Le thermomètre numérique

ENSEIRB
PROJET ANALOGIQUE-NUMERIQUE :
Le thermomètre numérique
Chauvin Caroline
Brion Claire
2003/2004
ENSEIRB
Le thermomètre numérique
Sommaire
Sommaire .............................................................................................................................................. 2
Introduction ........................................................................................................................................... 2
I. Partie Analogique............................................................................................................................... 3
1 Principe de fonctionnement............................................................................................................ 3
2 Etude du CAN ................................................................................................................................ 4
a. Tensions d’entrée....................................................................................................................... 4
b. Choix des composants de l’intégrateur ..................................................................................... 5
3 Etude de l’interrupteur (HEF4052B).............................................................................................. 5
4 Etude du montage astable (horloge)............................................................................................... 6
5 Etude du capteur de température (LM35). ..................................................................................... 7
6 Etude de l’afficheur 7 segments. .................................................................................................... 7
II. Partie Numérique.............................................................................................................................. 8
1 Principe de fonctionnement............................................................................................................ 8
2 Les compteurs ................................................................................................................................ 8
3 Commande de l’interrupteur .......................................................................................................... 9
4 Mémorisation de la température................................................................................................... 10
5 Affichage...................................................................................................................................... 11
6 Simulation .................................................................................................................................... 15
Conclusion........................................................................................................................................... 16
Introduction
Le but de ce projet est de réaliser un thermomètre numérique, affichant la température sur 3 digits
(afficheur 7 segments), avec une résolution de 0,1 °C. La plage de mesure s’étendra de –40 °C à
+59,9 °C.
Cahier des charges :
- Le capteur sera un LM35, fournissant une tension de sortie proportionnelle à la température
(échelle 10 mV/°C).
- La conversion analogique-numérique se fera grâce à un CAN double rampe.
- La température affichée sera rafraîchie toutes les secondes.
- La conversion pourra être effectuée en BCD.
- La partie numérique pourra être implémentée dans un FPGA XILINX.
- L’alimentation se fera en +5 V et –5 V.
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I. Partie Analogique
1 Principe de fonctionnement
Le schéma de principe du CAN double rampe est donné figure 1, et sa courbe caractéristique (Vs en
fonction du temps) figure 2.
C
Ve
R
Vref
Vs
compteur
Logique de
commande
Figure 1 : Schéma du CAN double rampe
Vs
Vmax
T1
T2
t
Figure 2 : Courbe de réponse du CAN double rampe
Principe de fonctionnement :
Ve
.
RC
Lorsque Vs devient positif, le compteur compte pendant un temps déterminé T1 (correspondant à un
nombre entier de périodes). Au bout de ce temps, une logique de commande fait basculer la tension
d’entrée à Vref, qui est intégrée jusqu’à ce que Vs devienne négative. Alors le compteur arrête de
compter et mémorise le temps T2, directement proportionnel à Ve grâce à la relation :
T2= T1 Ve
−Vref
Vref
Ve
T2
car on a : V max =
T1 = −
RC
RC
En début de conversion, l’intégrateur transforme Ve (tension continue) en une rampe de pente
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Ce principe ne peut être appliqué seulement dans le cas des températures positives (Ve<0). En effet,
dans le cas des températures négatives, il faut une tension Vref positive, et non négative, et les deux
droites présentées sur la figure 2 seront dans l’autre moitié du plan.
Ainsi, la tension d’entrée ne doit plus basculer entre Vref et Ve, mais entre trois tensions : Ve, Vref+
(tension négative, appliquée lorsque Ve est positive) et Vref- (tension positive, appliquée lorsque Ve
est négative)
Schéma de principe
Le schéma de principe de notre projet est ainsi représenté figure 3.
Vref+
Ve’
Vref-
Partie
Numérique
CAN
Afficheur 7 segments
Ve
Horloge :
montage astable
Logique de commande
Figure 3 : Schéma de principe
La partie numérique comprendra donc le compteur, la gestion des signaux envoyés à notre afficheur,
ainsi que la gestion de la logique de commande.
2 Etude du CAN
Un rappel du schéma de principe du CAN double rampe est donné figure 4.
C
Ve
R
Vref+
Vs
Vref-
compteur
Logique de
commande
Figure 4 : Schéma du CAN double rampe
a. Tensions d’entrée
-
Ve :
La température mesurée doit être comprise entre –40 et 59,9 °C, la tension d’entrée sera donc
comprise entre –0,4 et 0,6 V
Notre montage sera alimenté entre –5 et +5 V, nous pouvons donc amplifier notre tension
d’entrée d’un facteur 5 sans avoir de saturation, ce qui augmenterait la sensibilité du montage à la
température.
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Ainsi, Ve sera comprise entre –2 et +3 V
Le montage de l’amplificateur par 5 est représenté figure 5.
1,2kΩ
Ve
Ve’
0,3kΩ
Figure 5 : Amplificateur par 5
-
Vref :
Dans le cas où Ve serait positive, n a la relation suivante :
T2 =
T1
Ve ,
− Vref +
⎧ Ve = 5 × Vmesurée
où ⎨
⎩T 2 = 10 × Vmesurée
T1
100
Ve =
× 5 × Vmesurée
Ainsi, on a : − Vref + =
T2
100 × Vmesurée
soit Vref + = −5V
De même, dans le cas où Ve serait négative, on a
Vref − = +5V
b. Choix des composants de l’intégrateur
On veut un rafraîchissement de la mesure toutes les secondes. Si on prend T1=0,5s, alors le temps de
rafraîchissement sera compris entre 0,5s et 1s, ce qui est convenable.
Afin de rester dans la zone linéaire de l’intégrateur, il faut T1<3τ=3RC. On a donc choisi T1=RC.
Ainsi, RC=0,5, et les valeurs les meilleures pour R et C les suivantes :
R=1MΩ
C=470nF
3 Etude de l’interrupteur (HEF4052B)
L’interrupteur sert à mettre en entrée du CAN, soit Ve’, soit Vref-, soit Vref+, en fonction du signe
de Ve.
Pour cela, il reçoit une commande de la part du FPGA lui disant quel signal envoyer. Pour cela, il
faudra comparer la tension Ve (ou Ve’, grâce à un comparateur) à zéro et envoyer le résultat dans le
FPGA.
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Comme interrupteur, nous utiliserons le HEF4052B, qui est un double multiplexer 4 canaux, dont le
schéma est donné figure 6.
A0
A1
0
1
4x 0
3
G1
Ve’
0
Vref+
Vref-
1
2
3
Vers le CAN
0
1
2
3
Figure 6 : Schéma du multiplexer
Ici, nous n’utilisons que 3 canaux sur 8.
L’entrée G1 n’autorise aucun signal en sortie lorsqu’elle est au niveau haut, elle est donc mise à la
masse (niveau bas).
Les entrées A0 et A1 viennent de la sortie du FPGA.
La table de vérité de cet interrupteur est la suivante :
A0
0
1
0
1
Entrées
A1
0
0
0
1
Sortie
Ve’
Vref+
VrefRien
4 Etude du montage astable (horloge).
Avant tout, il faut trouver la période de notre montage.
On sait que T1=0,5 s, et qu’il faut qu’il corresponde à une période entière de comptage. Nos
compteurs sont synchrones, et ils peuvent compter jusqu’à 99,9. Ainsi, si Th est la période de
l’horloge, on doit avoir T1=100×Th, soit Th=0,5 ms
Ainsi, il faut une fréquence d’horloge de Fh=2 kHz
Le schéma de notre astable est représenté figure z.
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R2
R1
+
V
-
V
R3
VH
Ca
Figure 7 : Schéma du montage astable
On sait que la période du signal carré en sortie de l’astable est donnée par la relation suivante :
Th = 2Ca R2 ln 1+ 2 R1
R3
Ainsi, il suffit de prendre :
)
(
R1=R2=R3=10 kΩ
Ca=0,022 µF
5 Etude du capteur de température (LM35).
Notre capteur fonctionne selon le schéma présenté figure 8.
+Vs
-Vout
LM35
R
-Vs
Figure 8 : Schéma du capteur de température
D’après la data sheet du composant, ou doit avoir R =
Vs
, on a donc choisi R=100 kΩ
50 µA
6 Etude de l’afficheur 7 segments.
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II. Partie Numérique
1 Principe de fonctionnement
La température doit s’afficher sur trois digits avec une précision de 0,1°C, on prendra
donc trois compteurs, un pour les dizaines, un pour les unités et le dernier pour les dixièmes. Lorsque
le compteur déborde, on commute l’interrupteur de l’entrée à une des deux tensions de référence
(selon que la tension d’entrée est positive ou négative). On le commute dans le sens inverse lorsque
le signal en sortie du CAN change de signe. Il faut alors retenir la sortie des compteurs et l’afficher
le temps d’une nouvelle mesure.
2 Les compteurs
On branche trois compteurs BCD, synchrones, les uns derrières les autres, sur la
même horloge, le CEO (clock enable output) du premier étant relié au CE du second, et le CEO du
second sur le CE du troisième.
Ainsi, le premier compteur s’incrémente à chaque coup d’horloge (pour les dixièmes), le
second dès que le premier déborde (pour les unités), et le dernier quand le second déborde à son
tour (compteur des dizaines).
Leur RAZ (remise à zéro) sont également reliées.
On obtient le schéma suivant :
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3 Commande de l’interrupteur
L’interrupteur doit commuter dans deux cas : si le compteur déborde et si la sortie du
CAN change de signe. Le débordement du compteur est déjà donné dans le schéma précédent.
La sortie du CAN change en fait de signe deux fois en peu de temps : la première fois en
passant naturellement par zéro, la seconde en commutant l’interrupteur et donc en forçant le signal à
repartir en sens inverse. Il ne faut tenir compte que du premier changement de signe pour notre
programme, on vérifiera donc à chaque fois, non seulement que le signal à changer de signe mais
aussi qu’il était stable du point de vue de son signe depuis un certain temps.
En pratique, il faut, pour une température positive, que la sortie du CAN soit négative à
l’instant t et positive aux instants t-1 et t-2. Pour plus de sûreté, nous regardons les valeurs sur quatre
coups d’horloge, de la façon suivante :
Le débordement du compteur se fait lorsqu’il arrive à 9. Dans notre cas, il faut que
l’interrupteur reste en position pendant toute une phase, il faut donc retenir qu’on est dans le
débordement du compteur jusqu’à la remise à zéro du compteur. Pour cela, on utilise une bascule D
synchronisée sur l’horloge qui renvoie le débordement lorsqu’on a la RAZ ou le débordement activés
(pour qu’il commence bien au moment même où le compteur repart à zéro, et pas avant). On a donc :
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Enfin selon le signe de la tension d’entrée, on commute l’interrupteur vers la tension de
référence positive ou négative, d’où :
4 Mémorisation de la température
On ne peut pas afficher la température en continu car l’affichage évoluerait sans cesse.
Il faut donc mémoriser la température à afficher pendant toute la durée de la mesure. On utilise à
nouveau des bascules D, synchronisées sur l’horloge et réglées par la RAZ du compteur. Ainsi, on
mémorise la donnée du compteur juste avant que celui-ci soit remis à zéro. On a donc :
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5 Affichage
La température s’affiche sur quatre afficheurs sept segments à anode commune, dont
un pour le signe moins. La virgule et le signe moins sont affichés en continu (s’il y a lieu pour le
moins). Il nous faut donc pour afficher : 3x7(segments)+3(anodes)+2(moins)+1(virgule)= 29 fils.
Pour limiter le nombre de fils entre notre carte imprimée et la carte de l’afficheur, nous utilisons un
multiplexeur.
Le multiplexeur permet d’afficher à chaque coup d’horloge une information différente sur un
afficheur différent. On utilise un compteur binaire synchronisé sur l’horloge qui compte jusqu’à trois
et on le remet à zéro dès qu’il arrive à 2. Ainsi, quand le compteur est à 0, on affiche le résultat du
compteur des dixièmes et on alimente l’afficheur correspondant, à 1 on affiche de même les unités et
à 2 les dizaines.
Le schéma est le suivant :
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Le signal est prêt à être affiché, il suffit à présent d’associer à chaque chiffre les segments qui
correspondent, avec un automate. Un afficheur est symbolisé comme suit :
Pour afficher un
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
a
f
g
e
b
c
d
il faut alimenter les segments a, b, c, d, e et f
b et c
a, b, d, e et g
a, b, c, d, g
b, c, f et g
a, c, d, f et g
a, c, d, e, f et g
a, b et c
a, b, c, d, e, f et g
a, b, c, d, f et g
On obtient les tables de vérités suivantes :
Pour a :
Pour b :
Bits de poids faibles C et D
Bits de 00
poids
01
Fort
11
A et B
10
00
01
11
10
1
0
Ø
1
0
1
Ø
1
1
1
Ø
Ø
1
1
Ø
Ø
Pour c :
00
01
11
10
00
1
1
1
1
01
1
0
1
0
11
Ø
Ø
Ø
Ø
10
1
1
Ø
Ø
00
01
11
10
Pour d :
00
01
11
10
00
1
1
1
0
00
1
0
1
1
01
1
1
1
1
01
0
1
0
1
11
Ø
Ø
Ø
Ø
11
Ø
Ø
Ø
Ø
10
1
1
Ø
Ø
10
1
1
Ø
Ø
CHAUVIN Caroline
BRION Claire
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Pour e :
Pour f :
00
01
11
10
00
1
0
0
0
1
01
1
1
0
1
Ø
Ø
11
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
10
1
1
Ø
Ø
00
01
11
10
00
1
0
0
1
01
0
0
0
11
Ø
Ø
10
1
0
Pour g :
On obtient les équations suivantes :
a = BD + AC +BD + AB
00
01
11
10
b = B + CD + CD
00
0
0
1
1
c=C+B+D
01
1
1
0
1
11
Ø
Ø
Ø
Ø
d = BD + CDB + CDB + AB + CD
10
1
1
Ø
Ø
e = BD + CD
f = CD + AB + BC + BCD
g = CD + AB + BC + BCD
L’automate est donc constitué comme suit :
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BRION Claire
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6 Simulation
Une fois le schéma numérique réalisé sous mentor, nous avons simulé son fonctionnement.
Pour cela, nous avons considéré que la température était positive et que la forme du signal sortant de
l’intégrateur du CAN était la suivante :
Vs
Pente :
-Vref/RC
Vmax
Pente :
Ve/RC
t (s)
0
T= 0,5
T1
Pour notre simulation, nous avons pris T1= 0,8s, ce qui correspond à une température
de 60°C. Nous avons mis les chronogrammes obtenus et leurs commentaires en annexe.
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BRION Claire
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Conclusion
Le schéma final de ce montage est donné en Annexe 8, le schéma de notre plaque en Annexe 9, et les
masques nous ayant servi à la réalisation du circuit imprimé en Annexe 10.
CHAUVIN Caroline
BRION Claire
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