Kõrge täpsusega temperatuurikontroller: 6 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:49

Teaduses ja insenerimaailmas on temperatuuri jälgimine (aatomite liikumine termodünaamikas) üks põhilisi füüsikalisi parameetreid, mida tuleks arvestada peaaegu kõikjal, alates rakubioloogiast kuni raske kütusega raketimootorite ja tõukejõududeni. Arvutites ja põhimõtteliselt igal pool, kus unustasin mainida. Selle instrumendi idee oli üsna lihtne. Püsivara arendamise ajal vajasin testimisseadet, kus saaksin testida püsivara vigade osas meie toodete asemel, mis on tehnikute poolt käsitsi valmistatud, et mitte põhjustada ülalnimetatud rikkeid. Need instrumendid kipuvad kuumaks minema ja seetõttu on vaja pidevat ja täpset temperatuuri jälgimist, et hoida instrumendi kõiki osi töökorras ja mis pole vähem tähtis ka silmapaistvalt hästi. NTC termistorite kasutamisel ülesande lahendamisel on mitmeid eeliseid. NTC (negatiivne temperatuurikoefitsient) on spetsiaalsed termistorid, mis muudavad takistust sõltuvalt temperatuurist. Need NTC-d koos kalibreerimismeetodiga, mille avastasid Stanely Hart ja John Steinhart, nagu on kirjeldatud artiklis "Deep-Sea Research 1968 vol.15, pp 497-503 Pergamon Press", on minu puhul parim lahendus. Selles artiklis käsitletakse seda tüüpi seadmetega laiaulatuslike temperatuuride mõõtmise meetodeid (sadu Kelvine …). Minu arusaamist mööda on inseneriteaduste taustast tulenevalt lihtsam süsteem/andur, seda parem. Keegi ei taha, et vee all kilomeetri sügavusel oleks midagi väga keerulist, mis võib seal temperatuuri mõõtmisel probleeme tekitada ainult nende keerukuse tõttu. Ma kahtlen, kas andur toimib sarnaselt, võib -olla termopaar toimib, kuid see nõuab teatavat tugiahelat ja see on äärmiselt täpsete juhtumite jaoks. Kasutame siis neid kahte, jahutussüsteemi projekteerimisel, millel on mitmeid väljakutseid. Mõned neist on: müratase, reaalajas väärtuse efektiivne proovivõtmine ja võib-olla kõik ülaltoodud lihtsas ja käepärases pakendis, mis hõlbustab ka remonti ja hooldust, ühiku kulud. Püsivara kirjutamise ajal muudeti seadistust üha enam ja seda täiustati. Mingil hetkel mõistsin, et sellest võib oma keerukuse tõttu saada ka eraldiseisev instrument.

Samm: temperatuuri kalibreerimine Steinhart-Harti poolt

Vikipeedias on tore artikkel, mis aitab arvutada termistori koefitsiente sõltuvalt vajalikust temperatuurist ja termistori vahemikust. Enamikul juhtudel on koefitsiendid üliväikesed ja neid võib lihtsustatud kujul võrrandis tähelepanuta jätta.

Steinhart -Hart võrrand on pooljuhtide takistuse mudel erinevatel temperatuuridel. Võrrand on järgmine:

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

kus:

T { displaystyle T} on temperatuur (kelvinites) R { displaystyle R} on takistus temperatuuril T (oomides) A { displaystyle A}, B { displaystyle B} ja C { displaystyle C} on Steinhart -Hart koefitsiendid, mis varieeruvad sõltuvalt termistori tüübist ja mudelist ning huvipakkuvast temperatuurivahemikust. (Rakendatud võrrandi kõige üldisem vorm sisaldab [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ln (R)]^{2}}

termin, kuid seda jäetakse sageli tähelepanuta, kuna see on tavaliselt palju väiksem kui teised koefitsiendid ja seetõttu pole seda ülal näidatud.)

Võrrandi arendajad:

Võrrand on nimetatud John S. Steinharti ja Stanley R. Harti järgi, kes avaldasid suhte esimest korda 1968. aastal. [1] Professor Steinhart (1929–2003), Ameerika Geofüüsika Liidu ja Ameerika Teaduste Edendamise Assotsiatsiooni liige, kuulus aastatel 1969–1991 Wisconsini -Madisoni ülikooli teaduskonda. [2] Dr Hart, Woods Hole'i okeanograafiainstituudi vanemteadur alates 1989. aastast ning Ameerika Geoloogiaühingu, Ameerika Geofüüsika Liidu, Geokeemilise Seltsi ja Euroopa Geokeemia Assotsiatsiooni liige [3], oli seotud Carnegie Instituudi professor Steinhartiga. Washingtonist, kui võrrand välja töötati.

Viited:

John S. Steinhart, Stanley R. Hart, Termistoride kalibreerimiskõverad, süvamereuuringud ja okeanograafilised kokkuvõtted, 15. köide, 4. väljaanne, august 1968, leheküljed 497-503, ISSN 0011-7471, doi: 10.1016/0011-7471 (68) 90057-0.

"Wisconsini-Madisoni ülikooli teaduskonna mälestusotsus emeriitprofessori John S. Steinharti surma kohta" (PDF). Wisconsini ülikool. 5. aprill 2004. Arhiveeritud originaalist (PDF) 10. juunil 2010. Välja otsitud 2. juulil 2015.

"Dr Stan Hart,". Woods Hole'i okeanograafiaasutus. Välja otsitud 2. juulil 2015.

2. etapp: kokkupanek: materjalid ja meetodid

Ehitamise alustamiseks peame konsulteerima BOM -iga (Bill on Materials) ja vaatama, milliseid osi kavatseme kasutada. Peale BOM-i oleks vaja jootekolvi, paari mutrivõtit, kruvikeerajat ja kuuma liimipüstolit. Mugavuse huvides soovitaksin teie kõrval lihtsaid elektroonikalabori tööriistu.

1. Prototüüpimislaud-1
2. Hitachi LCD-ekraan-1
3. Keskmine kaev 240 V >> 5 V toiteallikas-1
4. Punane LED-3
5. Sinine LED-3
6. Roheline LED-1
7. Kollane LED-1
8. OMRON relee (DPDT või sarnane 5 V) -3
9. Potentsiomeeter 5KOhm-1
10. Takistid (470Ohm)-mitu
11. BC58 transistor-3
12. Diood-3
13. Madal väljalangemise pinge regulaator-3
14. SMD LED-id (roheline, punane) -6
15. MSP-430 mikroprotsessor (Ti 2553 või 2452) -2
16. Mehaaniline lüliti Brake-Before-Make (240V 60Hz) -1
17. Pöördkodeerija 1
18. Ritchco plastikust hoidikud-2
19. DIP -pistikupesad MSP -430 mikroprotsessorile -4
20. Toitekaabel seinakontaktile-1
21. Jumper juhtmed (erinevad värvid) - palju
22. NTC Probe ehk termistori 4k7 väärtus, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1- mahtuvuslik puutevõimenduspakett (Texas Instruments) -1 (valikuline)
24. Jahutusventilaatorid (valikuline) juhuks, kui midagi on vaja maha jahutada-(1-3) (valikuline)
25. Puhas alumiiniumradiaator, millesse on puuritud 5 auku NTC Probes-1 jaoks
26. Puuritud aukudega plastplaadid - 2
27. Mutrid, poldid ja mõned kruvid kandekonstruktsiooni kokkupanekuks-20 (tüki kohta)
28. Juhe trükkplaadile preff_board kinnituspesa 2-juhtmeline versioon kruviga 1
29. Sharp® LCD võimenduspakett (430BOOST-SHARP96) (valikuline), toimib teise esiekraanina-1

Ma tean, et see on üsna suur materjalide arve ja võib maksta korraliku rahasumma. Minu puhul saan kõik oma tööandja kaudu. Kuid kui soovite seda odavalt hoida, ärge kaaluge valikulisi osi. Kõike muud on lihtne hankida Farnell14, DigiKey ja/või mõnest kohalikust elektroonika spetsialiseeritud kauplusest.

Olen otsustanud kasutada MSP-430 mikroprotsessori liini, kuna lasin need ümber paigutada. Kuigi saab hõlpsasti valida "AVR -e" RISC MCU -sid. Midagi sellist nagu ATmega168 või ATmega644 koos Pico-Power tehnoloogiaga. Kõik teised AVR -i mikroprotsessorid teevad seda tööd. Ma olen tegelikult Atmel AVRi "fännipoiss". Ja tasub mainida, kui olete pärit tehnilisest taustast ja olete valmis mõningaid kokkupanekuid tegema, ärge kasutage ühtegi Arduino tahvlit, kui saate programmeerida eraldiseisvaid AVR -e, oleks see palju parem, kui mitte, siis proovige programmeerida CPU ja seadmesse sisse lülitada.

Samm: kokkupanek: jootmine ja ehitamine sammude kaupa…

Montaaži ehk jootmise alustamine väikseimatest komponentidest on hea algus. Alustage smd -komponentide ja juhtmestikuga. Jootke esmalt Power-Bus, kusagil nii, nagu ma tegin oma eelplaadil, ja tehke see siis pikemaks nii, et kõik eelplaadi osad pääseksid Power-Busi hõlpsalt juurde ilma ümbersuunamise või komplikatsioonideta. Ma kasutasin juhtmeid kogu eelplaadil ja see tundub päris hull, kuid pärast prototüübi toimimist saab hiljem kavandada korraliku trükkplaadi.

• joodetud SMD osad (MSP-430 MCU võimsuse näitamiseks, Vcc ja GND vahel)
• jootmisvõimsus ja juhtmestik (marsruut nii, et see annaks voolu MSP-430-le)
• jootma igasuguseid DIL-pistikupesasid (selleks, et ühendada MSP-430 x 2 IC-sid
• jootma madala väljalangemisega pingeregulaatorid koos sobiva toega (kondensaatorid, võimsuseks 5 >> 3,3 volti)
• jootetransistorid ning takistid ja dioodid releede jaoks ja liidesed MCU -ga.
• jootke 10 kΩ potentsiomeeter LCD -ekraani heleduse reguleerimiseks.
• jootke releede kõrval olevad LED-id, kahe oleku indikaator punane/sinine (sinine = sisse, punane = väljas).
• jootke Mean Well 240 V volti >> 5 volti toiteplokk koos pistikutega.
• Jootke toiteallika kõrval olev sinine mehaaniline lüliti (enne valmistamist).

Jootke kõik muu, mis üle jääb. Ma ei loonud seadmest õigeid skeeme lihtsalt ajapuuduse tõttu, kuid elektroonika taustaga on see üsna lihtne. Pärast jootmise lõpetamist tuleb kõik kontrollida, kas ühendused on õiged, et vältida elektriliinide lühistamist.

Nüüd on aeg kokku panna kandekonstruktsioon. Nagu piltidel, olen kasutanud 2 x plastikust plaati, millel on puuritud M3 suurusega augud (4 x plaadi kohta), et pikad kruvid ja mutrid ja seibid jookseksid, kaugpoldid ja seibid sobivad selliste ühenduste jaoks suurepäraselt. Rohelist plaati on vaja mõlemalt poolt pingutada.

Eelplaat tuleks sisestada esiseibide vahele, see tähendab, et need esiseibid peaksid olema suure läbimõõduga (kuni 5 mm), nii et nende vahele saab sisestada esiplaadi ja seejärel pingutada. Kui see on õigesti tehtud, seisab plaat kindlalt 90 ° juures. Teine võimalus selle paigal hoidmiseks oleks kasutada Ritcho plastikust trükkplaadihoidjaid, mis on paigaldatud nendele kauguspoltidele 90 ° nurga all, mis aitab teil plastosad kruvide külge keerata. Siinkohal peaksite saama eelplaadi ühendada/kinnitada.

Pärast eellaua paigaldamist on LCD (16x2) ekraan järgmine ja see tuleb paigaldada. GPIO säilitamiseks kasutan oma 4-bitises režiimis ^_ ^))))))). Palun kasutage 4-bitist režiimi, vastasel juhul pole teil projekti lõpuleviimiseks piisavalt GPIO-d. Taustvalgustus, Vcc ja Gnd on joodetud läbi potentsiomeetri toitesiini külge. Ekraani andmesiini kaablid tuleks joota otse MSP-430 mikrokontrollerile. Palun kasutage ainult digitaalset GPIO -d. Analoog GPIO, mida vajame NTC -de jaoks. Seal on 5 x NTC seadet, nii et seal on kitsas.

4. samm: kokkupaneku lõpuleviimine ja sisselülitamine

Sondide/NTC -de 5 x tüki paigaldamiseks radiaatorile tuleb puurida. Vaadake puuritud augu läbimõõtu ja sügavust NTC andmelehelt, mille olen pildina lisanud. Pärast seda tuleb puuritud auk tööriistaga reguleerida, et aktsepteerida NTC -de suurust M3. 5 x NTC kasutamine on omamoodi riistvara keskmistamine ja silumine. MSP-430-l on 8-bitise eraldusvõimega ADC, nii et 5 x anduri olemasolu on tulemuste keskmine. Me ei käsuta siin Ghz protsessoreid, seega on meie sisseehitatud maailmas iga protsessorikell hädavajalik. Sekundaarne keskmistamine toimub püsivaras. Igal NTC-l peavad olema jalad ja pardal oleva ADC kaudu andmete lugemiseks peab olema moodustatud pingejagur, mis koosneb R (NTC)+R (def). ADC -port tuleb kinnitada nende kahe keskele. R (def) on teine takisti, mille fikseeritud väärtus peaks olema 0,1 % või parem, tavaliselt vahemikus R (NTC). Soovi korral saate signaali võimendamiseks lisada OP-võimendi. Palun vaadake selle jaotise joonist NTC prpbes ühendamiseks.

Kui jootmine on lõpetatud ja kontrollitud, tuleb järgmiseks paigaldada MSP-430 mikrokontroller nende DIL-pistikupesadesse. Kuid need tuleb eelnevalt programmeerida. Selles etapis on võimalik eelkatseteks seade sisse lülitada (ilma mikrokontrollerita). Kui kõik on õigesti kokku pandud, peaks seade sisse lülituma ja releed olema väljalülitatud olekus, mida näitavad punased LED-id, ventilaatorid peaksid töötama ja ekraan peaks olema sisse lülitatud, kuid ilma selleta andmeid, ainult sinine taustvalgus.

5. samm: kasutaja sisend, pöörlev kodeerija ja mahtuvuslik puutevõimenduspakett

Alati on tore omada sisendseadet, mille abil saab seadmesse andmeid sisestada. Püsimagnetitega magnetnupp on siin hea valik. Selle ülesanne on sisestada radiaatoriplokile paigaldatud ventilaatorite temperatuurilävi. See võimaldab kasutajal katkestuste kaudu sisestada uue temperatuuri künnise. Lihtsalt vasakule või paremale keerates saate lisada või lahutada väärtusi vahemikus (20-100 ° C). Madalama väärtuse määrab ruumi ümbritsev temperatuur.

Sellel nupul on väike vooluring, mis edastab digitaalsignaali mikrokontrollerile. Seejärel tõlgendab GPIO sisendiks loogikat kõrge/madal.

Teine sisendseade on Ti mahtuvuslik puutevõimenduspakett. Võimalik on kasutada ka Booster-paki, kuid mõlemat pole võimalik kasutada, kuna GPIO puudumine sihtmärgi MCU-l. Booster -pakett võtab kasutusele paljud GPIO -d.

Minu arvates on Knob parem kui Booster-Pack. Aga hea on valida. Kui soovitakse võimenduspaketti, on Ti -l selle kasutamiseks valmis raamatukogu. Ma ei lasku siin selle üksikasjadesse.

6. samm: kokkuvõte: ümbritseva õhu temperatuuri mõõtmised ja muud ideed ……

Pärast MCU paigaldamist pärast sisselülitamist tervitab see teid ja seejärel jätkab mõõtmist. Püsivara hoiab esmalt ventilaatorid väljalülitatud olekus. Alustab mõõtmiste seeriat 5 x NTC sondil, mis seejärel liidetakse üheks absoluutväärtuseks. Seejärel lülitab see väärtuse ja võrdluse (kasutajaandmed) künnise järel sisse või välja DPDT -releede külge kinnitatud ventilaatorid (või soovitud seadmed, kõik muu). Mõelge, et saate nende 3 x relee külge kinnitada kõik, mis tuleb sisse või välja lülitada. Releed suudavad edastada 16 amprit voolu, kuid ma ei arva, et oleks hea mõte hakata nendel väljunditel kasutama selliseid suuri koormusi.

Ma loodan, et see "asi" (^_^) …….. hehe on kellelegi kasulik. Minu panus globaalsesse taru mõistusse ^^).

Huvitav, kas keegi proovib seda ehitada. Aga kui nad seda teevad, aitan meelsasti kõiges. Mul on püsivara CCSis ja Energias. Palun andke mulle teada, poisid, kui seda vajate. Samuti saatke mulle küsimuste ja ettepanekute kohta julgelt sõnumeid. Tervitused "Päikeselisest" Saksamaalt.