Temperaturmessung via USB

1.Idee oder Wünsche
2.Überlegungen/Alternativen
3.Auswahl und Begründung
4.Blockschaltbild
      4.1.Abbildung
       4.2.Erläuterung
5.Schaltbild + Download
6.Messungen 
7.Bestückungsliste
8.Layout + Bestückungsplan auch als Download
9.Digitalisierung
10. Software
11.Programmierung

Auflagen:
1.  Bilder  bei max. 760 * xxx Pixeln mit max. 100 kB im jpg oder gif Format
     Keine bmp Dateien.
2. Standard- Hintergrund =>  Hex={FF,FF,CC}  sonst passende Farbwahl oder Hintergrundbild
3. Navigation in der Kopfleiste anordnen.
4. im Webordner nur die aktuellen verwendeten Dateien, die Anderen ....
5. Angabe der Quellen
6. Rücksprungfelder einrichten
7. Web-Darstellung max. 1 MB (Ausnahme Software)
    Alle nur zur Webseite benötigten Dateien in einem Web- Ordner unterbringen, alle anderen Dateien in einem allgemeinen Ordner abspeichern!

              Quelle: http://www.berel-am-ries.de/WVSS/FGT/Projektaufgaben/Aufgabenstruktur.htm

1.   Idee oder Wünsche

Im Rahmen eines Projektes des Fachgymnasium für Informationstechnik der Werner-von-Siemens-Schule Hildesheim

sollen wir eine elektrotechnische Schaltung theoretisch planen und später praktisch konstruieren sowie aufbauen. 

Mit dieser Schaltung soll man die Temperatur messen und  später in einen PC einlesen können. Dort soll man mit Hilfe

eines selber geschriebenen Programms die Schaltung verwenden.

Dabei wird eine nicht elektrische Größe (Temperatur) in eine elektrische Größe umgewandelt. Diese Größe soll verstärkt

und danach digitalisiert werden. Die Platine soll man über ein USB-Port an den PC anschließen können. Anschließend

sollen die Daten im Web dargestellt  werden.

2.   Überlegungen/Alternativen

Folgende Alternativen wurden während des Unterrichts gefunden, nicht verwandt, sind aber durchaus denkbar:

2.1.  LPT1-Schnittstelle

Statt die Schaltung über UBS an den PC anzuschließen, könnte man auch die LPT1-Schnittstelle (Druckeranschluss) verwenden. Dies hat aber den Nachteil, dass zusätzlich eine externe Stromversorgung der Platine erforderlich wäre, sowie kleinere Änderungen im Schaltplan.

2.2.  16-Bit-ADC

Statt eines 8-Bit-ADC könnte man beispielsweise einen 16-Bit-ADC verwenden. Dieser könnte einen größeren Temperaturbereich abdecken. Diese Bauteile sind teurer.

2.3.  größerer Verstärkungsfaktor

Man könnte einen größeren Verstärkungsfaktor wählen, um eine genauere Messung zu bekommen, beispielsweise wird beim Verstärkungsfaktor 10 eine Schrittweite von 0,2° erreicht.

 Quelle: http://www.berel-am-ries.de/WVSS/FGT/FGT_2005-2008/JPB/JPB.temperatur.htm

3.   Auswahl und Begründung

Da der Aufbau der Platine im Rahmen des Schulunterrichts stattfand , wurde die Auswahl , bzw. das nicht Verwenden der Alternativen ,aus Kostengründen vorgeschrieben.

4.   Blockschaltbild

4.1.  Abbildung

Download: Blockschaltbild

4.2.  Erläuterung

    Ganz links ist der Trimmer eingezeichnet. Rechts daneben wird der Temperatursensor namens KTY81 dargestellt.

    Sie sind mit einem Verstärker verbunden und liegen an Masse an. Es folgt das USB-Board ( Firma Velleman P8055-1), in

    dem ein Analog-Digital-Wandler steckt, der das bisher analoge Signal in ein digitales Signal umwandelt. Dabei

    bezeichnet seine Bit-Angabe die Anzahl seiner Ausgänge (8 Bit = 8 Ausgänge). Das nun digitalisierte Signal wird per

    USB an einen PC übertragen. Exemplarisch sind auch Tastatur zur Eingabe und Monitor zur Ausgabe eingezeichnet.

    Als Letztes folgt dann die Verbindung mit dem Server mit Hilfe des Internets.

5.   Schaltbild

Download: Schaltbild

6.   Messungen

Verstärkungswiderstand wurde errechnet. 13,9 Fache Verstärkung ~ 14 Fach.

Dem Aufbau folgt eine Messung der Schaltung, um festzustellen, ob sie nach unseren Erwartungen funktioniert.

    (Aufbau und Messung der Schaltung)

Mit der ersten Messung wurde festgestellt, ob die Masse an den Punkten anliegt, an denen sie soll, danach folgte die

Einstellung und das Testen der gleichmäßigen Betriebsspannung, ob es beispielsweise einen Kurzschluss gibt. Danach

wurden die Spannungen nachgemessen ( positive und negative) sowie das Verhältnis der Widerstände. Dann wurde

die Spannung neu eingestellt auf 21° (Raumtemperatur), dafür werden 4,1 V benötigt (2,1V +2V).

Um nun auf 5 V zukommen, musste ich den Wärmesensor erwärmen. Dabei wurden 2 Fehler festgestellt:

Fehler 1: P1 und R4 waren verbunden, dürfen aber nicht, daher wurde die Verbindung weggekratzt.

Fehler 2: Potentiometer: Brücke vom Schleifer zum Ende fehlte, daher wurden die Beiden verbunden.

Nach Behebung der Fehler konnte mit Hilfe eines Temperaturmessers und der Wärme zweier Finger der Wärmesensor auf

ca. 29,07° = 4,966 V erwärmt werden.

                                                                   ( Fertige Platine )

7.   Bestückungsliste

Download: Bestückungsliste 

8.   Layout

Download: Layout-Plan , Layout

Maße 40x50 mm

Dieses Layout ist meine 2te Version. Es wurde der Abstand der Leiterbahnen zwischen R4 und P1 vergrößert.
Dementsprechend habe ich die Leiterbahn zu Pin 7 des OP1 nach oben verschoben, damit ich die Leiterbahn zu R3 und R4 richtig verlegen kann.

9.    Digitalisierung

Die Digitalisierung erfolgt auf dem USB-Board der Firma Velleman im Bereich von 0 bis +5V. Ich habe meine Platine für diesen Vorgang, mit Hilfe des Trimmers, vorbereitet. 

10.   Software

Zu aller Erst haben wir das K8055 USB Experiment Interface Board mit Hilfe eines USB-Übertragungskabel an unseren PC angeschlossen, um das Board auf Funktionalität zu überprüfen. Hierfür haben wir das mitgelieferte Programm installiert.
Um jetzt die Funktionalität zu überprüfen, öffnen wir dieses Programm und verbinden dieses mit unserem USB-Board, indem wir den "Connect-Button" drücken. Das Programm zeigt uns an, dass es mit der "Card 0 connected" ist.
Nun kann man mit Hilfe des Programms testen, ob die Digitalen Ausgänge funktionieren. Hierfür klickt man auf den Button "Set all Digital". Es müssen nun alle Digitalen Ausgang-LEDs leuchten. Um die Ausgänge wieder zu schließen, betätigt man den Button "Clear All Digital".
Das Board verfügt auch noch über 2 analoge Ausgänge, welche man mit Hilfe des Programms aktivieren kann. Wenn man die analogen Ausgänge mit Hilfe des Programms testen will, klickt man auf den Button "Set All Analog". Es sollten nun beide LEDs leuchten. Ausschaltbar sind sie wieder durch den "Clear All Analog" Button.

Das Programm zeigt uns insgesamt 4 Skalen.
2 sind für die analogen Ausgänge(DA1, DA2), 2 sind für die analogen Eingänge(AD1, AD2). Die analogen Ausgänge lassen sich auch manuell steuern, indem man mit der Maus den Zeiger auf der Skala DA1 oder DA2 verstellt. Die LEDs am analogen Ausgang sollten nun verschieden hell leuchten, je nach Skala-Wert.
Die analogen Eingänge lassen sich auch manuell steuern, indem man mit einem kleinen Schraubendreher einen von den Trimmern verstellt. Angezeigt wird dies an den Skalen AD1 und / oder AD2. Zudem kann man die Eingänge frei schalten, indem man die Jumper vor dem jeweiligen Trimmer umsteckt.
Das Programm verfügt außerdem über einen "Output Test" Button. Wenn man diesen Button klickt, durchläuft das Programm jeden digitalen Ausgang  und zwar unendlich lang bis zum wiederbetätigen des Buttons.
Die digitalen Eingänge sind zu überprüfen. Hierfür klickt man mit dem Finger auf einen der 5 Taster auf dem Board. Im Programm sollte nun bei dem jeweiligen Eingang ein Hacken auftauchen, nachdem man auf den Taster gedrückt hat.
Für den 1sten und 2ten digitalen Eingang/Taster befindet sich ein Zähler im Programm, welcher die Anzahl der Tastendrücke zählt.
Der Zähler ist zurücksetzbar im Programm durch den "Reset-Button" unter dem Zählerfeld.
 

11.  Programmierung

Nachdem wir uns mit dem vorgegebenen Programm auseinander gesetzt hatten, versuchten wir das eigentliche Temperaturerfassungsprogramm zu schreiben und zu gestalten. Die Verbindung mit der USB-Schnittstelle des Computers realisierten wir über einen Button, der je nach eingestellter Card Address die Verbindung über den Befehl "Open Device" herstellt. Unsere Platine ist jetzt mit dem PC verbunden. Die eingehende Spannung in Bit´s wird ausgelesen ("ReadAnalogChannel") und von einer "ProgressBar" grafisch bzw. in einem Label als Wert angezeigt. Der in dem Label angezeigte Wert wird nun mit der Formel ((Wert*0.1568627451)-10) in eine Temperatur umgerechnet und in einem Textfeld ausgegeben. Um sicherzustellen, dass die richtigen Spannungen übermittelt werden;

- muss das Poti ATT1 auf dem USB-Board maximal sein
- darf der dazugehörige Jumper SK2 nicht gesetzt sein
- muss die Platine an den analogen Eingang A1 auf dem USB-Board angeschlossen sein
- muss die Versorgungsspannung der Platine 7 V  sowie der Strom 0,1 A betragen

Nun kann man mit Hilfe des Temperatursensors die Funktion des Programms überprüfen.
Die anschließende Prüfung der Funktionen war erfolgreich.

 ´                         nicht angeschlossenes Programm

                        Programm nach Verbinden

                Programm nach Erwärmung des Sensors

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