Розробка мікроконтролерного термостабілізатора

 

 

 

 

 

 

зі спеціальності  “Обслуговування  комп¢ютерних та інтелектуальних систем та мереж”

 

Тема: Розробка мікроконтролерного термостабілізатора

 

 

 

Зміст

 

Вступ 3

1 Аналітичний огляд існуючих  рішень термостабілізаторів 5

2 Аналіз вихідних даних  та розробка структурної схеми   термостабілізатора 13

3 Розробка функціональної  схеми  термостабілізатора 15

4 Вибір елементної бази  термостабілізатора 17

5 Розробка, розрахунок та  опис принципової схеми  термостабілізатора 21

6 Розробка програмного  забезпечення  термостабілізатора 27

7 Розрахунок потужності  споживання термостабілізатора 32

8 Розрахунок надійності   термостабілізатора 34

9 Інструкція з експлуатації термостабілізатора 37

Висновки 38

Література 40

Додаток А 42

 

Вступ

 

Не для кого не секрет, що в наш час техніка  набрала шаленої швидкості розвитку і є підстави стверджувати, що ця швидкість і далі буде зростати. Технологія нашої цивілізаціїї досягла грандіозного рівня. Зараз людство може керувати астрономічними за величиною енергіями, починаючи від потужності ядерної енергетики, закінчуючи можливістю впливати на проходження процесів в середині власної планети і навіть інших космічних тіл.

З іншого боку ми отримали можливість оперувати мікрооб’єктами, і вже зараз можливо оперувати  окремо взятими молекулами і навіть атомами речовини, проводити вимірювання  найменших фізичних величин, таких  як, наприклад, властивості мікрочастинок  або біополя живих організмів.

Все це стало  можливим великою мірою через  постійне зростання точності людських технологій. Саме завдячуючи точності технологій і технологічних процесів зараз ми можемо розміщувати на одиниці  площі кристалу кремнію мільйони елементів, зберігати в пластинці  мінералу гігабайти інформації, записаних  оптичним шляхом, виготовляти матеріали  практично з будь-якими фізичними  властивостями та робити спроби по створенню систем, які би були наділені штучним інтелектом. Тому точність теперішньої технології є фактором, що забезпечить створення ще більш  технологічно досконалих і точних технологій завтра.

Саме тому найскладнішим  практичним завданням будь-якого  виробництва є забезпечення необхідної точності своїх технологічних процесів. Одною з найважливіших умов для  цього є забезпечення фізичних умов, необхідних для створення відповідного середовища, необхідного для проходження  відповідного технологічного процесу. Важливими умовами є вологість, тиск, наявність або відсутність  опромінення в даному тех. процесі, використання тих чи інших каталітичних речовин та інше. Але ніхто не буде заперечувати, що однією з найважливіших, а можливо і найважливішою умовою для проходження технологічних процесів, є температура.

Будь-який технологічний  процес повинен проходити при  відповідній визначеній температурі. Наприклад, для отримання високоякісної  сталі збагачену залізну руду очищують нагрітим до температури 900°С природним газом. Якщо температура газу буде занизька, залізо не зможе очиститись від деяких домішок; якщо ж температура буде завелика, то до складу заліза потрапить вуглець, що міститься у природному газі, і залізо стане більш крихким і втратить потрібну пластичність. Загалом чим вищі експлуатаційні властивості матеріалів (такі як висока хімічна чистота, надвисока механічна міцність, висока електрична провідність, жаростійкість, зносостійкість та інш.), тим точніше потрібно витримувати потрібні температурні умови при їх виготовленні. Ще один, більш близький до нашого побуту, приклад: для проявлення чорно-білих фотографічних матеріалів температура проявника має складати 20°С. Якщо температура більша або менша хоча б на один - два градуси, то фотоматеріал вийде недопроявленим або перепроявленим і надруковані фотовідбитки будуть або занадто світлими або занадто темними. В кольоровому фотографічному процесі стадій обробки фотоматеріалу від п’яти до дев’яти, і на кожній з стадій потрібно підтримувати свою відповідну температуру. Можливість відхилення температури складає не більше ±0,3°С , більші відхилення призведуть до сильного порушення кольорового балансу, коли щільність одних кольорів сильно переважає  над щільністю інших.

Тому стає абсолютно  зрозуміло, що для виготовлення високоякісної  продукції (матеріалів, послуг або інш.) температуру у відповідних технологічних процесах потрібно стабілізувати – підтримувати у необхідному заданому діапазоні. Та і не тільки у промисловому виробництві, а й у побуті часто буває потрібно стабілізувати температуру: для підтримання невеликих від’ємних температур у сховищах, коморах, холодильниках; підтримання потрібних температур у теплицях, акваріумах та навіть у жилих приміщеннях.

1 Аналітичний огляд існуючих рішень термостабілізаторів

 

Термостабілізатори, термостати, контролери температури знаходять своє застосування у всіх галузях, де необхідно підтримувати температуру змінного середовища на заданому рівні. Термостабілізатор приймає фактичне значення температури, тобто виміряне значення температури об’єкта, з підключеного датчика чи перетворювача. Потім термостабілізатор вираховує оптимальне значення сигналу керування, виходячи з різності між фактичними значеннями температури і заданими значеннями (установкою). Сигнал керування подається на прилади (виконуючі механізми), які забезпечують нагрів чи охолодження об’єкта.

Сьогодні існує  багато методів вимірювання і  контролю температури. Вибір методу залежить від умов, в яких даний  термостабілізатор має працювати. Ці умови є дуже різноманітними і саме вони задають вихідні дані для розробки того чи іншого термостабілізатора.

Головним функціональним елементом кожного термостабілізатора є елемент з температурнозалежними електричними параметрами. Цими параметрами зазвичай є опір, напруга або струм. Крім цього ці параметри повинні змінюватись по лінійному закону в залежності від температури.

Але елементів, у яких ця характеристика дійсно була б повністю і ідеально лінійною, звісно не може існувати. Характеристики можуть бути різної форми в залежності від виду термоелемента і принципу його роботи. Приклад реальної характеристики представлений на рисунку 1.

Для приведення цієї характеристики до ідеальної на ній вибираються  точки, які утворюють лінійний відрізок (точки tmin i tmax). Потім за допомогою інших елементів схеми точка tmin зводиться до зазначеного мінімуму, а точка tmax до максимуму. Таким чином утворюється лінійна залежність електричної величини (R, U, I…) від фізичної – температури.

               

Рисунок 1 – Реальна  характеристика залежності електричного параметру термоелемента від  температури

Найпершу класифікацію термометрів та термостабілізаторів можна здійснити за термоелементами, на яких вони побудовані [1]. Загалом термоелементи можна розділити на три групи:

– термопари, терморезистори, напівпровідникові діоди та транзистори або інші дискретні елементи з температурнозалежними електричними параметрами ;

• інтегральні аналогові датчики ;
• інтегральні цифрові датчики ;

Далі приведений короткий опис названих термочутливих елементів [1].

Термопара (термоелектричний перетворювач) – з’єднання двох провідників, виготовлених з різних матеріалів або сплавів (наприклад  сплав хрому і кобальту). Принцип  дії термопари ґрунтується на так званому ефекті Зеєбека, який полягає у тому, що у точці з’єднання (спаї) двох різнорідних провідників виникає електрорушійна сила (термоЕРС), яка залежить від температури і фізичних властивостей цих двох провідників.

Для виготовлення термопар здебільшого застосовують спеціальні сплави хрому (хромель), кобальту (копель), алюмінію (алюмель), платинородієвий сплав, вольфраморенієвий сплав. Один спай термопари (гарячий спай) розміщують безпосередньо на об’єкті, а провідники виводять і приєднують до вторинного вимірювального приладу. ЕРС, створювані термопарами сягають одиниці мілівольт, тому для їх вимірювання доцільно застосовувати такі вимірювальні прилади, як потенціометри постійного струму, цифрові та аналогові мілівольтметри. За допомогою термопар можна вимірювати температуру до тисяч градусів Цельсія.

Термопари застосовують для  вимірювання температур у камерах  згорання реактивних двигунів, у металургії та інших галузях.

Відомо, що опір провідників  і напівпровідників залежить від  їхньої температури. Це явище використовується у терморезисторах (термісторах). При цьому зі збільшенням температури опір провідників збільшується, а опір напівпровідників навпаки, зменшується. Терморезистори виготовляють з платинового або мідного провідника (металеві), часто застосовують також напівпровідникові матеріали. Залежність опору металевого терморезистора від температури, як правило, виражають лінійною функцією (1):

                                                         R(t)=R_o(1+αt) , (1)

де R_o – опір терморезистора при 0˚С;

     α – температурний коефіцієнт опору (ТКО).

Залежність опору напівпровідникового  резистора (термістора) від температури  апроксимують виразом 

                                                     R(T)=Aexp(B/T) , (2)

де R(T) – опір термістора при температурі Т;

     А, В –  сталі, значення яких залежать  від напівпровідникового матеріалу  і технології виготовлення.

Інша властивість використовується у напівпровідникових діодів та транзисторів як термочутливих елементів. Транзистори найчастіше в цьому випадку використовуються у діодному включенні, при цьому використовується їхній емітерний перехід. Використовується та властивість p-n переходу, що при збільшенні температури зменшується його прямий опір (використовується пряме включення), і відповідно зменшується значення прямої напруги на p-n переході. Ці зміни хоч і не дуже значні, зате майже лінійні в досить широкому діапазоні температур.

Дискретні термоелементи  широко використовуються у термометрах  та термостатах через простоту реалізації таких схем та дешевизну самих  елементів, але їхнє використання має  ряд недоліків. Термометри та термостати, виготовлені на базі дискретних термочутливих елементів, як правило, не володіють високою точністю через недостатньо лінійну залежність параметрів термоелементів від температури, мають вузький діапазон температур, де вони можуть успішно застосовуватись, вони потребують калібровки кожного виготовленого приладу. Тому були розроблені інтегральні термодатчики, до складу яких входять крім, власне, термочутливих елементів стабілізатори напруги або струму, що подаються на термоелемент, схеми корекції, що забезпечують більш лінійну залежність параметру на виході датчика від температури термоелементу, схеми підсилення значення цього параметру та інш.

Інтегральний аналоговий термодатчик – це прилад вимірювальної техніки, вихідна характеристика якого є повністю лінійно залежною від температури в певному (досить широкому) діапазоні температур і не потребує додаткової корекції.

Найчастіше застосовуються термодатчики, у яких від температури залежить напруга на їхньому виході. При цьому ця залежність є сталою і її можна виразити формулою такого загального вигляду:

                                                   U_вих = K1+K2*T , (3)

де T – температура датчика;

     U_вих – напруга на їхньому виході;

     K1 і  K2 – деякі коефіцієнти.

Подальший розвиток техніки  привів до створення цифрових інтегральних датчиків температури. Такі датчики  виводять інформацію про температуру  у цифровому  вигляді, володіють  високою точністю та не потребують калібровки. Найчастіше такі датчики побудовані на базі генератора, частота роботи якого змінюється при зміні температури. В результаті кількість імпульсів від генератора за одиницю часу відрізняється при різних значеннях температури. Число цих імпульсів підраховується і за деякою формулою перетворюється у цифрове значення температури. Такі датчики найчастіше використовуються разом з комп’ютерною технікою, а відтак відкриваються широкі можливості по обробці даних, що надходять від них, їх фіксуванню, зберіганню та прийняттю на їхній основі потрібних рішень в автоматичному режимі. Такі можливості неможливо або дуже складно реалізувати на пристроях з дискретні термоелементи або аналоговими датчиками.

Тепер розглянемо основні  принципи побудови пристроїв для  вимірювання та контролю температури.

Досить популярні схеми, в яких температура виводиться і  навіть контролюється в цифровому  вигляді, але для її вимірювання  використовуються дискретні термоелементи  або аналогові термодатчики.

Здійснюють це найчастіше двома шляхами. Перший – це підключення  дискретного термоелемента або  аналогового термодатчика до аналогово-цифрового перетворювача з подальшим використанням в схемі вже оцифрованого значення температури. Термоелемент може підключатись до АЦП безпосередньо або через підсилювачі та інші коректуючі кола. На рисунку 6 зображена принципова схема цифрового термометра [6], в якій діод VD1, що використовується тут як термоелемент, підключений до АЦП DD1 безпосередньо.

Рисунок 1 – Принципова схема цифрового термометра

 

Інший шлях – створення  схем з так званим перетворенням температура-частота. Вони побудовані на базі генераторів, частота роботи яких залежить від термочутливих дискретних елементів або аналогових термодатчиків, які є частотозадаючими елементами в цих генераторах, і в результаті частота їх роботи сильно змінюється при зміні температури. В результаті кількість імпульсів від такого генератора за одиницю часу відрізняється при різних значеннях температури. Число цих імпульсів підраховується у цифрове значення, яке і буде відповідати виміряній температурі. На рисунку 2 приведена загальна структурна схема цифрових термометрів, побудованих на принципі перетворення температура-частота. Зазвичай такі схеми великі за розмірами та досить складні за реалізацією. Одна з таких схем описана в [7].