Visoko precizni regulator temperature: 6 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

U znanosti i inženjerstvu svjetsko praćenje temperature (kretanje atoma u termodinamici) jedan je od osnovnih fizičkih parametara koje treba uzeti u obzir gotovo svugdje, počevši od ćelijske biologije do raketnih motora na tvrdo gorivo i potiska. U računarima i u osnovi svuda gdje sam zaboravio spomenuti. Ideja iza ovog instrumenta bila je prilično jednostavna. Prilikom razvoja firmvera bilo mi je potrebno probno postavljanje gdje sam mogao testirati firmver za greške umjesto naših proizvoda, koje su ručno izradili tehničari kako ne bi uzrokovali bilo kakve kvarove u vezi s gore navedenim. Ti se instrumenti često zagrijavaju, pa je potrebno stalno i precizno praćenje temperature kako bi se svi dijelovi instrumenta održali u funkciji, a što nije manje važno i radi izvanredno. Korištenje NTC termistora za rješavanje zadatka ima nekoliko prednosti. NTC (negativni koeficijent temperature) su posebni termistori koji mijenjaju otpor ovisno o temperaturi. Ti NTC-i u kombinaciji s metodom kalibracije koju su otkrili Stanely Hart i John Steinhart kako je opisano u članku "Deep-Sea Research 1968 vol.15, str. 497-503 Pergamon Press" najbolje su rješenje u mom slučaju. U radu se raspravlja o metodama mjerenja temperature širokog raspona (stotine Kelvina …) s takvim uređajima. Koliko sam shvatio, što dolazi iz inženjerske pozadine, što je sistem/senzor jednostavniji, to bolje. Nitko ne želi imati nešto super komplicirano pod vodom, na kilometarskoj dubini što može uzrokovati probleme pri mjerenju temperature samo zbog njihove složenosti. Sumnjam da postojanje senzora funkcionira na sličan način, možda hoće i termoelement, ali za to je potrebno neko strujno kolo i to je za slučajeve ekstremne preciznosti. Pa iskoristimo to dvoje za dizajn rashladnog sistema koji ima nekoliko izazova. Neki od njih su: razina buke, efikasno uzorkovanje vrijednosti u stvarnom vremenu i eventualno, sve gore navedeno u jednostavnom i zgodnom paketu radi lakšeg popravka i održavanja, također i troškovi po jedinici. U međuvremenu, dok je pisao firmver, postavke su se sve više dotjerivale i poboljšavale. U jednom trenutku sam shvatio da bi zbog svoje složenosti mogao postati i samostalan instrument.

Korak 1: Steinhart-Hart-ova kalibracija temperature

U Wikipediji postoji lijep članak koji će vam pomoći izračunati koeficijente termistora ovisno o potrebnoj temperaturi i rasponu termistora. U većini slučajeva koeficijenti su super mali i mogu se zanemariti u jednadžbi u pojednostavljenom obliku.

Steinhart -Hart jednadžba je model otpora poluvodiča na različitim temperaturama. Jednačina je:

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

gdje:

T { displaystyle T} je temperatura (u Kelvinima) R { displaystyle R} je otpor pri T (u ohmima) A { displaystyle A}, B { displaystyle B} i C { displaystyle C} su Steinhart – Hart koeficijenti koji variraju ovisno o vrsti i modelu termistora i temperaturnom rasponu koji vas zanima. (Najopštiji oblik primijenjene jednadžbe sadrži [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ln (R)]^{2 2}

izraz, ali se to često zanemaruje jer je tipično mnogo manji od ostalih koeficijenata, pa se stoga ne prikazuje gore.)

Programeri jednačine:

Jednadžba je dobila ime po Johnu S. Steinhartu i Stanleyu R. Hartu koji su prvi put objavili vezu 1968. [1] Profesor Steinhart (1929–2003), član Američke geofizičke unije i Američkog udruženja za napredak nauke, bio je član fakulteta Univerziteta Wisconsin -Madison od 1969. do 1991. [2] Hart, viši naučnik na Oceanografskoj instituciji Woods Hole od 1989. godine i član Geološkog društva Amerike, Američke geofizičke unije, Geohemijskog društva i Evropskog udruženja za geohemiju [3], bio je povezan sa profesorom Steinhartom na Institutu Carnegie Vašingtona kada je jednačina razvijena.

Reference:

John S. Steinhart, Stanley R. Hart, Kalibracijske krivulje za termistore, Dubinsko-morska istraživanja i oceanografski sažeci, svezak 15, izdanje 4, kolovoz 1968, stranice 497-503, ISSN 0011-7471, doi: 10.1016/0011-7471 (68) 90057-0.

"Memorijalna rezolucija fakulteta Univerziteta Wisconsin-Madison o smrti profesora emeritusa Johna S. Steinharta" (PDF). Univerzitet Wisconsin. 5. aprila 2004. Arhivirano iz originala (PDF) 10. juna 2010. Pristupljeno 2. jula 2015.

"Dr. Stan Hart,". Oceanografska institucija Woods Hole. Pristupljeno 2. jula 2015.

Korak 2: Sastavljanje: materijali i metode

Da bismo započeli izgradnju, moramo se obratiti BOM -u (Bill of Materials) i vidjeti koje dijelove planiramo koristiti. Osim štampe, potrebno je i lemilica, nekoliko ključeva, odvijači i pištolj za vruće ljepilo. Preporučio bih osnovne laboratorijske alate za elektroniku koji se nalaze pored vas radi praktičnosti.

1. Ploča za izradu prototipa-1
2. Hitachi LCD ekran-1
3. Mean Well 240V >> 5Volt napajanje-1
4. Crvena LED-3
5. Plava LED-3
6. Zelena LED-1
7. Žuta LED-1
8. OMRON relej (DPDT ili sličan 5 V) -3
9. Potenciometar 5KOhm-1
10. Otpornici (470Ohm) -nekoliko
11. BC58 Tranzistor-3
12. Dioda-3
13. Regulator napona niskog ispadanja-3
14. SMD LED diode (zelena, crvena) -6
15. Mikroprocesor MSP-430 (Ti 2553 ili 2452) -2
16. Mehanički prekidač Kočenje prije izrade (240V 60Hz) -1
17. Rotacijski koder-1
18. Ritchco plastični držači-2
19. DIP utičnice za MSP -430 Mikroprocesor -4
20. Kabel za napajanje električnom energijom za zidnu utičnicu-1
21. Žice za spajanje (različite boje) - puno
22. NTC sonda poznata i kao termistor vrijednosti 4k7, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1- Kapacitivni Touch BoosterPack (Texas Instruments) -1 (opcionalno)
24. Ventilatori za hlađenje (opcionalno) u slučaju da se nešto mora ohladiti- (1-3) (nije obavezno)
25. Radijator od čistog aluminija sa 5 rupa izbušenih za NTC sonde-1
26. Plastične ploče sa izbušenim rupama - 2
27. Matice, vijci i neki vijci za sastavljanje konstrukcije nosača-20 (po komadu)
28. Žica na PCB montažnu utičnicu preff_board 2-žična verzija sa vijkom unutra-1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (opcionalno) služi kao drugi frontalni ekran-1

Znam da je to prilično veliki račun o materijalima i mogao bi koštati pristojnu količinu novca. U mom slučaju sve dobivam od poslodavca. Ali u slučaju da želite ostati jeftini, ne biste trebali uzeti u obzir dodatne dijelove. Sve ostalo je lako nabaviti u Farnell14, DigiKey i/ili nekim lokalnim specijaliziranim prodavaonicama elektronike.

Odlučio sam se za liniju mikroprocesora MSP-430 jer sam ih postavio okolo. Iako se lako može izabrati "AVR" RISC MCU. Nešto poput ATmega168 ili ATmega644 s Pico-Power tehnologijom. Svaki drugi AVR mikroprocesor će obaviti posao. Ja sam veliki "fan" Atmel AVR -a. Vrijedi napomenuti ako dolazite iz tehničke pozadine i voljni ste napraviti lijepu montažu, nemojte koristiti nikakvu Arduino ploču, ako ste u mogućnosti programirati samostalne AVR -ove, to bi bilo mnogo bolje, ako ne onda, pokušajte programirati CPU -a i ugradite u uređaj.

Korak 3: Montaža: lemljenje i izgradnja u koracima…

Pokretanje montaže ili lemljenja od najmanjih komponenti je dobar početak. Počnite sa smd komponentama i ožičenjem. Najprije lemite Power-Bus, negdje kao što sam to učinio na svojoj montažnoj ploči, a zatim ga produžite na način da svi dijelovi na montažnoj ploči lako pristupaju Power-Bus-u bez ikakvog preusmjeravanja ili komplikacija. Koristio sam žice po cijeloj ploči za montažu i to izgleda prilično ludo, ali kasnije se može dizajnirati odgovarajuća PCB, nakon što prototip proradi.

• lemiti SMD dijelove (za indikaciju napajanja MCU-a MSP-430, između Vcc i GND)
• lemna magistrala i ožičenje (trasa na način da daje snagu MSP-430)
• lemite sve vrste DIL utičnica (kako biste priključili MSP-430 x 2 IC)
• lemiti regulatore napona sa niskim ispadanjem sa odgovarajućom podrškom (kondenzatori, za snagu 5 >> 3,3 volti pad)
• lemljenje tranzistora, otpornika i dioda za releje i povezivanje s MCU -om.
• lemite potenciometar od 10 k Ohma za kontrolu osvetljenosti LCD ekrana.
• lemite LED diode pored releja, indikator u dva stanja crveno/plavo (plavo = uključeno, crveno = isključeno).
• zalemite Mean Well 240V >> >> 5V napajanje sa konektorima.
• Lemite plavi mehanički prekidač (pauza prije početka rada) pored izvora napajanja.

Lemite sve ostalo što je ostalo. Nisam napravio odgovarajuće sheme od uređaja samo zbog nedostatka vremena, ali vrlo je jednostavno s pozadinom elektronike. Po završetku lemljenja sve treba provjeriti kako bi se osiguralo pravilno spajanje kako bi se izbjeglo bilo kakvo skraćivanje vodova.

Sada je vrijeme za sastavljanje konstrukcije nosača. Kao na slikama, koristio sam 2 x plastične ploče s izbušenim otvorima veličine M3 (4 x po ploči) kako bih provukao dugačke vijke i matice i podloške, razmaknuti vijci i podloške savršeni su za takve međusobne veze. Moraju se zategnuti s obje strane kako bi se zelene ploče mogle držati zajedno.

Prefabrikaciju treba umetnuti između prednjih podložaka, što znači da te prednje podloške trebaju biti velikog promjera (do 5 mm) tako da se može umetnuti ploču između njih i zatim ih zategnuti. Ako se pravilno uradi, ploča će čvrsto stajati na 90 °. Druga mogućnost držanja na mjestu bila bi upotreba Ritcho plastičnih držača za PCB -ove montiranih na te razmakne vijke pod kutom od 90 °, što će vam zatim pomoći da zašrafite plastične dijelove na vijke. U ovom trenutku trebali biste moći priključiti/pričvrstiti montažnu ploču.

Nakon instalacije montažne ploče, LCD (16x2) zaslon dolazi kao sljedeći i treba ga instalirati. Koristim svoj u 4-bitnom modu za očuvanje GPIO ^_ ^))))))). Molimo vas da koristite 4-bitni način, inače nećete imati dovoljno GPIO-a za dovršetak projekta. Pozadinsko svjetlo, Vcc i Gnd su lemljeni preko potenciometra na sabirnici napajanja. Kablovi sabirnice podataka na displeju trebaju biti lemljeni direktno na mikrokontroler MSP-430. Molimo koristite samo digitalni GPIO. Analogni GPIO koji nam je potreban za NTC -ove. Postoji 5 x NTC uređaja, tako da je tamo tijesno.

Korak 4: Dovršavanje montaže i uključivanje

Da biste instalirali sonde/NTCs 5 x komada na radijator, potrebno je izvesti bušenje. Pogledajte tehnički list NTC -a, koji sam dodao kao sliku za promjere i dubinu izbušene rupe. Nakon toga izbušenu rupu je potrebno prilagoditi alatom da prihvati glavu MTC veličine NTC -a. Korištenje 5 x NTC -a je vrsta hardverskog usrednjavanja i izglađivanja. MSP-430 ima ADC u 8-bitnoj rezoluciji, pa će s 5 x senzora biti lako procijeniti rezultate. Ovdje ne raspolažemo Ghz procesorima, pa je u našem ugrađenom svijetu svaki CPU sat bitan. Sekundarno usrednjavanje će se izvesti u firmveru. Svaki NTC mora imati noge, a da bi mogao čitati podatke putem ugrađenog ADC-a, mora se formirati razdjelnik napona koji se sastoji od R (NTC)+R (def). ADC port mora biti priključen u središte ta dva. R (def) je drugi otpornik koji bi trebao biti fiksne vrijednosti 0,1 % ili bolji, obično u rasponu s R (NTC). Po želji možete dodati OP-pojačalo za pojačavanje signala. Molimo pogledajte sliku u ovom odjeljku za povezivanje NTC prpbes.

Kada je lemljenje završeno i provjereno, sljedeći korak je instaliranje mikrokontrolera MSP-430 u njihove DIL utičnice. Ali prethodno ih je potrebno programirati. U ovom koraku moguće je uključiti uređaj (bez mikrokontrolera) radi preliminarnih testova. Ako je sve ispravno sastavljeno, uređaj bi se trebao uključiti, a releji bi trebali biti isključeni, što je označeno crvenim LED diodama, a ventilatori bi trebali raditi i zaslon bi trebao biti uključen, ali bez ikakvih podataka, samo plavo pozadinsko svjetlo.

Korak 5: Korisnički unos, rotacijski koder i kapacitivni paket za povišenje pritiska

Uvijek je lijepo imati ulazni uređaj koji se može koristiti za unos podataka u uređaj. Magnetno dugme sa stalnim magnetima je ovdje dobar izbor. Njegov je zadatak unijeti temperaturni prag za ventilatore montirane na bloku radijatora. Omogućava korisniku da unese novi prag temperature putem prekida. Samo okretanjem ulijevo ili udesno, možete dodati ili oduzeti vrijednosti u rasponu (20-100 ° C). Niža vrijednost određena je sobnom temperaturom prostora.

Ovaj gumb ima malo kolo koje prenosi digitalni signal do mikrokontrolera. Logiku visoko/nisko zatim GPIO tumači za ulaz.

Drugi ulazni uređaj je Ti-jev kapacitivni paket za pojačavanje dodira. Moguće je koristiti i Booster-pack, ali nije moguće koristiti oba, samo zbog nedostatka GPIO-a na ciljnom MCU-u. Booster paket dolazi do mnogih GPIO.

Po mom mišljenju, Knob je bolji od Booster-Pack-a. Ali dobro je imati izbor. Ako je Booster paket potreban, postoji spremna biblioteka iz Ti -a za njegovu upotrebu. Neću ulaziti u detalje o tome.

Korak 6: Sažetak: Mjerenje temperature okoline i daljnje ideje ……

Nakon instalacije MCU-a nakon uključivanja, pozdravit će vas, a zatim nastaviti s mjerenjima. Firmver prvo drži ventilatore isključenima. Pokreće niz mjerenja na 5 x NTC sondi, koje se zatim spajaju u jednu apsolutnu vrijednost. Zatim, nakon ove vrijednosti i praga usporedbe (korisnički podaci), uključuje ili isključuje ventilatore (ili željene uređaje, bilo što drugo) priključene na DPDT releje. Uzmite u obzir da na te 3 x releje možete priključiti sve što treba isključiti ili isključiti. Releji mogu proći struju od 16 Ampera, ali mislim da nije dobra ideja početi koristiti tako velika opterećenja na tim izlazima.

Nadam se da će ova "stvarčica" (^_^) …….. hehe nekome biti od koristi. Moj doprinos globalnom umu košnica ^^).

Pitam se da će netko pokušati to izgraditi. Ali u slučaju da to učine, rado ću vam pomoći u svemu. Imam firmver u CCS -u i u Energiji. Molim vas javite mi momci ako vam zatreba. Takođe mi slobodno pišite o pitanjima i prijedlozima. Pozdrav iz "Sunčane" Njemačke.