Erittäin tarkka lämpötilansäädin: 6 vaihetta (kuvien kanssa)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Tieteessä ja tekniikan maailmoissa lämpötilan eli atomien liikkeen (termodynamiikan liike) seuraaminen on yksi perusfysikaalisista parametreista, joita tulisi harkita lähes kaikkialla, solubiologiasta kovan polttoaineen rakettimoottoreihin ja työntövoimiin. Tietokoneissa ja periaatteessa kaikkialla, missä unohdin mainita. Tämän instrumentin idea oli melko yksinkertainen. Laiteohjelmistoa kehitettäessä tarvitsin testi -asennuksen, jossa voisin testata laiteohjelmiston virheiden varalta tuotteidemme sijaan, jotka teknikot ovat käsityönä eivät aiheuta minkäänlaisia yllä mainittuihin toimintahäiriöitä. Näillä välineillä on taipumus kuumentua, ja siksi tarvitaan jatkuvaa ja tarkkaa lämpötilan valvontaa, jotta laitteen kaikki osat pysyvät toimintakunnossa ja mikä ei ole vähäisempää suorituskykyä erinomaisesti. NTC -termistorien käyttämisellä tehtävän ratkaisemiseen on useita etuja. Negatiiviset lämpötilakerroimet (NTC) ovat erityisiä termistoreita, jotka muuttavat vastusta lämpötilan mukaan. Nämä NTC: t yhdistettynä Stanely Hartin ja John Steinhartin löytämään kalibrointimenetelmään, kuten on kuvattu artikkelissa "Deep-Sea Research 1968, osa 15, s. 497-503 Pergamon Press", on paras ratkaisu tapauksessani. Tässä artikkelissa käsitellään menetelmiä laajamittaisille lämpötilamittauksille (satoja Kelvinejä …) tällaisten laitteiden kanssa. Ymmärtääkseni insinööritausta tulee, mitä yksinkertaisempi järjestelmä/anturi on, sitä parempi. Kukaan ei halua, että veden alla kilometrien syvyydessä on jotain erittäin monimutkaista, mikä voi aiheuttaa ongelmia, kun mitataan veden lämpötilaa vain monimutkaisuutensa vuoksi. Epäilen anturin olemassaoloa toimimaan samalla tavalla, ehkä termoelementti toimii, mutta se vaatii jonkin verran tukipiirejä ja se on äärimmäisen tarkkoja tapauksia varten. Joten käytämme näitä kahta, jäähdytysjärjestelmän suunnitteluun, jolla on useita haasteita. Jotkut niistä ovat: melutaso, tehokas näytteenotto reaaliaikaisesta arvosta ja mahdollisesti kaikki edellä mainitut yksinkertaisessa ja kätevässä paketissa korjauksen ja huollon helpottamiseksi, myös yksikkökustannukset. Samaan aikaan laiteohjelmistoa kirjoitettaessa asetuksia muutettiin ja parannettiin yhä enemmän. Jossain vaiheessa tajusin, että siitä voi yhtä hyvin tulla itsenäinen väline sen monimutkaisuuden vuoksi.

Vaihe 1: Lämpötilan kalibrointi Steinhart-Hartin avulla

Wikipediassa on mukava artikkeli, joka auttaa laskemaan termistorikertoimet tarvittavan lämpötilan ja termistorialueen mukaan. Useimmissa tapauksissa kertoimet ovat erittäin pieniä, ja ne voidaan jättää huomiotta yhtälössä yksinkertaistetussa muodossaan.

Steinhart – Hart -yhtälö on malli puolijohteen resistanssista eri lämpötiloissa. Yhtälö on:

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

missä:

T { displaystyle T} on lämpötila (kelvineinä) R { displaystyle R} on resistanssi kohdassa T (ohmeina) A { displaystyle A}, B { displaystyle B} ja C { displaystyle C} ovat Steinhart – Hart -kertoimet, jotka vaihtelevat termistorin tyypin ja mallin sekä kiinnostuksen kohteena olevan lämpötila -alueen mukaan. (Sovellettavan yhtälön yleisin muoto sisältää [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ln (R)]^{2}}

termi, mutta tämä jätetään usein huomiotta, koska se on tyypillisesti paljon pienempi kuin muut kertoimet, eikä sitä siksi esitetä yllä.)

Yhtälön kehittäjät:

Yhtälö on nimetty John S. Steinhartin ja Stanley R. Hartin mukaan, jotka julkaisivat suhteen ensimmäisen kerran vuonna 1968. [1] Professori Steinhart (1929–2003), American Geophysical Unionin ja American Association for the Advancement of Science -jäsen, oli Wisconsinin ja Madisonin yliopiston tiedekunnan jäsen vuosina 1969–1991. [2] Tohtori Hart, Woods Hole Oceanographic Institution -yliopiston vanhempi tutkija vuodesta 1989 ja Amerikan geologisen yhdistyksen, American Geophysical Unionin, Geochemical Societyn ja European Geochemistry Associationin jäsen, [3] oli yhteydessä professori Steinhartin kanssa Carnegie Institutionissa. Washingtonista, kun yhtälö kehitettiin.

Viitteet:

John S. Steinhart, Stanley R. Hart, Termistorien kalibrointikäyrät, Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts, Volume 15, Issue 4, August 1968, Sivut 497-503, ISSN 0011-7471, doi: 10.1016/0011-7471 (68) 90057-0.

"Wisconsin-Madisonin yliopiston tiedekunnan muistopäätös emeritusprofessori John S. Steinhartin kuolemasta" (PDF). Wisconsinin yliopisto. 5. huhtikuuta 2004. Arkistoitu alkuperäisestä (PDF) 10. kesäkuuta 2010. Haettu 2. heinäkuuta 2015.

"Tohtori Stan Hart". Woods Hole Oceanografinen laitos. Haettu 2. heinäkuuta 2015.

Vaihe 2: Kokoonpano: Materiaalit ja menetelmät

Jotta voimme aloittaa rakentamisen, meidän on kuultava BOM: ää eli Bill of Materialsia ja selvitettävä, mitä osia aiomme käyttää. BOM: n lisäksi tarvitaan juotin, pari jakoavainta, ruuvimeisseliä ja kuuma liimapistooli. Suosittelen elektroniikan peruslaboratoriotyökaluja mukanasi.

1. Prototyyppikortti-1
2. Hitachi LCD-näyttö-1
3. Mean Well 240V >> 5V virtalähde-1
4. Punainen LED-3
5. Sininen LED-3
6. Vihreä LED-1
7. Keltainen LED-1
8. OMRON-rele (DPDT tai vastaava 5 voltin) -3
9. Potentiometri 5KOhm-1
10. Vastukset (470 ohmia)-useita
11. BC58 Transistori-3
12. Diodi-3
13. Alhaisen katkaisun jännitesäädin-3
14. SMD-LEDit (vihreä, punainen) -6
15. MSP-430-mikroprosessori (Ti 2553 tai 2452) -2
16. Mekaaninen kytkin Brake-Before-Make (240V 60Hz) -1
17. Kiertokooderi-1
18. Ritchco-muovipidikkeet-2
19. DIP -liittimet MSP -430 -mikroprosessorille -4
20. Sähköjohto pistorasiaan-1
21. Hyppyjohdot (eri värejä) - paljon
22. NTC Probe eli termistori 4k7, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1- kapasitiivinen kosketustehostin (Texas Instruments) -1 (valinnainen)
24. Jäähdytyspuhaltimet (valinnainen), jos jotain on jäähdytettävä-(1-3) (valinnainen)
25. Puhdas alumiinijäähdytin, johon on porattu 5 reikää NTC Probes-1: lle
26. Muovilevyt, joissa on poratut reiät - 2
27. Mutterit, pultit ja jotkut ruuvit kannatinrakenteen kokoamiseksi -20 (per kappale)
28. Johto piirilevyyn preff_board-kiinnityspistorasia 2-johtiminen versio ruuvilla-1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (valinnainen), toimii toisena etunäytönä-1

Tiedän, että se on melko suuri lasku materiaaleista ja saattaa maksaa kohtuullisen summan rahaa. Minun tapauksessani saan kaiken työnantajan kautta. Mutta jos haluat pitää sen halvalla, sinun ei pitäisi harkita valinnaisia osia. Kaikki muu on helppo hankkia Farnell14, DigiKey ja/tai paikallisista elektroniikka -alan erikoisliikkeistä.

Olen päättänyt MSP-430-mikroprosessorilinjan yli, koska minulla oli ne makaamassa. Vaikka "AVR" RISC MCU: t voidaan helposti valita. Jotain ATmega168 tai ATmega644 Pico-Power-tekniikalla. Mikä tahansa muu AVR -mikroprosessori tekee työn. Olen Atmel AVR: n suuri "fanipoika". Ja kannattaa mainita, jos tulet teknisestä taustasta ja olet valmis tekemään hienoja kokoonpanoja, älä käytä mitään Arduino -korttia, jos pystyt ohjelmoimaan erillisiä AVR -levyjä, se olisi paljon parempi, jos ei, yritä ohjelmoida CPU ja upota laitteeseen.

Vaihe 3: Kokoonpano: juottaminen ja rakentaminen vaiheissa…

Kokoonpanon eli juottamisen aloittaminen pienimmistä komponenteista on hyvä alku. Aloita smd -komponenteista ja johdotuksista. Juottaa Power-Bus ensin, jossain kuten esilaudallani, ja pidentää sitä sitten siten, että kaikki esilevyn osat pääsevät helposti Power-Busiin ilman uudelleenreititystä tai komplikaatioita. Käytin johtoja kaikkialla esilevyssä, ja se näyttää melko hullulta, mutta myöhemmin voidaan suunnitella oikea PCB, kun prototyyppi toimii.

• juotos-SMD-osat (MSP-430-MCU: n virranilmaisimille, Vcc ja GND)
• juotosvirtaväylä ja johdot (reititä siten, että se antaa virtaa MSP-430: lle)
• juottaa kaikenlaisia DIL-pistorasioita (MSP-430 x 2 -piirien liittämiseksi
• juottaa matalan katkaisun jännitesäätimet sopivalla tuella (kondensaattorit, teho 5 >> 3,3 voltin pudotus)
• juotostransistorit sekä vastukset ja diodit releille ja liitäntä MCU: han.
• juota 10 k ohmin potentiometri nestekidenäytön kirkkauden säätöä varten.
• juota releiden vieressä olevat LEDit, kahden tilan ilmaisin punainen/sininen (sininen = päällä, punainen = pois päältä).
• juota Mean Well 240Volt >> 5 voltin virtalähde ja sen liittimet.
• Juotos sininen mekaaninen kytkin (break-before-make) virtalähteen viereen.

Juota kaikki muu mitä on jäljellä. En luonut laitteesta oikeita kaavioita vain ajan puutteen vuoksi, mutta elektroniikan taustalla se on melko yksinkertaista. Kun juotos on valmis, kaikki on tarkistettava, että liitännät ovat kunnossa, jotta vältetään sähköjohtojen oikosulku.

Nyt on aika koota telinerakenne. Kuten kuvissa, olen käyttänyt 2 x muovilevyä, joissa on M3 -kokoiset reiät porattu (4 x levyä kohti), jotta pitkät ruuvit ja mutterit ja aluslevyt kulkevat läpi, etäisyyspultit ja aluslevyt ovat täydellisiä tällaisiin liitäntöihin. Laitetta on kiristettävä molemmilta puolilta, jotta vihreät levyt voidaan pitää yhdessä.

Esilevy tulee laittaa etulevyjen väliin, eli niiden etulevyjen tulee olla halkaisijaltaan suuria (enintään 5 mm), jotta esilevy voidaan asettaa niiden väliin ja kiristää sitten. Jos levy on tehty oikein, se pysyy tukevasti 90 ° kulmassa. Toinen vaihtoehto pitää se paikallaan olisi käyttää Ritchon muovisia PCB -pidikkeitä, jotka on asennettu näihin etäisyyspultteihin 90 ° kulmassa, mikä auttaa sinua ruuvaamaan muoviosat etäisyysruuveihin. Tässä vaiheessa sinun pitäisi pystyä liittämään/kiinnittämään esilevy.

Esilevyn asennuksen jälkeen nestekidenäyttö (16x2) tulee seuraavaksi ja se tulee asentaa. Käytän omaani 4-bittisessä tilassa GPIO: n säästämiseksi ^_ ^))))))). Käytä 4-bittistä tilaa, muuten sinulla ei ole tarpeeksi GPIO: ta projektin loppuun saattamiseen. Taustavalo, Vcc ja Gnd on juotettu potentiometrin kautta tehoväylään. Näytön data-väyläkaapelit on juotettava suoraan MSP-430-mikrokontrolleriin. Käytä vain digitaalista GPIO: ta. Analoginen GPIO, jota tarvitsemme NTC -laitteisiin. Siellä on 5 x NTC -laitetta, joten se on tiukka.

Vaihe 4: Asennuksen viimeistely ja käynnistys

Jotta mittapäät/NTC: t voidaan asentaa 5 x kappaleeseen jäähdyttimeen, poraus on suoritettava. Katso poratun reiän halkaisijat ja syvyys NTC: n tuoteselosteesta, jonka olen lisännyt kuvaksi. Jälkeenpäin Porattu reikä on säädettävä työkalulla, jotta se hyväksyy NTC -koon M3 -koon. 5 x NTC: n käyttäminen on eräänlainen laitteiston keskiarvo ja tasoitus. MSP-430: ssa on ADC 8-bittisellä resoluutiolla, joten 5 x anturin käyttö on helppoa tulosten keskiarvoon. Emme hävitä Ghz -suorittimia täällä, joten sulautetussa maailmassa jokainen CPU -kello on välttämätön. Toissijainen keskiarvo lasketaan laiteohjelmistossa. Jokaisella NTC: llä on oltava jalat, ja voidakseen lukea tietoja sisäisen ADC: n kautta on muodostettava jännitteenjakaja, joka koostuu R (NTC)+R (def). ADC -portti on kiinnitettävä näiden kahden keskelle. R (def) on toinen vastus, jonka pitäisi olla kiinteä arvo 0,1 % tai parempi, tyypillisesti R: n (NTC) alueella. Vaihtoehtoisesti voit lisätä OP-vahvistimen signaalin vahvistamiseksi. Katso tämän osan kuvasta NTC -prpbes -liitännät.

Kun juotos on valmis ja se on tarkistettu, seuraava vaihe on asentaa MSP-430-mikrokontrolleri DIL-liitäntöihin. Mutta ne on ohjelmoitava etukäteen. Tässä vaiheessa on mahdollista käynnistää laite (ilman mikro -ohjainta) alustavia testejä varten. Jos kaikki on koottu oikein, laitteen pitäisi kytkeytyä päälle ja releiden olla pois päältä, punaisten merkkivalojen osoittama, ja tuulettimien pitäisi toimia ja näytön olla päällä, mutta ilman tietoja, vain sininen taustavalo.

Vaihe 5: Käyttäjän syöttö, kiertokooderi ja kapasitiivinen kosketusbooster-paketti

On aina mukavaa saada syöttölaite, jota voidaan käyttää tietojen syöttämiseen laitteeseen. Kestomagneeteilla varustettu magneettinen nuppi on hyvä valinta. Sen tehtävänä on syöttää jäähdytyslohkoon asennettujen puhaltimien lämpötilaraja. Sen avulla käyttäjä voi syöttää uuden lämpötilan kynnyksen keskeytysten kautta. Vain kääntämällä vasemmalle tai oikealle, voit lisätä tai vähentää arvoja välillä (20-100 ° C). Alempi arvo määräytyy huoneen ympäristön lämpötilan mukaan.

Tässä nupissa on pieni piiri, joka lähettää digitaalisen signaalin mikro -ohjaimelle. GPIO tulkitsee sitten logiikan korkea/matala tuloksi.

Toinen syöttölaite on Ti: n kapasitiivinen kosketustehostin. Booster-pakettia on myös mahdollista käyttää, mutta molempia ei voi käyttää vain siksi, että kohde-MCU: ssa ei ole GPIO: ta. Booster -paketti vie monille GPIO: lle.

Mielestäni Knob on parempi kuin Booster-Pack. Mutta on hyvä, että on vaihtoehtoja. Jos Booster -pakettia halutaan, Ti: ltä on valmis kirjasto sen käyttämiseen. En mene tähän yksityiskohtiin.

Vaihe 6: Yhteenveto: Ympäristön lämpötilan mittaukset ja muita ideoita ……

MCU-asennuksen jälkeen se tervehtii sinua ja jatkaa sitten mittauksiin. Laiteohjelmisto pitää tuulettimet ensin pois päältä. Aloittaa mittaussarjan 5 x NTC -anturilla, joka sitten yhdistetään yhdeksi absoluuttiseksi arvoksi. Tämän arvon ja vertailun (käyttäjädata) kynnyksen jälkeen se kytkee DPDT -releisiin kiinnitetyt tuulettimet (tai halutut laitteet, kaikki muut) päälle tai pois päältä. Harkitse, että voit liittää näihin 3 x releeseen mitä tahansa, jotka on kytkettävä pois päältä tai pois päältä. Releet pystyvät siirtämään 16 ampeerin virran, mutta en usko, että olisi hyvä idea aloittaa tällaisten raskaiden kuormien käyttö näissä lähtöissä.

Toivon, että tämä "asia" (^_^) …….. hehe on hyödyllinen jollekin. Oma panokseni maailmanlaajuiseen pesämieleen ^^).

Ihmettelen, jos joku yrittää rakentaa sen. Mutta jos he tekevät niin, autan mielelläni kaikessa. Minulla on laiteohjelmisto CCS: ssä ja Energiassa. Kerro minulle kaverit, jos tarvitset sitä. Voit myös lähettää minulle kysymyksiä ja ehdotuksia tekstiviestillä. Terveisiä "Aurinkoisesta" Saksasta.