Hög precisionstemperaturregulator: 6 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Inom vetenskapen och i ingenjörsvärldarna är att hålla koll på temperatur aka (atomernas rörelse i termodynamik) en av de grundläggande fysiska parametrarna man bör överväga nästan överallt, från cellbiologi till raketmotorer och drivkraft. I datorer och i princip överallt där jag glömde nämna. Tanken bakom detta instrument var ganska enkel. När jag utvecklade firmware behövde jag en testinställning där jag kunde testa firmware för buggarna istället för våra produkter, som är handgjorda av tekniker för att inte orsaka någon form av fel relaterade till ovan nämnda. Dessa instrument tenderar att bli heta och därför krävs konstant och exakt temperaturövervakning för att hålla alla delar av instrumentet igång, och det är inte mindre viktigt att prestera utmärkt. Att använda NTC -termistorer för att lösa uppgiften har flera fördelar. NTC (negativ temperaturkoefficient) är speciella termistorer som ändrar motståndet beroende på temperaturen. Dessa NTC i kombination med metoden för kalibrering som Stanely Hart och John Steinhart upptäckte enligt beskrivningen i artikeln "Deep-Sea Research 1968 vol.15, s. 497-503 Pergamon Press" är den bästa lösningen i mitt fall. Papperet diskuterar metoder för temperaturmätningar inom stora intervall (hundratals Kelvin …) med den typen av enheter. Enligt min förståelse, kommer från en teknisk bakgrund, ju enklare systemet/sensorn desto bättre. Ingen vill ha något superkomplicerat under vattnet, på kilometerdjup som kan orsaka problem när man mäter temperaturen där bara på grund av deras komplexitet. Jag tvivlar på att sensorn existerar på liknande sätt, kanske termoelementet kommer att göra det, men det kräver lite stödkretsar och det är för extrema precisionsfall. Så låt oss använda dessa två, för kylsystemets design som har flera utmaningar. Några av dem är: ljudnivå, effektiv provtagning av realtidsvärdet och eventuellt allt ovan nämnt i ett enkelt och praktiskt paket för enkel reparation och underhåll också, kostnaderna per enhet. Under tiden som man skrev firmware, blev installationen mer och mer tweaked och förbättrad. Någon gång insåg jag att det lika gärna kan bli ett fristående instrument på grund av dess komplexitet.

Steg 1: Temperaturkalibrering av Steinhart-Hart

Det finns en fin artikel i Wikipedia som hjälper till att beräkna termistorkoefficienterna beroende på nödvändig temperatur och termistorintervall. I de flesta fall är koefficienterna super små och kan försummas i ekvation i sin förenklade form.

Ekvationen Steinhart – Hart är en modell för en halvledares motstånd vid olika temperaturer. Ekvationen är:

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

var:

T { displaystyle T} är temperaturen (i Kelvin) R { displaystyle R} är motståndet vid T (i ohm) A { displaystyle A}, B { displaystyle B} och C { displaystyle C} är Steinhart – Hart -koefficienterna som varierar beroende på typ och modell av termistor och temperaturintervallet av intresse. (Den mest allmänna formen för den tillämpade ekvationen innehåller en [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ ln (R)]^{2}}

men detta försummas ofta eftersom det vanligtvis är mycket mindre än de andra koefficienterna och därför inte visas ovan.)

Utvecklare av ekvationen:

Ekvationen är uppkallad efter John S. Steinhart och Stanley R. Hart som publicerade förhållandet första gången 1968. [1] Professor Steinhart (1929–2003), stipendiat i American Geophysical Union och i American Association for the Advancement of Science, var medlem vid fakulteten vid University of Wisconsin – Madison från 1969 till 1991. [2] Dr. Hart, seniorforskare vid Woods Hole Oceanographic Institution sedan 1989 och stipendiat vid Geological Society of America, American Geophysical Union, Geochemical Society och European Association of Geochemistry, [3] var associerad med professor Steinhart vid Carnegie Institution i Washington när ekvationen utvecklades.

Referenser:

John S. Steinhart, Stanley R. Hart, Kalibreringskurvor för termistorer, 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.

"Minnesresolution för fakulteten vid University of Wisconsin-Madison om professor emeritus John S. Steinharts död" (PDF). University of Wisconsin. 5 april 2004. Arkiverad från originalet (PDF) den 10 juni 2010. Hämtad 2 juli 2015.

"Dr Stan Hart". Woods Hole Oceanographic Institution. Hämtad 2 juli 2015.

Steg 2: Assemby: Material och metoder

För att kunna börja bygga måste vi konsultera BOM aka (Bill on Materials) och se vilka delar vi planerar att använda. Förutom BOM, skulle lödkolv, ett par skiftnycklar, skruvmejslar och en varm limpistol behövas. Jag skulle rekommendera en grundläggande elektronik laboratorieverktyg att ha bredvid dig för bekvämlighetens skull.

1. Prototyping board-1
2. Hitachi LCD Display-1
3. Mean Well 240V >> 5Volt strömförsörjning-1
4. Röd LED-3
5. Blå LED-3
6. Grön LED-1
7. Gul LED-1
8. OMRON Relä (DPDT eller liknande 5 Volt) -3
9. Potentiometer 5KOhm-1
10. Motstånd (470Ohm)-flera
11. BC58 Transistor-3
12. Diod-3
13. Spänningsregulator med lågt avbrott-3
14. SMD-lysdioder (grön, röd) -6
15. MSP-430 mikroprocessor (Ti 2553 eller 2452) -2
16. Mekanisk omkopplare Broms-före-fabrik (240V 60Hz) -1
17. Rotary-Encoder-1
18. Ritchco plasthållare-2
19. DIP -uttag för MSP -430 mikroprocessor -4
20. Elförsörjningskabel för vägguttag-1
21. Hopptrådar (olika färger) - mycket
22. NTC-sond aka termistor 4k7-värde, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1- Kapacitiv Touch BoosterPack (Texas Instruments) -1 (valfritt)
24. Kylfläktar (tillval) om något behöver kylas ner- (1-3) (valfritt)
25. Ren aluminiumkylare med 5 hål borrade i den för NTC Probes-1
26. Plastplattor med borrade hål - 2
27. Muttrar, bultar och några skruvar för att montera bärkonstruktionen-20 (per styck)
28. Tråd till kretskort preff_board monteringsuttag 2-trådig version med skruv inuti-1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (tillval), fungerar som andra frontskärm-1

Jag vet att det är en ganska stor faktura på material och kan kosta en anständig summa pengar. I mitt fall får jag allt via min arbetsgivare. Men om ni vill hålla det billigt, bör ni inte överväga de valfria delarna. Allt annat är lätt att få från Farnell14, DigiKey och/eller några lokala elektronikspecialiserade butiker.

Jag har bestämt mig för MSP-430-mikroprocessorlinjen eftersom jag hade dem kvar. Även om man enkelt kan välja "AVR" RISC MCU: er. Något som ATmega168 eller ATmega644 med Pico-Power-teknik. Alla andra AVR -mikroprocessorer kommer att göra jobbet. Jag är faktiskt en stor "fanboy" för Atmel AVR. Och värt att nämna om du kommer från den tekniska bakgrunden och är beredd att göra en trevlig montering, använd inte något Arduino -kort, om du kan programmera fristående AVR, skulle det vara mycket bättre, om inte då, försök att programmera CPU och bädda in i enheten.

Steg 3: Montering: Lödning och byggande i steg…

Att börja montera aka lödning från de minsta komponenterna är en bra start. Börja med smd -komponenterna och ledningarna. Löd Power-Bussen först, någonstans som jag gjorde på min preffboard, och gör den sedan längre på ett sätt så att alla delar på pre-boardet enkelt kommer åt Power-Bus utan några omdirigeringar eller komplikationer. Jag använde ledningar över preffboard, och det ser ganska galet ut, men man kan senare designa ett riktigt kretskort när prototypen fungerar.

• löd SMD-delar (för effektindikering av MSP-430 MCU: er, mellan Vcc och GND)
• lödkraftsbuss och kabeldragning (rutt på ett sätt som ger ström till MSP-430)
• löd alla typer av DIL-uttag (för att ansluta MSP-430 x 2 IC: erna
• lödningsspänningsregulatorer med lämpligt stöd (kondensatorer, för effekt 5 >> 3,3 volt fall)
• lödtransistorer och motstånd och dioder för reläer och gränssnitt med MCU.
• löd 10k Ohm Potentiometer för LCD -skärmens ljusstyrka.
• löd lysdioderna bredvid reläer, tvåstatusindikator röd/blå (blå = på, röd = av).
• löd Mean Well 240Volts >> 5 Volt strömförsörjningsenhet med dess kontakter.
• Löd den blå mekaniska omkopplaren (bryt före tillverkning) bredvid strömförsörjningen.

Löd allt annat som är kvar. Jag skapade inte korrekt schema från enheten bara på grund av brist på tid, men det är ganska enkelt med elektronisk bakgrund alls. När lödningen är klar bör allt kontrolleras, för korrekta anslutningar för att undvika någon form av kortslutning av kraftledningarna.

Nu är det dags att montera bärkonstruktionen. Som på bilderna har jag använt 2 x plastplattor med M3 -hål borrade (4 x per platta) för att ha långa skruvar och muttrar och brickor genomgående, distansbultar och brickor är perfekta för sådana sammankopplingar. De måste stramas åt från båda sidor för att kunna hålla ihop de gröna plattorna.

Förbrädan bör sättas in mellan frontbrickorna, det vill säga, de främre brickorna ska ha en stor diameter (upp till 5 mm) så att man kan sätta in preffboard mellan dem och sedan dra åt dem. Om det görs korrekt kommer brädan att stå stadigt i 90 °. Ett annat alternativ för att hålla den på plats är att använda en Ritcho -plast PCB -hållare monterade på dessa avståndsbultar via 90 ° vinkel som sedan hjälper dig att skruva plastdelarna till distansbultar. Vid denna tidpunkt bör du kunna ansluta/fästa preffboard.

Efter installationen av preffboard kommer LCD -skärmen (16x2) som nästa och bör installeras. Jag använder min i 4-bitars läge för att spara GPIO ^_ ^)))))))). Använd 4-bitars läge, annars har du inte tillräckligt med GPIO för att slutföra projektet. Bakgrundsbelysningen, Vcc och Gnd löds genom en potentiometer för att driva bussen. Displaybussens kablar ska lödas direkt till MSP-430 mikrokontroller. Använd endast digital GPIO. Den analoga GPIO vi behöver för NTC: erna. Det finns 5 x NTC -enheter, så det är trångt där.

Steg 4: Avsluta montering och start

För att installera sonderna/NTC: erna 5 x bitar på kylaren måste borrning utföras. Se databladet för NTC, som jag har lagt till som bild för diametrarna och djupet av det borrade hålet. Därefter måste det borrade hålet justeras med verktyg för att acceptera MTC -huvudet på NTC: erna. Att använda 5 x NTC är typ av hårdvara som medelvärde och utjämning. MSP-430 har en ADC med 8-bitars upplösning, så att ha 5 x sensorer är lätt att genomsnitta resultaten. Vi disponerar inte Ghz -processorer här, så i vår inbäddade värld är varje CPU -klocka avgörande. Sekundär medelvärde kommer att utföras i firmware. Varje NTC måste bena, och för att kunna läsa data via inbyggd ADC måste spänningsdelare bildas, bestående av R (NTC)+R (def). ADC -porten måste vara ansluten i mitten av dessa två. R (def) är ett andra motstånd som bör ha ett fast värde på 0,1 % eller bättre, vanligtvis inom intervallet med R (NTC). Alternativt kan du lägga till en OP-förstärkare för att förstärka signalen. Se figuren i detta avsnitt för att ansluta NTC -prbberna.

När lödningen är klar och har kontrollerats är nästa steg att installera MSP-430 mikrokontroller i sina DIL-uttag. Men i förväg måste de programmeras. I detta steg är det möjligt att slå på enheten (utan mikrokontroller) för preliminära tester. Om allt är korrekt monterat ska enheten starta och reläerna ska vara i avstängt läge, indikerat med de röda lysdioderna, och fläktarna ska gå och displayen ska vara på men utan data om det, bara det blå motljuset.

Steg 5: Användarinmatning, Rotary-Encoder och Capacitive-Touch Booster-Pack

Det är alltid trevligt att ha en inmatningsenhet, som kan användas för att mata in data i enheten. Magnetknappen med permanentmagneter är ett bra val här. Dess uppgift är att ange temperaturgränsen för fläktarna monterade på kylarblocket. Det låter användaren ange en ny tröskel för temperatur via avbrott. Bara genom att vrida åt vänster eller höger kan du lägga till eller subtrahera värden i intervallet (20-100 ° C). Det lägre värdet bestäms av rumstemperaturen.

Denna ratt har en liten krets som överför den digitala signalen till mikrokontrollern. Logiken hög/låg tolkas sedan av GPIO för inmatning.

Den andra ingångsenheten är Tis kapacitiva touch-booster-pack. Det är möjligt att använda Booster-pack också, men det är inte möjligt att använda båda, bara på grund av bristen på GPIO på mål-MCU. Booster -paketet tar vägen till många GPIO.

Enligt min mening är Knob bättre än Booster-Pack. Men det är bra att ha ett val. Om Booster pack önskas finns det ett klart bibliotek från Ti för att använda det. Jag går inte in här på detaljer om det.

Steg 6: Sammanfattning: Omgivningstemperaturmätningar och ytterligare idéer ……

Efter MCU-installationen vid uppstart hälsar den dig och fortsätter till mätningarna. Firmware håller först fläktarna i avstängt läge. Startar mätserier på 5 x NTC -sonder, som sedan slås samman till ett absolut värde. Efter det här tröskelvärdet och jämförelsen (användardata) slår det på eller av fläktar (eller önskade enheter, allt annat) kopplat till DPDT -reläer. Tänk på att du kan koppla till dessa 3 x reläer allt som måste slås av eller av. Reläer kan passera 16 ampere, men jag tror inte att det är en bra idé att börja använda så tung belastning på dessa utgångar.

Jag hoppas att denna "sakliga" (^_^) …….. hehe kommer att vara användbar för någon. Mitt bidrag till det globala bikupan * ^).

Jag undrar att någon kommer att försöka bygga det. Men om de gör det, hjälper jag gärna till med allt. Jag har firmware i CCS och i Energia. Låt mig veta killar om du behöver det. Skriv också gärna till mig om frågor och förslag. Hälsningar från "Sunny" Tyskland.