Visoko precizni regulator temperature: 6 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:36

U znanosti i svijetu inženjeringa praćenje temperature aka (kretanje atoma u termodinamici) jedan je od temeljnih fizikalnih parametara koje treba uzeti u obzir gotovo svugdje, počevši od stanične biologije do raketnih motora na tvrdo gorivo i potiska. U računalima i u osnovi svugdje gdje sam zaboravio spomenuti. Ideja iza ovog instrumenta bila je prilično jednostavna. Prilikom razvoja firmvera trebao sam testno postavljanje gdje sam mogao testirati firmver za greške umjesto naših proizvoda, koje su ručno izradili tehničari da ne uzrokuju bilo kakve kvarove povezane 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 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 vrstama uređaja. Koliko sam shvatio, što dolazi iz inženjerske pozadine, što je sustav/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 za podršku i to je za slučajeve ekstremne preciznosti. Pa iskoristimo to dvoje za dizajn rashladnog sustava koji ima nekoliko izazova. Neki od njih su: razina buke, učinkovito uzorkovanje vrijednosti u stvarnom vremenu i moguće, sve gore navedeno u jednostavnom i zgodnom paketu radi lakšeg popravka i održavanja, također i troškovi po jedinici. U međuvremenu pri pisanju firmvera postava se sve više dotjerivala i poboljšavala. U nekom sam trenutku shvatio da bi zbog složenosti mogao postati i samostalan instrument.

Korak 1: Kalibracija temperature od Steinhart-Harta

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 – Hartova jednadžba je model otpora poluvodiča na različitim temperaturama. Jednadžba 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 koeficijente koji variraju ovisno o vrsti i modelu termistora i temperaturnom rasponu od interesa. (Najopćenitiji oblik primijenjene jednadžbe sadrži [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ln (R)]^{2}}

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

Razvojnici jednadžbe:

Jednadžba je dobila ime po Johnu S. Steinhartu i Stanleyu R. Hartu koji su prvi put objavili vezu 1968. [1] Profesor Steinhart (1929–2003), stipendist Američkog geofizičkog saveza i Američkog udruženja za napredak znanosti, bio je član fakulteta Sveučilišta Wisconsin -Madison od 1969. do 1991. [2] Hart, viši znanstvenik na Oceanografskoj instituciji Woods Hole od 1989. i član Geološkog društva Amerike, Američke geofizičke unije, Geokemijskog društva i Europskog udruženja za geokemiju [3], bio je povezan s profesorom Steinhartom na Institutu Carnegie Washingtona kada je jednadžba 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 Sveučilišta Wisconsin-Madison o smrti profesora emeritusa Johna S. Steinharta" (PDF). Sveučilište Wisconsin. 5. travnja 2004. Arhivirano iz izvornika (PDF) 10. lipnja 2010. Pristupljeno 2. srpnja 2015.

"Dr. Stan Hart". Oceanografska ustanova Woods Hole. Pristupljeno 2. srpnja 2015.

Korak 2: Sastavljanje: materijali i metode

Da bismo započeli s izgradnjom, moramo se obratiti BOM -u (Bill of Materials) i vidjeti koje dijelove planiramo koristiti. Osim štampe, bit će potrebno 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 zaslon-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 slično 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 Kočnica prije izrade (240V 60Hz) -1
17. Rotacijski davač-1
18. Ritchco plastični držači-2
19. DIP utičnice za mikroprocesor MSP -430 -4
20. Kabel za napajanje strujom za zidnu utičnicu-1
21. Kratkospojne žice (razne boje) - puno
22. NTC sonda poznata i kao termistor vrijednosti 4k7, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1-Kapacitivni paket za pojačavanje dodira (Texas Instruments) -1 (izborno)
24. Ventilatori za hlađenje (izborno) u slučaju da se nešto mora ohladiti- (1-3) (izborno)
25. Radijator od čistog aluminija s 5 rupa izbušenih za NTC sonde-1
26. Plastične ploče s izbušenim rupama - 2
27. Matice, vijci i neki vijci za sastavljanje konstrukcije nosača-20 (po komadu)
28. Žica na PCB preff_board montažna utičnica 2-žična verzija s vijkom-1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (izborno) služi kao drugi frontalni zaslon-1

Znam da je to prilično velik račun o materijalima i mogao bi koštati pristojnu količinu novca. U mom slučaju sve dobivam preko poslodavca. No, u slučaju da želite ostati jeftini, ne biste trebali uzeti u obzir dodatne dijelove. Sve ostalo lako je 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 odabrati "AVR" RISC MCU. Nešto poput ATmega168 ili ATmega644 s Pico-Power tehnologijom. Svaki drugi AVR mikroprocesor će obaviti posao. Ja sam zapravo veliki "fan" Atmel AVR -a. Vrijedno je spomenuti 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 puno 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 dobar je 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-Busu 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.

• lemljenje SMD dijelova (za indikaciju napajanja MCU-a MSP-430, između Vcc i GND)
• lemna sabirnica i ožičenje (trasa na način da daje snagu MSP-430)
• lemite sve vrste DIL utičnica (kako biste priključili IC MSP-430 x 2)
• lemiti regulatore napona s niskim ispadanjem s odgovarajućim nosačem (kondenzatori, za snagu 5 >> pad od 3,3 V)
• lemljenje tranzistora, otpornika i dioda za releje i povezivanje s MCU -om.
• lemite potenciometar od 10 k Ohma za kontrolu svjetline LCD zaslona.
• lemite LED diode pored releja, indikator u dva stanja crveno/plavo (plavo = uključeno, crveno = isključeno).
• zalemiti Mean Well 240Volts >> 5V napajačku jedinicu sa svojim konektorima.
• Lemite plavi mehanički prekidač (break-before-make) pored napajanja.

Lemiti sve ostalo što ostane. Nisam napravio prave sheme od uređaja samo zbog nedostatka vremena, ali vrlo je jednostavno s pozadinom elektronike. Po završetku lemljenja sve treba provjeriti radi ispravnih spojeva kako bi se izbjeglo bilo kakvo kratko spojanje dalekovoda.

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.

Montažnu ploču treba umetnuti između prednjih podložaka, što znači da prednje podloške trebaju biti velikog promjera (do 5 mm) tako da se može umetnuti ploču između njih i zatim ih zategnuti. Ako se pravilno izvede, ploča će čvrsto stajati na 90 °. Druga mogućnost držanja na mjestu bila bi upotreba Ritcho plastičnih držača za PCB montirane na te razmakne vijke pod kutom od 90 °, što će vam zatim pomoći da pričvrstite 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 načinu rada za očuvanje GPIO ^_ ^))))))). Molimo vas da koristite 4-bitni način, inače nećete imati dovoljno GPIO-a za dovršetak projekta. Pozadinsko svjetlo, Vcc i Gnd lemljeno je preko potenciometra na sabirnicu. Kablovi sabirnice podataka za prikaz trebaju biti lemljeni izravno na mikrokontroler MSP-430. Molimo koristite samo digitalni GPIO. Analogni GPIO koji nam je potreban za NTC -ove. Postoji 5 x NTC uređaja, pa je tamo tijesno.

Korak 4: Dovršavanje montaže i uključivanje

Za postavljanje sondi/NTC -ova 5 x komada na radijator, potrebno je izvršiti bušenje. Pogledajte tehnički list NTC -a, koji sam dodao kao sliku za promjere i dubinu izbušene rupe. Nakon toga izbušenu rupu potrebno je prilagoditi alatom da prihvati glavu MTC veličine NTC -a. Korištenje 5 x NTC -a je vrsta hardverskog prosjeka i izglađivanja. MSP-430 ima ADC u 8-bitnoj razlučivosti 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 bit će izvedeno u firmveru. Svaki NTC mora imati noge, a za čitanje podataka putem ugrađenog ADC-a potrebno je formirati razdjelnik napona koji se sastoji od R (NTC)+R (def). ADC priključak 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.

Kad je lemljenje završeno i provjereno, sljedeći korak je instaliranje mikrokontrolera MSP-430 u njihove DIL utičnice. No, prethodno ih je potrebno programirati. U ovom koraku moguće je uključiti uređaj (bez mikrokontrolera) radi preliminarnih ispitivanja. Ako je sve ispravno sastavljeno, uređaj bi se trebao uključiti, a releji bi trebali biti isključeni, što je označeno crvenim LED-ima, a ventilatori bi trebali raditi i zaslon bi trebao biti uključen, ali bez ikakvih podataka, samo plavo pozadinsko svjetlo.

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

Uvijek je lijepo imati ulazni uređaj koji se može koristiti za unos podataka u uređaj. Magnetski gumb s trajnim magnetima ovdje je dobar izbor. Njegova je zadaća unijeti temperaturni prag za ventilatore montirane na bloku radijatora. Omogućuje korisniku da unese novi prag temperature putem prekida. Samo okretanjem ulijevo ili udesno, možete zbrajati ili oduzimati vrijednosti u rasponu (20-100 ° C). Niža vrijednost određena je sobnom temperaturom okoline.

Ovaj gumb ima mali krug koji prenosi digitalni signal do mikrokontrolera. Logiku visoko/nisko tada 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 oboje, samo zbog nedostatka GPIO-a na ciljnom MCU-u. Booster paket zauzima mjesto za mnoge GPIO.

Po mom mišljenju, Knob je bolji od Booster-Pack-a. Ali dobro je imati izbor. Ako je poželjan Booster paket, postoji spremna biblioteka iz Ti -a za njegovu upotrebu. Ne ulazim ovdje 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 održava 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 trebate isključiti ili isključiti. Releji mogu propustiti 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 ga netko pokušati 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 dečki ako vam zatreba. Također mi slobodno pišite o pitanjima i prijedlozima. Pozdrav iz "Sunčane" Njemačke.