Vysoko presný regulátor teploty: 6 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Vo vede a vo svete inžinierstva je sledovanie teploty aka (pohyb atómov v termodynamike) jedným zo základných fyzikálnych parametrov, ktoré by sme mali brať do úvahy takmer všade, od biológie buniek až po raketové motory na tvrdé palivo a ťahy. V počítačoch a v podstate všade, kde som zabudol spomenúť. Myšlienka tohto nástroja bola veľmi jednoduchá. Pri vývoji firmvéru som potreboval testovacie nastavenie, kde by som mohol otestovať firmvér na chyby namiesto našich produktov, ktoré sú ručne vyrobené technikmi, aby nespôsobovali žiadne poruchy súvisiace s vyššie uvedeným. Tieto nástroje majú tendenciu byť horúce, a preto je potrebné neustále a presné monitorovanie teploty, aby boli všetky časti prístroja v prevádzke, a čo je nemenej dôležité, aby vynikajúco fungovali. Použitie termistorov NTC na vyriešenie úlohy má niekoľko výhod. NTC (negatívny teplotný koeficient) sú špeciálne termistory, ktoré menia odpor v závislosti od teploty. Tieto NTC v kombinácii s kalibračnou metódou, ktorú objavili Stanely Hart a John Steinhart, ako je popísané v článku „Deep-Sea Research 1968 vol.15, s. 497-503 Pergamon Press“, je v mojom prípade najlepším riešením. Príspevok pojednáva o metódach širokého rozsahu meraní teploty (stovky Kelvinov …) s týmito typmi zariadení. Pokiaľ ide o inžinierstvo, chápem, že čím jednoduchší je systém/senzor, tým lepšie. Nikto nechce mať pod vodou niečo super komplikované, v kilometrových hĺbkach, ktoré môžu spôsobovať problémy pri meraní teploty len kvôli svojej zložitosti. Pochybujem, že by senzor fungoval podobne, možno bude fungovať termočlánok, ale vyžaduje určité podporné obvody a je určený pre prípady extrémnej presnosti. Využime ich teda na návrh chladiaceho systému, ktorý má niekoľko výziev. Niektoré z nich sú: hladina hluku, efektívne vzorkovanie hodnoty v reálnom čase a prípadne, všetko uvedené vyššie v jednoduchom a praktickom balíku na uľahčenie opravy a údržby, tiež náklady na jednotku. Počas písania firmvéru sa nastavenie stále viac vylepšovalo a vylepšovalo. V určitom okamihu som si uvedomil, že sa môže tiež stať samostatným nástrojom kvôli svojej zložitosti.

Krok 1: Kalibrácia teploty spoločnosťou Steinhart-Hart

Existuje pekný článok na Wikipédii, ktorý pomôže vypočítať koeficienty termistora v závislosti od potrebnej teploty a rozsahu termistora. Koeficienty sú vo väčšine prípadov super malé a v zjednodušenej forme by sa dali v rovnici zanedbať.

Steinhartova -Hartova rovnica je modelom odporu polovodiča pri rôznych teplotách. Rovnica je:

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

kde:

T { Displaystyle T} je teplota (v Kelvinoch) R { Displaystyle R} je odpor pri T (v ohmoch) A { displaystyle A}, B { displaystyle B} a C { displaystyle C} Steinhart -Hartove koeficienty, ktoré sa líšia v závislosti od typu a modelu termistora a požadovaného teplotného rozsahu. (Najobecnejšia forma aplikovanej rovnice obsahuje [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ ln (R)]^{2}}

výraz, ktorý sa však často zanedbáva, pretože je zvyčajne oveľa menší ako ostatné koeficienty, a preto nie je uvedený vyššie.)

Vývojári rovnice:

Rovnica je pomenovaná podľa Johna S. Steinharta a Stanleyho R. Harta, ktorí vzťah prvýkrát publikovali v roku 1968. [1] Profesor Steinhart (1929–2003), člen Americkej geofyzikálnej únie a Americkej asociácie pre rozvoj vedy, bol v rokoch 1969 až 1991 členom fakulty University of Wisconsin – Madison [2] Dr. Hart, senior vedec oceánografického ústavu Woods Hole od roku 1989 a člen Geologickej spoločnosti v Amerike, Americkej geofyzikálnej únie, Geochemickej spoločnosti a Európskej asociácie geochémie, [3] bol spojený s profesorom Steinhartom z Carnegie Institution Washingtonu, keď bola rovnica vytvorená.

Referencie:

John S. Steinhart, Stanley R. Hart, Kalibračné krivky pre termistory, Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts, zväzok 15, číslo 4, august 1968, strany 497-503, ISSN 0011-7471, doi: 10,1016/0011-7471 (68) 90057-0.

„Pamätné uznesenie fakulty University of Wisconsin-Madison o úmrtí emeritného profesora Johna S. Steinharta“(PDF). University of Wisconsin. 5. apríla 2004. Archivované z originálu (PDF) 10. júna 2010. Získané 2. júla 2015.

„Doktor Stan Hart,“. Oceánografická inštitúcia Woods Hole. Citované 2. júla 2015.

Krok 2: Assemby: materiály a metódy

Aby sme mohli začať stavať, musíme sa poradiť s kusovníkom aka (návrh zákona o materiáloch) a zistiť, aké časti plánujeme použiť. Okrem kusovníka by bola potrebná spájkovačka, pár kľúčov, skrutkovače a horúca lepiaca pištoľ. Pre pohodlie by som vám odporučil základné laboratórne nástroje pre elektroniku.

1. Prototypová doska-1
2. LCD displej Hitachi-1
3. Mean Well 240V >> 5Volt power supply-1
4. Červená LED-3
5. Modrá LED-3
6. Zelená LED-1
7. Žltá LED-1
8. Relé OMRON (DPDT alebo podobné 5 V) -3
9. Potenciometer 5KOhm-1
10. Rezistory (470Ohm)-niekoľko
11. BC58 tranzistor-3
12. Dióda-3
13. Regulátor nízkeho napätia-3
14. LED diódy SMD (zelená, červená) -6
15. Mikroprocesor MSP-430 (Ti 2553 alebo 2452) -2
16. Mechanický spínač Brzda pred výrobou (240 V 60 Hz) -1
17. Rotačný kodér-1
18. Plastové držiaky Ritchco-2
19. DIP zásuvky pre mikroprocesor MSP -430 -4
20. Elektrický napájací kábel do zásuvky v stene-1
21. Prepojovacie vodiče (rôzne farby) - veľa
22. Sonda NTC aka hodnota termistora 4k7, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1-Kapacitný dotykový BoosterPack (Texas Instruments) -1 (voliteľné)
24. Chladiace ventilátory (voliteľné) v prípade, že je potrebné niečo ochladiť-(1-3) (voliteľné)
25. Čistý hliníkový radiátor s 5 vyvŕtanými otvormi pre sondy NTC-1
26. Plastové platne s vyvŕtanými otvormi - 2
27. Matice, skrutky a niektoré skrutky na montáž konštrukcie nosiča-20 (za kus)
28. Montážna zásuvka na dosku pre PCB_ montážna doska 2-vodičová verzia so skrutkou vnútri-1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (voliteľné), slúži ako druhý predný displej-1

Viem, že je to dosť veľký účet za materiál a môže to stáť slušné peniaze. V mojom prípade všetko dostávam prostredníctvom svojho zamestnávateľa. Ale v prípade, že to chcete ušetriť, nemali by ste zvažovať voliteľné diely. Všetko ostatné je ľahké získať z Farnell14, DigiKey a/alebo niektorých miestnych špecializovaných obchodov s elektronikou.

Rozhodol som sa pre mikroprocesorovú linku MSP-430, pretože som ich nechal ležať. Aj keď je možné ľahko vybrať MCV RISC „AVR“. Niečo ako ATmega168 alebo ATmega644 s technológiou Pico-Power. Túto úlohu zvládne akýkoľvek iný mikroprocesor AVR. V skutočnosti som veľkým „fanúšikom“spoločnosti Atmel AVR. A stojí za zmienku, ak prichádzate z technického prostredia a ste ochotní urobiť peknú montáž, nepoužívajte žiadnu dosku Arduino, ak ste schopní programovať samostatné AVR, bolo by to oveľa lepšie, ak nie, skúste naprogramovať CPU a vložiť do zariadenia.

Krok 3: Montáž: Spájkovanie a stavba v krokoch…

Začatie montáže aka spájkovanie z najmenších súčiastok je dobrý začiatok. Začnite s komponentmi smd a zapojením. Spájkujte najskôr zbernicu Power-Bus, niekde tak, ako som to urobil na svojej prefabrikovanej doske, a potom ju predĺžte tak, aby všetky diely na doske mali ľahký prístup k zbernici Power-Bus bez akéhokoľvek presmerovania alebo komplikácií. Použil som káble po celej doske a to vyzerá dosť šialene, ale keď prototyp funguje, je možné neskôr navrhnúť správnu DPS.

• spájkovacie diely SMD (na indikáciu napájania MCU MSP-430 medzi Vcc a GND)
• spájkovanú napájaciu zbernicu a vedenie (vedenie tak, aby napájalo MSP-430)
• spájkujte všetky druhy zásuviek DIL (na zapojenie integrovaných obvodov MSP-430 x 2
• spájkovacie nízkonapäťové regulátory napätia s vhodnou podporou (kondenzátory, na napájanie 5 >> 3,3 voltov)
• spájkovacie tranzistory a odpory a diódy pre relé a prepojenie s MCU.
• spájkujte 10k Ohm potenciometer na ovládanie jasu LCD displeja.
• spájkujte LED diódy vedľa relé, dvojstavový indikátor červená/modrá (modrá = zapnutá, červená = vypnutá).
• spájkovajte Mean Well 240Volts >> 5voltový napájací zdroj s jeho konektormi.
• Spájkujte modrý mechanický spínač (prerušenie pred výrobou) vedľa napájania.

Spájkujte všetko ostatné, čo zostalo. Nevytvoril som zo zariadenia správnu schému len kvôli nedostatku času, ale je to celkom jednoduché s elektronickým pozadím. Po dokončení spájkovania by malo byť všetko skontrolované, či je správne zapojené, aby sa zabránilo akémukoľvek druhu skratu elektrického vedenia.

Teraz je čas zostaviť konštrukciu nosiča. Ako na obrázkoch, na pretiahnutie dlhých skrutiek a matíc a podložiek som použil 2 x plastové dosky s vyvŕtanými otvormi veľkosti M3 (4 x na platňu), na takéto prepojenia sa perfektne hodia dištančné skrutky a podložky. Musíte byť dotiahnutí z oboch strán, aby mohli držať zelené taniere pohromade.

Prefboard by mal byť vložený medzi predné podložky, to znamená, že tieto predné podložky by mali mať veľký priemer (až 5 mm), aby bolo možné medzi ne vložiť prefabrikát a potom ich dotiahnuť. Ak je to urobené správne, doska bude stáť 90 ° pevne. Ďalšou možnosťou, ako ho držať na mieste, by bolo použitie plastových držiakov plošných spojov Ritcho namontovaných na týchto dištančných skrutkách v uhle 90 °, ktoré vám potom pomôžu priskrutkovať plastové diely k dištančným skrutkám. V tomto mieste by ste mali mať možnosť pripojiť/pripevniť prednastavenú dosku.

Po inštalácii prefabrikátov príde na rad LCD (16x2) displej a mal by byť nainštalovaný. Ten môj používam v 4-bitovom režime na šetrenie GPIO ^_ ^))))))). Použite prosím 4-bitový režim, inak nebudete mať na dokončenie projektu dostatok GPIO. Podsvietenie Vcc a Gnd je spájkované potenciometrom k napájacej zbernici. Káble dátovej zbernice displeja by mali byť spájkované priamo s mikrokontrolérom MSP-430. Používajte iba digitálne GPIO. Analógové GPIO, ktoré potrebujeme pre NTC. Existuje 5 x zariadení NTC, takže je to tam tesné.

Krok 4: Dokončenie montáže a spustenia

Aby bolo možné nainštalovať sondy/NTC 5 -násobné kusy na chladič, je potrebné vykonať vŕtanie. Priemer a hĺbku vyvŕtaného otvoru nájdete v dátovom liste NTC, ktorý som pridal ako obrázok. Potom musí byť vyvŕtaný otvor nastavený nástrojom tak, aby akceptoval hlavu NTC veľkosti M3. Použitie 5 x NTC je druh priemerovania a vyhladzovania hardvéru. MSP-430 má ADC v 8-bitovom rozlíšení, takže s 5 x snímačmi bude ľahké priemerovať výsledky. Nevyhadzujeme tu procesory Ghz, takže v našom zabudovanom svete sú všetky hodiny CPU nevyhnutné. Sekundárne priemerovanie sa vykoná vo firmvéri. Každý NTC musí mať nohy a aby mohol čítať údaje prostredníctvom palubného ADC, musí byť vytvorený delič napätia pozostávajúci z R (NTC)+R (def). Port ADC musí byť pripevnený v strede týchto dvoch. R (def) je druhý odpor, ktorý by mal mať fixnú hodnotu 0,1 % alebo lepšiu, typicky v rozsahu s R (NTC). Voliteľne môžete pridať zosilňovač OP na zosilnenie signálu. Pripojenie NTC prpbes nájdete na obrázku v tejto časti.

Keď je spájkovanie dokončené a bolo skontrolované, ďalším krokom je inštalácia mikrokontroléra MSP-430 do ich zásuviek DIL. Predtým ich však treba naprogramovať. V tomto kroku je možné zapnúť zariadenie (bez mikrokontroléra) na predbežné testy. Ak je všetko správne zostavené, zariadenie by sa malo zapnúť a relé by mali byť vypnuté, indikované červenými diódami LED a ventilátory by mali bežať a displej by mal byť zapnutý, ale bez akýchkoľvek údajov, iba modré podsvietenie.

Krok 5: Užívateľský vstup, rotačný kodér a kapacitný dotykový zosilňovač

Vždy je pekné mať vstupné zariadenie, ktoré je možné použiť na vkladanie údajov do zariadenia. Magnetický gombík s permanentnými magnetmi je tu dobrou voľbou. Jeho úlohou je zadať prah teploty pre ventilátory namontované na bloku chladiča. Umožňuje užívateľovi zadať nový prah pre teplotu prostredníctvom prerušení. Otočením doľava alebo doprava môžete pridávať alebo odčítavať hodnoty v rozmedzí (20-100 ° C). Nižšia hodnota je určená teplotou miestnosti.

Tento gombík má malý obvod, ktorý prenáša digitálny signál do mikrokontroléra. Logiku high/low interpretuje GPIO pre vstup.

Druhým vstupným zariadením je kapacitný dotykový zosilňovač Ti. Je možné použiť aj Booster-pack, ale nie je možné použiť obe, len kvôli nedostatku GPIO na cieľovom MCU. Balíček Booster prechádza mnohými GPIO.

Podľa mňa je Knob lepší ako Booster-Pack. Ale je dobré mať na výber. Ak je požadovaný balík Booster, je k dispozícii pripravená knižnica od Ti. Nebudem tu zachádzať do podrobností.

Krok 6: Zhrnutie: Merania teploty okolia a ďalšie nápady ……

Po inštalácii MCU po zapnutí vás pozdraví a potom pristúpi k meraniu. Firmvér najskôr udržiava ventilátory vypnuté. Začína sa séria meraní na 5 x sondách NTC, ktoré sa potom zlúčia do jednej absolútnej hodnoty. Potom na základe tejto prahovej hodnoty a porovnania (údaje používateľa) zapne alebo vypne ventilátory (alebo požadované zariadenia, čokoľvek iné) pripojené k relé DPDT. Zvážte, že k týmto 3 x relé môžete pripojiť čokoľvek, čo je potrebné vypnúť alebo vypnúť. Relé môžu prechádzať prúdom 16 ampérov, ale nemyslím si, že je dobré začať na týchto výstupoch používať také ťažké záťaže.

Dúfam, že táto „vec“(^_^) …….. hehe bude niekomu užitočná. Môj príspevok ku globálnej úľovej mysli ^^).

Som zvedavý, že sa to niekto pokúsi postaviť. Ale ak áno, rád vám so všetkým pomôžem. Firmvér mám v CCS a v Energii. Ak to potrebujete, dajte mi vedieť, chlapci. V prípade otázok a návrhov mi tiež môžete napísať správu. Pozdrav z „slnečného“Nemecka.