Controlador de temperatura d'alta precisió: 6 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

A la ciència i al món de l’enginyeria, fer un seguiment de la temperatura aka (moviment dels àtoms en termodinàmica) és un dels paràmetres físics fonamentals que s’ha de tenir en compte a tot arreu, començant des de la biologia cel·lular fins als motors de coets de combustible dur i les empentes. En ordinadors i bàsicament a tot arreu on m’oblidava d’esmentar. La idea d’aquest instrument era bastant senzilla. Mentre desenvolupava el firmware, necessitava una configuració de prova on pogués provar el firmware per als errors en lloc dels nostres productes, que són fets a mà pels tècnics perquè no causin cap tipus de mal funcionament relacionat amb els esmentats anteriorment. Aquests instruments tendeixen a escalfar-se i, per tant, es necessita un control de temperatura constant i precís per mantenir totes les parts de l’instrument en marxa i funcionament, cosa que no és menys important que funcioni de manera excepcional. L’ús de termistors NTC per resoldre la tasca té diversos avantatges. Els NTC (coeficient de temperatura negativa) són termistors especials que canvien la resistència en funció de la temperatura. Aquests NTC combinats amb el mètode de calibratge descobert per Stanely Hart i John Steinhart tal com es descriu a l'article "Deep-Sea Research 1968 vol.15, pp 497-503 Pergamon Press" és la millor solució en el meu cas. El document analitza mètodes de mesurament de temperatura a gran abast (centenars de Kelvins …) amb aquest tipus de dispositius. Segons el meu enteniment, provinent d’un entorn d’enginyeria, com més senzill sigui el sistema / sensor, millor. Ningú vol tenir alguna cosa súper complicat sota l’aigua, en quilòmetres de profunditat que poden causar problemes mentre es mesura la temperatura només per la seva complexitat. Dubto que l’existència del sensor funcioni de manera similar, potser sí que ho farà el termoparell, però requereix alguns circuits de suport i és per a casos d’extrema precisió. Fem doncs ús d’aquests dos, per al disseny del sistema de refrigeració que presenta diversos reptes. Alguns d’ells són: el nivell de soroll, el mostreig efectiu del valor en temps real i, possiblement, tot això esmentat en un paquet senzill i pràctic per facilitar la reparació i el manteniment, i els costos per unitat. Mentrestant, escrivint el microprogramari, la configuració es va ajustant i millorant cada vegada més. En algun moment, em vaig adonar que podria ser un instrument independent a causa de la seva complexitat.

Pas 1: Calibració de la temperatura per Steinhart-Hart

Hi ha un bon article a la Viquipèdia que us ajudarà a calcular els coeficients del termistor en funció de la temperatura necessària i del rang del termistor. En la majoria dels casos, els coeficients són súper petits i es poden descuidar en l'equació en la seva forma simplificada.

L'equació de Steinhart-Hart és un model de la resistència d'un semiconductor a diferents temperatures. L'equació és:

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

on:

T { displaystyle T} és la temperatura (en kelvin) R { displaystyle R} és la resistència a T (en ohms) A { displaystyle A}, B { displaystyle B} i C { displaystyle C} són els coeficients Steinhart-Hart que varien en funció del tipus i model del termistor i del rang de temperatura d'interès. (La forma més general de l'equació aplicada conté un [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ln (R)] ^ {2}}, però sovint es descuida perquè sol ser molt més petit que els altres coeficients i, per tant, no es mostra a la part anterior).

Desenvolupadors de l'equació:

L'equació porta el nom de John S. Steinhart i Stanley R. Hart, que van publicar la relació per primera vegada el 1968. [1] El professor Steinhart (1929-2003), membre de la American Geophysical Union i de l’American Association for the Advancement of Science, va ser membre de la facultat de la Universitat de Wisconsin-Madison del 1969 al 1991. [2] El Dr. Hart, científic sènior de la Woods Hole Oceanographic Institution des del 1989 i membre de la Geological Society of America, de la American Geophysical Union, de la Geochemical Society i de l'Associació Europea de Geoquímica, [3] va estar associat amb el professor Steinhart a la Carnegie Institution de Washington quan es va desenvolupar l’equació.

Referències:

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

"Resolució commemorativa de la facultat de la Universitat de Wisconsin-Madison sobre la mort del professor emèrit John S. Steinhart" (PDF). Universitat de Wisconsin. 5 d'abril de 2004. Arxivat des de l'original (PDF) el 10 de juny de 2010. Obtingut el 2 de juliol de 2015.

"Dr. Stan Hart". Institució Oceanogràfica Woods Hole. Consultat el 2 de juliol de 2015.

Pas 2: Assembleu: materials i mètodes

Per començar a construir, hem de consultar el BOM aka (Factura sobre materials) i veure quines parts tenim previst utilitzar. A més de la BOM, caldrien soldar, un parell de claus, tornavisos i una pistola de cola calenta. Recomanaria una eina bàsica de laboratori d'electrònica que tingui al vostre costat per comoditat.

1. Tauler de prototipatge-1
2. Pantalla LCD Hitachi-1
3. Mean Well 240V >> Font d'alimentació de 5 volts-1
4. LED vermell-3
5. LED blau-3
6. LED verd-1
7. LED groc-1
8. Relé OMRON (DPDT o similar de 5 volts) -3
9. Potenciòmetre 5KOhm-1
10. Resistències (470 Ohm): diverses
11. BC58 Transistor-3
12. Diode-3
13. Regulador de baixa tensió d'abandonament-3
14. LED SMD (verd, vermell) -6
15. Microprocessador MSP-430 (Ti 2553 o 2452) -2
16. Interruptor mecànic Brake-Before-Make (240V 60Hz) -1
17. Codificador rotatiu-1
18. Suports de plàstic Ritchco-2
19. Preses DIP per a microprocessador MSP-430 -4
20. Cable d'alimentació elèctrica per endoll de paret-1
21. Fils de pont (diversos colors): molt
22. Sonda NTC també coneguda com a termistor 4k7, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1- Booster Touch CapacitivePack (Texas Instruments) -1 (opcional)
24. Ventiladors de refrigeració (opcional) per si cal refredar alguna cosa- (1-3) (opcional)
25. Radiador d'alumini pur amb 5 forats perforats per a sondes NTC-1
26. Plaques de plàstic amb forats - 2
27. Femelles, cargols i alguns cargols per muntar la construcció del portador-20 (per peça)
28. Cable a placa de muntatge preff_board presa de muntatge versió de 2 fils amb cargol a l'interior-1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (opcional), serveix com a segona pantalla frontal-1

Sé que és una factura bastant gran de materials i que pot costar una quantitat decent de diners. En el meu cas, ho aconsegueixo tot a través del meu empresari. Però en cas que vulgueu mantenir-lo barat, no hauríeu de tenir en compte les parts opcionals. Tota la resta és fàcil d’obtenir des de Farnell14, DigiKey i / o algunes botigues locals especialitzades en electrònica.

He decidit sobre la línia de microprocessador MSP-430 perquè els tenia posats. Tot i que es poden triar fàcilment MCU RISC "AVRs". Alguna cosa com ATmega168 o ATmega644 amb tecnologia Pico-Power. Qualsevol altre microprocessador AVR farà la feina. En realitat sóc un gran "fanboy" d'Atmel AVR. I val la pena esmentar-ho si proveniu dels antecedents tècnics i esteu disposat a fer un muntatge agradable, no utilitzeu cap placa Arduino, si podeu programar AVR independents, seria molt millor, si no, proveu de programar CPU i incrustació al dispositiu.

Pas 3: Muntatge: soldadura i construcció en passos …

Començar el muntatge també conegut com a soldadura des dels components més petits és un bon començament. Comenceu pels components SMD i el cablejat. Soldeu primer el Power-Bus, en algun lloc com ho feia al meu tauler de control, i després feu-lo més llarg de manera que totes les parts del tauler de control accedeixin fàcilment al Power-Bus sense cap redirecció ni complicacions. Vaig utilitzar cables a tot el tauler de prefabricats, i això sembla bastant boig, però després es pot dissenyar un PCB adequat, un cop el prototip funcioni.

• peces SMD de soldadura (per indicació de potència de les MCU MSP-430, entre Vcc i GND)
• bus de potència de soldadura i cablejat (ruta de manera que doni energia a MSP-430)
• soldar tot tipus de sòcols DIL (per connectar els IC MSP-430 x 2
• reguladors de tensió de baixa caiguda de soldadura amb el seu suport adequat (condensadors, per a potència 5 >> caiguda de 3,3 volts)
• transistors de soldadura i resistències i díodes per als relés i la interfície amb la MCU.
• soldeu el potenciòmetre de 10 k Ohm per al control de la brillantor de la pantalla LCD.
• soldeu els LED al costat dels relés, indicador de dos estats vermell / blau (blau = encès, vermell = apagat).
• soldeu el Mean Mean 240Volts >> Unitat d'alimentació de 5 volts amb els seus connectors.
• Soldeu l'interruptor mecànic blau (trencar abans de fabricar) al costat de la font d'alimentació.

Soldeu tot el que queda. No he creat esquemes adequats a partir del dispositiu només per falta de temps, però és bastant senzill amb fons electrònics. Un cop acabada la soldadura, s’ha de comprovar tot per obtenir connexions adequades per evitar qualsevol tipus de curtcircuit a les línies elèctriques.

Ara és el moment de muntar la construcció del transportista. Com a les imatges, he utilitzat 2 x planxes de plàstic amb forats de mida M3 (4 x per placa) per tenir cargols llargs, femelles i arandeles que travessen, els cargols de distància i les volanderes són perfectes per a aquestes interconnexions. Cal ajustar-los des de tots dos costats per poder unir les plaques verdes.

El taulell prefabricat s’ha d’inserir entre les arandeles frontals, és a dir, aquestes arandeles frontals haurien de tenir un diàmetre gran (fins a 5 mm) de manera que es pugui inserir el tauler previ entre elles i, a continuació, ajustar-les. Si es fa correctament, el tauler es mantindrà fermament a 90 °. Una altra opció per mantenir-lo al seu lloc seria utilitzar un porta-PCB de plàstic Ritcho muntat en aquests cargols de distància mitjançant un angle de 90 ° que us ajudarà a cargolar les peces de plàstic per distanciar els cargols. En aquest punt, hauríeu de ser capaç de connectar / connectar el prefabricat.

Després de la instal·lació de la placa prèvia, la pantalla LCD (16x2) apareix com a següent i s’hauria d’instal·lar. Jo faig servir el meu en mode de 4 bits per conservar GPIO ^ _ ^))))))). Utilitzeu el mode de 4 bits si us plau, en cas contrari, no tindreu prou GPIO per completar el projecte. La llum de fons, Vcc i Gnd es solden a través d’un potenciòmetre per alimentar el bus. Els cables del bus de dades de la pantalla s’han de soldar directament al microcontrolador MSP-430. Utilitzeu només GPIO digital. El GPIO analògic que necessitem per a les NTC. Hi ha dispositius NTC de 5 x, de manera que és molt ajustat.

Pas 4: Finalització del muntatge i engegada

Per instal·lar les sondes / NTC 5 x peces al radiador, s’ha de realitzar un trepat. Consulteu la fitxa tècnica del NTC, que he afegit com a imatge per als diàmetres i la profunditat del forat. Després, el forat s’ha d’ajustar amb l’eina per acceptar el capçal de mida M3 dels NTC. L’ús de 5 x NTC és una mena de suavització i mitjana de maquinari. El MSP-430 té un ADC a una resolució de 8 bits, de manera que disposar de sensors de 5 x serà fàcil fer una mitjana dels resultats. Aquí no disposem de CPU Ghz, de manera que al nostre món incrustat tots els rellotges de la CPU són essencials. La mitjana secundària es realitzarà en firmware. Cada NTC té potes i, per poder llegir les dades mitjançant ADC a bord, s’ha de formar un divisor de voltatge, format per R (NTC) + R (def). El port ADC s’ha d’adjuntar al centre d’aquests dos. R (def) és una segona resistència que hauria de tenir un valor fix del 0,1% o superior, normalment en el rang de la R (NTC). Opcionalment, podeu afegir un amplificador OP per amplificar el senyal. Consulteu la figura d’aquesta secció per connectar les prpbes NTC.

Quan s'hagi completat la soldadura i s'hagi comprovat, el següent pas és instal·lar el microcontrolador MSP-430 als seus connectors DIL. Però prèviament cal programar-los. En aquest pas, és possible engegar el dispositiu (sense el microcontrolador) per fer proves preliminars. Si tot està muntat correctament, el dispositiu hauria d’engegar-se i els relés haurien d’estar en estat apagat, indicat pels LED vermells, i els ventiladors haurien d’executar-se i la pantalla hauria d’estar encesa, però sense dades, només la llum de fons blava..

Pas 5: entrada d'usuari, codificador rotatiu i paquet reforçador tàctil capacitiu

Sempre és bo tenir un dispositiu d’entrada que es pugui utilitzar per introduir dades al dispositiu. El pom magnètic amb imants permanents és una bona opció aquí. La seva tasca és introduir el llindar de temperatura per als ventiladors muntats al bloc del radiador. Permet a l’usuari introduir un nou llindar de temperatura mitjançant interrupcions. Només girant a l'esquerra o a la dreta, es poden afegir o restar valors compresos entre (20-100 ° C). El valor inferior està determinat per la temperatura ambient de l'habitació.

Aquest comandament té un petit circuit que transmet el senyal digital al microcontrolador. GPIO interpreta la lògica alta / baixa per a l'entrada.

El segon dispositiu d’entrada és el paquet de reforç tàctil capacitiu de Ti. També és possible utilitzar Booster-pack, però no es poden utilitzar tots dos, només per la manca del GPIO a la MCU objectiu. El paquet Booster dóna pas a molts GPIO.

Al meu entendre, Knob és millor que el Booster-Pack. Però és bo tenir una opció. Si es desitja un paquet Booster, hi ha una biblioteca preparada de Ti per utilitzar-lo. No entraré aquí en detalls al respecte.

Pas 6: Resum: Mesures de temperatura ambiental i idees addicionals …

Després de la instal·lació de l’MCU en engegar-lo, us donarà la benvinguda i procedirà a les mesures. El firmware primer manté els ventiladors en estat apagat. Inicia sèries de mesures en sondes NTC de 5 x, que després es fusionen en un valor absolut. A continuació, sobre aquest llindar de valor i comparació (dades d’usuari), activa o desactiva els ventiladors (o dispositius desitjats, qualsevol altra cosa) connectats als relés DPDT. Tingueu en compte que podeu connectar a aquests relés de 3 x tot el que calgui desactivar o desactivar. Els relés són capaços de passar el corrent de 16 Ampers, però no crec que sigui una bona idea començar a utilitzar càrregues tan resistents en aquestes sortides.

Espero que aquesta "cosa" (^ _ ^) …….. hehe sigui útil per a algú. La meva contribució a la ment global del rusc ^^).

Em pregunto que algú intenti construir-lo. Però, en cas que ho facin, us ajudaré amb tot gust. Tinc el firmware a CCS i a Energia. Si us cal, feu-me-ho saber als nois. També no dubteu a enviar-me missatges de text sobre preguntes i suggeriments. Salutacions d'Alemanya "Sunny".