Bộ điều khiển nhiệt độ chính xác cao: 6 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Trong khoa học và thế giới kỹ thuật, việc theo dõi nhiệt độ hay còn gọi là (chuyển động của các nguyên tử trong nhiệt động lực học) là một trong những thông số vật lý cơ bản mà người ta nên xem xét ở hầu hết mọi nơi, bắt đầu từ sinh học tế bào cho đến động cơ tên lửa nhiên liệu cứng và lực đẩy. Trong máy tính và về cơ bản ở mọi nơi mà tôi quên đề cập đến. Ý tưởng đằng sau công cụ này khá đơn giản. Trong khi phát triển chương trình cơ sở, tôi cần một thiết lập thử nghiệm, nơi tôi có thể kiểm tra phần sụn cho các lỗi thay vì các sản phẩm của chúng tôi, được các kỹ thuật viên làm thủ công để không gây ra bất kỳ loại trục trặc nào liên quan đến những điều đã đề cập ở trên. Các thiết bị đó có xu hướng nóng lên và do đó cần theo dõi nhiệt độ liên tục và chính xác để giữ cho tất cả các bộ phận của thiết bị hoạt động và hoạt động, và điều này không kém phần quan trọng hoạt động xuất sắc. Sử dụng nhiệt điện trở NTC để giải quyết công việc có một số lợi ích. NTC (hệ số nhiệt độ âm) là các nhiệt điện trở đặc biệt thay đổi điện trở tùy thuộc vào nhiệt độ. Những NTC đó kết hợp với phương pháp hiệu chuẩn được phát hiện bởi Stanely Hart và John Steinhart như được mô tả trong bài báo "Deep-Sea Research 1968 vol.15, trang 497-503 Pergamon Press" là giải pháp tốt nhất trong trường hợp của tôi. Bài báo thảo luận về các phương pháp đo nhiệt độ phạm vi rộng (hàng trăm Kelvins…) với các loại thiết bị đó. Theo hiểu biết của tôi, xuất thân từ nền tảng kỹ thuật, hệ thống / cảm biến càng đơn giản càng tốt. Không ai muốn có thứ gì đó siêu phức tạp dưới nước, ở độ sâu hàng km có thể gây ra các vấn đề khi đo nhiệt độ ở đó chỉ do độ phức tạp của chúng. Tôi nghi ngờ sự tồn tại của cảm biến để hoạt động tương tự, có thể là cặp nhiệt điện, nhưng nó yêu cầu một số mạch hỗ trợ và nó dành cho các trường hợp cực kỳ chính xác. Vì vậy, hãy tận dụng hai điều đó, đối với thiết kế hệ thống làm mát có một số thách thức. Một số trong số đó là: độ ồn, lấy mẫu hiệu quả của giá trị thời gian thực và có thể, tất cả được đề cập ở trên trong một gói đơn giản và tiện dụng để dễ sửa chữa và bảo trì, chi phí cho mỗi đơn vị. Trong khi viết phần sụn, thiết lập ngày càng được tinh chỉnh và cải thiện nhiều hơn. Tại một thời điểm nào đó, tôi nhận ra rằng nó cũng có thể trở thành một công cụ độc lập do tính phức tạp của nó.

Bước 1: Hiệu chỉnh nhiệt độ của Steinhart-Hart

Có một bài viết hay trên Wikipedia sẽ giúp tính toán các hệ số nhiệt điện trở tùy thuộc vào nhiệt độ cần thiết và phạm vi nhiệt điện trở. Trong hầu hết các trường hợp, các hệ số là siêu nhỏ và có thể bị bỏ qua trong phương trình ở dạng đơn giản của nó.

Phương trình Steinhart – Hart là một mô hình về điện trở của một chất bán dẫn ở các nhiệt độ khác nhau. Phương trình là:

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

ở đâu:

T { displaystyle T} là nhiệt độ (tính bằng Kelvin) R { displaystyle R} là điện trở tại T (tính bằng ohms) A { displaystyle A}, B { displaystyle B} và C { displaystyle C} là hệ số Steinhart – Hart thay đổi tùy thuộc vào loại và kiểu điện trở nhiệt và phạm vi nhiệt độ quan tâm. (Dạng tổng quát nhất của phương trình áp dụng chứa a [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ ln (R)] ^ {2}}

nhưng điều này thường bị bỏ qua vì nó thường nhỏ hơn nhiều so với các hệ số khác, và do đó không được hiển thị ở trên.)

Các nhà phát triển của phương trình:

Phương trình được đặt theo tên của John S. Steinhart và Stanley R. Hart, những người lần đầu tiên công bố mối quan hệ vào năm 1968. [1] Giáo sư Steinhart (1929–2003), thành viên của Liên minh Địa vật lý Hoa Kỳ và Hiệp hội vì Sự Tiến bộ của Khoa học Hoa Kỳ, là thành viên của khoa Đại học Wisconsin – Madison từ năm 1969 đến năm 1991. [2] Tiến sĩ Hart, một nhà khoa học cao cấp tại Viện Hải dương học Woods Hole từ năm 1989 và là thành viên của Hiệp hội Địa chất Hoa Kỳ, Liên minh Địa vật lý Hoa Kỳ, Hiệp hội Địa hóa và Hiệp hội Địa hóa Châu Âu, [3] được liên kết với Giáo sư Steinhart tại Viện Carnegie của Washington khi phương trình được phát triển.

Người giới thiệu:

John S. Steinhart, Stanley R. Hart, Đường cong hiệu chuẩn cho nhiệt điện trở, Nghiên cứu Biển sâu và Tóm tắt Hải dương học, Tập 15, Số 4, Tháng 8 năm 1968, Trang 497-503, ISSN 0011-7471, doi: 10.1016 / 0011-7471 (68) 90057-0.

"Nghị quyết tưởng niệm của giảng viên Đại học Wisconsin-Madison về cái chết của giáo sư danh dự John S. Steinhart" (PDF). Đại học Wisconsin. Ngày 5 tháng 4 năm 2004. Bản gốc lưu trữ (PDF) ngày 10 tháng 6 năm 2010. Truy cập ngày 2 tháng 7 năm 2015.

"Tiến sĩ Stan Hart,". Viện Hải dương học Woods Hole. Truy cập ngày 2 tháng 7 năm 2015.

Bước 2: Lắp ráp: Vật liệu và Phương pháp

Để bắt đầu xây dựng, chúng tôi cần tham khảo ý kiến của BOM aka (Bill on Materials) và xem chúng tôi định sử dụng những phần nào. Bên cạnh BOM, mỏ hàn, một vài cờ lê, tua vít và súng bắn keo nóng sẽ là cần thiết. Tôi muốn giới thiệu một dụng cụ phòng thí nghiệm điện tử cơ bản có bên cạnh bạn để thuận tiện.

1. Ban tạo mẫu-1
2. Màn hình LCD Hitachi-1
3. Mean Well 240V >> Nguồn điện 5Volt-1
4. Đèn LED đỏ-3
5. Đèn LED xanh-3
6. Đèn LED xanh-1
7. Đèn LED vàng-1
8. OMRON Relay (DPDT hoặc 5 Volt tương tự) -3
9. Chiết áp 5KOhm-1
10. Điện trở (470Ohm) -sang chung
11. Bóng bán dẫn BC58-3
12. Diode-3
13. Bộ điều chỉnh điện áp bỏ học thấp-3
14. Đèn LED SMD (xanh, đỏ) -6
15. Bộ vi xử lý MSP-430 (Ti 2553 hoặc 2452) -2
16. Công tắc cơ khí Phanh-Trước-Thực hiện (240V 60Hz) -1
17. Rotary-Encoder-1
18. Giá đỡ bằng nhựa Ritchco-2
19. Ổ cắm DIP cho Bộ vi xử lý MSP-430 -4
20. Cáp cấp điện cho ổ cắm trên tường-1
21. Dây nhảy (nhiều màu) - rất nhiều
22. NTC Probe hay còn gọi là giá trị điện trở nhiệt 4k7, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1- Gói hỗ trợ cảm ứng điện dung (Texas Instruments) -1 (tùy chọn)
24. Quạt làm mát (tùy chọn) trong trường hợp cần làm mát thứ gì đó- (1-3) (tùy chọn)
25. Bộ tản nhiệt bằng nhôm nguyên chất với 5 lỗ được khoan trong đó cho NTC Probes-1
26. Tấm nhựa có lỗ khoan - 2
27. Đai ốc, bu lông và một số vít để lắp ráp cấu tạo tàu sân bay-20 (mỗi mảnh)
28. Dây đến ổ cắm gắn PCB preff_board Phiên bản 2 dây với vít bên trong-1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (tùy chọn), đóng vai trò là màn hình trực tiếp thứ hai-1

Tôi biết nó có một hóa đơn khá lớn về vật liệu và có thể tốn một số tiền kha khá. Trong trường hợp của tôi, tôi nhận được mọi thứ thông qua chủ nhân của mình. Nhưng trong trường hợp các bạn muốn giữ giá rẻ thì không nên tính đến các bộ phận tùy chọn. Mọi thứ khác đều có thể dễ dàng kiếm được từ Farnell14, DigiKey và / hoặc một số cửa hàng chuyên về điện tử tại địa phương.

Tôi đã quyết định chọn dòng vi xử lý MSP-430 vì tôi đã đặt chúng xung quanh. Mặc dù người ta có thể dễ dàng chọn "AVRs" RISC MCU's. Một cái gì đó như ATmega168 hoặc ATmega644 với Công nghệ Pico-Power. Bất kỳ bộ vi xử lý AVR nào khác sẽ thực hiện công việc. Tôi thực sự là một "fanboy" lớn của Atmel AVR. Và điều đáng nói là nếu bạn xuất thân từ nền tảng kỹ thuật và sẵn sàng thực hiện một số thao tác lắp ráp đẹp mắt, không sử dụng bất kỳ bảng Arduino nào, nếu bạn có thể lập trình các AVR độc lập, điều đó sẽ tốt hơn nhiều, nếu không, hãy thử lập trình CPU và nhúng vào thiết bị.

Bước 3: Lắp ráp: Hàn và xây dựng trong các bước…

Bắt đầu lắp ráp hay còn gọi là hàn từ những thành phần nhỏ nhất là một khởi đầu tốt. Bắt đầu với các thành phần và hệ thống dây điện của smd. Hàn Power-Bus trước, ở một nơi nào đó giống như tôi đã làm trên preffboard của mình, sau đó làm cho nó dài hơn theo cách mà tất cả các bộ phận trên preffboard dễ dàng truy cập Power-Bus mà không cần phải định tuyến lại hoặc phức tạp. Tôi đã sử dụng dây trên toàn bộ preffboard, và điều đó trông khá điên rồ, nhưng sau này người ta có thể thiết kế một PCB phù hợp, một khi nguyên mẫu hoạt động.

• hàn các bộ phận SMD (để chỉ thị nguồn của MCU MSP-430, ở giữa Vcc và GND)
• hàn điện-bus và dây dẫn (định tuyến theo cách mà nó cung cấp điện cho MSP-430)
• hàn tất cả các loại ổ cắm DIL (để cắm IC MSP-430 x 2
• hàn bộ điều chỉnh điện áp thả thấp với sự hỗ trợ phù hợp của nó (tụ điện, cho điện 5 >> giảm 3,3 Volt)
• hàn bóng bán dẫn, điện trở và điốt cho các rơ le và giao tiếp với MCU.
• hàn Chiết áp 10k Ohm để điều khiển độ sáng Màn hình LCD.
• hàn các đèn LED bên cạnh rơ le, chỉ báo hai trạng thái màu đỏ / xanh lam (xanh dương = bật, đỏ = tắt).
• hàn bộ cấp nguồn Mean Well 240Volts >> 5 Volts với các đầu nối của nó.
• Hàn công tắc cơ khí màu xanh lam (ngắt trước khi tạo) bên cạnh nguồn điện.

Hàn mọi thứ khác những gì còn lại. Tôi đã không tạo sơ đồ thích hợp từ thiết bị chỉ vì thiếu thời gian, nhưng nó khá đơn giản với bất kỳ nền tảng điện tử nào. Sau khi hoàn thành quá trình hàn, mọi thứ nên được kiểm tra, để có kết nối thích hợp để tránh bất kỳ loại ngắn mạch đường dây điện nào.

Bây giờ là lúc để lắp ráp việc xây dựng tàu sân bay. Như trong hình ảnh, tôi đã sử dụng 2 tấm nhựa x với các lỗ kích thước M3 được khoan (4 x mỗi tấm) để có vít dài và đai ốc và vòng đệm chạy qua, bu lông khoảng cách và vòng đệm là hoàn hảo cho các kết nối như vậy. Phôi cần được siết chặt từ cả hai phía để có thể giữ các đĩa màu xanh lá cây với nhau.

Tấm lót trước nên được lắp vào giữa các vòng đệm phía trước, nghĩa là, các vòng đệm phía trước đó phải có đường kính lớn (tối đa 5mm) để người ta có thể chèn tấm lót trước vào giữa chúng và sau đó thắt chặt chúng lại. Nếu làm đúng, bảng sẽ đứng vững ở 90 °. Một lựa chọn khác để giữ nó tại chỗ, sẽ là sử dụng giá đỡ PCB bằng nhựa Ritcho được gắn trên các bu lông khoảng cách đó qua góc 90 °, sau đó sẽ giúp bạn vặn các bộ phận bằng nhựa vào các bu lông khoảng cách. Tại thời điểm này, bạn sẽ có thể cắm / đính kèm preffboard.

Sau khi cài đặt preffboard, Màn hình LCD (16x2) sẽ xuất hiện tiếp theo và sẽ được cài đặt. Tôi sử dụng của tôi ở chế độ 4-bit để tiết kiệm GPIO ^ _ ^)))))))). Vui lòng sử dụng chế độ 4-Bit, nếu không, bạn sẽ không có đủ GPIO để hoàn thành dự án. Đèn hậu, Vcc và Gnd được hàn thông qua một chiết áp vào xe buýt điện. Cáp bus dữ liệu hiển thị phải được hàn trực tiếp vào micrco điều khiển MSP-430. Vui lòng chỉ sử dụng GPIO kỹ thuật số. GPIO tương tự mà chúng ta cần cho NTC. Có 5 x thiết bị NTC, vì vậy nó rất chặt chẽ ở đó.

Bước 4: Hoàn thiện lắp ráp và cấp nguồn

Để lắp đặt các đầu dò / NTC 5 miếng trên bộ tản nhiệt, phải thực hiện khoan. Tham khảo bảng dữ liệu của NTC, mà tôi đã thêm vào dưới dạng hình ảnh để biết đường kính và độ sâu của lỗ khoan. Sau đó, lỗ đã khoan phải được điều chỉnh bằng dụng cụ để chấp nhận đầu kích thước M3 của NTC. Sử dụng 5 x NTC là loại phần cứng trung bình và làm mịn. MSP-430 có ADC ở độ phân giải 8-Bit nên việc có 5 cảm biến x sẽ dễ dàng tính trung bình kết quả. Chúng tôi không loại bỏ CPU Ghz ở đây, vì vậy trong thế giới nhúng của chúng tôi, mọi xung nhịp CPU là điều cần thiết. Tính trung bình thứ cấp sẽ được thực hiện trong Firmware. Mỗi NTC phải có chân, và để có thể đọc dữ liệu qua ADC trên bo mạch, bộ chia điện áp phải được hình thành, bao gồm R (NTC) + R (def). Cổng ADC phải được gắn ở trung tâm của hai cổng đó. R (def) là điện trở thứ hai phải có giá trị cố định 0,1% hoặc cao hơn, thường trong phạm vi với R (NTC). Tùy chọn, bạn có thể thêm OP-Amp để khuếch đại tín hiệu. Vui lòng tham khảo hình trong phần này để kết nối các prpbes NTC.

Khi quá trình hàn hoàn tất và đã được kiểm tra, bước tiếp theo là cài đặt bộ vi điều khiển MSP-430 vào các ổ cắm DIL của chúng. Nhưng trước đó chúng cần được lập trình. Ở bước này, có thể bật thiết bị (không cần vi điều khiển) để kiểm tra sơ bộ. Nếu mọi thứ được lắp ráp chính xác, thiết bị sẽ bật nguồn và các rơ le phải ở trạng thái tắt, được chỉ báo bằng đèn LED màu đỏ, quạt sẽ chạy và hiển thị sẽ bật nhưng không có bất kỳ dữ liệu nào trên đó, chỉ có đèn nền màu xanh lam.

Bước 5: Đầu vào của người dùng, Bộ mã hóa quay và Gói tăng cường cảm ứng điện dung

Thật tốt khi có một thiết bị đầu vào, có thể được sử dụng để nhập dữ liệu vào thiết bị. Núm từ tính với nam châm vĩnh cửu là một lựa chọn tốt ở đây. Nhiệm vụ của nó là nhập ngưỡng nhiệt độ cho các quạt gắn trên khối tản nhiệt. Nó cho phép người dùng nhập một ngưỡng nhiệt độ mới thông qua các ngắt. Chỉ bằng cách xoay trái hoặc phải, có thể cộng hoặc trừ các giá trị trong phạm vi (20-100 ° C). Giá trị thấp hơn được xác định bởi nhiệt độ môi trường trong phòng.

Núm này có một mạch điện nhỏ truyền tín hiệu kỹ thuật số đến bộ vi điều khiển. Logic cao / thấp sau đó được GPIO giải thích cho đầu vào.

Thiết bị đầu vào thứ hai là gói tăng cường cảm ứng điện dung của Ti. Cũng có thể sử dụng Booster-pack, nhưng không thể sử dụng cả hai, chỉ do thiếu GPIO trên MCU mục tiêu. Gói Booster đưa đến nhiều GPIO.

Theo tôi, Knob tốt hơn Booster-Pack. Nhưng nó tốt để có một sự lựa chọn. Nếu muốn gói Booster thì có một thư viện sẵn sàng từ Ti để sử dụng nó. Ở đây tôi không đi vào chi tiết về nó.

Bước 6: Tóm tắt: Các phép đo nhiệt độ môi trường xung quanh và các ý tưởng khác ……

Sau khi Cài đặt MCU khi khởi động, nó sẽ chào bạn và sau đó tiến hành các phép đo. Trước tiên, phần sụn giữ cho người hâm mộ ở trạng thái tắt. Bắt đầu chuỗi phép đo trên 5 đầu dò NTC, sau đó được hợp nhất thành một giá trị tuyệt đối. Sau đó, dựa trên giá trị này và ngưỡng so sánh (dữ liệu người dùng), nó sẽ bật hoặc tắt quạt (hoặc thiết bị mong muốn, bất kỳ thứ gì khác) được gắn với rơ le DPDT. Hãy xem xét rằng bạn có thể gắn vào 3 x Rơle đó bất cứ thứ gì cần tắt hoặc mở. Rơ le có khả năng truyền dòng điện 16 Amper, nhưng tôi không nghĩ rằng bắt đầu sử dụng tải nặng như vậy trên các đầu ra đó là một ý tưởng hay.

Tôi hy vọng rằng "điều này" (^ _ ^) …….. hehe sẽ hữu ích cho ai đó. Đóng góp của tôi cho tâm trí hive toàn cầu ^^).

Tôi tự hỏi ai đó sẽ cố gắng xây dựng nó. Nhưng trong trường hợp họ làm vậy, tôi sẽ vui vẻ hỗ trợ mọi thứ. Tôi có phần sụn trong CCS và trong Energia. Xin vui lòng cho tôi biết guys nếu bạn cần nó. Cũng vui lòng nhắn tin cho tôi về các câu hỏi và đề xuất. Lời chào từ "Sunny" Đức.