Højpræcisions temperaturregulator: 6 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

I videnskaben og i ingeniørverdener er det at holde styr på temperatur aka (bevægelse af atomerne i termodynamik) en af de grundlæggende fysiske parametre, man bør overveje næsten overalt, lige fra cellebiologi til raketmotorer og hårde brændstof. På computere og stort set alle steder, hvor jeg glemte at nævne. Ideen bag dette instrument var ret enkel. Mens jeg udviklede firmware, havde jeg brug for en testopsætning, hvor jeg kunne teste firmwaren for fejlene i stedet for vores produkter, som er håndlavet af teknikere for ikke at forårsage nogen form for fejl relateret til ovennævnte. Disse instrumenter har en tendens til at blive varme, og derfor er konstant og præcis temperaturovervågning nødvendig for at holde alle dele af instrumentet i gang, og som ikke er mindre vigtigt at yde enestående. Brug af NTC -termistorer til at løse opgaven har flere fordele. NTC'erne (negativ temperaturkoefficient) er specielle termistorer, der ændrer modstanden afhængigt af temperaturen. Disse NTC'er kombineret med met-kalibreringsmetoden opdaget af Stanely Hart og John Steinhart som beskrevet i artiklen "Deep-Sea Research 1968 vol.15, s. 497-503 Pergamon Press" er den bedste løsning i mit tilfælde. Papiret diskuterer metoder til målinger af vidt forskellige temperaturmålinger (hundredvis af Kelvin …) med denne type enheder. Efter min forståelse, kommer fra en ingeniørbaggrund, jo enklere system/sensor jo bedre. Ingen ønsker at have noget super kompliceret under vandet, på kilometerdybder, der kun kan forårsage problemer, mens temperaturen måles der på grund af deres kompleksitet. Jeg tvivler på, at sensoren eksisterer på samme måde, måske vil termoelementet gøre det, men det kræver noget understøttelseskredsløb, og det er til ekstreme præcisionssager. Så lad os gøre brug af disse to til kølesystemets design, der har flere udfordringer. Nogle af dem er: støjniveau, effektiv prøveudtagning af realtidsværdien og muligvis alt ovenfor nævnt i en enkel og praktisk pakke for nem reparation og vedligeholdelse også omkostningerne pr. Enhed. I mellemtiden ved at skrive firmwaren blev opsætningen mere og mere justeret og forbedret. På et tidspunkt indså jeg, at det lige så godt kunne blive et selvstændigt instrument på grund af dets kompleksitet.

Trin 1: Temperaturkalibrering af Steinhart-Hart

Der er en god artikel i Wikipedia, som hjælper med at beregne termistorkoefficienterne afhængigt af den nødvendige temperatur og termistorområdet. I de fleste tilfælde er koefficienterne super små og kan negligeres i ligning i sin forenklede form.

Steinhart -Hart -ligningen er en model for modstanden i en halvleder ved forskellige 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 modstanden ved T (i ohm) A { displaystyle A}, B { displaystyle B} og C { displaystyle C} er Steinhart – Hart -koefficienterne, som varierer afhængigt af termistorens type og model og det interessante temperaturinterval. (Den mest generelle form for den anvendte ligning indeholder en [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ln (R)]^{2}}

sigt, men dette negligeres ofte, fordi det typisk er meget mindre end de andre koefficienter og derfor ikke vises ovenfor.)

Udviklere af ligningen:

Ligningen er opkaldt efter John S. Steinhart og Stanley R. Hart, der først offentliggjorde forholdet i 1968. [1] Professor Steinhart (1929–2003), stipendiat i American Geophysical Union og i American Association for the Advancement of Science, var medlem af 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 blev udviklet.

Referencer:

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

"Mindehøj opløsning af fakultetet ved University of Wisconsin-Madison om professor emeritus John S. Steinharts død" (PDF). University of Wisconsin. 5. april 2004. Arkiveret fra originalen (PDF) den 10. juni 2010. Hentet 2. juli 2015.

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

Trin 2: Assemby: Materialer og metoder

For at begynde at bygge skal vi konsultere styklisten aka (Bill on Materials) og se, hvilke dele vi planlægger at bruge. Udover styklisten ville der være brug for loddejern, et par skruenøgler, skruetrækkere og en varm limpistol. Jeg vil anbefale en grundlæggende elektronik laboratorieværktøjer at have ved siden af dig for nemheds skyld.

1. Prototypebord-1
2. Hitachi LCD Display-1
3. Mean Well 240V >> 5Volt strømforsyning-1
4. Rød LED-3
5. Blå LED-3
6. Grøn LED-1
7. Gul LED-1
8. OMRON Relæ (DPDT eller lignende 5 Volt) -3
9. Potentiometer 5KOhm-1
10. Modstande (470Ohm)-flere
11. BC58 Transistor-3
12. Diode-3
13. Lavt frafaldsspændingsregulator-3
14. SMD-lysdioder (grøn, rød) -6
15. MSP-430 mikroprocessor (Ti 2553 eller 2452) -2
16. Mekanisk switch Brake-Before-Make (240V 60Hz) -1
17. Rotary-Encoder-1
18. Ritchco plastholdere-2
19. DIP -stik til MSP -430 mikroprocessor -4
20. Elforsyningskabel til stikkontakt-1
21. Jumperwires (forskellige farver) - meget
22. NTC Probe aka termistor 4k7 værdi, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1- Kapacitiv Touch BoosterPack (Texas Instruments) -1 (valgfri)
24. Køleventilatorer (ekstraudstyr), hvis noget skal køles ned- (1-3) (valgfrit)
25. Ren aluminiumskøler med 5 huller boret i den til NTC Probes-1
26. Plastplader med borede huller - 2
27. Møtrikker, bolte og nogle skruer til at samle bærerkonstruktionen-20 (pr. Stykke)
28. Ledning til printkort preff_board monteringsstik 2-leder version med skrue indeni-1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (ekstraudstyr), fungerer som andet frontal display-1

Jeg ved, at det er en ret stor regning på materialer og kan koste en anstændig sum penge. I mit tilfælde får jeg alt igennem min arbejdsgiver. Men hvis du vil beholde det billigt, bør du ikke overveje de valgfrie dele. Alt andet er let at få fra Farnell14, DigiKey og/eller nogle lokale elektronik specialiserede butikker.

Jeg har besluttet mig for MSP-430 mikroprocessorlinjen, fordi jeg havde dem liggende. Selvom man let kan vælge "AVR" RISC MCU'er. Noget som ATmega168 eller ATmega644 med Pico-Power Technology. Enhver anden AVR -mikroprocessor vil udføre jobbet. Jeg er faktisk en stor "fanboy" af Atmel AVR. Og værd at nævne, hvis du kommer fra den tekniske baggrund og er villig til at lave en god samling, må du ikke bruge noget Arduino -kort, hvis du er i stand til at programmere selvstændige AVR'er, ville det være meget bedre, hvis ikke så, så prøv at programmere CPU og integrer i enheden.

Trin 3: Montering: Lodning og opbygning i trin…

Start montering aka lodning fra de mindste komponenter er en god start. Begynd med smd -komponenter og ledninger. Lod lod Power-Bus først, et eller andet sted som jeg gjorde på mit præbord, og gør det derefter længere på en måde, så alle dele på præbordet let kunne få adgang til Power-Bus uden nogen omdirigering eller komplikationer. Jeg brugte ledninger overalt på præbordet, og det ser ret tosset ud, men man kan senere designe et ordentligt printkort, når prototypen fungerer.

• lodde SMD dele (til effektangivelse af MSP-430 MCU'er, mellem Vcc og GND)
• loddemotor-bus og ledninger (rute på en måde, så den giver strøm til MSP-430)
• lod alle slags DIL-stik (for at tilslutte MSP-430 x 2 IC'erne
• loddet lavt frafaldsspændingsregulatorer med den passende understøttelse (kondensatorer, til strøm 5 >> 3,3 volt fald)
• loddetransistorer og modstande og dioder til relæer og grænseflade med MCU.
• loddet 10k Ohm potentiometer til LCD -skærmens lysstyrkekontrol.
• lodde lysdioderne ved siden af relæer, to-tilstandsindikator rød/blå (blå = tændt, rød = slukket).
• lodde Mean Well 240Volts >> 5 Volt strømforsyningsenhed med dens stik.
• Lod den blå mekaniske kontakt (break-before-make) ved siden af strømforsyningen.

Lod alt det andet, der er tilbage. Jeg lavede ikke ordentlige skemaer fra enheden bare på grund af mangel på tid, men det er ret simpelt med elektronisk baggrund overhovedet. Efter lodningens afslutning skal alt kontrolleres for korrekte forbindelser for at undgå enhver form for kortslutning af elledningerne.

Nu er det tid til at samle bærerkonstruktionen. Som på billederne har jeg brugt 2 x plastplader med huller i M3 størrelse (4 x pr. Plade) til at have lange skruer og møtrikker og skiver, der løber igennem, afstandsbolte og skiver er perfekte til sådanne sammenkoblinger. Thery skal strammes fra begge sider for at kunne holde de grønne plader sammen.

Preffboardet skal indsættes mellem frontskiverne, det vil sige, at disse frontskiver skal have en stor diameter (op til 5 mm), så man kan indsætte præbordet mellem dem og derefter stramme dem op. Hvis det gøres korrekt, vil tavlen stå 90 ° fast. En anden mulighed for at holde den på plads, ville være at bruge en Ritcho plast PCB -holdere monteret på disse afstandsbolte via 90 ° vinkel, som derefter vil hjælpe dig med at skrue plastdelene til afstandsbolte. På dette tidspunkt skal du være i stand til at tilslutte/vedhæfte præbordet.

Efter installationen af præbordet kommer LCD (16x2) display som det næste og skal installeres. Jeg bruger min i 4-bit-tilstand til at bevare GPIO ^_ ^))))))))). Brug venligst 4-bit-tilstand, ellers har du ikke nok GPIO til at fuldføre projektet. Baggrundslyset, Vcc og Gnd loddes gennem et potentiometer til power-bus. Displaydatabus-kablerne skal loddes direkte til MSP-430 micrcocontroller. Brug kun digital GPIO. Den analoge GPIO, vi har brug for til NTC'erne. Der er 5 x NTC -enheder, så det er stramt der.

Trin 4: Afslutning af samling og opstart

For at installere proberne/NTC'erne 5 x stykker på radiatoren, skal der udføres boring. Se databladet for NTC, som jeg har tilføjet som billede for diametre og dybde af det borede hul. Bagefter skal det borede hul justeres med værktøj for at acceptere M3 -størrelsen på NTC'erne. Brug af 5 x NTC er en slags hardware -gennemsnit og udjævning. MSP-430 har en ADC med 8-bit opløsning, så at have 5 x sensorer vil være let at gennemsnitlige resultaterne. Vi disponerer ikke over Ghz -CPU'er her, så i vores integrerede verden er hvert CPU -ur vigtigt. Sekundær gennemsnit foretages i firmware. Hver NTC skal have ben, og for at kunne læse data via indbygget ADC skal der dannes spændingsdeler, der består af R (NTC)+R (def). ADC -porten skal være fastgjort i midten af disse to. R (def) er en anden modstand, som skal have en fast værdi på 0,1 % eller bedre, typisk inden for området med R (NTC). Eventuelt kan du tilføje en OP-forstærker for at forstærke signalet. Se venligst figuren i dette afsnit for at forbinde NTC prpbes.

Når lodningen er afsluttet og er blevet kontrolleret, er det næste trin at installere MSP-430 mikrokontrolleren i deres DIL-stik. Men på forhånd skal de programmeres. I dette trin er det muligt at tænde enheden (uden mikrokontroller) til indledende test. Hvis alt er samlet korrekt, skal enheden tændes, og relæerne skal være i slukket tilstand, angivet med de røde lysdioder, og ventilatorerne skal køre og displayet skal være tændt, men uden data om det, kun det blå baggrundslys.

Trin 5: Brugerinput, Rotary-Encoder og Capacitive-Touch Booster-Pack

Det er altid rart at have en inputenhed, som kan bruges til at indtaste data i enheden. Magnetknappen med permanente magneter er et godt valg her. Dens opgave er at indtaste temperaturgrænsen for ventilatorerne monteret på radiatorblokken. Det lader brugeren indtaste en ny tærskel for temperatur via afbrydelser. Bare ved at dreje til venstre eller højre kan du tilføje eller fratrække værdier i området (20-100 ° C). Den lavere værdi bestemmes af stuens omgivende temperatur.

Denne knap har et lille kredsløb, der sender det digitale signal til mikrokontrolleren. Logikken høj/lav fortolkes derefter af GPIO for input.

Den anden inputenhed er Ti's kapacitive touch-booster-pakke. Det er også muligt at bruge Booster-pack, men det er ikke muligt at bruge begge dele, bare på grund af manglen på GPIO på mål-MCU. Booster -pakken tager plads til mange GPIO.

Efter min mening er Knob bedre end Booster-Pack. Men det er godt at have et valg. Hvis Booster pack er ønsket, er der et klart bibliotek fra Ti til at bruge det. Jeg går ikke her ind på detaljer om det.

Trin 6: Resumé: Målinger af omgivelsestemperatur og yderligere ideer ……

Efter MCU-installationen ved opstart hilser den dig og fortsætter til målingerne. Firmwaren holder først ventilatorerne i slukket tilstand. Starter måleserier på 5 x NTC -sonder, som derefter flettes til en absolut værdi. Efter denne værdi og sammenligning (brugerdata) tærskel tænder eller deaktiverer den fans (eller ønskede enheder, alt andet), der er knyttet til DPDT -relæer. Overvej, at du kan vedhæfte alt det, der skal slås til eller fra, til de 3 x relæer. Relæer er i stand til at passere 16 Ampere strøm, men jeg synes ikke, det er en god idé at begynde at bruge så tunge belastninger på disse output.

Jeg håber, at denne "tingede" (^_^) …….. hehe vil være nyttig for nogen. Mit bidrag til det globale bikube sind ^^).

Mon ikke nogen vil prøve at bygge den. Men hvis de gør det, vil jeg med glæde hjælpe med alt. Jeg har firmwaren i CCS og i Energia. Fortæl mig venligst gutter, hvis du har brug for det. Du er også velkommen til at skrive til mig om spørgsmål og forslag. Hilsen fra "Sunny" Tyskland.