Høy presisjon temperaturkontroller: 6 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:24

I vitenskapen og i ingeniørverdenene er det å holde styr på temperatur aka (bevegelse av atomene i termodynamikk) en av de grunnleggende fysiske parameterne man bør vurdere nesten overalt, fra cellebiologi til rakettmotorer og skyvekraft. På datamaskiner og stort sett overalt hvor jeg glemte å nevne. Ideen bak dette instrumentet var ganske enkel. Mens jeg utviklet fastvare, trengte jeg et testoppsett hvor jeg kunne teste fastvaren for feilene i stedet for produktene våre, som er håndlaget av teknikere for ikke å forårsake noen form for feil relatert til ovennevnte. Disse instrumentene har en tendens til å bli varme, og derfor er det nødvendig med konstant og presis temperaturovervåking for å holde alle delene av instrumentet i gang, og som ikke er mindre viktig å prestere utmerket. Å bruke NTC -termistorer til å løse oppgaven har flere fordeler. NTC -ene (negativ temperaturkoeffisient) er spesielle termistorer som endrer motstanden avhengig av temperaturen. Disse NTC-ene kombinert med metoden med kalibrering oppdaget av Stanely Hart og John Steinhart som beskrevet i artikkelen "Deep-Sea Research 1968 vol.15, s. 497-503 Pergamon Press" er den beste løsningen i mitt tilfelle. Papiret diskuterer metoder for store temperaturmålinger (hundrevis av Kelvin …) med denne typen enheter. Etter min forståelse, kommer fra en ingeniørbakgrunn, jo enklere system/sensor jo bedre. Ingen ønsker å ha noe superkomplisert under vannet, på kilometers dybde som kan forårsake problemer mens man måler temperaturen der bare på grunn av kompleksiteten. Jeg tviler på at sensoren eksisterer på samme måte, kanskje termoelementet vil, men det krever litt støttekrets, og det er for ekstreme presisjonstilfeller. Så la oss gjøre bruk av disse to, for kjølesystemets design som har flere utfordringer. Noen av dem er: støynivå, effektiv prøvetaking av sanntidsverdi og muligens alt ovenfor nevnt i en enkel og praktisk pakke for enkel reparasjon og vedlikehold, kostnadene per enhet. I mellomtiden ble fastvaren mer og mer justert og forbedret. På et tidspunkt innså jeg at det like godt kan bli et frittstående instrument på grunn av kompleksiteten.

Trinn 1: Temperaturkalibrering av Steinhart-Hart

Det er en fin artikkel i Wikipedia som vil hjelpe til med å beregne termistorkoeffisientene avhengig av nødvendig temperatur og termistorområde. I de fleste tilfeller er koeffisientene super små og kan bli neglisjert i ligningen i sin forenklede form.

Steinhart - Hart -ligningen er en modell for motstanden til en halvleder ved forskjellige temperaturer. Ligningen er:

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

hvor:

T { displaystyle T} er temperaturen (i Kelvin) R { displaystyle R} er motstanden ved T (i ohm) A { displaystyle A}, B { displaystyle B} og C { displaystyle C} er Steinhart - Hart -koeffisientene som varierer avhengig av type og modell av termistor og temperaturområdet av interesse. (Den mest generelle formen for den anvendte ligningen inneholder en [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ln (R)]^{2}}

sikt, men dette blir ofte neglisjert fordi det vanligvis er mye mindre enn de andre koeffisientene, og derfor ikke er vist ovenfor.)

Utviklere av ligningen:

Ligningen er oppkalt etter John S. Steinhart og Stanley R. Hart som først publiserte forholdet i 1968. [1] Professor Steinhart (1929–2003), stipendiat i American Geophysical Union og i American Association for the Advancement of Science, var medlem av fakultetet ved University of Wisconsin - Madison fra 1969 til 1991. [2] Dr. Hart, seniorforsker ved Woods Hole Oceanographic Institution siden 1989 og stipendiat i Geological Society of America, American Geophysical Union, Geochemical Society og European Association of Geochemistry, [3] var tilknyttet professor Steinhart ved Carnegie Institution i Washington da ligningen ble utviklet.

Referanser:

John S. Steinhart, Stanley R. Hart, Kalibreringskurver for termistorer, Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts, bind 15, utgave 4, august 1968, sider 497-503, ISSN 0011-7471, doi: 10.1016/0011-7471 (68) 90057-0.

"Minneoppløsning av fakultetet ved University of Wisconsin-Madison om professor emeritus John S. Steinharts død" (PDF). University of Wisconsin. 5. april 2004. Arkivert fra originalen (PDF) 10. juni 2010. Hentet 2. juli 2015.

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

Trinn 2: Assemby: Materialer og metoder

For å begynne å bygge, må vi konsultere styklisten aka (Bill on Materials) og se hvilke deler vi planlegger å bruke. I tillegg til styklisten, ville loddejern, et par skiftenøkler, skrutrekkere og en varm limpistol være nødvendig. Jeg vil anbefale et grunnleggende elektronisk laboratorieverktøy å ha ved siden av deg for enkelhets skyld.

1. Prototyping board-1
2. Hitachi LCD-skjerm-1
3. Mean Well 240V >> 5Volt strømforsyning-1
4. Rød LED-3
5. Blå LED-3
6. Grønn LED-1
7. Gul LED-1
8. OMRON Relé (DPDT eller lignende 5 Volt) -3
9. Potensiometer 5KOhm-1
10. Motstander (470Ohm)-flere
11. BC58 Transistor-3
12. Diode-3
13. Lavt frafallsspenningsregulator-3
14. SMD-lysdioder (grønn, rød) -6
15. MSP-430 mikroprosessor (Ti 2553 eller 2452) -2
16. Mekanisk bryter Brake-Before-Make (240V 60Hz) -1
17. Rotary-Encoder-1
18. Ritchco plastholdere-2
19. DIP -kontakter for MSP -430 mikroprosessor -4
20. Strømforsyningskabel for veggkontakt-1
21. Stikkledninger (forskjellige farger) - mye
22. NTC Probe aka termistor 4k7 verdi, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1- Kapasitiv Touch BoosterPack (Texas Instruments) -1 (valgfritt)
24. Kjølevifter (valgfritt) i tilfelle noe må kjøles ned- (1-3) (valgfritt)
25. Ren aluminiumsradiator med 5 hull boret i den for NTC Probes-1
26. Plastplater med borede hull - 2
27. Muttere, bolter og noen skruer for å montere bærerkonstruksjonen-20 (per stykke)
28. Ledning til PCB preff_board monteringsuttak 2-leder versjon med skrue inne-1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (valgfritt), fungerer som andre frontdisplay-1

Jeg vet at det er en ganske stor regning på materialer og kan koste en anstendig sum penger. I mitt tilfelle får jeg alt gjennom arbeidsgiveren min. Men hvis du vil beholde den billig, bør du ikke vurdere de valgfrie delene. Alt annet er lett å få fra Farnell14, DigiKey og/eller noen lokale elektronikk -spesialiserte butikker.

Jeg har bestemt meg for MSP-430 mikroprosessorlinjen fordi jeg hadde dem liggende. Selv om man enkelt kan velge "AVR" RISC MCUer. Noe som ATmega168, eller ATmega644 med Pico-Power-teknologi. Enhver annen AVR -mikroprosessor vil gjøre jobben. Jeg er faktisk en stor "fanboy" av Atmel AVR. Og verdt å nevne hvis du kommer fra den tekniske bakgrunnen og er villig til å gjøre en fin montering, ikke bruk noe Arduino -kort, hvis du kan programmere frittstående AVR -er, ville det vært mye bedre, hvis ikke da, prøv å programmere CPU og bygge inn i enheten.

Trinn 3: Montering: Lodding og bygging i trinn…

Start montering aka lodding fra de minste komponentene er en god start. Begynn med smd -komponenter og ledninger. Lodd Power-bussen først, et sted som jeg gjorde på preffboardet mitt, og deretter gjør det lengre på en måte slik at alle delene på pre-boardet lett får tilgang til Power-Bus uten omdirigering eller komplikasjoner. Jeg brukte ledninger over preffboardet, og det ser ganske sprøtt ut, men man kan senere designe et skikkelig kretskort når prototypen fungerer.

• loddetinn SMD-deler (for strømindikasjon av MSP-430 MCU, mellom Vcc og GND)
• lodde kraftbuss og ledninger (rute på en måte som gir strøm til MSP-430)
• lodde alle slags DIL-kontakter (for å koble MSP-430 x 2 IC-ene
• lodde lavt frafallsspenningsregulatorer med passende støtte (kondensatorer, for effekt 5 >> 3,3 volt fall)
• loddetransistorer, og motstander og dioder for releer og grensesnitt med MCU.
• lodd 10k Ohm potensiometer for LCD -skjermens lysstyrkekontroll.
• lodd LEDene ved siden av reléer, to-staters indikator rød/blå (blå = på, rød = av).
• lodde Mean Well 240Volts >> 5 Volt strømforsyningsenhet med kontakter.
• Lodd den blå mekaniske bryteren (break-before-make) ved siden av strømforsyningen.

Lodd alt annet som er igjen. Jeg laget ikke ordentlig skjema fra enheten bare på grunn av mangel på tid, men det er ganske enkelt med elektronisk bakgrunn overhodet. Etter at lodding er fullført, bør alt sjekkes for å sikre riktige tilkoblinger for å unngå kortslutning av kraftledningene.

Nå er det på tide å montere transportøren. Som på bildene har jeg brukt 2 x plastplater med hull i M3 størrelse (4 x per plate) for å ha lange skruer og muttere og skiver som løper gjennom, avstandsbolter og skiver er perfekte for slike sammenkoblinger. Disse må strammes fra begge sider for å kunne holde de grønne platene sammen.

Prebordet bør settes inn mellom frontskivene, det vil si at frontskivene skal ha en stor diameter (opptil 5 mm) slik at man kan sette preffboardet inn mellom dem og deretter stramme dem. Hvis det gjøres riktig, vil brettet stå fast på 90 °. Et annet alternativ for å holde den på plass, ville være å bruke en Ritcho -PCB -holdere i plast montert på disse avstandsboltene via 90 ° vinkel, som deretter vil hjelpe deg med å skru plastdelene til avstandsbolter. På dette tidspunktet bør du kunne koble/feste preffboardet.

Etter installasjonen av preffboard kommer LCD -skjermen (16x2) som neste og bør installeres. Jeg bruker min i 4-biters modus for å spare GPIO ^_ ^))))))))). Bruk 4-biters modus, ellers har du ikke nok GPIO til å fullføre prosjektet. Baklyset, Vcc og Gnd loddes gjennom et potensiometer til strømbuss. Databuss-kablene til skjermen bør loddes direkte til MSP-430 mikrokontroller. Bruk bare digital GPIO. Den analoge GPIO vi trenger for NTC -ene. Det er 5 x NTC -enheter, så det er tett der.

Trinn 4: Fullfør montering og oppstart

For å installere prober/NTCer 5 x stykker på radiatoren, må det utføres boring. Se databladet til NTC, som jeg har lagt til som bilde for diametre og dybde på det borede hullet. Etterpå må det borede hullet justeres med verktøy for å godta M3 -størrelsen på NTC -ene. Å bruke 5 x NTC er en slags maskinvare gjennomsnitt og utjevning. MSP-430 har en ADC med 8-bits oppløsning, så å ha 5 x sensorer vil være lett å gjennomsnittlig resultatene. Vi disponerer ikke Ghz -prosessorer her, så i vår innebygde verden er hver CPU -klokke avgjørende. Sekundær gjennomsnitt vil bli utført i fastvare. Hver NTC må ben, og for å kunne lese data via innebygd ADC må spenningsdeler dannes, bestående av R (NTC)+R (def). ADC -porten må være festet i midten av de to. R (def) er en andre motstand som bør ha en fast verdi på 0,1 % eller bedre, vanligvis i området med R (NTC). Eventuelt kan du legge til en OP-forsterker for å forsterke signalet. Vennligst se figuren i denne delen for å koble til NTC prpbes.

Når lodding er fullført og har blitt kontrollert, er neste trinn å installere MSP-430 mikrokontroller i DIL-stikkontaktene. Men på forhånd må de programmeres. I dette trinnet er det mulig å slå på enheten (uten mikrokontroller) for foreløpige tester. Hvis alt er montert riktig, skal enheten slås på og reléene skal være i av-tilstand, indikert med de røde lysdiodene, og viftene skal gå og displayet skal være på, men uten data om det, bare det blå bakgrunnslyset.

Trinn 5: Brukerinngang, Rotary-Encoder og Capacitive-Touch Booster-Pack

Det er alltid hyggelig å ha en inndataenhet, som kan brukes til å legge inn data i enheten. Magnetknappen med permanente magneter er et godt valg her. Dens oppgave er å angi temperaturterskelen for viftene montert på radiatorblokken. Den lar brukeren angi en ny terskel for temperatur via avbrudd. Bare ved å dreie til venstre eller høyre kan du legge til eller trekke fra verdier i området (20-100 ° C). Den lavere verdien bestemmes av romtemperaturen i rommet.

Denne knotten har en liten krets som overfører det digitale signalet til mikrokontrolleren. Logikken høy/lav blir deretter tolket av GPIO for input.

Den andre inndataenheten er Ti's kapasitive touch booster-pack. Det er mulig å bruke Booster-pack også, men det er ikke mulig å bruke begge deler, bare på grunn av mangel på GPIO på mål-MCU. Booster -pakken tar veien til mange GPIO.

Etter min mening er Knob bedre enn Booster-Pack. Men det er godt å ha et valg. Hvis Booster pack er ønsket, er det et klart bibliotek fra Ti for å bruke det. Jeg går ikke inn på detaljer om det her.

Trinn 6: Sammendrag: Målinger av omgivelsestemperatur og andre ideer ……

Etter MCU-installasjonen ved oppstart, vil den hilse på deg og deretter gå videre til målinger. Fastvaren holder først viftene i av -tilstand. Starter måleserier på 5 x NTC -prober, som deretter slås sammen til en absolutt verdi. Etter denne verdien og sammenligningsgrensen (brukerdata) slår den vifter (eller ønskede enheter, alt annet) på DPDT -reléer på eller av. Tenk på at du kan koble til de 3 x reléene alt som må slås av eller på. Reléer er i stand til å passere 16 Ampere strøm, men jeg tror ikke det er en god idé å begynne å bruke så tunge belastninger på disse utgangene.

Jeg håper at denne "tingene" (^_^) …….. hehe vil være nyttig for noen. Mitt bidrag til det globale bikubehodet ^^).

Jeg lurer på at noen vil prøve å bygge den. Men hvis de gjør det, vil jeg gjerne hjelpe med alt. Jeg har fastvaren i CCS og i Energia. Gi meg beskjed om gutta hvis du trenger det. Send meg gjerne en melding om spørsmål og forslag. Hilsen fra "Sunny" Tyskland.