Controler de temperatură de înaltă precizie: 6 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

În știință și în lumea ingineriei, urmărirea temperaturii aka (mișcarea atomilor în termodinamică) este unul dintre parametrii fizici fundamentali pe care ar trebui să îi luăm în considerare aproape peste tot, începând de la biologia celulară până la motoarele rachete cu combustibil dur și forțele. În computere și practic peste tot unde am uitat să menționez. Ideea din spatele acestui instrument a fost destul de simplă. În timpul dezvoltării firmware-ului, am avut nevoie de o configurare de test în care să testez firmware-ul pentru erori în loc de produsele noastre, care sunt realizate manual de către tehnicieni pentru a nu cauza niciun fel de defecțiuni legate de cele menționate mai sus. Aceste instrumente tind să se încălzească și, prin urmare, este necesară o monitorizare constantă și precisă a temperaturii, pentru a menține toate părțile instrumentului în funcțiune și care nu este mai puțin important să funcționeze remarcabil. Utilizarea termistorilor NTC pentru a rezolva sarcina are mai multe avantaje. NTC-urile (coeficientul de temperatură negativ) sunt termistori speciali care schimbă rezistența în funcție de temperatură. Acele NTC-uri combinate cu metoda de calibrare descoperită de Stanely Hart și John Steinhart așa cum este descrisă în articolul „Deep-Sea Research 1968 vol.15, pp 497-503 Pergamon Press” este cea mai bună soluție în cazul meu. Lucrarea discută metodele de măsurare a temperaturii pe o gamă largă (sute de Kelvin …) cu acel tip de dispozitive. După părerea mea, provenind dintr-un mediu de inginerie, cu cât sistemul / senzorul este mai simplu, cu atât mai bine. Nimeni nu vrea să aibă ceva foarte complicat sub apă, pe adâncimi de kilometri care pot provoca probleme în timp ce măsoară temperatura acolo doar datorită complexității lor. Mă îndoiesc de existența senzorului să funcționeze în mod similar, poate că termocuplul va funcționa, dar necesită unele circuite de sprijin și este pentru cazuri de precizie extremă. Deci, să facem uz de cele două, pentru proiectarea sistemului de răcire care are mai multe provocări. Unele dintre ele sunt: nivelul de zgomot, eșantionarea efectivă a valorii în timp real și, eventual, toate menționate mai sus într-un pachet simplu și la îndemână pentru ușurința reparării și întreținerii, și costurile pe unitate. Între timp, scriem firmware-ul, configurarea a fost îmbunătățită și îmbunătățită din ce în ce mai mult. La un moment dat, mi-am dat seama că ar putea deveni la fel de bine un instrument independent datorită complexității sale.

Pasul 1: Calibrarea temperaturii de către Steinhart-Hart

Există un articol frumos în Wikipedia care vă va ajuta să calculați coeficienții termistorului în funcție de temperatura necesară și intervalul de termistor. În majoritatea cazurilor, coeficienții sunt foarte mici și ar putea fi neglijați în ecuație în forma simplificată.

Ecuația Steinhart-Hart este un model al rezistenței unui semiconductor la diferite temperaturi. Ecuația este:

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

Unde:

T { displaystyle T} este temperatura (în Kelvin) R { displaystyle R} este rezistența la T (în ohmi) A { displaystyle A}, B { displaystyle B} și C { displaystyle C} sunt coeficienții Steinhart-Hart care variază în funcție de tipul și modelul termistorului și de intervalul de temperatură de interes. (Cea mai generală formă a ecuației aplicate conține un [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ln (R)] ^ {2}}

termen, dar acest lucru este frecvent neglijat deoarece este de obicei mult mai mic decât ceilalți coeficienți și, prin urmare, nu este prezentat mai sus.)

Dezvoltatorii ecuației:

Ecuația poartă numele lui John S. Steinhart și Stanley R. Hart, care au publicat prima dată relația în 1968. [1] Profesorul Steinhart (1929–2003), membru al Uniunii Geofizice Americane și al Asociației Americane pentru Avansarea Științei, a fost membru al facultății Universității din Wisconsin – Madison în perioada 1969-1991. [2] Dr. Hart, cercetător principal la Woods Hole Oceanographic Institution din 1989 și membru al Geological Society of America, al American Geophysical Union, al Geochemical Society și al European Association of Geochemistry, [3] a fost asociat cu profesorul Steinhart la Carnegie Institution din Washington când a fost dezvoltată ecuația.

Referințe:

John S. Steinhart, Stanley R. Hart, Curbe de calibrare pentru termistori, Deep-Sea Research și Oceanographic Abstracts, Volumul 15, Numărul 4, august 1968, paginile 497-503, ISSN 0011-7471, doi: 10.1016 / 0011-7471 (68) 90057-0.

„Rezoluția memorială a facultății Universității din Wisconsin-Madison cu privire la moartea profesorului emerit John S. Steinhart” (PDF). Universitatea din Wisconsin. 5 aprilie 2004. Arhivat din original (PDF) la 10 iunie 2010. Accesat la 2 iulie 2015.

„Dr. Stan Hart”. Instituția Oceanografică Woods Hole. Accesat la 2 iulie 2015.

Pasul 2: Asamblați: materiale și metode

Pentru a începe construirea, trebuie să consultăm BOM aka (Bill on Materials) și să vedem ce părți intenționăm să folosim. Pe lângă BOM, ar fi nevoie de fier de lipit, câteva chei, șurubelnițe și un pistol de lipit fierbinte. Aș recomanda un instrument de bază de laborator de electronică care să aibă lângă dvs. pentru confort.

1. Placă de prototipare-1
2. Afișaj LCD Hitachi-1
3. Mean Well 240V >> Alimentare cu 5 volți-1
4. LED roșu-3
5. LED albastru-3
6. LED verde-1
7. LED galben-1
8. Releu OMRON (DPDT sau similar 5 Volți) -3
9. Potențiometru 5KOhm-1
10. Rezistoare (470Ohm) - mai multe
11. BC58 Tranzistor-3
12. Dioda-3
13. Regulator de tensiune scăzută-3
14. LED-uri SMD (verde, roșu) -6
15. Microprocesor MSP-430 (Ti 2553 sau 2452) -2
16. Comutator mecanic Frână înainte de fabricare (240V 60Hz) -1
17. Codificator rotativ-1
18. Suporturi din plastic Ritchco-2
19. Socluri DIP pentru microprocesor MSP-430 -4
20. Cablu de alimentare cu energie electrică pentru priza de perete-1
21. Sârme jumper (diverse culori) - mult
22. NTC Probe aka termistor 4k7 valoare, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1- Capacitive Touch BoosterPack (Texas Instruments) -1 (opțional)
24. Ventilatoare de răcire (opțional) în cazul în care ceva trebuie răcit- (1-3) (opțional)
25. Radiator din aluminiu pur cu 5 găuri găurite în el pentru sonde NTC-1
26. Plăci de plastic cu găuri forate - 2
27. Piulițe, șuruburi și câteva șuruburi pentru asamblarea construcției purtătorului-20 (pe bucată)
28. Sârmă la PCB preff_board soclu de montare versiune cu 2 fire cu șurub în interiorul-1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (opțional), servește ca al doilea afișaj frontal-1

Știu că este o factură destul de mare pentru materiale și ar putea costa o sumă decentă de bani. În cazul meu, primesc totul prin angajatorul meu. Dar, în cazul în care voi, băieți, doriți să-l păstrați ieftin, nu ar trebui să luați în considerare părțile opționale. Orice altceva este ușor de obținut de la Farnell14, DigiKey și / sau unele magazine locale specializate în electronică.

M-am hotărât asupra liniei de microprocesor MSP-430 pentru că îi aveam așezat. Deși se pot alege cu ușurință MCU-uri RISC „AVR-uri”. Ceva ca ATmega168 sau ATmega644 cu tehnologie Pico-Power. Orice alt microprocesor AVR va face treaba. De fapt, sunt un mare "fanboy" al Atmel AVR. Și merită menționat dacă proveniți din mediul tehnic și doriți să faceți o asamblare frumoasă, nu utilizați nicio placă Arduino, dacă sunteți capabil să programați AVR-uri independente, ar fi mult mai bine, dacă nu, încercați să programați CPU și încorporare în dispozitiv.

Pasul 3: Asamblare: lipire și construire în pași …

Lansarea asamblării, de asemenea, lipirea de la cele mai mici componente este un început bun. Începeți cu componentele smd și cablurile. Îndepărtați mai întâi Power-Bus, undeva cum am făcut-o pe placa de bord, apoi faceți-o mai lungă, astfel încât toate părțile de pe placa de bord să acceseze cu ușurință Power-Bus-ul fără nicio redirecționare sau complicații. Am folosit fire pe toate panourile de bord și asta arată destul de nebunesc, dar mai târziu se poate proiecta un PCB adecvat, odată ce prototipul funcționează.

• piese SMD de lipit (pentru indicarea puterii MCU-urilor MSP-430, între Vcc și GND)
• lipirea magistralei de alimentare și a cablajului (traseu într-un mod care să dea putere MSP-430)
• lipiți tot felul de prize DIL (pentru a conecta IC-urile MSP-430 x 2
• regulatori de tensiune de scădere redusă cu lipire cu suportul adecvat (condensatori, pentru putere 5 >> 3.3 Volți cădere)
• tranzistoare de lipit și rezistențe și diode pentru relee și interfață cu MCU.
• lipiți potențiometrul de 10 k Ohm pentru controlul luminozității afișajului LCD.
• lipiți LED-urile de lângă relee, indicator cu două stări roșu / albastru (albastru = aprins, roșu = oprit).
• lipiți Mean Well 240Volți >> Alimentator de 5 volți cu conectorii săi.
• Lipiți comutatorul mecanic albastru (pauză înainte de fabricare) de lângă sursa de alimentare.

Lipiți tot ce a mai rămas. Nu am creat scheme adecvate de pe dispozitiv doar din lipsa de timp, dar este destul de simplu, cu orice fundal electronic. La finalizarea lipirii, trebuie verificat totul, pentru a se stabili conexiunile adecvate pentru a evita orice fel de scurtcircuitare a liniilor electrice.

Acum este timpul să asamblați construcția transportatorului. La fel ca în imagini, am folosit 2 plăci de plastic cu găuri de dimensiuni M3 găurite (4 x pe placă) pentru a avea șuruburi lungi și piulițe și șaibe, șuruburile și șaibele de distanță sunt perfecte pentru astfel de interconectări. Trebuie strânse de ambele părți pentru a putea ține împreună plăcile verzi.

Panoul prefabricat trebuie să fie introdus între șaibele frontale, adică aceste șaibe frontale trebuie să aibă un diametru mare (până la 5 mm), astfel încât să se poată introduce panoul prefabricat între ele și apoi să le strângeți. Dacă se face corect, placa va sta ferm la 90 °. O altă opțiune pentru menținerea acestuia în loc ar fi utilizarea unui suport de plastic Ritcho din plastic montat pe acele șuruburi de distanță printr-un unghi de 90 °, care vă va ajuta apoi să înșurubați piesele de plastic la șuruburile de distanță. În acest moment, ar trebui să puteți conecta / atașa placa de bord.

După instalarea pre-plăcii, afișajul LCD (16x2) vine după cum urmează și ar trebui instalat. Îl folosesc pe al meu în modul pe 4 biți pentru a conserva GPIO ^ _ ^))))))). Utilizați modul 4-Bit, vă rugăm, altfel, nu veți avea suficient GPIO pentru a finaliza proiectul. Lumina de fundal, Vcc și Gnd sunt lipite printr-un potențiometru pentru alimentarea autobuzului. Cablurile afișate pe magistrala de date trebuie lipite direct pe microcontrolerul MSP-430. Vă rugăm să utilizați numai GPIO digital. GPIO-ul analogic de care avem nevoie pentru NTC-uri. Există 5 dispozitive NTC, deci este strâns acolo.

Pasul 4: Finalizarea asamblării și pornirea

Pentru a instala sondele / NTC-urile 5 x bucăți pe radiator, trebuie să se efectueze găurirea. Consultați fișa tehnică a NTC, pe care am adăugat-o ca imagine pentru diametrele și adâncimea găurii forate. După aceea, gaura forată trebuie reglată cu unealtă pentru a accepta capul de dimensiune M3 al NTC-urilor. Utilizarea 5 x NTC este un fel de mediere și netezire hardware. MSP-430 are un ADC la o rezoluție de 8 biți, astfel încât să aveți 5 x senzori va fi ușor să medieze rezultatele. Nu dispunem aici de procesoare Ghz, deci în lumea noastră încorporată fiecare ceas CPU este esențial. Medierea secundară va fi efectuată în firmware. Fiecare NTC are picioare și, pentru a putea citi datele prin ADC de la bord, trebuie format un divizor de tensiune, format din R (NTC) + R (def). Portul ADC trebuie atașat în centrul celor două. R (def) este un al doilea rezistor care ar trebui să aibă o valoare fixă de 0,1% sau mai bună, de obicei în intervalul cu R (NTC). Opțional, puteți adăuga un amplificator OP pentru a amplifica semnalul. Vă rugăm să consultați figura din această secțiune pentru a conecta rețelele NTC.

Când lipirea este finalizată și a fost verificată, următorul pas este instalarea microcontrolerului MSP-430 în prizele lor DIL. Dar în prealabil trebuie să fie programate. În acest pas, este posibil să porniți dispozitivul (fără microcontroler) pentru teste preliminare. Dacă totul este asamblat corect, dispozitivul ar trebui să fie pornit, iar releele ar trebui să fie în starea oprită, indicat de LED-urile roșii, iar ventilatoarele ar trebui să funcționeze și afișajul să fie aprins, dar fără date pe el, doar lumina de fundal albastră.

Pasul 5: Intrare utilizator, codificator rotativ și pachet de rapel capacitiv la atingere

Este întotdeauna plăcut să aveți un dispozitiv de intrare, care poate fi utilizat pentru a introduce date în dispozitiv. Butonul magnetic cu magneți permanenți este o alegere bună aici. Sarcina sa este de a introduce pragul de temperatură pentru ventilatoarele montate pe blocul radiatorului. Permite utilizatorului să introducă un nou prag de temperatură prin întreruperi. Doar rotind la stânga sau la dreapta, puteți adăuga sau scădea valori în intervalul (20-100 ° C). Valoarea mai mică este determinată de temperatura ambiantă a camerei.

Acest buton are un circuit mic care transmite semnalul digital către microcontroler. Logica high / low este apoi interpretată de GPIO pentru intrare.

Al doilea dispozitiv de intrare este pachetul de rapel capacitiv tactil al lui Ti. Este posibil să utilizați și Booster-pack, dar nu este posibil să le utilizați pe ambele, doar din cauza lipsei GPIO pe MCU țintă. Pachetul Booster duce la multe GPIO.

După părerea mea, Knob este mai bun decât Booster-Pack. Dar e bine să ai de ales. Dacă se dorește pachetul Booster, atunci există o bibliotecă gata de la Ti pentru ao utiliza. Nu merg aici în detalii despre asta.

Pasul 6: Rezumat: măsurători ale temperaturii mediului ambiant și idei suplimentare ……

După instalarea MCU la pornire, acesta vă va saluta și apoi va trece la măsurători. Firmware-ul menține mai întâi ventilatoarele în starea oprită. Începe o serie de măsurători pe 5 sonde NTC, care apoi sunt îmbinate într-o singură valoare absolută. Apoi, la această valoare și prag de comparație (date utilizator), pornește sau oprește ventilatoarele (sau dispozitivele dorite, orice altceva) atașate la relee DPDT. Luați în considerare faptul că puteți atașa la acele 3 x relee orice lucru care trebuie oprit sau oprit. Releele sunt capabile să treacă curentul de 16 Amperi, dar nu cred că este o idee bună să începeți să folosiți astfel de sarcini grele pe aceste ieșiri.

Sper că acest „lucru” (^ _ ^) …….. hehe va fi util cuiva. Contribuția mea la mintea stupului global ^^).

Mă întreb că cineva va încerca să-l construiască. Dar, în cazul în care o fac, voi ajuta cu bucurie la toate. Am firmware-ul în CCS și în Energia. Vă rog să-mi spuneți băieți dacă aveți nevoie. De asemenea, nu ezitați să mă trimiteți text despre întrebări și sugestii. Salutări din Germania „Sunny”.