Visoko natančen regulator temperature: 6 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:06

V znanosti in v inženirskem svetu je spremljanje temperature aka (gibanje atomov v termodinamiki) eden temeljnih fizikalnih parametrov, ki jih je treba upoštevati skoraj povsod, od biologije celic do raketnih motorjev na trdo gorivo in potiskov. V računalnikih in v bistvu povsod, kjer sem pozabil omeniti. Ideja za ta instrument je bila precej preprosta. Med razvojem vdelane programske opreme sem potreboval testno nastavitev, kjer sem lahko namesto naših izdelkov preizkusil vdelano programsko opremo za hrošče, ki so jih ročno izdelali tehniki, da ne povzročajo kakršnih koli motenj v zvezi z zgoraj navedenim. Ti instrumenti se ponavadi segrejejo, zato je potrebno stalno in natančno spremljanje temperature, da se ohranijo vsi deli instrumenta v teku in kar ni manj pomembno, da se odlično obnese. Uporaba termistorjev NTC za reševanje naloge ima več prednosti. NTC (negativni temperaturni koeficient) so posebni termistorji, ki spreminjajo upor glede na temperaturo. Ti NTC v kombinaciji s kalibracijsko metodo, ki sta jo odkrila Stanely Hart in John Steinhart, kot je opisano v članku "Deep-Sea Research 1968 vol.15, pp 497-503 Pergamon Press", je najboljša rešitev v mojem primeru. Prispevek obravnava metode merjenja temperature širokega razpona (na stotine Kelvinov …) s temi vrstami naprav. Po mojem razumevanju, ki izhaja iz inženirskega znanja, preprostejši kot je sistem/senzor, tem bolje. Nihče ne želi imeti nekaj zelo zapletenega pod vodo, na kilometrskih globinah, kar lahko povzroči težave pri merjenju temperature le zaradi njihove zapletenosti. Dvomim, da bi senzor deloval podobno, morda bo termoelement deloval, vendar zahteva nekaj podpornega vezja in je za primere izjemne natančnosti. Zato uporabimo to dvoje za oblikovanje hladilnega sistema, ki ima več izzivov. Nekateri med njimi so: raven hrupa, učinkovito vzorčenje vrednosti v realnem času in po možnosti vse zgoraj omenjeno v preprostem in priročnem paketu za lažje popravilo in vzdrževanje, pa tudi stroški na enoto. Med pisanjem vdelane programske opreme se je nastavitev vse bolj spreminjala in izboljševala. V nekem trenutku sem spoznal, da bi zaradi svoje kompleksnosti lahko postal tudi samostojen instrument.

Korak: Steinhart-Hart kalibracija temperature

V Wikipediji je lep članek, ki bo pomagal izračunati koeficiente termistorjev glede na potrebno temperaturo in območje termistorjev. V večini primerov so koeficienti zelo majhni in jih lahko v enačbi v poenostavljeni obliki zanemarimo.

Steinhart – Hartjeva enačba je model upora polprevodnika pri različnih temperaturah. Enačba je:

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

kje:

T { displaystyle T} je temperatura (v Kelvinih) R { displaystyle R} je upor pri T (v ohmih) A { displaystyle A}, B { displaystyle B} in C { displaystyle C} so koeficiente Steinhart – Hart, ki se razlikujejo glede na vrsto in model termistorja ter temperaturno območje, ki nas zanima. (Najbolj splošna oblika uporabljene enačbe vsebuje [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ ln (R)]^{2}}

izraz, vendar je to pogosto zanemarjeno, ker je običajno veliko manjše od drugih koeficientov, zato zgoraj ni prikazano.)

Razvijalci enačbe:

Enačba je poimenovana po Johnu S. Steinhartu in Stanleyju R. Hartu, ki sta odnos prvič objavila leta 1968. [1] Profesor Steinhart (1929–2003), sodelavec Ameriške geofizikalne unije in Ameriškega združenja za napredek znanosti, je bil med letoma 1969 in 1991. član fakultete Univerze v Wisconsinu -Madisonu. [2] Hart, višji znanstvenik pri oceanografski ustanovi Woods Hole od leta 1989 in sodelavec Geološkega društva Amerike, Ameriške geofizikalne zveze, Geokemijske družbe in Evropskega združenja za geokemijo [3], je bil povezan s profesorjem Steinhartom na Institutu Carnegie Washington, ko je bila enačba razvita.

Reference:

John S. Steinhart, Stanley R. Hart, Kalibracijske krivulje za termistorje, Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts, letnik 15, številka 4, avgust 1968, strani 497-503, ISSN 0011-7471, doi: 10.1016/0011-7471 (68) 90057-0.

"Spominska resolucija fakultete Univerze Wisconsin-Madison o smrti zaslužnega profesorja Johna S. Steinharta" (PDF). Univerza v Wisconsinu. 5. april 2004. Arhivirano izvirno (PDF) dne 10. junija 2010. Pridobljeno 2. julija 2015.

"Dr. Stan Hart,". Oceanografska ustanova Woods Hole. Pridobljeno 2. julija 2015.

2. korak: Sestavljanje: materiali in metode

Za začetek gradnje se moramo posvetovati z BOM -om (predlogom zakona o materialih) in preveriti, katere dele nameravamo uporabiti. Poleg BOM bi potrebovali spajkalnik, nekaj ključev, izvijače in pištolo za vroče lepilo. Priporočam osnovno laboratorijsko orodje za elektroniko, ki je poleg vas za udobje.

1. Plošča za izdelavo prototipov-1
2. Hitachi LCD zaslon-1
3. Mean Well 240V >> 5Volt napajanje-1
4. Rdeča LED-3
5. Modra LED-3
6. Zelena LED-1
7. Rumena LED-1
8. OMRON rele (DPDT ali podoben 5 V) -3
9. Potenciometer 5KOhm-1
10. Upori (470Ohm)-več
11. BC58 tranzistor-3
12. Dioda-3
13. Regulator napetosti z nizkim izpadom-3
14. SMD LED (zelena, rdeča) -6
15. Mikroprocesor MSP-430 (Ti 2553 ali 2452) -2
16. Mehansko stikalo Zavora pred izdelavo (240V 60Hz) -1
17. Rotacijski dajalnik-1
18. Plastična držala Ritchco-2
19. DIP vtičnice za mikroprocesor MSP -430 -4
20. Napajalni kabel za stensko vtičnico-1
21. Skakalne žice (različne barve) - veliko
22. Sonda NTC, znana tudi kot termistor 4k7, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1- Kapacitivni ojačevalnik na dotik (Texas Instruments) -1 (neobvezno)
24. Ventilatorji za hlajenje (neobvezno), če je treba nekaj ohladiti-(1-3) (neobvezno)
25. Radiator iz čistega aluminija s 5 izvrtanimi luknjami za NTC sonde-1
26. Plastične plošče z izvrtanimi luknjami - 2
27. Matice, vijaki in nekateri vijaki za sestavljanje nosilne konstrukcije-20 (na kos)
28. Priključitev na PCB preff_board montažna vtičnica 2-žična izvedba z vijakom znotraj-1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (izbirno) služi kot drugi čelni zaslon-1

Vem, da gre za precej velik račun za materiale in bi lahko stal nekaj dostojnega denarja. V mojem primeru vse dobim pri delodajalcu. Če pa želite biti poceni, ne pomislite na neobvezne dele. Vse ostalo je enostavno dobiti v Farnell14, DigiKey in/ali nekaterih lokalnih specializiranih trgovinah z elektroniko.

Odločil sem se za linijo mikroprocesorjev MSP-430, ker sem jih postavil naokoli. Čeprav lahko enostavno izberete "AVR" RISC MCU. Nekaj podobnega ATmega168 ali ATmega644 s tehnologijo Pico-Power. To bo opravil kateri koli drug mikroprocesor AVR. Pravzaprav sem velik "fan" podjetja Atmel AVR. Omeniti velja, če prihajate s tehničnega ozadja in ste pripravljeni narediti lepo montažo, ne uporabljajte nobene plošče Arduino, če lahko programirate samostojne AVR -je, bi bilo veliko bolje, če ne, poskusite programirati CPU in vdelati v napravo.

3. korak: Montaža: Spajkanje in gradnja po korakih…

Začetek montaže ali spajkanja od najmanjših komponent je dober začetek. Začnite s komponentami smd in ožičenjem. Najprej spajkajte Power-Bus, nekje kot sem naredil na svoji montažni plošči, nato pa podaljšajte, tako da vsi deli na montažni plošči zlahka dostopajo do Power-Bus brez kakršne koli preusmeritve ali zapletov. Uporabil sem žice po celotni plošči in to izgleda precej noro, vendar lahko kasneje, ko prototip deluje, oblikujemo ustrezno PCB.

• spajkani deli SMD (za indikacijo napajanja MCU MSP-430, med Vcc in GND)
• spajkalno vodilo in ožičenje (pot na način, ki daje moč MSP-430)
• spajkajte vse vrste DIL vtičnic (za priključitev MSP-430 x 2 IC)
• spajkajte nizkonapetostne regulatorje napetosti z ustrezno oporo (kondenzatorji, za moč 5 >> 3,3 voltov padec)
• spajkalni tranzistorji ter upori in diode za releje in vmesnike z MCU.
• spajkajte 10k ohmski potenciometer za nadzor svetlosti LCD zaslona.
• spajkajte LED zraven relejev, indikator dveh stanj rdeča/modra (modra = vklopljena, rdeča = izklopljena).
• spajkajte napajalno enoto Mean Well 240V >> >> 5 voltov z njenimi priključki.
• Modro mehansko stikalo (prekinitev pred izdelavo) spajkajte poleg napajalnika.

Spajkajte vse ostalo, kar ostane. Nisem ustvaril ustreznih shem iz naprave samo zaradi pomanjkanja časa, vendar je z elektronskim ozadjem kar preprosto. Po končanem spajkanju je treba vse preveriti glede pravilnih povezav, da se izognete kakršnemu koli kratkemu napajanju daljnovodov.

Zdaj je čas za montažo nosilne konstrukcije. Kot na slikah sem uporabil 2 x plastične plošče z izvrtanimi luknjami velikosti M3 (4 x na ploščo), da so imeli dolge vijake in matice ter podložke, distančni vijaki in podložke so kot nalašč za take medsebojne povezave. Morate jih zategniti z obeh strani, da lahko držijo zelene plošče skupaj.

Predhodno ploščo je treba vstaviti med sprednje podložke, pri čemer morajo biti te sprednje podložke velikega premera (do 5 mm), tako da je mogoče vstaviti ploščo med njimi in jih nato zategniti. Če je pravilno izvedena, bo plošča trdno stala pri 90 °. Druga možnost, da ga držite na mestu, bi bila uporaba plastičnih nosilcev PCB Ritcho, nameščenih na te razdaljne vijake pod kotom 90 °, kar vam bo nato pomagalo priviti plastične dele na razdaljne vijake. Na tej točki bi morali imeti možnost priklopa/pritrditve montažne plošče.

Po namestitvi montažne plošče je naslednji zaslon LCD (16x2), ki ga je treba namestiti. Za shranjevanje GPIO ^_ ^))))))) uporabljam svoj v 4-bitnem načinu. Prosimo, uporabite 4-bitni način, sicer ne boste imeli dovolj GPIO za dokončanje projekta. Osvetlitev ozadja, Vcc in Gnd sta spajkana skozi potenciometer na napajalno vodilo. Kable vodila podatkovnega vodila za prikaz morate spajkati neposredno na mikrokontroler MSP-430. Uporabljajte samo digitalni GPIO. Analogni GPIO, ki ga potrebujemo za NTC. Obstaja 5 x NTC naprav, zato je tam tesno.

4. korak: Dokončanje montaže in vklop

Za namestitev 5 x kosov sond/NTC na radiator je potrebno vrtanje. Preglejte podatkovni list NTC, ki sem ga dodal kot sliko za premere in globino izvrtane luknje. Nato morate izvrtano luknjo z orodjem prilagoditi, da sprejme glavo velikosti M3 NTC. Uporaba 5 x NTC je nekakšno strojno povprečenje in glajenje. MSP-430 ima ADC z 8-bitno ločljivostjo, tako da bo s 5 x senzorji enostavno povprečiti rezultate. Tu ne odlagamo procesorjev Ghz, zato je v našem vgrajenem svetu vsaka ura procesorja bistvena. Sekundarno povprečenje bo izvedeno v vdelani programski opremi. Vsak NTC mora imeti noge, in da lahko bere podatke prek ADC-ja na vozilu, je treba oblikovati delilnik napetosti, sestavljen iz R (NTC)+R (def). Vrata ADC morajo biti pritrjena na sredini teh dveh. R (def) je drugi upor, ki bi moral biti fiksne vrednosti 0,1 % ali bolje, običajno v območju z R (NTC). Po želji lahko dodate ojačevalnik za ojačanje signala. Za povezavo NTC prpbes glejte sliko v tem razdelku.

Ko je spajkanje končano in preverjeno, je naslednji korak namestitev mikrokrmilnika MSP-430 v njihove DIL vtičnice. Vendar jih je treba vnaprej programirati. V tem koraku je mogoče vklopiti napravo (brez mikrokrmilnika) za predhodne preskuse. Če je vse pravilno sestavljeno, se mora naprava vklopiti, releji pa morajo biti izklopljeni, kar označujejo rdeče LED, ventilatorji pa morajo delovati in prikaz mora biti vklopljen, vendar brez kakršnih koli podatkov, le modra osvetlitev ozadja.

5. korak: uporabniški vnos, rotacijski kodirnik in paket z ojačevalnikom kapacitivnega dotika

Vedno je lepo imeti vhodno napravo, ki jo lahko uporabite za vnos podatkov v napravo. Magnetni gumb s trajnimi magneti je tukaj dobra izbira. Njegova naloga je vnesti temperaturni prag za ventilatorje, nameščene na radiatorskem bloku. Omogoča uporabniku, da prek prekinitev vnese nov prag temperature. Z obračanjem levo ali desno lahko dodate ali odštejete vrednosti v območju (20-100 ° C). Nižjo vrednost določa sobna temperatura okolice.

Ta gumb ima majhno vezje, ki prenaša digitalni signal do mikrokrmilnika. Logiko visoko/nizko nato GPIO interpretira za vnos.

Druga vhodna naprava je Ti-jev kapacitivni ojačevalnik. Možno je uporabiti tudi Booster-pack, vendar obojega ni mogoče uporabiti, samo zaradi pomanjkanja GPIO na ciljnem MCU. Ojačevalski paket se razprostira na številnih GPIO.

Po mojem mnenju je gumb boljši kot Booster-Pack. Ampak dobro je imeti izbiro. Če želite ojačevalni paket, obstaja pripravljena knjižnica podjetja Ti za njegovo uporabo. Ne bom se spuščal v podrobnosti o tem.

Korak 6: Povzetek: Meritve temperature okolice in nadaljnje ideje ……

Po namestitvi MCU ob vklopu vas bo pozdravil in nato nadaljeval z meritvami. Vdelana programska oprema najprej ohranja ventilatorje izklopljene. Začne niz meritev na 5 x NTC sondah, ki se nato združijo v eno absolutno vrednost. Nato ob tej vrednosti in pragu primerjave (uporabniški podatki) vklopi ali izklopi ventilatorje (ali želene naprave, karkoli drugega), priključene na releje DPDT. Upoštevajte, da lahko na te 3 x releje pritrdite vse, kar je treba izklopiti ali izklopiti. Releji lahko prenesejo tok 16 Ampers, vendar se mi ne zdi dobro začeti uporabljati tako velike obremenitve na teh izhodih.

Upam, da bo ta "stvarčica" (^_^)……. hehe komu koristila. Moj prispevek k globalnemu panjskemu umu ^^).

Sprašujem se, da ga bo kdo poskušal zgraditi. Če pa bodo, bom z veseljem pomagal pri vsem. Imam vdelano programsko opremo v CCS in v Energiji. Prosim, sporočite mi, če ga potrebujete. Prav tako mi pišite o vprašanjih in predlogih. Lep pozdrav iz "sončne" Nemčije.