High-Precision Temperature Controller: 6 Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:14

Sa agham at sa mga mundo ng inhinyeriya na sinusubaybayan ang temperatura aka (paggalaw ng mga atomo sa thermodynamics) ay isa sa mga pangunahing pisikal na parameter na dapat isaalang-alang ng halos lahat ng dako, simula sa cell biology hanggang sa matitigas na fuel rocket engine at thrust. Sa mga computer at karaniwang saanman kung saan nakalimutan kong banggitin. Ang ideya sa likod ng instrumentong ito ay medyo simple. Habang bumubuo ng firmware kailangan ko ng isang setup ng pagsubok kung saan maaari kong subukan ang firmware para sa mga bug sa halip na ang aming mga produkto, na kung saan ay handcrafted ng mga tekniko na hindi maging sanhi ng anumang uri ng mga malfunction na nauugnay sa nabanggit sa itaas. Ang mga instrumentong iyon ay may posibilidad na maiinit at samakatuwid ay kinakailangan at tumpak na pagsubaybay sa temperatura ay kinakailangan upang mapanatili ang pagpapatakbo ng pagpapatakbo ng lahat ng mga bahagi ng instrumento, at alin ang hindi gaanong mahalaga na gumanap nang labis. Ang paggamit ng NTC thermistors upang malutas ang gawain ay may maraming mga benepisyo. Ang mga NTC (negatibong temperatura coefficient) ay mga espesyal na thermistor na binabago ang paglaban depende sa temperatura. Ang mga NTC na sinamahan ng may paraan ng pagkakalibrate na natuklasan nina Stanely Hart at John Steinhart tulad ng inilarawan sa artikulong "Deep-Sea Research 1968 vol.15, pp 497-503 Pergamon Press" ang pinakamahusay na solusyon sa aking kaso. Tinalakay sa papel ang mga pamamaraan ng pagsukat ng temperatura ng malawak na saklaw (daan-daang Kelvins…) kasama ang mga uri ng aparato. Sa aking pag-unawa, nagmula sa isang background sa engineering, mas simple ang system / sensor nang mas mahusay. Walang nais na magkaroon ng isang bagay na sobrang kumplikado sa ilalim ng tubig, sa mga lalim ng kilometro na maaaring maging sanhi ng mga isyu habang sinusukat ang temperatura doon lamang dahil sa kanilang pagiging kumplikado. Duda ko ang pagkakaroon ng sensor upang gumana nang katulad, marahil ay gagawin ng thermocouple, ngunit nangangailangan ito ng ilang circuit ng suporta at ito ay para sa matinding mga kaso ng katumpakan. Kaya't gamitin natin ang dalawang iyon, para sa disenyo ng paglamig ng system na mayroong maraming mga hamon. Ang ilan sa mga ito ay: antas ng ingay, ang mabisang sampling ng real-time na halaga at posibleng, lahat ng nabanggit sa itaas sa isang simple at madaling gamiting pakete para sa kadalian ng pag-aayos at pagpapanatili din, ang mga gastos sa bawat yunit. Samantala pagsulat ng firmware, ang pag-setup ay nakakuha ng higit pa at higit pang mga tweak at pinabuting. Sa ilang mga punto, napagtanto ko na maaaring maging isang standalone na instrumento dahil sa pagiging kumplikado nito.

Hakbang 1: Pag-calibrate ng Temperatura ni Steinhart-Hart

Mayroong magandang artikulo sa Wikipedia na makakatulong upang makalkula ang mga koepisyentong thermistor depende sa kinakailangang temperatura at saklaw ng thermistor. Sa karamihan ng mga kaso ang mga coefficients ay napakaliit at maaaring mapabayaan sa equation sa pinasimple nitong form.

Ang equination ng Steinhart – Hart ay isang modelo ng paglaban ng isang semiconductor sa iba't ibang temperatura. Ang equation ay:

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

kung saan:

Ang T { displaystyle T} ay ang temperatura (sa Kelvin) R { displaystyle R} ay ang paglaban sa T (sa ohms) Ang isang { displaystyle A}, B { displaystyle B}, at C { displaystyle C} ay ang mga coefficients ng Steinhart – Hart na nag-iiba depende sa uri at modelo ng thermistor at sa saklaw ng temperatura ng interes. (Ang pinaka-pangkalahatang anyo ng inilapat na equation ay naglalaman ng isang [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ ln (R)] ^ {2}}

kataga, ngunit ito ay madalas na napapabayaan sapagkat ito ay karaniwang mas maliit kaysa sa iba pang mga coefficients, at samakatuwid ay hindi ipinakita sa itaas.)

Mga tagabuo ng equation:

Ang equation ay pinangalanang kina John S. Steinhart at Stanley R. Hart na unang naglathala ng relasyon noong 1968. [1] Si Propesor Steinhart (1929-2003), isang kasama ng American Geophysical Union at ng American Association for the Advancement of Science, ay kasapi ng guro ng University of Wisconsin – Madison mula 1969 hanggang 1991. [2] Si Dr. Hart, isang Senior Scientist sa Woods Hole Oceanographic Institution mula pa noong 1989 at kapwa ng Geological Society of America, ang American Geophysical Union, ang Geochemical Society at ang European Association of Geochemistry, [3] ay naiugnay kay Propesor Steinhart sa Carnegie Institution ng Washington nang nabuo ang equation.

Mga Sanggunian:

John S. Steinhart, Stanley R. Hart, mga kurba sa pagkakalibrate para sa mga thermistor, Deep-Sea Research at Oceanographic Abstract, Tomo 15, Isyu 4, Agosto 1968, Mga Pahina 497-503, ISSN 0011-7471, doi: 10.1016 / 0011-7471 (68) 90057-0.

"Resolusyon ng alaala ng guro ng Unibersidad ng Wisconsin-Madison sa pagkamatay ng propesor na emeritus na si John S. Steinhart" (PDF). Unibersidad ng Wisconsin. 5 Abril 2004. Naka-archive mula sa orihinal (PDF) noong Hunyo 10, 2010. Nakuha noong 2 Hulyo 2015.

"Dr. Stan Hart,". Woods Hole Oceanographic Institution. Nakuha noong 2 Hulyo 2015.

Hakbang 2: Magtipon: Mga Kagamitan at Paraan

Upang masimulan ang pagbuo, kailangan naming kumunsulta sa BOM aka (Bill on Materials) at makita kung anong mga bahagi ang plano naming gamitin. Bukod sa BOM, kailangan ng soldering-iron, isang pares ng mga wrenches, screwdriver at isang hot glue gun. Inirerekumenda ko ang isang pangunahing kagamitan sa electronics laboratoryo na mayroong katabi mo para sa kaginhawaan.

1. Prototyping board-1
2. Hitachi LCD Display-1
3. Ibig Sabihin 240V >> 5Volt power supply-1
4. Pulang LED-3
5. Blue LED-3
6. Green LED-1
7. Dilaw na LED-1
8. OMRON Relay (DPDT o katulad na 5 Volt) -3
9. Potensyomiter 5KOhm-1
10. Mga Resistors (470Ohm) -para
11. BC58 Transistor-3
12. Diode-3
13. Mababang regulator ng boltahe na dropout-3
14. Mga SMD LED (berde, pula) -6
15. MSP-430 microprocessor (Ti 2553 o 2452) -2
16. Mekanikal na switch Brake-Before-Make (240V 60Hz) -1
17. Rotary-Encoder-1
18. Mga may hawak ng Ritchco plastic-2
19. Mga socket ng DIP para sa MSP-430 Microprocessor -4
20. Kable ng supply ng kuryente para sa wall socket-1
21. Jumper wires (iba't ibang mga kulay) - marami
22. NTC Probe aka thermistor 4k7 na halaga, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1- Capacitive Touch BoosterPack (Texas Instruments) -1 (opsyonal)
24. Mga Cooling Fans (opsyonal) kung sakaling may isang bagay na kailangang palamig- (1-3) (opsyonal)
25. Purong Aluminium Radiator na may 5 butas na drilled dito para sa NTC Probes-1
26. Mga plastik na plato na may drilled hole - 2
27. Mga nut, bolts at ilang mga turnilyo upang tipunin ang konstruksyon ng carrier-20 (bawat piraso)
28. Wire sa PCB preff_board mounting socket na bersyon 2-wire na may tornilyo sa loob-1
29. Ang Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (opsyonal), ay nagsisilbing pangalawang frontal display-1

Alam ko ang napakalaking bayarin sa mga materyales at maaaring gastos ng ilang disenteng halaga ng pera. Sa aking kaso, nakukuha ko ang lahat sa aking employer. Ngunit kung sakaling nais ninyong mapanatili itong murang, hindi mo dapat isaalang-alang ang mga opsyonal na bahagi. Ang lahat ay madaling makuha mula sa Farnell14, DigiKey at / o ilang mga lokal na tindahan na pinasadya ng electronics.

Napagpasyahan ko ang linya ng microprocessor ng MSP-430 dahil pinatong ko sila. Bagaman madali pumili ang isa ng "AVRs" RISC MCU's. Isang bagay tulad ng ATmega168, o ATmega644 na may Pico-Power Technology. Anumang iba pang AVR microprocessor ang gagawa ng trabaho. Isa akong malaking "fanboy" ng Atmel AVR talaga. At sulit na banggitin kung nagmula ka sa teknikal na background at handang gumawa ng ilang magandang pagpupulong, huwag gumamit ng anumang lupon ng Arduino, kung nakapagprogram ka ng mga nakapag-iisang AVR, mas mahusay iyon, kung hindi man, subukang i-program ang CPU at i-embed sa aparato.

Hakbang 3: Assembly: Paghihinang at Pagbuo sa Hakbang …

Ang pagsisimula ng pagpupulong aka paghihinang mula sa pinakamaliit na mga sangkap ay isang magandang pagsisimula. Magsimula sa mga bahagi ng smd at mga kable. Paghinang muna ng Power-Bus, sa isang lugar tulad ng ginawa ko sa aking preffboard, at pagkatapos ay gawin itong mas mahaba sa isang paraan na ang lahat ng mga bahagi sa preffboard ay madaling ma-access ang Power-Bus nang walang anumang rerouting o komplikasyon. Gumamit ako ng mga wire sa buong preffboard, at mukhang baliw iyon, ngunit maaaring mag-disenyo ng isang tamang PCB ang isang tao, sa sandaling gumagana ang prototype.

• mga solder SMD na bahagi (para sa indikasyon ng kuryente ng MSP-430 MCU's, sa pagitan ng Vcc at GND)
• solder power-bus at mga kable (ruta sa isang paraan na nagbibigay ito ng lakas sa MSP-430)
• maghinang ng lahat ng uri ng mga socket ng DIL (upang mai-plug ang MSP-430 x 2 IC's
• solder low-dropout voltage regulator na may angkop na suporta (capacitors, para sa power 5 >> 3.3 Volts drop)
• solder transistors, at resistors at diode para sa relay at interfacing sa MCU.
• paghihinang ang 10k Ohm Potentiometer para sa LCD Display control ng ilaw.
• paghihinang ang mga LED sa tabi ng mga relay, tagapagpahiwatig ng dalawang-estado na pula / asul (asul = sa, pula = naka-off).
• maghinang ang ibig sabihin ng maayos 240Volts >> 5 Volts power supply unit kasama ang mga konektor nito.
• Paghinang ng asul na mechanical switch (break-before-make) sa tabi ng power supply.

Solder lahat ng iba pa kung ano ang natitira. Hindi ako lumikha ng wastong mga eskematiko mula sa aparato dahil lamang sa kakulangan ng oras, ngunit medyo simple ito sa background ng electronics. Sa pagkumpleto ng paghihinang, dapat suriin ang lahat, para sa wastong mga koneksyon upang maiwasan ang anumang uri ng pagpapaikli ng mga linya ng kuryente.

Oras na nito upang tipunin ang konstruksyon ng carrier. Tulad ng sa mga larawan, gumamit ako ng 2 x plastic plate na may mga butas na laki ng M3 na drill (4 x bawat plato) upang magkaroon ng mahabang mga turnilyo at mani at washer na tumatakbo, ang mga distansya ng bolt at washer ay perpekto para sa mga nasabing pagkakaugnay. Kailangang higpitan ang Thery mula sa magkabilang panig upang maikapit ang berde na mga plato.

Ang preffboard ay dapat na ipasok sa pagitan ng mga panghugas sa harap, na sinabi, ang mga panghuhugas sa harap ay dapat na malaki ang lapad (hanggang sa 5mm) upang maipasok ng isa ang preffboard sa pagitan nila at pagkatapos ay higpitan ang mga ito. Kung tapos nang tama ang board ay tatayo sa 90 ° na matatag. Ang isa pang pagpipilian para sa pagpapanatili nito sa lugar, ay gumagamit ng isang Ritcho plastic PCB na may hawak na naka-mount sa mga distansyang bolts sa pamamagitan ng 90 ° anggulo na makakatulong sa iyo upang i-tornilyo ang mga plastik na bahagi sa distansya ng mga bolt. Sa puntong ito, dapat mong mai-plug / ilakip ang preffboard.

Matapos ang pag-install ng preffboard, ang LCD (16x2) Display ay susunod bilang susunod at dapat na mai-install. Ginagamit ko ang minahan sa 4-bit mode upang makatipid sa GPIO ^ _ ^))))))). Gumamit ng 4-Bit mode na mangyaring, kung hindi, wala kang sapat na GPIO upang makumpleto ang proyekto. Ang back-light, Vcc at Gnd ay solder sa pamamagitan ng isang Potentiometer sa power-bus. Ang mga display data-bus cable ay dapat na soldered nang direkta sa MSP-430 micrcocontroller. Mangyaring gumamit lamang ng digital GPIO. Ang analog GPIO na kailangan namin para sa mga NTC. Mayroong 5 x mga aparato ng NTC, kaya masikip doon.

Hakbang 4: Pagtatapos sa Assembly at Powering-Up

Upang mai-install ang mga pagsisiyasat / NTC ng 5 x piraso sa radiator, dapat isagawa ang pagbabarena. Sumangguni sa datasheet ng NTC, na idinagdag ko bilang larawan para sa mga diameter at lalim ng na-drill na butas. Pagkatapos Ang drilled hole ay kailangang ayusin sa tool upang tanggapin ang laki ng ulo ng M3 ng mga NTC. Ang paggamit ng 5 x NTC ay isang uri ng pag-average at pag-aayos ng hardware. Ang MSP-430 ay may ADC sa resolusyon na 8-Bit kaya't ang pagkakaroon ng 5 x sensor ay madaling i-average ang mga resulta. Hindi namin itinatapon ang mga Ghz CPU dito, kaya sa aming naka-embed na mundo bawat oras ng CPU ay mahalaga. Gaganapin ang pangalawang pag-average sa Firmware. Ang bawat NTC ay kailangang mga binti, at upang mabasa ang data sa pamamagitan ng on-board ADC, dapat mabuo ang boltahe divider, na binubuo ng R (NTC) + R (def). Ang ADC port ay dapat na naka-attach sa gitna ng dalawang iyon. Ang R (def) ay isang pangalawang risistor na dapat na maayos na halaga na 0.1% o mas mahusay, karaniwang kasama sa R (NTC). Opsyonal na maaari kang magdagdag ng isang OP-Amp upang palakasin ang signal. Mangyaring mag-refer sa figure sa seksyong ito upang ikonekta ang NTC prpbes.

Kapag ang paghihinang ay nakumpleto at nasuri na, ang susunod na hakbang ay i-install ang MSP-430 microcontroller sa kanilang mga socket ng DIL. Ngunit bago pa man kailangan nilang mai-program. Sa hakbang na ito, posible na i-on ang aparato (nang walang microcontroller) para sa mga paunang pagsubok. Kung ang lahat ay binuo nang tama ang aparato ay dapat na power-on at ang mga relay ay dapat na nasa off-state, na ipinahiwatig ng mga pulang LED, at dapat tumakbo at ipakita ang mga tagahanga ngunit walang data dito, tanging ang asul na back-light lamang..

Hakbang 5: Input ng Gumagamit, Rotary-Encoder at Capacitive-Touch Booster-Pack

Palaging maganda na magkaroon ng isang input aparato, na maaaring magamit upang mag-input ng data sa aparato. Ang magnetic Knob na may permanenteng mga magnet ay isang mahusay na pagpipilian dito. Ang gawain nito ay upang ipasok ang temperatura threshold para sa mga tagahanga na naka-mount sa radiator block. Pinapayagan nitong magpasok ang gumagamit ng isang bagong threshold para sa temperatura sa pamamagitan ng mga pagkagambala. Sa pamamagitan lamang ng pag-kaliwa o pakanan, maaaring magdagdag o magbawas ng mga halaga sa saklaw na (20-100 ° C). Ang mas mababang halaga ay natutukoy ng temperatura ng ambient ng kuwarto.

Ang Knob na ito ay may isang maliit na circuitry na nagpapadala ng digital signal sa microcontroller. Ang lohika mataas / mababa pagkatapos ay bigyang kahulugan ng GPIO para sa pag-input.

Ang Pangalawang aparato ng pag-input ay capacitive touch booster-pack ni Ti. Posibleng gumamit din ng Booster-pack, ngunit hindi posible na gamitin ang pareho, dahil lamang sa kawalan ng GPIO sa target na MCU. Ang Booster pack ay tumatagal ng paraan sa maraming GPIO.

Sa palagay ko, ang Knob ay mas mahusay, kaysa sa Booster-Pack. Ngunit mabuting magkaroon ng pagpipilian. Kung nais ang Booster pack pagkatapos ay mayroong isang handa na silid-aklatan mula sa Ti upang magamit ito. Hindi ako pupunta dito sa mga detalye tungkol dito.

Hakbang 6: Buod: Mga Pagsukat sa Ambient-Temperatura at Karagdagang Mga Ideya ……

Matapos ang Pag-install ng MCU sa power-up, babatiin ka nito at pagkatapos ay magpatuloy sa mga sukat. Pinapanatili muna ng firmware ang mga tagahanga sa estado ng off. Nagsisimula ng serye ng mga sukat sa 5 x NTC na mga pagsisiyasat, na pagkatapos ay pinagsama sa isang ganap na halaga. Pagkatapos sa hangganan na ito sa halaga at paghahambing (data ng gumagamit), pinaliliko nito o pinapatay ang mga tagahanga (o nais na mga aparato, anupaman) na naka-attach sa DPDT. Isaalang-alang na maaari kang mag-attach sa mga 3 x Relay anumang bagay na kailangang i-on o i-off. Ang mga relay ay may kakayahang ipasa ang kasalukuyang 16 Ampers, ngunit sa palagay ko hindi magandang ideya na magsimulang gumamit ng tulad ng mabibigat na tungkulin sa mga output.

Inaasahan kong ang "bagay" na ito (^ _ ^) …….. hehe ay magiging kapaki-pakinabang sa isang tao. Ang aking kontribusyon sa pandaigdigang pugad na isip ^^).

Nagtataka ako na may magtatangka na itayo ito. Ngunit kung sakaling gawin nila ito, masaya akong tutulong sa lahat. Mayroon akong firmware sa CCS at sa Energia. Mangyaring ipaalam sa akin ang mga lalaki kung kailangan mo ito. Huwag mag-atubiling mag-text sa akin tungkol sa mga katanungan at mungkahi. Pagbati mula sa "Maaraw" Alemanya.