Высокоточный регулятор температуры: 6 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

В науке и инженерии отслеживание температуры, также называемое движением атомов в термодинамике, является одним из фундаментальных физических параметров, которые следует учитывать почти везде, начиная от клеточной биологии и заканчивая твердотопливными ракетными двигателями и тягами. В компьютерах и практически везде, где я забыл упомянуть. Идея этого инструмента была довольно простой. При разработке прошивки мне потребовалась тестовая установка, где я мог бы протестировать прошивку на наличие ошибок, а не наши продукты, которые вручную созданы техническими специалистами, чтобы не вызывать каких-либо неисправностей, связанных с вышеупомянутым. Эти инструменты имеют тенденцию к нагреванию, и поэтому необходим постоянный и точный мониторинг температуры, чтобы поддерживать все части инструмента в рабочем состоянии и, что не менее важно, работать безупречно. Использование термисторов NTC для решения этой задачи имеет несколько преимуществ. NTC (отрицательный температурный коэффициент) - это специальные термисторы, которые изменяют сопротивление в зависимости от температуры. Эти NTC в сочетании с методом калибровки, обнаруженным Стэнли Харт и Джоном Стейнхартом, как описано в статье «Deep-Sea Research 1968 vol.15, pp 497-503 Pergamon Press», являются лучшим решением в моем случае. В статье обсуждаются методы измерения температуры в широком диапазоне (сотни градусов Кельвина…) с помощью таких устройств. В моем понимании, исходя из инженерного образования, чем проще система / датчик, тем лучше. Никто не хочет иметь что-то сверхсложное под водой на километровой глубине, что может вызвать проблемы при измерении температуры только из-за своей сложности. Я сомневаюсь в том, что датчик будет работать аналогичным образом, возможно, термопара будет, но для этого требуется некоторая вспомогательная схема, и это для случаев крайней точности. Итак, давайте воспользуемся этими двумя при разработке системы охлаждения, которая имеет несколько проблем. Вот некоторые из них: уровень шума, эффективная выборка значения в реальном времени и, возможно, все вышеупомянутое в простом и удобном пакете для облегчения ремонта и обслуживания, а также затраты на единицу. По мере написания прошивки настройка все больше и больше улучшалась. В какой-то момент я понял, что он может стать самостоятельным инструментом из-за своей сложности.

Шаг 1. Калибровка температуры по Steinhart-Hart

В Википедии есть хорошая статья, которая поможет рассчитать коэффициенты термистора в зависимости от необходимой температуры и диапазона термистора. В большинстве случаев коэффициенты сверхмалые и им можно пренебречь в уравнении в его упрощенной форме.

Уравнение Стейнхарта – Харта представляет собой модель сопротивления полупроводника при различных температурах. Уравнение:

1 T знак равно A + B пер (R) + C [пер ⁡ (R)] 3 { Displaystyle {1 / над T} = A + B / ln (R) + C [ln (R)] ^ { 3}}

куда:

T { displaystyle T} - температура (в Кельвинах) R { displaystyle R} - сопротивление при T (в омах) A { displaystyle A}, B { displaystyle B} и C { displaystyle C} равны коэффициенты Стейнхарта – Харта, которые меняются в зависимости от типа и модели термистора и интересующего температурного диапазона. (Наиболее общая форма применяемого уравнения содержит [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ln (R)] ^ {2}}

член, но им часто пренебрегают, потому что он обычно намного меньше, чем другие коэффициенты, и поэтому не показан выше.)

Разработчики уравнения:

Уравнение названо в честь Джона С. Стейнхарта и Стэнли Р. Харта, которые впервые опубликовали это соотношение в 1968 году [1]. Профессор Стейнхарт (1929–2003), член Американского геофизического союза и Американской ассоциации содействия развитию науки, был членом факультета Висконсинского университета в Мэдисоне с 1969 по 1991 год [2]. Доктор Харт, старший научный сотрудник Океанографического института Вудс-Холла с 1989 года и член Геологического общества Америки, Американского геофизического союза, Геохимического общества и Европейской ассоциации геохимии [3], был связан с профессором Стейнхартом в Институте Карнеги. Вашингтона, когда уравнение было разработано.

Использованная литература:

Джон С. Стейнхарт, Стэнли Р. Харт, Калибровочные кривые для термисторов, Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts, Volume 15, Issue 4, August 1968, Pages 497-503, ISSN 0011-7471, doi: 10.1016 / 0011-7471 (68) 90057-0.

«Мемориальная резолюция факультета Университета Висконсин-Мэдисон о смерти почетного профессора Джона С. Стейнхарта» (PDF). Университет Висконсина. 5 апреля 2004 г. Архивировано из оригинального (PDF) 10 июня 2010 г. Проверено 2 июля 2015 г.

"Доктор Стэн Харт". Океанографическое учреждение Вудс-Хоул. Дата обращения 2 июля 2015.

Шаг 2: Сборка: материалы и методы

Чтобы начать сборку, нам нужно проконсультироваться с BOM (Bill on Materials) и посмотреть, какие части мы планируем использовать. Помимо спецификации, потребуются паяльник, пара гаечных ключей, отвертки и клеевой пистолет. Я бы порекомендовал иметь рядом с вами базовые лабораторные инструменты для электроники для удобства.

1. Макетная доска-1
2. ЖК-дисплей Hitachi-1
3. Mean Well 240V >> Блок питания 5В-1
4. Красный светодиод-3
5. Синий светодиод-3
6. Зеленый светодиод-1
7. Желтый светодиод-1
8. Реле OMRON (DPDT или аналогичное 5 Вольт) -3
9. Потенциометр 5КОм-1
10. Резисторы (470Ом) - несколько
11. BC58 Транзистор-3
12. Диод-3
13. Стабилизатор с малым падением напряжения-3
14. Светодиоды SMD (зеленый, красный) -6
15. Микропроцессор MSP-430 (Ti 2553 или 2452) -2
16. Механический переключатель Brake-Before-Make (240V 60Hz) -1
17. Поворотный энкодер-1
18. Держатели пластиковые Ritchco-2
19. Разъемы DIP для микропроцессора MSP-430 -4
20. Кабель электропитания к розетке-1
21. Провода перемычки (разные цвета) - много
22. Датчик NTC, также известный как термистор 4k7, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1- Capacitive Touch BoosterPack (Texas Instruments) -1 (опционально)
24. Охлаждающие вентиляторы (необязательно) на случай, если что-то нужно охладить- (1-3) (необязательно)
25. Радиатор из чистого алюминия с просверленными в нем 5 отверстиями для датчиков NTC-1
26. Пластиковые пластины с просверленными отверстиями - 2 шт.
27. Гайки, болты и несколько шурупов для сборки несущей конструкции-20 (за штуку)
28. Провод к печатной плате монтажная розетка preff_board 2-проводная версия с винтом внутри -1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (опционально), служит вторым передним дисплеем-1

Я знаю, что это довольно большой счет на материалы и может стоить приличной суммы денег. В моем случае я все получаю через своего работодателя. Но если вы, ребята, хотите, чтобы это было дешево, вам не следует рассматривать дополнительные детали. Все остальное легко приобрести в Farnell14, DigiKey и / или в некоторых местных специализированных магазинах электроники.

Я остановился на линейке микропроцессоров MSP-430, потому что они лежали у меня повсюду. Хотя можно легко подобрать RISC MCU "AVR". Что-то вроде ATmega168 или ATmega644 с технологией Pico-Power. Любой другой микропроцессор AVR выполнит эту работу. На самом деле я большой фанат Atmel AVR. И стоит упомянуть, что если у вас технический опыт и вы хотите провести хорошую сборку, не используйте какую-либо плату Arduino, если вы можете программировать автономные AVR, это было бы намного лучше, если нет, тогда попробуйте запрограммировать CPU и встроить в устройство.

Шаг 3: Сборка: Пошаговая пайка и сборка…

Начальная сборка или пайка из мельчайших деталей - хорошее начало. Начнем с компонентов smd и проводки. Сначала припаяйте шину Power-Bus, где-нибудь, как я сделал на своей сборной плате, а затем сделайте ее длиннее таким образом, чтобы все части на сборной плате могли легко получить доступ к Power-Bus без каких-либо изменений маршрута или осложнений. Я использовал провода по всей сборной плате, и это выглядит довольно безумно, но позже можно будет спроектировать правильную печатную плату, как только прототип заработает.

• припаять детали SMD (для индикации питания MCU MSP-430, между Vcc и GND)
• припаять силовую шину и проводку (проложить так, чтобы она подавала питание на MSP-430)
• припаять всевозможные разъемы DIL (для подключения микросхем MSP-430 x 2
• припаять стабилизаторы напряжения с малым падением напряжения с подходящей опорой (конденсаторы, для мощности 5 >> падение 3,3 В)
• припаять транзисторы, резисторы и диоды для реле и взаимодействия с микроконтроллером.
• припаять потенциометр 10 кОм для регулировки яркости ЖК-дисплея.
• припаять светодиоды рядом с реле, двухпозиционный индикатор красный / синий (синий = включен, красный = выключен).
• припаиваем блок питания Mean Well 240Volts >> 5 Volts с его разъемами.
• Припаяйте синий механический переключатель (прерывание перед включением) рядом с источником питания.

Припаиваем все остальное, что осталось. Я не создал правильную схему из устройства просто из-за нехватки времени, но с электроникой все довольно просто. По окончании пайки все должно быть проверено на правильность соединений, чтобы избежать короткого замыкания линий электропередач.

Пришло время собрать несущую конструкцию. Как показано на рисунках, я использовал 2 пластиковые пластины с просверленными отверстиями размера M3 (по 4 на пластину), чтобы протянуть длинные винты, гайки и шайбы, распорные болты и шайбы идеально подходят для таких соединений. Их нужно затягивать с обеих сторон, чтобы они могли скрепить зеленые пластины.

Заглушку следует вставить между передними шайбами, при этом эти передние шайбы должны быть большого диаметра (до 5 мм), чтобы можно было вставить между ними заглушку и затем затянуть их. Если все сделано правильно, доска будет устойчиво стоять под углом 90 °. Другой вариант удержания его на месте - использование пластиковых держателей для печатных плат Ritcho, установленных на этих распорных болтах под углом 90 °, которые затем помогут вам прикрутить пластмассовые детали к распорным болтам. На этом этапе вы должны быть в состоянии подключить / прикрепить сборную плиту.

После установки монтажной панели следующий ЖК-дисплей (16x2) должен быть установлен. Я использую свой в 4-битном режиме для сохранения GPIO ^ _ ^))))))). Используйте 4-битный режим, иначе вам не хватит GPIO для завершения проекта. Подсветка, Vcc и Gnd припаяны через потенциометр к шине питания. Кабели шины данных дисплея следует припаивать непосредственно к микроконтроллеру MSP-430. Пожалуйста, используйте только цифровой GPIO. Аналоговый GPIO, который нам нужен для NTC. Есть 5 х NTC устройств, так что там туго.

Шаг 4: Завершение сборки и включение

Чтобы установить 5 шт. Датчиков / NTC на радиатор, необходимо выполнить сверление. Проконсультируйтесь с таблицей данных NTC, которую я добавил в качестве рисунка, чтобы узнать диаметры и глубину просверленного отверстия. После этого просверленное отверстие необходимо отрегулировать с помощью инструмента, чтобы он соответствовал головке NTC размером M3. Использование 5 x NTC - это своего рода аппаратное усреднение и сглаживание. MSP-430 имеет АЦП с 8-битным разрешением, поэтому, имея 5-кратные датчики, будет легко усреднить результаты. Мы не размещаем здесь процессоры Ghz, поэтому в нашем мире встроенных систем важна каждая частота процессора. Вторичное усреднение будет выполнено в прошивке. Каждый NTC должен иметь ножки, и чтобы иметь возможность считывать данные через встроенный АЦП, должен быть сформирован делитель напряжения, состоящий из R (NTC) + R (def). Порт АЦП должен быть подключен в центре этих двух резисторов. R (def) - это второй резистор, значение которого должно быть фиксированным 0,1% или лучше, обычно в диапазоне от R (NTC). При желании вы можете добавить OP-Amp для усиления сигнала. Пожалуйста, обратитесь к рисунку в этом разделе, чтобы подключить NTC prpbes.

Когда пайка завершена и проверена, следующим шагом будет установка микроконтроллера MSP-430 в их гнезда DIL. Но заранее их нужно запрограммировать. На этом этапе можно включить устройство (без микроконтроллера) для предварительных тестов. Если все собрано правильно, устройство должно включиться, а реле должны быть в выключенном состоянии, на что указывают красные светодиоды, а вентиляторы должны работать и дисплей должен гореть, но без каких-либо данных, только синяя подсветка..

Шаг 5: пользовательский ввод, поворотный энкодер и бустер емкостного сенсорного ввода

Всегда приятно иметь устройство ввода, которое можно использовать для ввода данных в устройство. Магнитная ручка с постоянными магнитами здесь - хороший выбор. Его задача - ввести температурный порог для вентиляторов, установленных на радиаторном блоке. Это позволяет пользователю вводить новый порог температуры через прерывания. Просто поворачивая влево или вправо, можно складывать или вычитать значения в диапазоне (20–100 ° C). Нижнее значение определяется температурой окружающей среды в помещении.

Эта ручка имеет небольшую схему, которая передает цифровой сигнал на микроконтроллер. Затем логический высокий / низкий уровень интерпретируется GPIO для ввода.

Второе устройство ввода - это емкостный сенсорный бустер Ti. Можно также использовать Booster-pack, но невозможно использовать оба, просто из-за отсутствия GPIO на целевом MCU. Пакет Booster используется для многих GPIO.

На мой взгляд, Knob лучше, чем Booster-Pack. Но хорошо иметь выбор. Если желателен Booster pack, то есть готовая библиотека от Ti для его использования. Я не буду вдаваться в подробности об этом.

Шаг 6: Резюме: измерения температуры окружающей среды и дальнейшие идеи ……

После установки MCU при включении он вас поприветствует и перейдет к измерениям. Прошивка сначала держит вентиляторы в выключенном состоянии. Запускает серию измерений на 5 датчиках NTC, которые затем объединяются в одно абсолютное значение. Затем при достижении этого значения и порога сравнения (пользовательские данные) он включает или выключает вентиляторы (или желаемые устройства, что-либо еще), подключенные к реле DPDT. Учтите, что вы можете подключить к этим 3 реле все, что нужно выключить или выключить. Реле способны пропускать ток 16 ампер, но я не думаю, что стоит начинать использовать такие тяжелые нагрузки на этих выходах.

Надеюсь, эта "штуковина" (^ _ ^) …….. хе-хе будет кому-то полезна. Мой вклад в глобальный коллективный разум ^^).

Интересно, это кто-нибудь попытается построить. Но если они это сделают, я с радостью помогу во всем. У меня есть прошивки в CCS и в Энергии. Пожалуйста, дайте мне знать, ребята, если вам это нужно. Также не стесняйтесь писать мне о вопросах и предложениях. Привет из "солнечной" Германии.