Augstas precizitātes temperatūras kontrolieris: 6 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:56

Zinātnē un inženierzinātņu pasaulē temperatūras uzskaite (atomu kustība termodinamikā) ir viens no galvenajiem fiziskajiem parametriem, kas jāņem vērā gandrīz visur, sākot no šūnu bioloģijas līdz pat cietās degvielas raķešu dzinējiem un vilces spēkiem. Datoros un būtībā visur, kur aizmirsu pieminēt. Šī instrumenta ideja bija diezgan vienkārša. Izstrādājot programmaparatūru, man bija nepieciešams testa iestatījums, kurā es varētu pārbaudīt programmaparatūru, lai konstatētu kļūdas, nevis mūsu produktus, kurus tehniķi ir darinājuši ar rokām, lai neradītu nekādus darbības traucējumus, kas saistīti ar iepriekš minēto. Šie instrumenti mēdz sakarst, un tāpēc ir nepieciešama pastāvīga un precīza temperatūras kontrole, lai visas instrumenta daļas darbotos un kas būtu ne mazāk svarīgi izcili. Izmantojot NTC termistorus uzdevuma risināšanai, ir vairākas priekšrocības. NTC (negatīvs temperatūras koeficients) ir īpaši termistori, kas maina pretestību atkarībā no temperatūras. Manā gadījumā labākais risinājums ir tie NTC kopā ar Stanely Hart un John Steinhart atklāto kalibrēšanas metodi. Darbā aplūkotas plaša diapazona temperatūras mērīšanas metodes (simtiem Kelvinu …) ar šāda veida ierīcēm. Manā izpratnē, kas nāk no inženierzinātnēm, jo vienkāršāka sistēma/sensors, jo labāk. Neviens nevēlas, lai zem ūdens, kilometru dziļumā, būtu kaut kas īpaši sarežģīts, kas var radīt problēmas, mērot temperatūru tur tikai to sarežģītības dēļ. Es šaubos, vai sensors darbosies līdzīgi, varbūt termopārs to darīs, taču tam ir nepieciešama kāda atbalsta shēma, un tas ir paredzēts ārkārtīgi precīziem gadījumiem. Tāpēc izmantosim šos divus dzesēšanas sistēmas projektēšanai, kam ir vairākas problēmas. Daži no tiem ir: trokšņa līmenis, reālā laika vērtības efektīva paraugu ņemšana un, iespējams, viss iepriekš minētais vienkāršā un ērtajā komplektā, lai atvieglotu remontu un apkopi, kā arī izmaksas par vienību. Rakstot programmaparatūru, iestatījumi tika arvien vairāk uzlaboti un uzlaboti. Kādā brīdī es sapratu, ka tā sarežģītības dēļ tikpat labi varētu kļūt par atsevišķu instrumentu.

1. solis: temperatūras kalibrēšana, ko veic Steinhart-Hart

Vikipēdijā ir jauks raksts, kas palīdzēs aprēķināt termistora koeficientus atkarībā no nepieciešamās temperatūras un termistora diapazona. Vairumā gadījumu koeficienti ir ļoti mazi, un tos var neņemt vērā vienādojumā vienkāršotā formā.

Steinhart -Hart vienādojums ir pusvadītāja pretestības modelis dažādās temperatūrās. Vienādojums ir šāds:

1 T = A + B ln ⁡ (R) + C [ln ⁡ (R)] 3 { displaystyle {1 / over T} = A + B / ln (R) + C [ln (R)]^{ 3}}

kur:

T { displaystyle T} ir temperatūra (Kelvinos) R { displaystyle R} ir pretestība pie T (omos) A { displaystyle A}, B { displaystyle B} un C { displaystyle C} ir Šteinharta - Harta koeficienti, kas mainās atkarībā no termistora veida un modeļa un interesējošā temperatūras diapazona. (Visbiežāk lietotā vienādojuma formā ir [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ln (R)]^{2}}

termins, taču tas bieži tiek atstāts novārtā, jo tas parasti ir daudz mazāks nekā citi koeficienti, un tāpēc tas nav parādīts iepriekš.)

Vienādojuma izstrādātāji:

Vienādojums ir nosaukts Džona S. Šteinharta un Stenlija R. Harta vārdā, kuri pirmo reizi publicēja attiecības 1968. gadā. [1] Profesors Šteinharts (1929–2003), Amerikas Ģeofizikas savienības un Amerikas Zinātnes attīstības asociācijas biedrs, no 1969. līdz 1991. gadam bija Viskonsinas -Madisonas universitātes fakultātes loceklis. [2] Dr Hart, Woods Hole okeanogrāfijas iestādes vecākais zinātnieks kopš 1989. gada un Amerikas Ģeoloģijas biedrības, Amerikas Ģeofizikas savienības, Ģeoķīmisko biedrību un Eiropas Ģeoķīmijas asociācijas biedrs [3] bija saistīts ar profesoru Šteinhartu Kārnegi institūtā. Vašingtonā, kad tika izstrādāts vienādojums.

Atsauces:

Džons S. Šteinharts, Stenlijs R. Hārts, Termistoru kalibrēšanas līknes, dziļjūras pētījumi un okeanogrāfijas kopsavilkumi, 15. sējums, 4. izdevums, 1968. gada augusts, 497.-503. Lappuse, ISSN 0011-7471, doi: 10.1016/0011-7471 (68) 90057-0.

"Viskonsinas-Madisonas universitātes fakultātes piemiņas rezolūcija par emeritētā profesora Džona S. Šteinharta nāvi" (PDF). Viskonsinas Universitāte. 2004. gada 5. aprīlī. Arhivēts no oriģināla (PDF), 2010. gada 10. jūnijā. Iegūts 2015. gada 2. jūlijā.

"Doktors Stens Hārts". Woods Hole okeanogrāfijas iestāde. Skatīts: 2015. gada 2. jūlijs.

2. solis: salikšana: materiāli un metodes

Lai sāktu būvniecību, mums jākonsultējas ar BOM aka (Bill on Materials) un jānoskaidro, kādas detaļas mēs plānojam izmantot. Bez BOM būtu vajadzīgs lodāmurs, pāris uzgriežņu atslēgas, skrūvgrieži un karstās līmes pistole. Ērtības labad es ieteiktu blakus esošus elektronikas laboratorijas instrumentus.

1. Prototipēšanas dēlis-1
2. Hitachi LCD displejs-1
3. Mean Well 240V >> 5V barošanas avots-1
4. Sarkans LED-3
5. Zils LED-3
6. Zaļā gaismas diode-1
7. Dzeltens LED-1
8. OMRON relejs (DPDT vai līdzīgs 5 volti) -3
9. Potenciometrs 5KOhm-1
10. Rezistori (470 omi)-vairāki
11. BC58 tranzistors-3
12. Diode-3
13. Zema pārtraukuma sprieguma regulators-3
14. SMD gaismas diodes (zaļa, sarkana) -6
15. MSP-430 mikroprocesors (Ti 2553 vai 2452) -2
16. Mehāniskais slēdzis Bremzes pirms izgatavošanas (240V 60Hz) -1
17. Rotācijas kodētājs-1
18. Ritchco plastmasas turētāji-2
19. DIP ligzdas MSP -430 mikroprocesoram -4
20. Elektrības padeves kabelis sienas kontaktligzdai-1
21. Jumper vadi (dažādas krāsas) - daudz
22. NTC zonde jeb termistors 4k7, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1-ietilpīgs pieskārienu pastiprinātājs (Texas Instruments) -1 (pēc izvēles)
24. Dzesēšanas ventilatori (pēc izvēles), ja kaut kas ir jāatdzesē (1-3) (pēc izvēles)
25. Tīrs alumīnija radiators ar 5 caurumiem, kas urbti NTC zondēm-1
26. Plastmasas plāksnes ar urbtiem caurumiem - 2
27. Uzgriežņi, skrūves un dažas skrūves nesēja konstrukcijas montāžai-20 (gabalā)
28. Vads uz PCB preff_board montāžas ligzda 2 vadu versija ar skrūvi iekšpusē-1
29. Sharp® LCD pastiprinātājs (430BOOST-SHARP96) (pēc izvēles), kalpo kā otrais priekšējais displejs-1

Es zinu, ka tas ir diezgan liels rēķins par materiāliem, un tas varētu izmaksāt pienācīgu naudas summu. Manā gadījumā es visu saņemu caur savu darba devēju. Bet, ja jūs, puiši, vēlaties to saglabāt lēti, jums nevajadzētu apsvērt papildu detaļas. Visu pārējo ir viegli iegūt no Farnell14, DigiKey un/vai dažiem vietējiem elektronikas specializētajiem veikaliem.

Esmu nolēmis izmantot MSP-430 mikroprocesoru līniju, jo man bija tie, kas atrodas apkārt. Lai gan var viegli izvēlēties "AVR" RISC MCU. Kaut kas līdzīgs ATmega168 vai ATmega644 ar Pico-Power tehnoloģiju. Jebkurš cits AVR mikroprocesors veiks šo darbu. Patiesībā esmu liels Atmel AVR "fanboy". Un ir vērts pieminēt, ja jūs nākat no tehniskās pieredzes un vēlaties veikt kādu jauku montāžu, neizmantojiet nevienu Arduino plati, ja jūs varat ieprogrammēt atsevišķus AVR, tas būtu daudz labāk, ja ne, tad mēģiniet ieprogrammēt CPU un iegultu ierīcē.

3. solis: montāža: lodēšana un būvniecība soļos…

Labs sākums ir montāžas jeb lodēšanas uzsākšana no mazākajām sastāvdaļām. Sāciet ar smd komponentiem un vadiem. Vispirms pielodējiet Power-Bus kaut kur līdzīgi tam, ko es darīju savā priekšplātnē, un pēc tam padariet to garāku tā, lai visas priekšplātnes daļas viegli piekļūtu Power-Bus bez maršruta maiņas vai sarežģījumiem. Es izmantoju vadus visā priekšplātnē, un tas izskatās diezgan traki, bet vēlāk, kad prototips darbojas, var izveidot pareizu PCB.

• lodēšanas SMD daļas (MSP-430 MCU jaudas indikācijai starp Vcc un GND)
• lodēšanas strāvas kopne un elektroinstalācija (maršruts tā, lai tas nodrošinātu jaudu MSP-430)
• pielodēt visu veidu DIL ligzdas (lai pievienotu MSP-430 x 2 IC)
• lodēt zemas izlaišanas sprieguma regulatorus ar piemērotu atbalstu (kondensatori, jauda 5 >> 3,3 volti)
• lodēšanas tranzistori, rezistori un diodes relejiem un saskarnei ar MCU.
• pielodējiet 10 kΩ potenciometru LCD displeja spilgtuma kontrolei.
• lodēt gaismas diodes blakus relejiem, divu stāvokļu indikators sarkans/zils (zils = ieslēgts, sarkans = izslēgts).
• lodēt Mean Well 240V volti >> 5 voltu barošanas bloks ar savienotājiem.
• Lodējiet zilo mehānisko slēdzi (pirms pārtraukuma) pie barošanas avota.

Lodēt visu pārējo, kas paliek. Es neveidoju pareizas shēmas no ierīces tikai laika trūkuma dēļ, bet ar elektronikas fonu tas ir pavisam vienkārši. Pēc lodēšanas pabeigšanas viss ir jāpārbauda, vai nav pareizi savienojumi, lai izvairītos no strāvas līniju īssavienojuma.

Tagad ir pienācis laiks salikt nesēja konstrukciju. Tāpat kā attēlos, esmu izmantojis 2 x plastmasas plāksnes ar urbtiem M3 izmēra caurumiem (4 x uz plāksnes), lai būtu garas skrūves, uzgriežņi un paplāksnes, cauri skrūves un paplāksnes ir lieliski piemērotas šādiem savienojumiem. Tam jābūt pievilktam no abām pusēm, lai varētu turēt kopā zaļās plāksnes.

Priekšplāksnei jābūt ievietotai starp priekšējām paplāksnēm, proti, šīm priekšējām paplāksnēm jābūt lielā diametrā (līdz 5 mm), lai starp tām varētu ievietot plātni un pēc tam pievilkt. Ja tas tiek darīts pareizi, dēlis stingri nostājas 90 ° leņķī. Vēl viena iespēja to turēt vietā būtu izmantot Ritcho plastmasas PCB turētājus, kas uzstādīti uz šīm distances skrūvēm 90 ° leņķī, un tas palīdzēs jums pieskrūvēt plastmasas detaļas pie attāluma skrūvēm. Šajā brīdī jums vajadzētu būt iespējai pieslēgt/piestiprināt plātni.

Pēc paneļa uzstādīšanas LCD (16x2) displejs tiek parādīts kā nākamais, un tas ir jāuzstāda. Es izmantoju raktuves 4 bitu režīmā, lai saglabātu GPIO ^_ ^))))))). Lūdzu, izmantojiet 4 bitu režīmu, pretējā gadījumā jums nebūs pietiekami daudz GPIO, lai pabeigtu projektu. Fona apgaismojums, Vcc un Gnd ir pielodēts caur potenciometru pie jaudas kopnes. Displeja datu kopnes kabeļi jāpielodē tieši pie mikroprocesora MSP-430. Lūdzu, izmantojiet tikai digitālo GPIO. Analogs GPIO, kas mums nepieciešams NTC. Ir 5 x NTC ierīces, tāpēc tur ir saspringts.

4. darbība: montāžas pabeigšana un ieslēgšana

Lai zondes/NTC uzstādītu 5 x gabalos uz radiatora, ir jāveic urbšana. Skatiet NTC datu lapu, ko esmu pievienojis kā attēlu, lai noskaidrotu urbuma diametru un dziļumu. Pēc tam urbtais caurums ir jāpielāgo ar instrumentu, lai pieņemtu NTC galviņu M3. 5 x NTC izmantošana ir sava veida aparatūras vidēja noteikšana un izlīdzināšana. MSP-430 ir ADC ar 8 bitu izšķirtspēju, tāpēc ar 5 x sensoriem būs viegli novērtēt rezultātus. Mēs šeit neizmetam Ghz CPU, tāpēc mūsu iegultajā pasaulē katrs CPU pulkstenis ir būtisks. Sekundārā vidējā aprēķināšana tiks veikta programmaparatūrā. Katram NTC ir jāsakrīt, un, lai varētu nolasīt datus, izmantojot iebūvēto ADC, ir jāizveido sprieguma dalītājs, kas sastāv no R (NTC)+R (def). ADC ports jāpiestiprina šo divu centrā. R (def) ir otrais rezistors, kuram jābūt ar fiksētu vērtību 0,1 % vai labāku, parasti diapazonā no R (NTC). Pēc izvēles varat pievienot OP-Amp, lai pastiprinātu signālu. Lūdzu, skatiet šīs sadaļas attēlu, lai savienotu NTC prpbes.

Kad lodēšana ir pabeigta un pārbaudīta, nākamais solis ir uzstādīt MSP-430 mikrokontrolleru to DIL ligzdās. Bet iepriekš tie ir jāprogrammē. Šajā solī ir iespējams ieslēgt ierīci (bez mikrokontrollera) sākotnējiem testiem. Ja viss ir samontēts pareizi, ierīcei jāieslēdzas un relejiem jābūt izslēgtā stāvoklī, ko norāda sarkanās gaismas diodes, un ventilatoriem jādarbojas un displejam jābūt ieslēgtam, bet bez jebkādiem datiem, tikai zilais apgaismojums.

5. darbība: lietotāja ievade, rotācijas kodētājs un kapacitatīvā pieskāriena pastiprinātājs

Vienmēr ir jauki, ja ir ievades ierīce, ko var izmantot, lai ierīcē ievadītu datus. Magnētiskā poga ar pastāvīgajiem magnētiem šeit ir laba izvēle. Tās uzdevums ir ievadīt temperatūras slieksni ventilatoriem, kas uzstādīti uz radiatora bloka. Tas ļauj lietotājam ievadīt jaunu temperatūras slieksni, izmantojot pārtraukumus. Tikai pagriežot pa kreisi vai pa labi, var pievienot vai atņemt vērtības diapazonā no (20-100 ° C). Zemāko vērtību nosaka telpas apkārtējā temperatūra.

Šai pogai ir neliela shēma, kas pārraida digitālo signālu uz mikrokontrolleri. Pēc tam GPIO ievadei interpretē loģiku augsts/zems.

Otrā ievades ierīce ir Ti kapacitatīvā pieskāriena pastiprinātāja pakotne. Ir iespējams izmantot arī Booster-pack, taču nav iespējams izmantot abus tikai tāpēc, ka mērķa MCU nav GPIO. Pastiprinātāja pakotne tiek izmantota daudziem GPIO.

Manuprāt, Knob ir labāks par Booster-Pack. Bet ir labi, ja ir izvēle. Ja ir nepieciešama pastiprinātāja pakotne, Ti ir gatava bibliotēka, lai to izmantotu. Es šeit neiedziļinos detaļās par to.

6. darbība. Kopsavilkums: apkārtējās vides temperatūras mērījumi un citas idejas ……

Pēc MCU uzstādīšanas pēc ieslēgšanas tas jūs sveicinās un pēc tam turpinās mērījumus. Programmaparatūra vispirms saglabā ventilatorus izslēgtā stāvoklī. Tiek sākta mērījumu sērija 5 x NTC zondēm, kuras pēc tam tiek apvienotas vienā absolūtā vērtībā. Pēc šī vērtības un salīdzinājuma (lietotāja datu) sliekšņa tas ieslēdz vai izslēdz ventilatorus (vai vēlamās ierīces, jebko citu), kas pievienoti DPDT relejiem. Ņemiet vērā, ka šiem 3 x relejiem varat pievienot visu, kas jāizslēdz vai jāizslēdz. Releji spēj pārraidīt 16 ampēru strāvu, taču, manuprāt, nav laba ideja sākt izmantot šādas lielas slodzes šīm izejām.

Es ceru, ka šis "sīkums" (^_^) …….. hehe kādam noderēs. Mans ieguldījums globālajā stropu prātā ^^).

Nez vai kāds mēģinās to uzbūvēt. Bet, ja viņi to dara, es ar prieku palīdzēšu ar visu. Man ir programmaparatūra CCS un Energia. Lūdzu, dariet man zināmus puišus, ja jums tas ir vajadzīgs. Tāpat droši rakstiet man par jautājumiem un ieteikumiem. Sveicieni no "Saulainās" Vācijas.