متحكم بدرجة الحرارة عالية الدقة: 6 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

في العلوم وفي عوالم الهندسة ، يعد تتبع درجة الحرارة المعروف أيضًا باسم (حركة الذرات في الديناميكا الحرارية) أحد المعايير الفيزيائية الأساسية التي يجب على المرء أن يأخذها في الاعتبار في كل مكان تقريبًا ، بدءًا من بيولوجيا الخلية وحتى محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب. في أجهزة الكمبيوتر وفي كل مكان حيث نسيت أن أذكر. كانت الفكرة وراء هذه الآلة بسيطة للغاية. أثناء تطوير البرامج الثابتة ، كنت بحاجة إلى إعداد اختبار حيث يمكنني اختبار البرامج الثابتة للأخطاء بدلاً من منتجاتنا ، والتي تم تصنيعها يدويًا من قبل الفنيين بحيث لا تسبب أي نوع من الأعطال المتعلقة بما ذكر أعلاه. تميل هذه الأدوات إلى أن تصبح ساخنة وبالتالي هناك حاجة إلى مراقبة ثابتة ودقيقة لدرجة الحرارة من أجل الحفاظ على تشغيل جميع أجزاء الجهاز ، والتي لا تقل أهمية عن الأداء المتميز. استخدام الثرمستورات NTC لحل المهمة له فوائد عديدة. إن NTCs (معامل درجة الحرارة السلبية) عبارة عن ثرمستورات خاصة تغير المقاومة اعتمادًا على درجة الحرارة. هذه NTCs مجتمعة مع طريقة المعايرة التي اكتشفها Stanely Hart و John Steinhart كما هو موضح في مقالة "Deep-Sea Research 1968 vol.15، pp 497-503 Pergamon Press" هي أفضل حل في حالتي. يناقش البحث طرق قياس درجة الحرارة على نطاق واسع (مئات من كلفن …) مع هذا النوع من الأجهزة. في فهمي ، قادمًا من خلفية هندسية ، كلما كان النظام / المستشعر أبسط كان ذلك أفضل. لا أحد يريد أن يكون لديه شيء معقد للغاية تحت الماء ، على أعماق كيلومترات يمكن أن تسبب مشاكل أثناء قياس درجة الحرارة هناك فقط بسبب تعقيدها. أشك في وجود المستشعر ليعمل بشكل مشابه ، ربما تعمل المزدوجة الحرارية ، لكنه يتطلب بعض دوائر الدعم وهو مخصص لحالات الدقة القصوى. لذلك دعونا نستفيد من هذين ، لتصميم نظام التبريد الذي يواجه العديد من التحديات. بعضها هو: مستوى الضوضاء ، وأخذ العينات الفعال للقيمة في الوقت الحقيقي ، وربما ، كل ما سبق ذكره في حزمة بسيطة وسهلة الاستخدام لسهولة الإصلاح والصيانة أيضًا ، تكلفة كل وحدة. أثناء كتابة البرنامج الثابت ، تم تعديل وتحسين الإعداد أكثر فأكثر. في مرحلة ما ، أدركت أنها قد تصبح أيضًا أداة قائمة بذاتها بسبب تعقيدها.

الخطوة 1: معايرة درجة الحرارة بواسطة Steinhart-Hart

هناك مقال لطيف في ويكيبيديا سيساعد في حساب معاملات الثرمستور اعتمادًا على درجة الحرارة المطلوبة ونطاق الثرمستور. في معظم الحالات ، تكون المعاملات صغيرة جدًا ويمكن إهمالها في المعادلة في شكلها المبسط.

معادلة شتاينهارت-هارت هي نموذج لمقاومة أشباه الموصلات عند درجات حرارة مختلفة. المعادلة هي:

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

أين:

T { displaystyle T} هي درجة الحرارة (بالكلفن) R { displaystyle R} هي المقاومة عند T (بالأوم) A { displaystyle A} و B { displaystyle B} و C { displaystyle C} معاملات Steinhart-Hart التي تختلف حسب نوع ونموذج الثرمستور ومدى درجة الحرارة المطلوب. (يحتوي الشكل الأكثر عمومية للمعادلة المطبقة على [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ln (R)] ^ {2}}

المصطلح ، ولكن غالبًا ما يتم إهماله لأنه عادةً ما يكون أصغر بكثير من المعاملات الأخرى ، وبالتالي لا يظهر أعلاه.)

مطورو المعادلة:

تمت تسمية المعادلة على اسم John S. Steinhart و Stanley R. Hart الذين نشروا العلاقة لأول مرة في عام 1968. [1] البروفيسور شتاينهارت (1929-2003) ، زميل الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي والرابطة الأمريكية لتقدم العلوم ، كان عضوًا في هيئة التدريس بجامعة ويسكونسن ماديسون من 1969 إلى 1991. [2] د. هارت ، كبير العلماء في معهد وودز هول لعلوم المحيطات منذ عام 1989 وزميل الجمعية الجيولوجية الأمريكية ، والاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي ، والجمعية الجيوكيميائية والرابطة الأوروبية للكيمياء الجيولوجية ، [3] وكان مرتبطًا بالبروفيسور شتاينهارت في معهد كارنيجي لواشنطن عندما تم تطوير المعادلة.

مراجع:

John S. Steinhart، Stanley R. Hart، Calibration curves for thermistors، 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.

"قرار تذكاري لأعضاء هيئة التدريس في جامعة ويسكونسن ماديسون بشأن وفاة الأستاذ الفخري جون س. شتاينهارت" (PDF). جامعة ويسكونسن. 5 أبريل 2004. مؤرشفة من الأصلي (PDF) في 10 يونيو 2010. تم استرجاعه في 2 يوليو 2015.

"دكتور ستان هارت". معهد وودز هول لعلوم المحيطات. تم الاسترجاع 2 يوليو 2015.

الخطوة 2: التجميع: المواد والأساليب

لبدء البناء ، نحتاج إلى استشارة BOM الملقب (فاتورة المواد) ومعرفة الأجزاء التي نخطط لاستخدامها. إلى جانب BOM ، ستكون هناك حاجة إلى لحام الحديد وزوج من مفاتيح الربط ومفكات البراغي ومسدس الغراء الساخن. أود أن أوصي بأدوات مختبر الإلكترونيات الأساسية بجوارك للراحة.

1. لوحة النماذج 1
2. شاشة LCD هيتاشي -1
3. يعني جيدا 240V >> 5Volt امدادات الطاقة -1
4. الصمام الأحمر -3
5. الصمام الأزرق -3
6. الصمام الأخضر -1
7. الصمام الأصفر -1
8. مرحل أومرون (DPDT أو ما يماثله 5 فولت) -3
9. مقياس الجهد 5KOhm-1
10. المقاومات (470 أوم) - عدة
11. الترانزستور BC58 -3
12. الصمام الثنائي -3
13. منظم الجهد المنخفض التسرب -3
14. SMD LEDs (أخضر ، أحمر) -6
15. المعالج الدقيق MSP-430 (Ti 2553 أو 2452) -2
16. الفرامل الميكانيكية التبديل قبل الصنع (240 فولت 60 هرتز) -1
17. التشفير الروتاري -1
18. حوامل بلاستيك ريتشكو -2
19. مقابس DIP للمعالج الدقيق MSP-430 -4
20. كابل إمداد الكهرباء لمقبس الحائط -1
21. أسلاك العبور (ألوان مختلفة) - الكثير
22. NTC Probe ويعرف أيضًا باسم قيمة الثرمستور 4k7 ، EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1- حزمة تعزيز اللمس بالسعة (Texas Instruments) -1 (اختياري)
24. مراوح التبريد (اختياري) في حال احتاج شيء إلى التبريد- (1-3) (اختياري)
25. مشعاع ألومنيوم نقي مع 5 ثقوب محفورة فيه لـ NTC Probes-1
26. أطباق بلاستيكية مع ثقوب محفورة - 2
27. الصواميل والمسامير وبعض البراغي لتجميع هيكل الناقل - 20 (لكل قطعة)
28. سلك إلى ثنائي الفينيل متعدد الكلور preff_board إصدار 2 سلك مع المسمار داخل -1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (اختياري) ، بمثابة شاشة أمامية ثانية -1

أعلم أنها فاتورة كبيرة جدًا للمواد وقد تكلف بعض المال المناسب. في حالتي ، أحصل على كل شيء من خلال صاحب العمل. ولكن في حالة رغبتك يا رفاق في إبقائها رخيصة ، يجب ألا تفكر في الأجزاء الاختيارية. يسهل الحصول على أي شيء آخر من Farnell14 و DigiKey و / أو بعض المتاجر المتخصصة في الإلكترونيات المحلية.

لقد قررت أكثر من خط المعالجات الدقيقة MSP-430 لأنني كنت أضعها في الجوار. على الرغم من أنه يمكن للمرء بسهولة اختيار "AVRs" RISC MCU's. شيء مثل ATmega168 أو ATmega644 مع تقنية Pico-Power. أي معالج دقيق آخر AVR سوف يقوم بهذه المهمة. أنا معجب كبير بـ Atmel AVR في الواقع. والجدير بالذكر إذا كنت قادمًا من الخلفية الفنية وترغب في القيام ببعض التجميع اللطيف ، فلا تستخدم أي لوحة Arduino ، إذا كنت قادرًا على برمجة AVRs مستقلة ، فسيكون ذلك أفضل بكثير ، إن لم يكن كذلك ، فحاول برمجة وحدة المعالجة المركزية وتضمينها في الجهاز.

الخطوة 3: التجميع: اللحام والبناء في خطوات…

يعد بدء التجميع المعروف أيضًا باسم اللحام من أصغر المكونات بداية جيدة. ابدأ بمكونات smd والأسلاك. قم بتلحيم Power-Bus أولاً ، في مكان ما كما فعلت على اللوحة المسبقة الخاصة بي ، ثم اجعله أطول بحيث تتمكن جميع الأجزاء الموجودة على اللوحة المسبقة من الوصول بسهولة إلى Power-Bus دون أي إعادة توجيه أو تعقيدات. لقد استخدمت الأسلاك في جميع أنحاء اللوحة المسبقة ، وهذا يبدو مجنونًا جدًا ، ولكن يمكن للمرء لاحقًا تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور مناسب ، بمجرد أن يعمل النموذج الأولي.

• أجزاء SMD لحام (لإشارة الطاقة لـ MSP-430 MCU ، بين Vcc و GND)
• ناقل طاقة اللحام والأسلاك (الطريق بطريقة تمنح الطاقة لـ MSP-430)
• لحام جميع أنواع مآخذ DIL (من أجل توصيل MSP-430 x 2 IC's
• منظمات جهد اللحام منخفضة التسرب مع دعمها المناسب (المكثفات ، للطاقة 5 >> انخفاض 3.3 فولت)
• ترانزستورات اللحام ، والمقاومات والثنائيات للمرحلات والتفاعل مع MCU.
• جندى مقياس الجهد 10 كيلو أوم للتحكم في سطوع شاشة LCD.
• قم بلحام مصابيح LED بجوار المرحلات ، مؤشر ثنائي الحالة أحمر / أزرق (أزرق = تشغيل ، أحمر = إيقاف).
• جندى البئر 240 فولت >> وحدة إمداد طاقة 5 فولت مع موصلاتها.
• قم بلحام المفتاح الميكانيكي الأزرق (كسر قبل التصنيع) بجوار مصدر الطاقة.

جندى كل شيء آخر ما تبقى. لم أقم بإنشاء مخططات مناسبة من الجهاز فقط بسبب ضيق الوقت ، ولكن الأمر بسيط للغاية مع خلفية الإلكترونيات على الإطلاق. عند الانتهاء من اللحام ، يجب فحص كل شيء ، من أجل التوصيلات المناسبة لتجنب أي نوع من تقصير خطوط الكهرباء.

حان الوقت الآن لتجميع بناء الناقل. كما هو الحال في الصور ، لقد استخدمت لوحين بلاستيكيين مع فتحات بحجم M3 محفورة (4 × لكل لوحة) للحصول على براغي وصواميل وغسالات طويلة تعمل من خلالها ، ومسامير المسافة والغسالات مثالية لمثل هذه التوصيلات البينية. هناك حاجة إلى شدها من كلا الجانبين لتكون قادرة على تثبيت الصفائح الخضراء معًا.

يجب إدخال اللوح المسبق بين الغسالات الأمامية ، ومع ذلك ، يجب أن تكون تلك الغسالات الأمامية كبيرة في القطر (حتى 5 مم) بحيث يمكن للمرء إدخال اللوح المسبق بينهما ثم شدهما. إذا تم القيام به بشكل صحيح ، فإن اللوحة ستقف بثبات عند 90 درجة. هناك خيار آخر لتثبيته في مكانه ، وهو استخدام حوامل Ritcho البلاستيكية PCB المثبتة على مسامير المسافة هذه بزاوية 90 درجة والتي ستساعدك بعد ذلك على ربط الأجزاء البلاستيكية بمسامير مسافة. في هذه المرحلة ، يجب أن تكون قادرًا على توصيل / توصيل اللوحة المسبقة.

بعد تركيب اللوحة المسبقة ، تأتي شاشة LCD (16x2) كالتالي ويجب تثبيتها. يمكنني استخدام الوضع الخاص بي في وضع 4 بت للحفاظ على GPIO ^ _ ^)))))). استخدم وضع 4 بت من فضلك ، وإلا فلن يكون لديك ما يكفي من GPIO لإكمال المشروع. يتم لحام الضوء الخلفي و Vcc و Gnd من خلال مقياس الجهد إلى ناقل الطاقة. يجب أن يتم لحام كبلات ناقل بيانات العرض مباشرة بوحدة التحكم الدقيقة MSP-430. الرجاء استخدام GPIO الرقمي فقط. التناظرية GPIO التي نحتاجها لـ NTC. هناك 5 أجهزة NTC ، لذا فهي ضيقة هناك.

الخطوة 4: الانتهاء من التجميع والتشغيل

من أجل تثبيت المجسات / NTCs 5 × قطع على المبرد ، يجب إجراء الحفر. راجع ورقة البيانات الخاصة بـ NTC ، التي أضفتها كصورة لأقطار وعمق الحفرة المحفورة. بعد ذلك ، يجب تعديل الحفرة المحفورة بأداة لقبول حجم رأس M3 الخاص بـ NTC. يعد استخدام 5 x NTC نوعًا من متوسط الأجهزة وتجانسها. يحتوي MSP-430 على ADC بدقة 8 بت ، لذا فإن وجود مستشعرات 5 × سيكون من السهل متوسط النتائج. نحن لا نتخلص من وحدات المعالجة المركزية Ghz هنا ، لذلك في عالمنا المضمن ، تعد كل ساعة وحدة معالجة مركزية ضرورية. سيتم تنفيذ المتوسط الثانوي في البرامج الثابتة. يجب على كل NTC أرجل ، ولكي تكون قادرًا على قراءة البيانات عبر ADC الموجود على اللوحة ، يجب تشكيل مقسم جهد ، يتكون من R (NTC) + R (def). يجب توصيل منفذ ADC في وسط هذين المنفذين. R (def) هو المقاوم الثاني الذي يجب أن تكون قيمة ثابتة 0.1٪ أو أفضل ، عادةً في النطاق مع R (NTC). اختياريًا ، يمكنك إضافة OP-Amp لتضخيم الإشارة. يرجى الرجوع إلى الشكل في هذا القسم لتوصيل NTC prpbes.

عند اكتمال اللحام والتحقق منه ، فإن الخطوة التالية هي تثبيت متحكم MSP-430 في مآخذ DIL الخاصة بهم. لكنهم بحاجة إلى البرمجة مسبقًا. في هذه الخطوة ، يمكن تشغيل الجهاز (بدون وحدة التحكم الدقيقة) لإجراء الاختبارات الأولية. إذا تم تجميع كل شيء بشكل صحيح ، فيجب تشغيل الجهاز ويجب أن تكون المرحلات في حالة إيقاف التشغيل ، المشار إليها بواسطة مصابيح LED الحمراء ، ويجب تشغيل المراوح ويجب أن تكون الشاشة قيد التشغيل ولكن بدون أي بيانات عليها ، فقط الضوء الخلفي الأزرق.

الخطوة 5: إدخال المستخدم ، والتشفير الدوراني ، وحزمة تعزيز اللمس بالسعة

من الجيد دائمًا أن يكون لديك جهاز إدخال ، والذي يمكن استخدامه لإدخال البيانات في الجهاز. يعتبر المقبض المغناطيسي ذو المغناطيس الدائم خيارًا جيدًا هنا. وتتمثل مهمتها في إدخال عتبة درجة الحرارة للمراوح المثبتة على كتلة المبرد. يتيح للمستخدم إدخال عتبة جديدة لدرجة الحرارة عبر المقاطعات. فقط عن طريق الانعطاف يسارًا أو يمينًا ، يمكنك إضافة أو طرح قيم في نطاق (20-100 درجة مئوية). يتم تحديد القيمة الأقل من خلال درجة حرارة الغرفة المحيطة.

يحتوي هذا المقبض على دائرة كهربائية صغيرة تنقل الإشارة الرقمية إلى وحدة التحكم الدقيقة. ثم يتم تفسير منطق الارتفاع / الانخفاض المنطقي بواسطة GPIO للإدخال.

جهاز الإدخال الثاني هو حزمة تعزيز اللمس بالسعة Ti. من الممكن استخدام Booster-pack أيضًا ، لكن لا يمكن استخدام كليهما ، فقط بسبب نقص GPIO في MCU الهدف. تنتقل حزمة Booster إلى العديد من وحدات GPIO.

في رأيي ، Knob أفضل من Booster-Pack. لكن من الجيد أن يكون لديك خيار. إذا كانت حزمة Booster مطلوبة ، فهناك مكتبة جاهزة من Ti لاستخدامها. لن أخوض هنا في تفاصيل حول هذا الموضوع.

الخطوة 6: ملخص: قياسات درجة الحرارة المحيطة وأفكار أخرى ……

بعد تثبيت MCU عند بدء التشغيل ، سوف يرحب بك ثم ينتقل إلى القياسات. يبقي البرنامج الثابت المراوح في حالة إيقاف تشغيل أولاً. تبدأ سلسلة من القياسات على 5 تحقيقات NTC ، ثم يتم دمجها في قيمة واحدة مطلقة. ثم بناءً على هذه القيمة والمقارنة (بيانات المستخدم) ، يتم تشغيل أو إيقاف تشغيل المراوح (أو الأجهزة المرغوبة ، أي شيء آخر) المتصلة بمرحلات DPDT. ضع في اعتبارك أنه يمكنك إرفاق هذه المرحلات 3 x أي شيء تحتاج إلى إيقاف تشغيله أو إيقاف تشغيله. المرحلات قادرة على تمرير تيار 16 أمبير ، لكنني لا أعتقد أنه من الجيد البدء في استخدام مثل هذه الأحمال الثقيلة على تلك المخرجات.

آمل أن يكون هذا "الشيء" (^ _ ^) …….. مفيدًا لشخص ما. مساهمتي في عقل الخلية العالمي ^ ^).

أتساءل أن شخصًا ما سيحاول بنائه. لكن في حال فعلوا ذلك ، سأساعد بسعادة في كل شيء. لدي البرامج الثابتة في CCS و Energia. واسمحوا لي أن أعرف الرجال إذا كنت في حاجة إليها. كما لا تتردد في مراسلتي حول الأسئلة والاقتراحات. تحيات من "صني" ألمانيا.