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Théorie du Thermomètre

Note : J'appelle CAN  un Convertisseur Analogique - Numérique

1) Caractéristiques du capteur de température LM 35 DZ :

1.gif (3337 octets)   

Caractéristiques principales :
Plage de la tension d'alimentation 0,2 Volt à 35 Volts
Sensibilité 10 mV / °C
Précision +/- 0,5°C (à 25°C)
Type de boîtier TO 92

broc.jpg (2109 octets)

Brochage du capteur :
Broches Désignation
1 Alimentation du capteur
2 Sortie du potentiel proportionnel à la température
3 Masse du capteur

 

2) Calcul des caractéristiques du montage pour une variation pleine échelle du CAN :

     J'ai choisi une plage de mesure comprise entre -10°C et +54°C avec une résolution de
0,25°C par quantum pour un convertisseur 8 bits.
     Ainsi  28  = 256 pas de quantifications.

     Afin d'obtenir une variation pleine échelle comprise entre 0 volt et 5 volts à l'entrée du CAN , le potentiel issus du capteur LM35 doit subir une amplification tel que :



dans laquelle : "4" correspond au nombre de quantum "q" pour 1°C, tel que 4q = 1°C,
"q" le quantum du CAN tel que q = 5 / 256 = 19,53 mV,
et 10
E -3 représente la résolution (facteur d'échelle) du capteur LM35.

 

3) Problèmes liés au traitement de températures négatives :

     Relation linéaire du capteur de température LM35 :

    Le capteur LM35 dispose d'une caractéristique linéaire Vcapteur = f (T°) suivante :

2.gif (2572 octets)

 

     Gestion des températures négatives avec un LM35 :

    La caractéristique T=f (V)   du capteur de température LM35 possède un point d'arrêt  pour une température de 0°C. Cela s'explique par la caractéristique intrinsèque du capteur traitant  seulement les températures positives.

   Or, si l'on souhaite mesurer une plage de température comprise entre -10°C à 0°C et 0°C à 54°C, il est nécessaire d'effectuer un changement de repère sur la caractéristique du capteur ci-dessus. En électronique, ce changement de repère revient à déplacer le point de fonctionnement du LM35 par l'ajout à la tension de sortie du capteur (proportionnelle à la température), une nouvelle tension continue appelée Offset. Toutefois dans cette application cette technique est moins évidente à comprendre et à expliquer !

   Voir le synoptique ci-dessous :

3.gif (2342 octets)

 attention.gif CLIQUEZ SUR L'IMAGE CI-DESSUS POUR L'AGRANDIR attention.gif

 

     Détermination de la tension d'offset  permettant une mesure comprise entre -10°C à 54°C :

    Nous devons faire en sorte d'obtenir un potentiel à l'entrée du CAN de 0 volt pour une température mesurée de -10°C (la plage de conversion du CAN est comprise entre 0 volt et 5 volts).

     square04_yellow.gif Connaissant le facteur d'échelle du capteur (10mV / °C), nous pouvons écrire :

-10°C x sensibilité = -10°C x 10E -3 = -100 mV.

     Sa valeur absolue est donc de 100mV.


     square04_yellow.gif Sachant que nous disposons d'un facteur d'amplification
A=7,812 :

100E -3 x A = 100 E -3 x 7,812 = 781 mV.

     square04_yellow.gif Ainsi, la tension d'offset introduisant le décalage sera de : Voffset = 781 mV.

     Cette tension d'offset permet de déplacer le point de fonctionnement (polarisation déplacée) du capteur LM35, de telle sorte qu'il délivre un potentiel toujours positif pour des températures comprises entre -10°C et 0°C.

     Ceci revient à introduire un changement de repère sur la caractéristique du capteur tel que :


     N'oubliez pas que c'est le point de fonctionnement du LM35 qui a été déplacé de telle sorte que nous obtenions 100mV pour une température intrinsèque de 0°C.

     Ainsi la relation linéaire s'écrit désormais :
Vcapteur intrinsèque = 10mV x T°C + 100 mV.      Néanmoins, ce potentiel est une vue de l'esprit car il est en pratique non mesurable car toujours associé à Voffset !

     De part ce stratagème (point de fonctionnement déplacé) la "négativité" de la tension intrinsèque du capteur pour T°= -10°C est toute relative, car elle ne signifie en fait rien de plus que la tension présente sur la broche 2 du capteur se situe à un potentiel inférieur de 100mV à celle existante sur la broche 3.

     square04_yellow.gif Notre plage de mesure sera donc comprise entre -10°C et +54°C.

 

4) Chaîne d'acquisition placée entre le LM35 et le CAN du 68HC11F1:

      Schéma réel de la chaîne d'acquisition :

5.gif (15325 octets)
 

      Schéma équivalent de la chaîne d'acquisition :

     Voici les différents potentiels théoriques du schéma équivalent. C'est une vue de l'esprit car en fait Vcapteur intrinsèque et Vdiff ne sont dans la pratique pas mesurable. En effet, le premier potentiel est toujours associé à Voffset et pour le second il fait partie intégrante de l'étage "ampli de différence".

T°C

Vcapteur intrinsèque

Vcapteur + Voffset

Vdiff

Vout

54°C

640mV

1,421V

640mV

5V

50°C

600mV

1,381V

600mV

4,68V

40°C

500mV

1,281V

500mV

3,90V

30°C

400mV

1,181V

400mV

3,12V

20°C

300mV

1,081V

300mV

2,34V

10°C

200mV

981mV

200mV

1,56V

0°C

100mV

881mV

100mV

781mV

-10°C

0V

781mV

0V

0V


      
L'amplification "A" est réalisée à partir d'un amplificateur opérationnel monté en ampli de différence non-inverseur.

    On remarque que la valeur pratique de A = 7,653  diverge très légèrement de la valeur théorique A=7,812 déterminée plus haut dans cette page. Cependant, cette petite variation est douze fois plus petite que la valeur du quantum du CAN. Ainsi, son influence peut être considérée comme négligeable...

        La relation générale entrée - sortie de la chaîne d'acquisition peut donc s'écrire sous la forme suivante :


dans laquelle : 1+ (R7/R6) = 7,653 en pratique et 7,81 en théorie;
Vcapteur la tension en sortie intrinsèque du LM 35 proportionnelle à la température.

 

5) Affichage multiplexé et luminosité des afficheurs :

    Trois afficheurs sept segments (DIGIT1, DIGIT2, DIGIT3) ont leurs broches distinctes reliées les unes aux autres vers le PORTF du 68HC11F1. Cette disposition permet de limiter le nombre de connexions entre les afficheurs et le microcontrôleur et simplifier ainsi, le routage du circuit imprimé. La commande multiplexée de chaque afficheurs se fait par le PORTB au travers des transistors drivers T1, T2 et T3.

6.gif (23933 octets)

 

    Afin de piloter chaque afficheurs séparément, les transistors T1, T2 et T3 seront saturés individuellement durant un instant suffisamment long pour permettre un éclairage suffisant des diodes électroluminescentes. Inversement, il sera suffisamment court pour que la persistance rétinienne ne puisse discerner le multiplexage des afficheurs. Ce sont les broches B0, B1 et B2 du PORTB qui commandent ce multiplexage de la manière suivante :

7.gif (3355 octets)

 

    Le transistor T6 permet de réduire le courant circulant dans les afficheurs et toutes les leds (In, Out)  au moyen de la résistance R27.

8.gif (16343 octets)

 

    Ainsi, l'illumination est réduite lorsque la lumière ambiante (jour / nuit) est devenue insuffisante.  La LDR fait varier le potentiel d'un diviseur de tension comme ci-dessous. La tension résultante est acheminée sur la troisième entrée du CAN (E2 du PORTE) afin d'être traitée par le programme.

9.gif (2908 octets)
 

 


 


 

 

 


 


 


 



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