobów mikrokontrolera. jącego dla kilku typów termopar
wać ją do zastosowania. Na rys. 4 Po wyborze komponentów, każdy w tym J i K. Bieżące obliczanie
przedstawiono blokowo wymagane z nich można skonfigurować. Zazna- wartości takiego wielomianu jest
WYKAZ ELEMENTÓW
Tab. 1. Parametry termopary
Rezystory
Typ Zakres Współczynnik Zalecane
ZÅ‚Ä…cze
termopary temperatur (°C) (@ 20°C) Å›rodowiska pracy
R1: 4,7 kV
utleniające, obojęt-
P1: potencjometr montażowy mały
E Chromel (+) Constantan (-) -200...900 62 mV/°C
ne, próżnia
leżący 10 kV
próżnia, utleniające,
Kondensatory
J Iron (+) Constantan (-) 0...760 51 mV/°C
obojętne
C1, C3, C5: 100 nF
T Copper (+) Constantan (-) -200...371 40 mV/°C żrÄ…ce, wilgotne
C2, C4: 47 mF/16 V
K Chromel (+) Alumel (-) -200...1260 40 mV/°C obojÄ™tne
Półprzewodniki
N Nicrosil (+) Nisil (-) 0...1260 27 mV/°C utleniajÄ…ce
U1: CY8C26233
Platinum (30% Rhodium)
utleniajÄ…ce, obo-
B (+) Platinum (6% Rhodium) 0...1820 1 mV/°C U2: LM335
jętne
(-)
U3: 78L05
Platinum (10% Rhodium) utleniajÄ…ce, obo-
W1: wyświetlacz LCD 2x16 znaków
S 0...1480 7 mV/°C
(+) Platinum (-) jętne
Inne
Platinum (13% Rhodium) utleniajÄ…ce, obo-
R 0...1480 7 mV/°C
S1, S2: przycisk typu mikrostyk
(+) Platinum (-) jętne
Elektronika Praktyczna 2/2006
24
Termometr z termoparami J albo K
niki obu termometrów należy ze
sobą złączyć, aby posiadały moż-
liwie jednakowÄ… temperaturÄ™. Aby
wejść w tryb kalibracyjny, należy
podczas włączania zasilania termo-
metru trzymać wciśnięty przycisk
MODE. Na wyświetlaczu powinien
pojawić się napis Setup. W pierw-
szej kolejności należy określić typ
termopary, który można wybrać
Rys. 5. Schemat montażowy termometru przyciskiem RES (można wybrać po-
między termoparą typu J albo K).
dla mikrokontrolera 8 bitowego go złącza termopary. W programie Drugie przyciśnięcie przycisku
dość czasochłonne. Dlatego w pro- zostały także zawarte procedury MODE umożliwia kalibrację tem-
gramie wybiera się jego wartość umożliwiające kalibrację termometru, peratury. Należy ją ustawić przyci-
z tablicy przygotowanej wcześniej oraz rejestrację wartości minimalnej skiem RES na wartość identyczną,
dla tego wielomianu. W programie i maksymalnej temperatury. jakÄ… pokazuje termometr odniesie-
sterującym termometrem zamiesz- nia. Kolejne przyciśnięcie przycisku
czono tablice stałych zarówno dla Montaż i uruchomienie MODE powoduje zakończenie trybu
termopary J, jak i K, gdyż ich cha- Schemat montażowy termometru kalibracji i termometr jest gotowy
rakterystyki są różne. przedstawiono na rys. 5. Układ ter- do pracy. Wartość kalibracyjna zo-
W pierwszej fazie programu wej- mometru można zasilać stałym na- staje zapisana do nieulotnej pamięci
ścia wzmacniacza termopary są pięciem od 9 do 15 V z baterii lub EEPROM, więc nie jest potrzebna
zwierane, a odczytana z przetwornika zasilacza wtyczkowego. Termoparę kalibracja termometru po każdym
wartość A/C będzie odejmowana od J lub K dołącza się do złącza Z1. włączeniu zasilania.
wartości napięcia termopary. Jest to W przypadku innych typów termo- Obsługa termometru nie powin-
tak zwane zerowanie toru pomiaro- par należy zmodyfikować program, na sprawić większych problemów.
wego. W dalszej kolejności następuje dodając utworzone dla nich tablice W pierwszym wierszu wyświetlacza
odczyt napięcia z termopary, od któ- linearyzacyjne. Istnieje więc moż- jest wyświetlana wartość zmierzo-
rego zostaje odjęta wartość odczyta- liwość zaimplementowania obsługi nej temperatury oraz typ dołączo-
na podczas zerowania toru analogo- nawet kilkunastu termopar. nej termopary. W drugim wierszu
wego. Identycznie przebiega zerowa- Gdy na wyświetlaczu nie są wi- wyświetlacza jest wyświetlana war-
nie i odczyt wartości z czujnika tem- doczne żadne znaki, konieczne jest tość minimalna lub maksymalna
peratury zimnego złącza termopary ustawienie kontrastu. zmierzonej temperatury, w zależno-
(czujnik LM335). Zmierzona wartość ści od wyboru przyciskiem MODE.
napięcia termopary w każdym cy- Kalibracja i obsługa Przycisk RES umożliwia zerowanie
klu pomiarowym jest ładowana do Przed użyciem termometru wy- wartości wybranej temperatury mi-
bufora przesuwnego i jest obliczane magana jest jego prosta kalibracja. nimalnej lub maksymalnej.
średnie napięcie termopary. Następ- Należy także określić typ podłączo- Informację na temat mikrokon-
nie dla obliczonej wartości na pod- nej do niego termopary. trolerów PSoC, narzędzi, progra-
stawie napięcia termopary jest po- Podczas kalibracji jest niezbędny matorów znajdują się na stronach:
bierana z tablic odpowiadająca mu drugi termometr, będący termome- www.cypress.com, www.proc.prv.pl
wartość temperatury. Uwzględniona trem odniesienia. Może to być ter- Marcin Wiązania, EP
zostaje także temperatura zimne- mometr cyfrowy lub rtęciowy. Czuj- [e-mail]
Tab. 2. Współczynniki wielomianów linearyzujących dla różnych typów termopar
Typ termopary
E J K R S T
a0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
a1 1.7057035E-2 1.978425E-2 2.508355E-2 1.8891380E-1 1.84949460E-1 2.592800E-2
a2 -2.3301759E-7 -2.00120204E-7 7.860106E-8 -9.3835290E-5 -8.00504062E-5 -7.602961E-7
a3 6.543558E-12 1.036969E-11 -2.503131E-10 1.3068619E-7 1.02237430E-7 4.637791E-11
a4 -7.3562749E-17 -2.549687E-16 8.315270E-14 -2.2703580E-10 -1.52248592E-10 -2.165394E-15
a5 -1.7896001E-21 3.585153E-21 -1.228034E-17 3.5145659E-13 1.88821343E-13 6.048144E-20
a6 8.4036165E-26 -5.344285E-26 9.804036E-22 -3.8953900E-16 -1.59085941E-16 -7.293422E-25
a7 -1.3735879E-30 5.099890E-31 -4.413030E-26 2.8239471E-19 8.23027880E-20
a8 1.0629823E-35 1.057734E-30 -1.2607281E-22 -2.34181944E-23
a9 -3.2447087E-41 -1.052755E-35 3.1353611E-26 2.79786260E-27
a10 -3.3187769E-30
Elektronika Praktyczna 2/2006
25