Високо прецизен температурен контролер: 6 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:53

В науката и в инженерните светове проследяването на температурата, известна още като движение на атомите в термодинамиката, е един от основните физични параметри, които трябва да се вземат предвид почти навсякъде, като се започне от биологията на клетките до ракетните двигатели на твърдо гориво и тяги. В компютрите и почти навсякъде, където забравих да спомена. Идеята зад този инструмент беше доста проста. Докато разработвах фърмуер, имах нужда от тестова настройка, където можех да тествам фърмуера за грешки вместо нашите продукти, които са ръчно изработени от техници, за да не причиняват някакви неизправности, свързани с гореспоменатото. Тези инструменти са склонни да се нагряват и поради това е необходимо постоянно и прецизно наблюдение на температурата, за да се поддържат всички части на инструмента изправни и което е не по -малко важно да се изпълнява отлично. Използването на NTC термистори за решаване на задачата има няколко предимства. NTCs (отрицателен температурен коефициент) са специални термистори, които променят съпротивлението в зависимост от температурата. Тези NTCs, комбинирани с метода за калибриране, открит от Stanely Hart и John Steinhart, както е описано в статията „Deep-Sea Research 1968 vol.15, pp 497-503 Pergamon Press“е най-доброто решение в моя случай. В статията се обсъждат методи за измерване на температура в широк диапазон (стотици Келвини …) с този тип устройства. Според мен, идващ от инженерно образование, колкото по -проста е системата/сензорът, толкова по -добре. Никой не иска да има нещо супер сложно под водата, на километрова дълбочина, което може да причини проблеми при измерване на температурата там само поради тяхната сложност. Съмнявам се съществуването на сензора да работи по подобен начин, може би термодвойката ще го направи, но това изисква известна поддръжка и е за случаи с изключителна прецизност. Така че нека използваме тези две за дизайна на охладителната система, която има няколко предизвикателства. Някои от тях са: нивото на шума, ефективното вземане на проби от стойността в реално време и евентуално, всички по-горе споменати в прост и удобен пакет за по-лесен ремонт и поддръжка, също и разходите за единица. Междувременно при писането на фърмуера, настройката се оправяше все повече и повече. В един момент разбрах, че може да се превърне и в самостоятелен инструмент поради сложността си.

Стъпка 1: Калибриране на температурата от Steinhart-Hart

В Уикипедия има хубава статия, която ще ви помогне да изчислите термисторните коефициенти в зависимост от необходимата температура и обхвата на термисторите. В повечето случаи коефициентите са свръх малки и могат да бъдат пренебрегнати в уравнението в неговия опростен вид.

Уравнението на Steinhart – Hart е модел на съпротивлението на полупроводник при различни температури. Уравнението е:

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

където:

T { displaystyle T} е температурата (в Kelvin) R { displaystyle R} е съпротивлението при T (в ома) A { displaystyle A}, B { displaystyle B} и C { displaystyle C} са коефициентите на Steinhart – Hart, които варират в зависимост от типа и модела на термистора и температурния диапазон, който представлява интерес. (Най -общата форма на приложеното уравнение съдържа [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ln (R)]^{2}}

термин, но това често се пренебрегва, защото обикновено е много по -малко от другите коефициенти и следователно не е показано по -горе.)

Разработчици на уравнението:

Уравнението е кръстено на Джон С. Стайнхарт и Стенли Р. Харт, които за първи път публикуват връзката през 1968 г. [1] Професор Steinhart (1929–2003), член на Американския геофизичен съюз и на Американската асоциация за напредък на науката, е бил член на факултета на Университета на Уисконсин -Мадисън от 1969 до 1991 г. [2] Д -р Харт, старши учен в океанографската институция Уудс Хоул от 1989 г. и член на Геологическото общество на Америка, Американския геофизичен съюз, Геохимичното общество и Европейската асоциация по геохимия [3], е свързан с професор Щайнхарт в Института Карнеги на Вашингтон, когато е разработено уравнението.

Препратки:

John S. Steinhart, Stanley R. Hart, Калибрационни криви за термистори, Deep-Sea Research и Oceanographic Abstracts, том 15, брой 4, август 1968 г., страници 497-503, ISSN 0011-7471, doi: 10.1016/0011-7471 (68) 90057-0.

„Мемориална резолюция на факултета на Университета на Уисконсин-Мадисън за смъртта на почетния професор Джон С. Щайнхарт“(PDF). Университет на Уисконсин. 5 април 2004. Архивиран от оригинала (PDF) на 10 юни 2010 г. Посетен на 2 юли 2015 г.

„Д -р Стан Харт“. Океанографска институция Woods Hole. Посетен на 2 юли 2015 г.

Стъпка 2: Сглобяване: Материали и методи

За да започнем изграждането, трябва да се консултираме със спецификацията, известна още като (Законопроект за материалите), и да видим какви части планираме да използваме. Освен спецификацията ще са необходими поялник, няколко гаечни ключа, отвертки и пистолет за горещо лепило. Бих препоръчал основни лабораторни инструменти за електроника, които са до вас за удобство.

1. Прототипна дъска-1
2. LCD дисплей Hitachi-1
3. Mean Well 240V >> 5Volt захранване-1
4. Червен LED-3
5. Син LED-3
6. Зелен светодиод-1
7. Жълт LED-1
8. Реле OMRON (DPDT или подобен 5 волта) -3
9. Потенциометър 5KOhm-1
10. Резистори (470Ohm)-няколко
11. BC58 Транзистор-3
12. Диод-3
13. Регулатор на ниско напрежение на отпадане-3
14. SMD светодиоди (зелено, червено) -6
15. Микропроцесор MSP-430 (Ti 2553 или 2452) -2
16. Механичен превключвател Brake-Before-Make (240V 60Hz) -1
17. Ротационен енкодер-1
18. Пластмасови държачи Ritchco-2
19. DIP гнезда за микропроцесор MSP -430 -4
20. Захранващ кабел за електрически контакт-1
21. Джъмперни проводници (различни цветове) - много
22. Сонда NTC, известна още като термистор 4k7, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1-Капацитивен бустер за докосване (Texas Instruments) -1 (по избор)
24. Охлаждащи вентилатори (по избор) в случай, че нещо трябва да се охлади-(1-3) (по избор)
25. Чист алуминиев радиатор с 5 дупки, пробити в него за NTC сонди-1
26. Пластмасови плочи с пробити отвори - 2
27. Гайки, болтове и някои винтове за сглобяване на носещата конструкция-20 (на брой)
28. Кабел към печатни платки монтажен гнездо 2-жилен вариант с винт вътре-1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (по избор), служи като втори челен дисплей-1

Знам, че това е доста голяма сметка за материали и може да струва някаква прилична сума пари. В моя случай получавам всичко чрез работодателя си. Но в случай, че искате да го запазите евтино, не трябва да обмисляте допълнителните части. Всичко останало е лесно да се получи от Farnell14, DigiKey и/или някои местни специализирани магазини за електроника.

Реших за микропроцесорната линия MSP-430, защото ги накарах. Въпреки че човек може лесно да избере RISC MCU на "AVRs". Нещо като ATmega168 или ATmega644 с Pico-Power Technology. Всеки друг AVR микропроцесор ще свърши работа. Аз всъщност съм голям "фен" на Atmel AVR. И заслужава да се спомене, ако идвате от технически опит и желаете да направите хубаво сглобяване, не използвайте никаква платка Arduino, ако можете да програмирате самостоятелни AVR, това би било много по -добре, ако не и тогава, опитайте да програмирате Процесора и вграждане в устройството.

Стъпка 3: Сглобяване: Запояване и изграждане на стъпки…

Стартирането на монтаж, известен също като запояване от най -малките компоненти, е добро начало. Започнете с smd компонентите и окабеляването. Запоявайте първо Power-Bus, някъде, както направих на моята сглобяема дъска, и след това я удължете по начин, така че всички части на сглобяемата дъска лесно да имат достъп до Power-Bus без пренасочване или усложнения. Използвах проводници по цялата сглобяема плоскост и това изглежда доста лудо, но по -късно човек може да проектира подходяща печатна платка, след като прототипът работи.

• запояване на SMD части (за индикация на захранването на MCU на MSP-430, между Vcc и GND)
• спойка захранваща шина и окабеляване (маршрут по начин, който дава захранване на MSP-430)
• запоявайте всякакви DIL гнезда (за да включите микросхемите MSP-430 x 2)
• запояване на регулатори на ниско отпадане на напрежението с подходящата му опора (кондензатори, за мощност 5 >> 3,3 волта спад)
• спойка транзистори, и резистори и диоди за релета и взаимодействие с MCU.
• запоявайте 10k Ohm потенциометъра за контрол на яркостта на LCD дисплея.
• запоявайте светодиодите до релета, индикатор за две състояния червено/синьо (синьо = включено, червено = изключено).
• запоявайте Mean Well 240Volts >> 5 Volts захранващ блок с неговите конектори.
• Запоявайте синия механичен превключвател (прекъсване преди извършване) до захранването.

Запоявайте всичко останало, което е останало. Не създадох правилни схеми от устройството само поради липса на време, но е съвсем просто с електронен фон. След завършване на запояването всичко трябва да се провери за правилни връзки, за да се избегне всякакво късо съединение на електропроводите.

Сега е време да сглобите конструкцията на носача. Както на снимките, използвах 2 x пластмасови плочи с пробити отвори с размер M3 (4 x на плоча), за да има дълги винтове и гайки и шайби, дистанционните болтове и шайби са идеални за такива взаимосвързаности. Те трябва да бъдат затегнати от двете страни, за да могат да държат зелените плочи заедно.

Сглобяемата плоскост трябва да бъде вмъкната между предните шайби, но тези предни шайби трябва да са с голям диаметър (до 5 мм), така че човек да може да вмъкне панела между тях и след това да ги затегне. Ако е направено правилно, дъската ще стои здраво на 90 °. Друг вариант за задържането му на място би било използването на пластмасови държачи за печатни платки Ritcho, монтирани на тези дистанционни болтове под ъгъл 90 °, което след това ще ви помогне да завиете пластмасовите части към дистанционните болтове. В този момент трябва да можете да включите/прикрепите сглобяемата плоскост.

След инсталацията на сглобяема плоча, LCD (16x2) дисплей идва като следващ и трябва да бъде инсталиран. Използвам моя в 4-битов режим, за да запазя GPIO ^_ ^))))))). Моля, използвайте 4-битов режим, в противен случай няма да имате достатъчно GPIO, за да завършите проекта. Подсветката, Vcc и Gnd се запояват през потенциометър към захранващата шина. Кабелите на шината за данни на дисплея трябва да бъдат запоени директно към микроконтролера MSP-430. Моля, използвайте само цифров GPIO. Аналоговият GPIO, от който се нуждаем за NTC. Има 5 x NTC устройства, така че там е стегнато.

Стъпка 4: Завършване на монтажа и включване

За да монтирате сондите/NTCs 5 x парчета върху радиатора, трябва да се извърши пробиване. Консултирайте се с листа с данни на NTC, който добавих като снимка за диаметрите и дълбочината на пробития отвор. След това пробитата дупка трябва да се регулира с инструмент, за да приеме главата M3 на размера на NTC. Използването на 5 x NTC е вид хардуерно усредняване и изглаждане. MSP-430 има ADC с 8-битова резолюция, така че наличието на 5 x сензора ще улесни усредняването на резултатите. Ние не изхвърляме Ghz процесори тук, така че в нашия вграден свят всеки часовник на процесора е от съществено значение. Вторичното осредняване ще се извършва във фърмуера. Всеки NTC трябва да има крака и за да може да чете данни чрез бордови ADC, трябва да се формира делител на напрежение, състоящ се от R (NTC)+R (def). ADC портът трябва да бъде прикрепен в центъра на тези два. По желание можете да добавите OP-усилвател за усилване на сигнала. Моля, вижте фигурата в този раздел, за да свържете NTC prpbes.

Когато запояването приключи и бъде проверено, следващата стъпка е да инсталирате микроконтролера MSP-430 в техните DIL гнезда. Но предварително те трябва да бъдат програмирани. В тази стъпка е възможно да се включи устройството (без микроконтролера) за предварителни тестове. Ако всичко е сглобено правилно, устройството трябва да се включи и релетата да са в изключено състояние, обозначено с червените светодиоди, а вентилаторите да работят и дисплеят трябва да е включен, но без никакви данни върху него, само синята подсветка.

Стъпка 5: Въвеждане от потребителя, въртящ се енкодер и капацитивен бустер-пакет

Винаги е хубаво да имате устройство за въвеждане, което може да се използва за въвеждане на данни в устройството. Магнитното копче с постоянни магнити е добър избор тук. Неговата задача е да въведе температурния праг за вентилаторите, монтирани на радиаторния блок. Тя позволява на потребителя да въведе нов праг за температура чрез прекъсвания. Само чрез завъртане наляво или надясно, можете да добавяте или изваждате стойности в диапазона (20-100 ° C). По -ниската стойност се определя от стайната температура на околната среда.

Това копче има малка схема, която предава цифровия сигнал към микроконтролера. Логиката високо/ниско след това се интерпретира от GPIO за вход.

Второто входно устройство е капацитивен бустер за докосване на Ti. Възможно е да се използва и Booster-pack, но не е възможно да се използват и двете, само поради липсата на GPIO на целевия MCU. Booster пакетът отстъпва на много GPIO.

Според мен Knob е по-добър от Booster-Pack. Но е добре да имаш избор. Ако е необходим бустер пакет, тогава има готова библиотека от Ti, която да го използва. Няма да навлизам тук в подробности.

Стъпка 6: Резюме: Измервания на околната температура и допълнителни идеи ……

След инсталирането на MCU при включване, той ще ви поздрави и след това ще пристъпи към измервания. Фърмуерът първо държи вентилаторите в изключено състояние. Стартира серия от измервания на 5 x NTC сонди, които след това се обединяват в една абсолютна стойност. След това при този праг на стойност и сравнение (потребителски данни), той включва или изключва вентилаторите (или желаните устройства, всичко друго), свързани към DPDT релета. Помислете, че можете да прикачите към тези 3 x релета всичко, което трябва да бъде изключено или изключено. Релетата могат да преминат 16 тока на ампера, но не мисля, че е добра идея да започнете да използвате такива тежки натоварвания на тези изходи.

Надявам се, че това "нещо" (^_^) …….. хехе ще бъде полезно за някого. Моят принос към глобалния ум на кошера ^^).

Чудя се, че някой ще се опита да го изгради. Но в случай, че го направят, с радост ще помогна за всичко. Имам фърмуера в CCS и в Energia. Моля, уведомете ме момчета, ако имате нужда. Не се колебайте да ми пишете по въпроси и предложения. Поздрави от "Слънчева" Германия.