TemperaturmessungSensor LM 35

Christian Obert, Ingo Göppert, Stefan Birth, Timo Wendle und Wolfgang Fischer

2004

Inhaltsverzeichnis Projektarbeit 2003/2004

1. Inhaltsverzeichnis

1.Inhaltsverzeichnis.................................................................................... ...................2

2.Aufgabenstellung............................................................................................. ...........3

2.1.Verwendete Komponenten............................................................................ .......3

2.2.Technische Daten.......................................................................... ......................3

3.Blockschaltbild................................................................................................. ...........4

3.1.Gesamtbeschreibung................................................................................ ...........4

4.Aufbau der Spannungsversorgung...................................................... .......................5

5.Timer-IC NE 555.............................................................................................. ...........6

5.1.Berechnung................................................................................................... .......6

6.Sensor und Meßverstärker............................................................ .............................7

6.1.Abgleich der Schaltung.......................................................... ..............................7

7.AD-Wandler....................................................................................... .........................8

7.1.Eigenschaften..................................................................... .................................8

7.2.Beschreibung.............................................................................. .........................8

7.3.Interner Aufbau...................................................................................... ...............8

8.Layout und Bestückungsplan................................................................................... ...9

9.Das fertig bestückte Board.................................................... ...................................10

10.Der Schaltplan................................................................................ ........................11

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Aufgabenstellung Projektarbeit 2003/2004

2. Aufgabenstellung

Ziel dieses Projektes war es, als Teil der am Anfang des Schuljahres geplantenWetterstation, eine Schaltung zur Temperaturmessung zu entwerfen.

Dabei sollten alle bisher im Elektronik-Unterricht kennen gelernte Komponenten zurAnwendung kommen, um im Ergebnis dem Atmel-Controller-Board ein derTemperatur äquivalentes 8-Bit Wort anzubieten.

2.1. 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 benötigtennegativen Spannung.

- LM7805 zur Stabilisierung der Eingangsspannung auf 5 Volt.

- ULN 2803 8-fach-Treiber, zur Visualisierung des Wandlerwertesmittels 8 Leuchtdioden.

2.2. Technische Daten

Betriebsspannung (vom µC) 5V

Betriebsspannung (externe Versorgung) 7-20V=

Stromaufnahme max. 20mA

Messbereich -30°C bis +97°C

Auflösung 0,5°C

Genauigkeit (Sensor) ¼°C bei Raumtemperatur, ¾°C übergesamten Bereich

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Blockschaltbild Projektarbeit 2003/2004

3. Blockschaltbild

3.1. Gesamtbeschreibung

Das Blockschaltbild zeigt die verschiedenen Schaltungsteile die auf der Platineuntergebracht sind und die Schnittstellen die zur Anbindung an dasMikrocontrollersystem, den Sensor und das Netzteil vorhanden sind.

Die komplette Schaltung wird normalerweise vom Mikrocontrollersystem mit Stromversorgt. Alternativ kann die Schaltung jedoch auch extern mit einem handelsüblichenSteckernetzteil betrieben werden. Die für den A/D-Wandler und den Messverstärkernotwendige negative Spannung wird intern mit einem speziellen IC erzeugt.

Beim Sensor handelt es sich um einen Halbleitertemperaturfühler der mit dreiDrähten an die Platine angeschlossen wird. Das analoge Signal wird vomMeßverstärker 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. DerA/D-Wandler setzt den Analogwert vom Ausgang des Messverstärkers in einen 8-BitDatenbyte um und stellt es auf Anforderung am seinem Ausgang zur Verfügung.

Um die Funktion der Platine ohne großen Aufwand testen zu können wurde eineLED-Anzeige integriert. Sie zeigt den Status der acht Datenbit an die auch amInterface zum Mikrocontroller anliegen. Zur Steuerung des Wandlervorgangs werdennoch einige Steuerleitungen benötigt, diese sind am zweiten Port des Interfaceangeschlossen.

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Aufbau der Spannungsversorgung Projektarbeit 2003/2004

4. Aufbau der Spannungsversorgung

Die auf dem Print realisierte Spannungsversorgung lässt zum einen den„Stand-alone“-Betrieb ohne Controllerbord zur Inbetriebnahme zu, ist zum anderenauch dazu geeignet, ohne zusätzliche Spannungsversorgung über die Portsteckerdes Atmel Controllers mit versorgt zu werden.

Mit dem Schalter JP3 kann die jeweilige Versorgungsquelle ausgewählt werden.

Wird die externe Versorgung über einSteckernetzteil eingeschaltet, gelangt dieVersorgungsspannung über die Diode D1 / 4148zum Festspannungsregler.

D1 schützt die Elektronik vor einer falsch gepoltenEingangsspannung. C5 glättet die eventuell nochvorhandenen Brummspannung, C2 und C3 hindernden Festspannungsregler 7805 daran,aufzuschwingen. C9 puffert letztendlich dieaufbereitete 5Volt-Versorgung. Die 78xx-Serie istein Klassiker unter den Spannungsregler. ImTO220-Gehäuse befinden sich eineSpannungsreferenz, Längstransistor undSchutzschaltungen, die den Regler vor demHitzetod bewahren und die Stromentnahme auf 1 Abegrenzen.

Der von uns verwendete AD-Wandler ZN 427 benötigt für seine Arbeit eine negativeVersorgungsspannung von – 5 V.

Diese Spannung wird mit dem integrierten Baustein ICL 7660 von MAXIM erzeugt.

Dieses IC ist in der Lage durch Umladung vonKondensatoren die positive Eingangspannung zuinvertieren. Die Anzahl der externen Komponentenbleibt dabei erstaunlich gering. Lediglich 3Kondensatoren a’ 10 µF sind für den einwandfreienBetrieb notwendig.

Da die Stromaufnahme im – 5 V Zweig recht geringist, spielt der Innenwiderstand der Ladungspumpe

(ca. 50 Ohm) keine gewichtige Rolle. Bei der Dimensionierung der Schaltung konntedie Standardapplikation aus dem Datenblatt herangezogen werden.

C8 wird dabei für den Umladevorgang benötigt, während C6 die Eingangsspannungstützt, da im Schaltmoment recht große Spitzenströme benötigt werden.

C7 und C4 dienen letztendlich dazu, die negative Ausgangspannung zu puffern undeventuelle Restwelligkeiten zu unterdrücken.

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Timer-IC NE 555 Projektarbeit 2003/2004

5. 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. DieZeitkonstanten werden dabei durch die äußere Beschaltung festgelegt und bewegensich zwischen einer Mikrosekunde und einer Stunde.

Die Abbildung zeigt den Timer in astabilerFunktion. Nach dem Einschalten derBetriebsspannung kippt das Flipflop in seineAusgangslage. Der Ausgang Q führt HIGH-Pegel und der Transistor sperrt. DerKondensator C1 lädt sich über R1 und R2 auf.Erreicht die Spannung am Schwelleneingang2/3 der Betriebsspannung, so setzt derKomparator 2 das Flipflop zurück, der Ausgangdes Timers schaltet auf LOW und der interneTransistor schaltet den Pin 7 an Masse. DerKondensator C1 kann sich nun über R2 gegenMasse entladen. Dabei sinkt die Spannung amTriggereingang Pin 2. Erreicht die Spannung

des Kondensators am Triggereingang ein Drittel der Betriebsspannung, setzt derKomparator 1 das Flipflop und der Ausgang führt wieder HIGH-Pegel.

Der interne Transistor sperrt und der Kondensator kann sich erneut aufladen. DieLadung des Kondensators pendelt so zwischen 1/3 und 2/3 der Betriebsspannung.Das entstehende Rechtecksignal ist nicht symmetrisch, da sich der Kondensator C1über R1 und R2 auflädt, während beim Entladen nur R2 wirksam ist. Der Kondensatorentlädt sich daher schneller als er aufgeladen wird. Das bedeutet, dass die HIGHPhase am Ausgang länger ist als die LOW Phase. Die Frequenz der entstehendenWechselspannung ist abhängig von der Lade- und Entladezeit des Kondensators C1und damit von R1, R2 und C1. Durch eine Spannung am Pin 5, die von 2/3 derBetriebsspannung abweicht, kann die Frequenz zusätzlich beeinflußt werden. Einehöhere Spannung am Pin 5 bedeutet eine längere Lade- und Entladezeit desKondensators C1 und eine niedrigere Ausgangsfrequenz. Eine niedrigere Spannungam Pin5 bewirkt dagegen eine höhere Ausgangsfrequenz.

5.1. 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 ) - 5797 = 2,898k ==> gewählt 3,3k

T = 0,69 * ( R1 +2 * R2 ) * C1

T =1ms==> 1kHz

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Sensor und Meßverstärker Projektarbeit 2003/2004

6. Sensor und Meßverstärker

Der in diesem Projekt verwendete Temperaturfühler LM35 begnügt sich mit nur dreiAnschlüssen und bietet darüber hinaus hervorragenden Eigenschaften bezüglichGenauigkeit(+/-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 demnachtheoretisch 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, istes 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 dennachgeschalteten Impedanzwandler gepuffert. IC 5b hat nun die Aufgabe, dieAusgangsspannung des Temperatursensors an den maximalen Eingangs-spannungswert des AD-Wandlers von 2,56 Volt anzupassen. Mit Poti P2 kann die Verstärkung eingestellt werden.

6.1. Abgleich der Schaltung

Der Abgleich der Schaltung gestaltet sich recht einfach, zumal der Wert desAD-Wandlers direkt an den LEDs betrachtet werden kann.

Zunächst wird der Nullpunkt (Messung 0° C) eingestellt. Bei dieser Temperatur stelltsich am Sensor eine Ausgangsspannung von 0 Volt ein. Diese Temperatur kann mitSchalter JP4 „simuliert“ werden, in dem Pin 5 und Pin 6 von IC 5b auf das gleichePotential 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 „00111101“ einstellen (61 dezimal), dies entsprichtdem Wandlerwert im Gefrierpunkt.

Nun den Schalter JP4 nach rechts schieben und damit den Temperaturfühler an denMessverstärker ankoppeln.

Mit dem Poti P2 kann jetzt die aktuelle Temperatur eingestellt werden, ein separatesThermometer als Referenz ist dabei sehr nützlich.

Poti P2 nun so lange justieren, bis die angezeigte Temperatur, der aktuellenZimmertemperatur entspricht, bei 21 °C z.B. die Bitkombination „01100111“ (103 dezimal).

Damit ist die Temperaturmessung einsatzbereit.

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AD-Wandler Projektarbeit 2003/2004

7. 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-StateAusgängen zum einfachen anschließen an einen gemeinsamen Datenbus. Das ICenthält ein R2R-Netzwerk mit Spannungsschaltern, einen schnellen Komparator, einSukzessive-Approximations-Logik und eine Pin-optionale 2,56V Präzisions-Spannungsreferenz. Statt der internen Referenz kann eine externe variable oder festeReferenz angeschlossen werden.

Zum Betrieb des Wandlers werden nur noch passive externe Bauteile benötigt.

Der in der Schaltung eingesetzte Wandler arbeitet mit der internen Referenz, diedurch eine Bücke an Pin 7 und Pin 8 mit den Spannungsschaltern verbunden ist. DerWandler ist wahlweise im Stand-Alone-Betrieb oder an einem Mikrocontroller-Systemzu betreiben. Im Stand-Alone-Betrieb wird Pin 1 (Busy) mit Pin 2 (RD) gebrückt, Pin 1gibt somit automatisch die 8 Datenausgänge nach einer kompletten Wandlung frei.Die Wandlung wird durch eine negative Flanke an Pin 4 (WR) gestartet. Wenn derWandler an ein Mikrocontroller-System angeschlossen ist werden die dreiSteuerleitungen vom Mikrocontroller bedient.

Zur Kontrolle des Daten-Bytes ist ein ULM2803 an die Datenleitungen angeschlossender als Treiber für die acht Anzeige-LEDs dient. Die Anzeige-LEDs können durcheinen Jumper zu- oder weggeschaltet werden.

7.3. Interner Aufbau

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Layout und Bestückungsplan Projektarbeit 2003/2004

8. Layout und Bestückungsplan

Das Layout wurde mit EAGLE V4.11 erstellt.

Die Dateien befinden sich auf der Diskette im Anhang.

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Das fertig bestückte Board Projektarbeit 2003/2004

9. Das fertig bestückte Board

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Der Schaltplan Projektarbeit 2003/2004

10. Der Schaltplan

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