Ελεγκτής θερμοκρασίας υψηλής ακρίβειας: 6 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Στην επιστήμη και στον κόσμο της μηχανικής, η παρακολούθηση της θερμοκρασίας ή αλλιώς η κίνηση των ατόμων στη θερμοδυναμική) είναι μία από τις θεμελιώδεις φυσικές παραμέτρους που πρέπει να ληφθούν υπόψη σχεδόν παντού, ξεκινώντας από τη βιολογία των κυττάρων έως τους κινητήρες πυραύλων και τις ωθήσεις σκληρού καυσίμου. Σε υπολογιστές και βασικά παντού όπου ξέχασα να αναφέρω. Η ιδέα πίσω από αυτό το όργανο ήταν αρκετά απλή. Κατά την ανάπτυξη υλικολογισμικού χρειάστηκα μια δοκιμαστική εγκατάσταση όπου θα μπορούσα να δοκιμάσω το υλικολογισμικό για σφάλματα αντί για τα προϊόντα μας, τα οποία είναι χειροποίητα από τεχνικούς για να μην προκαλούν δυσλειτουργίες που σχετίζονται με τα παραπάνω. Αυτά τα όργανα τείνουν να ζεσταίνονται και ως εκ τούτου απαιτείται συνεχής και ακριβής παρακολούθηση της θερμοκρασίας για να διατηρηθούν όλα τα μέρη του οργάνου σε λειτουργία, και το οποίο δεν είναι λιγότερο σημαντικό να επιτελεί εξαιρετικά. Η χρήση θερμίστορ NTC για την επίλυση της εργασίας έχει πολλά οφέλη. Τα NTC (αρνητικός συντελεστής θερμοκρασίας) είναι ειδικοί θερμίστορ που αλλάζουν την αντίσταση ανάλογα με τη θερμοκρασία. Αυτά τα NTCs σε συνδυασμό με τη μέθοδο βαθμονόμησης που ανακάλυψαν οι Stanely Hart και John Steinhart όπως περιγράφεται στο άρθρο "Deep-Sea Research 1968 vol.15, pp 497-503 Pergamon Press" είναι η καλύτερη λύση στην περίπτωσή μου. Το έγγραφο συζητά μεθόδους μετρήσεων θερμοκρασίας ευρέος φάσματος (εκατοντάδες Kelvins…) με τέτοιου είδους συσκευές. Κατά την άποψή μου, προερχόμενος από μηχανικό υπόβαθρο, όσο πιο απλό είναι το σύστημα/ο αισθητήρας τόσο το καλύτερο. Κανείς δεν θέλει να έχει κάτι εξαιρετικά περίπλοκο κάτω από το νερό, σε βάθη χιλιομέτρων που μπορεί να προκαλέσουν προβλήματα ενώ μετράμε τη θερμοκρασία εκεί μόνο λόγω της πολυπλοκότητάς τους. Αμφιβάλλω για την ύπαρξη του αισθητήρα για να λειτουργεί παρόμοια, ίσως με θερμοστοιχείο, αλλά απαιτεί κάποιο κύκλωμα υποστήριξης και είναι για περιπτώσεις ακρίβειας ακριβείας. Ας χρησιμοποιήσουμε λοιπόν αυτά τα δύο, για τον σχεδιασμό του συστήματος ψύξης που έχει πολλές προκλήσεις. Μερικά από αυτά είναι: το επίπεδο θορύβου, η αποτελεσματική δειγματοληψία της τιμής σε πραγματικό χρόνο και πιθανώς, όλα τα παραπάνω αναφέρονται σε ένα απλό και εύχρηστο πακέτο για ευκολία επισκευής και συντήρησης επίσης, το κόστος ανά μονάδα. Εν τω μεταξύ, γράφοντας το υλικολογισμικό, η ρύθμιση προσαρμόστηκε όλο και περισσότερο και βελτιώθηκε. Κάποια στιγμή, κατάλαβα ότι θα μπορούσε κάλλιστα να γίνει αυτόνομο όργανο λόγω της πολυπλοκότητάς του.

Βήμα 1: Βαθμονόμηση θερμοκρασίας από τον Steinhart-Hart

Υπάρχει ένα ωραίο άρθρο στη Wikipedia που θα σας βοηθήσει να υπολογίσετε τους συντελεστές θερμίστορ ανάλογα με την απαιτούμενη θερμοκρασία και το εύρος θερμίστορ. Στις περισσότερες περιπτώσεις οι συντελεστές είναι εξαιρετικά μικροί και θα μπορούσαν να αγνοηθούν στην εξίσωση στην απλοποιημένη μορφή του.

Η εξίσωση Steinhart – Hart είναι ένα μοντέλο αντίστασης ενός ημιαγωγού σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Η εξίσωση είναι:

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

όπου:

T { displaystyle T} είναι η θερμοκρασία (σε Kelvin) R { displaystyle R} είναι η αντίσταση στο T (σε ωμ) A { displaystyle A}, B { displaystyle B} και C { displaystyle C} είναι τους συντελεστές Steinhart – Hart που ποικίλλουν ανάλογα με τον τύπο και το μοντέλο του θερμίστορ και το εύρος θερμοκρασιών που μας ενδιαφέρει. (Η πιο γενική μορφή της εφαρμοσμένης εξίσωσης περιέχει ένα [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ln (R)]^{2}}

όρο, αλλά αυτό συχνά παραμελείται επειδή είναι συνήθως πολύ μικρότερο από τους άλλους συντελεστές και επομένως δεν φαίνεται παραπάνω.)

Προγραμματιστές της εξίσωσης:

Η εξίσωση πήρε το όνομά της από τον John S. Steinhart και τον Stanley R. Hart που δημοσίευσαν για πρώτη φορά τη σχέση το 1968. [1] Ο καθηγητής Steinhart (1929–2003), συνεργάτης της Αμερικανικής Γεωφυσικής Ένωσης και της Αμερικανικής Ένωσης για την Πρόοδο της Επιστήμης, ήταν μέλος της σχολής του Πανεπιστημίου του Ουισκόνσιν -Μάντισον από το 1969 έως το 1991. [2] Ο Δρ Χαρτ, Ανώτερος Επιστήμονας στο Ωκεανογραφικό itutionδρυμα Woods Hole από το 1989 και συνεργάτης της Γεωλογικής Εταιρείας της Αμερικής, της Αμερικανικής Γεωφυσικής Ένωσης, της Γεωχημικής Εταιρείας και της Ευρωπαϊκής Ένωσης Γεωχημείας, [3] συνδέθηκε με τον Καθηγητή Steinhart στο Ινστιτούτο Carnegie της Ουάσινγκτον όταν αναπτύχθηκε η εξίσωση.

Βιβλιογραφικές αναφορές:

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

«Αναμνηστικό ψήφισμα της σχολής του Πανεπιστημίου του Ουισκόνσιν-Μάντισον για τον θάνατο του ομότιμου καθηγητή John S. Steinhart» (PDF). Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν. 5 Απριλίου 2004. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο (PDF) στις 10 Ιουνίου 2010. Ανακτήθηκε στις 2 Ιουλίου 2015.

"Δρ Σταν Χαρτ". Ωκεανογραφικό ίδρυμα Woods Hole. Ανακτήθηκε στις 2 Ιουλίου 2015.

Βήμα 2: Συναρμολόγηση: Υλικά και μέθοδοι

Για να ξεκινήσουμε την κατασκευή, πρέπει να συμβουλευτούμε το BOM aka (Bill on Materials) και να δούμε ποια μέρη σχεδιάζουμε να χρησιμοποιήσουμε. Εκτός από το BOM, θα χρειαστείτε κολλητήρι, δύο κλειδιά, κατσαβίδια και πιστόλι θερμής κόλλας. Θα συνιστούσα ένα βασικό εργαστήριο ηλεκτρονικών εργαλείων που έχετε δίπλα σας για ευκολία.

1. Πίνακας πρωτοτύπων-1
2. Οθόνη LCD Hitachi-1
3. Mean Well 240V >> Τροφοδοτικό 5Volt-1
4. Κόκκινο LED-3
5. Μπλε LED-3
6. Πράσινο LED-1
7. Κίτρινο LED-1
8. Ρελέ OMRON (DPDT ή παρόμοιο 5 Volt) -3
9. Ποτενσιόμετρο 5KOhm-1
10. Αντιστάσεις (470Ohm)-αρκετές
11. BC58 Τρανζίστορ-3
12. Δίοδος-3
13. Ρυθμιστής τάσης χαμηλής εγκατάλειψης-3
14. SMD LED (πράσινο, κόκκινο) -6
15. Μικροεπεξεργαστής MSP-430 (Ti 2553 ή 2452) -2
16. Μηχανικός διακόπτης Brake-Before-Make (240V 60Hz) -1
17. Rotary-Encoder-1
18. Πλαστικές βάσεις Ritchco-2
19. Υποδοχές DIP για μικροεπεξεργαστή MSP -430 -4
20. Καλώδιο παροχής ηλεκτρικού ρεύματος για πρίζα τοίχου-1
21. Καλώδια βραχυκυκλωτήρων (διάφορα χρώματα) - πολλά
22. NTC Probe aka thermistor 4k7 value, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1- Capacitive Touch BoosterPack (Texas Instruments) -1 (προαιρετικό)
24. Ανεμιστήρες ψύξης (προαιρετικά) σε περίπτωση που κάτι πρέπει να κρυώσει- (1-3) (προαιρετικό)
25. Καθαρό ψυγείο αλουμινίου με 5 τρύπες για NTC Probes-1
26. Πλαστικές πλάκες με τρύπες - 2
27. Παξιμάδια, μπουλόνια και μερικές βίδες για τη συναρμολόγηση της κατασκευής φορέα-20 (ανά τεμάχιο)
28. Σύρμα σε PCB preff_board τοποθέτηση πρίζας 2-σύρμα έκδοση με βίδα στο εσωτερικό-1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (προαιρετικό), χρησιμεύει ως δεύτερη μετωπική οθόνη-1

Ξέρω ότι είναι αρκετά μεγάλος λογαριασμός για τα υλικά και μπορεί να κοστίσει αρκετά αξιοπρεπή χρήματα. Στην περίπτωσή μου, τα παίρνω όλα μέσω του εργοδότη μου. Αλλά σε περίπτωση που θέλετε να το κρατήσετε φθηνό, δεν πρέπει να λάβετε υπόψη τα προαιρετικά εξαρτήματα. Όλα τα άλλα είναι εύκολο να τα προμηθευτείτε από τα Farnell14, DigiKey ή/και κάποια τοπικά εξειδικευμένα καταστήματα ηλεκτρονικών ειδών.

Έχω αποφασίσει για τη γραμμή μικροεπεξεργαστών MSP-430 επειδή τους είχα τοποθετήσει γύρω. Παρόλο που μπορεί κανείς εύκολα να διαλέξει RISC MCU "AVR". Κάτι σαν το ATmega168 ή το ATmega644 με τεχνολογία Pico-Power. Οποιοσδήποτε άλλος μικροεπεξεργαστής AVR θα κάνει τη δουλειά. Είμαι μεγάλος "fanboy" του Atmel AVR στην πραγματικότητα. Και αξίζει να αναφερθεί εάν προέρχεστε από το τεχνικό υπόβαθρο και θέλετε να κάνετε μια ωραία συναρμολόγηση, μην χρησιμοποιείτε καμία πλακέτα Arduino, εάν μπορείτε να προγραμματίσετε αυτόνομα AVR, αυτό θα ήταν πολύ καλύτερο, αν όχι τότε, προσπαθήστε να προγραμματίσετε CPU και ενσωμάτωση στη συσκευή.

Βήμα 3: Συναρμολόγηση: Συγκόλληση και κατασκευή σταδιακά…

Η εκκίνηση συναρμολόγησης ή αλλιώς συγκόλλησης από τα μικρότερα εξαρτήματα είναι μια καλή αρχή. Ξεκινήστε με τα εξαρτήματα smd και την καλωδίωση. Συγκολλήστε πρώτα το Power-Bus, κάπου όπως έκανα στον preboard μου και, στη συνέχεια, μακρύτερο με τρόπο ώστε όλα τα μέρη του preffboard να έχουν εύκολη πρόσβαση στο Power-Bus χωρίς καμία αναδρομολόγηση ή επιπλοκές. Χρησιμοποίησα καλώδια σε ολόκληρο τον πίνακα του πίνακα, και αυτό φαίνεται αρκετά τρελό, αλλά μπορεί κανείς αργότερα να σχεδιάσει ένα σωστό PCB, μόλις λειτουργήσει το πρωτότυπο.

• συγκόλληση εξαρτημάτων SMD (για ένδειξη ισχύος των MSP-430 MCU, μεταξύ Vcc και GND)
• συγκολλήσεις τροφοδοσίας και καλωδίωσης (διαδρομή με τρόπο που δίνει ισχύ στο MSP-430)
• συγκολλήστε κάθε είδους πρίζες DIL (για να συνδέσετε τα IC των MSP-430 x 2
• συγκολλήστε ρυθμιστές τάσης χαμηλής πτώσης με την κατάλληλη υποστήριξή του (πυκνωτές, για ισχύ 5 >> 3,3 Volts drop)
• συγκολλήσεις τρανζίστορ, και αντιστάσεις και διόδους για τα ρελέ και διασύνδεση με το MCU.
• συγκολλήστε το ποτενσιόμετρο 10k Ohm για τον έλεγχο φωτεινότητας της οθόνης LCD.
• συγκολλήστε τα LED δίπλα στα ρελέ, ένδειξη δύο καταστάσεων κόκκινο/μπλε (μπλε = ενεργοποιημένο, κόκκινο = απενεργοποιημένο).
• συγκολλήστε τη μονάδα τροφοδοσίας Mean Well 240Volts >> 5 Volts με τους συνδετήρες της.
• Συγκολλήστε τον μπλε μηχανικό διακόπτη (σπάσιμο πριν την κατασκευή) δίπλα στην παροχή ρεύματος.

Συγκολλήστε ό, τι άλλο έχει απομείνει. Δεν δημιούργησα σωστά σχήματα από τη συσκευή μόνο λόγω έλλειψης χρόνου, αλλά είναι αρκετά απλό με ηλεκτρονικό υπόβαθρο. Με την ολοκλήρωση της συγκόλλησης, όλα πρέπει να ελεγχθούν, για σωστές συνδέσεις για να αποφευχθεί κάθε είδους βραχυκύκλωμα των καλωδίων ρεύματος.

Τώρα ήρθε η ώρα να συναρμολογήσετε την κατασκευή του φορέα. Όπως στις εικόνες, έχω χρησιμοποιήσει 2 x πλαστικές πλάκες με τρύπες μεγέθους Μ3 (4 x ανά πλάκα) για να περνούν μεγάλες βίδες και παξιμάδια και ροδέλες, τα μπουλόνια και οι ροδέλες απόστασης είναι τέλεια για τέτοιες διασυνδέσεις. Τα Thery πρέπει να σφίγγονται και από τις δύο πλευρές για να μπορούν να συγκρατούν τις πράσινες πλάκες μαζί.

Ο προ πλάκας πρέπει να τοποθετηθεί ανάμεσα στις μπροστινές ροδέλες, δηλαδή, αυτές οι μπροστινές ροδέλες θα πρέπει να έχουν μεγάλη διάμετρο (έως 5 mm), ώστε να μπορεί κάποιος να τοποθετεί τον προκάναλο μεταξύ τους και στη συνέχεια να τους σφίγγει. Εάν γίνει σωστά, η σανίδα θα σταθεί σταθερά στους 90 °. Μια άλλη επιλογή για να το κρατήσετε στη θέση του, θα ήταν η χρήση πλαστικών κατόχων PCB Ritcho τοποθετημένων σε αυτά τα μπουλόνια απόστασης μέσω γωνίας 90 °, τα οποία στη συνέχεια θα σας βοηθήσουν να βιδώσετε τα πλαστικά μέρη σε μπουλόνια απόστασης. Σε αυτό το σημείο, θα πρέπει να είστε σε θέση να συνδέσετε/συνδέσετε τον πίνακα προεπιλογής.

Μετά την εγκατάσταση του preboard, η οθόνη LCD (16x2) έρχεται ως επόμενη και πρέπει να εγκατασταθεί. Χρησιμοποιώ το δικό μου σε λειτουργία 4-bit για εξοικονόμηση GPIO ^_ ^)))))))). Χρησιμοποιήστε τη λειτουργία 4-bit παρακαλώ, διαφορετικά, δεν θα έχετε αρκετό GPIO για να ολοκληρώσετε το έργο. Το οπίσθιο φωτισμό, Vcc και Gnd συγκολλούνται μέσω ενός ποτενσιόμετρου στο power-bus. Τα καλώδια διαύλου δεδομένων οθόνης πρέπει να συγκολληθούν απευθείας σε μικροελεγκτή MSP-430. Χρησιμοποιήστε μόνο ψηφιακό GPIO. Το αναλογικό GPIO που χρειαζόμαστε για τα NTC. Υπάρχουν 5 x συσκευές NTC, οπότε είναι σφιχτό εκεί.

Βήμα 4: Ολοκλήρωση συναρμολόγησης και ενεργοποίησης

Για να εγκαταστήσετε τους ανιχνευτές/NTC 5 x τεμάχια στο ψυγείο, πρέπει να γίνει διάτρηση. Συμβουλευτείτε το φύλλο δεδομένων του NTC, το οποίο έχω προσθέσει ως εικόνα για τις διαμέτρους και το βάθος της τρύπας. Στη συνέχεια, η τρυπημένη οπή πρέπει να ρυθμιστεί με εργαλείο για να δεχτεί την κεφαλή μεγέθους Μ3 των NTC. Η χρήση 5 x NTC είναι ένας μέσος όρος και εξομάλυνση υλικού. Το MSP-430 έχει ADC σε ανάλυση 8-Bit, οπότε ο αισθητήρας 5 x θα είναι εύκολος στη μέση τιμή των αποτελεσμάτων. Δεν διαθέτουμε CPU Ghz εδώ, οπότε στον ενσωματωμένο κόσμο μας κάθε ρολόι CPU είναι απαραίτητο. Ο δευτερεύων μέσος όρος θα πραγματοποιηθεί στο Firmware. Κάθε NTC πρέπει να έχει πόδια και για να είναι σε θέση να διαβάσει δεδομένα μέσω του ADC επί του σκάφους, πρέπει να σχηματιστεί διαχωριστής τάσης, αποτελούμενος από το R (NTC)+R (def). Η θύρα ADC πρέπει να είναι προσαρτημένη στο κέντρο αυτών των δύο. Το R (def) είναι μια δεύτερη αντίσταση η οποία θα πρέπει να έχει σταθερή τιμή 0,1 % ή καλύτερη, συνήθως σε εύρος με το R (NTC). Προαιρετικά, μπορείτε να προσθέσετε ένα OP-Amp για να ενισχύσετε το σήμα. Ανατρέξτε στο σχήμα σε αυτήν την ενότητα για να συνδέσετε το NTC prpbes.

Όταν ολοκληρωθεί η συγκόλληση και έχει ελεγχθεί, το επόμενο βήμα είναι να εγκαταστήσετε τον μικροελεγκτή MSP-430 στις υποδοχές DIL. Αλλά εκ των προτέρων πρέπει να προγραμματιστούν. Σε αυτό το βήμα, είναι δυνατό να ενεργοποιήσετε τη συσκευή (χωρίς τον μικροελεγκτή) για προκαταρκτικές δοκιμές. Εάν όλα έχουν συναρμολογηθεί σωστά, η συσκευή πρέπει να ενεργοποιηθεί και τα ρελέ να είναι εκτός λειτουργίας, όπως υποδεικνύεται από τα κόκκινα LED, και οι ανεμιστήρες να λειτουργούν και η οθόνη να είναι αναμμένη, αλλά χωρίς δεδομένα, μόνο το μπλε οπίσθιο φως Το

Βήμα 5: Εισαγωγή χρήστη, Rotary-Encoder και Capacitive-Touch Booster-Pack

Είναι πάντα ωραίο να υπάρχει μια συσκευή εισόδου, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εισαγωγή δεδομένων στη συσκευή. Το μαγνητικό πόμολο με μόνιμους μαγνήτες είναι μια καλή επιλογή εδώ. Ο στόχος του είναι να εισαγάγει το όριο θερμοκρασίας για τους ανεμιστήρες που είναι τοποθετημένοι στο μπλοκ ψυγείου. Επιτρέπει στον χρήστη να εισάγει ένα νέο όριο θερμοκρασίας μέσω διακοπών. Στρίβοντας αριστερά ή δεξιά, μπορείτε να προσθέσετε ή να αφαιρέσετε τιμές στην περιοχή (20-100 ° C). Η χαμηλότερη τιμή καθορίζεται από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος του δωματίου.

Αυτό το κουμπί διαθέτει ένα μικρό κύκλωμα που μεταδίδει το ψηφιακό σήμα στον μικροελεγκτή. Η λογική υψηλό/χαμηλό ερμηνεύεται στη συνέχεια από το GPIO για είσοδο.

Η δεύτερη συσκευή εισόδου είναι το χωρητικό ενισχυτικό πακέτο αφής του Ti. Είναι δυνατή η χρήση του Booster-pack επίσης, αλλά δεν είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν και τα δύο, ακριβώς λόγω της έλλειψης του GPIO στο MCU-στόχο. Το πακέτο Booster παίρνει τη θέση του σε πολλά GPIO.

Κατά τη γνώμη μου, το Knob είναι καλύτερο από το Booster-Pack. Αλλά είναι καλό να έχεις επιλογή. Εάν το πακέτο Booster είναι επιθυμητό, υπάρχει μια έτοιμη βιβλιοθήκη από το Ti για χρήση. Δεν θα μπω σε λεπτομέρειες εδώ.

Βήμα 6: Περίληψη: Μετρήσεις θερμοκρασίας περιβάλλοντος και περαιτέρω ιδέες ……

Μετά την εγκατάσταση του MCU κατά την ενεργοποίηση, θα σας χαιρετήσει και στη συνέχεια θα προχωρήσει σε μετρήσεις. Το υλικολογισμικό διατηρεί πρώτα τους ανεμιστήρες σε κατάσταση απενεργοποίησης. Ξεκινά μια σειρά μετρήσεων σε 5 x ανιχνευτές NTC, οι οποίοι στη συνέχεια συγχωνεύονται σε μία απόλυτη τιμή. Στη συνέχεια, με αυτό το όριο τιμής και σύγκρισης (δεδομένα χρήστη), ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί τους ανεμιστήρες (ή τις επιθυμητές συσκευές, οτιδήποτε άλλο) που συνδέονται με τα ρελέ DPDT. Σκεφτείτε ότι μπορείτε να επισυνάψετε σε αυτά τα 3 Ρελέ όλα όσα πρέπει να απενεργοποιηθούν ή να απενεργοποιηθούν. Τα ρελέ είναι ικανά να περάσουν ρεύμα 16 Ampers, αλλά δεν νομίζω ότι είναι καλή ιδέα να αρχίσουμε να χρησιμοποιούμε τόσο μεγάλα φορτία σε αυτές τις εξόδους.

Ελπίζω ότι αυτό το "πράγμα" (^_^) …….. θα είναι χρήσιμο σε κάποιον. Η συμβολή μου στο παγκόσμιο μυαλό κυψέλης ^^).

Αναρωτιέμαι ότι κάποιος θα προσπαθήσει να το κατασκευάσει. Αλλά σε περίπτωση που το κάνουν, θα βοηθήσω ευτυχώς σε όλα. Έχω το firmware στο CCS και στην Energia. Παρακαλώ ενημερώστε με παιδιά αν το χρειάζεστε. Επίσης μη διστάσετε να μου στείλετε μήνυμα για ερωτήσεις και προτάσεις. Χαιρετισμούς από την "Sunny" Γερμανία.