Teploměr na ATmega8 a teplotní čidlo DS18B20. Vysokoteplotní regulátor na termočlánku typu K Praktické schéma teploměru s termočlánkem
Termočlánek je typ snímače teploty, který lze použít v měřicích zařízeních a automatizačních systémech. Má určité výhody: nízkou cenu, vysokou přesnost, široký rozsah měření ve srovnání s termistory a mikroobvody digitálních teplotních senzorů, jednoduchost a spolehlivost. Výstupní napětí termočlánku je však malé a relativní a obvod termočlánku je složitý, protože existují přísné požadavky na přesné zesílení signálu z termočlánku a na kompenzační obvod. Pro vývoj takových zařízení existují specializované mikroobvody, které integrují obvod pro převod a zpracování analogového signálu. Pomocí těchto mikroobvodů můžete postavit poměrně kompaktní měřič teploty s termočlánkem jako senzorem (obrázek 1).
Zásady
Wikipedia definuje princip fungování termočlánku takto:
Princip činnosti je založen na Seebeckově jevu nebo jinými slovy na termoelektrickém jevu. Mezi připojenými vodiči je rozdíl potenciálů kontaktů. Mají-li spoje vodičů spojených do kruhu stejnou teplotu, je součet takových rozdílů potenciálů roven nule. Když jsou spoje při různých teplotách, potenciální rozdíl mezi nimi závisí na rozdílu teplot. Koeficient úměrnosti v této závislosti se nazývá koeficient termo-EMF. Různé kovy mají různé termoemf koeficienty a v souladu s tím bude rozdíl potenciálů vznikající mezi konci různých vodičů odlišný. Umístěním přechodu kovů s vynikajícími termo-EMF koeficienty do prostředí s teplotou T1 získáme napětí mezi protilehlými kontakty umístěnými při jiné teplotě T2, které bude úměrné rozdílu teplot T1 a T2 (obrázek 2 ).
|
|
|
| Obrázek 2 | |
Existuje několik typů termočlánků v závislosti na dvojici použitých materiálů (čistý kov nebo slitina). V našem projektu používáme termočlánek typu K (chromel-alumel), který se často používá v průmyslových nástrojích a nástrojích. Výstupní napětí termočlánku typu K je přibližně 40 µV/°C, takže bude vyžadován obvod pro zesílení signálu s malým napěťovým posunem na vstupu.
Jak bylo uvedeno výše, termoemf je úměrná teplotnímu rozdílu mezi studeným a horkým spojem. To znamená, že pro výpočet skutečné teploty horkého konce musí být známa teplota studeného konce. K tomu budete potřebovat kompenzační obvod studeného konce, který automaticky zavede korekci naměřeného termo-EMF (obrázek 3).
Chcete-li získat hodnotu teploty pomocí termočlánku, budete potřebovat analogové obvody, jako je přesný operační zesilovač a kompenzační obvod studeného konce. Existuje však několik typů specializovaných mikroobvodů s vestavěným termočlánkovým rozhraním. Tyto čipy integrují výše uvedené analogové obvody a výrazně zjednodušují návrh. V našem případě jsme zvolili čip MAX31855 od firmy. Obsahuje analogový obvod a analogově-digitální převodník, proto na výstupu mikroobvodu obdržíme digitální data. Před zakoupením mikroobvodu je nutné předem určit typ termočlánku, který bude v zařízení použit.
Hlavní vlastnosti čipu MAX31855:
- Rozsah měření teploty: od -270 °C do +1800 °C;
- Rozlišení: 14 bitů, krok 0,25 °C;
- Jednoduché rozhraní kompatibilní s SPI (režim čtení dat);
- Obvod kompenzace referenčního přechodu termočlánku;
- Obvod pro detekci zkratu vodičů termočlánku k napájecí sběrnici a společné sběrnici;
- Obvod pro detekci přerušení měřicího obvodu;
- Verze pro termočlánky typu K, J, N, T a E;
- 8pinové balení.
Kompenzace studeného konce je realizována pomocí teplotního senzoru integrovaného do čipu, takže jednou z důležitých podmínek při montáži měřiče je umístění čipu přímo vedle konektoru termočlánku. Důležitou podmínkou je také izolace této jednotky od vnějšího tepla. Pro připojení jsme použili konektor znázorněný na obrázku 4. Lze použít i jiné typy konektorů.
Schéma měřiče teploty je na obrázku 5.
Srdcem zařízení je mikrokontrolér AVR. Čip MAX31855 se připojuje k mikrokontroléru přes rozhraní SPI.
Jako zdroj energie je použita baterie LR1 s napětím 1,5 V Pro napájení mikrokontroléru a čipu rozhraní termočlánku je použit obvod boost DC/DC převodníku, založený na čipu řady XC9111, poskytující výstupní napětí 3,0 V. Mikrokontrolér řídí napájení a monitoruje napětí baterie.
Vzhledem k tomu, že pro napájení je použita 1,5 V baterie, je optimální pro zobrazení dat použít segmentový statický LCD indikátor TWV1302W, který se používá v digitálních přístrojích na měření teploty (obrázek 6). Provozní napětí tohoto indikátoru je 3 V. Při použití indikátoru s provozním napětím 5 V bude zapotřebí další obvod měniče napětí (obrázek 7). Funkce ovládání indikátoru jsou vykonávány mikrokontrolérem. S tímto řešením bude proud odebíraný zařízením 4 mA a baterie vydrží minimálně 100 hodin.
|
|
Rozhodl jsem se vložit do svého laminátoru teploměr, termočlánkový teploměr typu K. Aby to pro mě bylo informativnější, domnívám se, že hobby radioamatér nemůže být spokojený, když na takovém zařízení svítí pouze dvě LED „POWER“ a „READY“. Aranžuji šátek pro své detaily. Pro každý případ, s možností zkrátit jej na polovinu (to je určitá všestrannost). Hned s místem pro silovou část na tyristoru, ale tuto část zatím nepoužívám, bude to můj obvod pro páječku (až přijdu na to, jak připojit termočlánek ke špičce)
V laminátoru je málo místa (mechanismy jsou umístěny velmi těsně, znáte to v Číně), používám malý sedmisegmentový indikátor, ale to není vše, nevejde se ani celá deska, tady je ta univerzálnost desky mi přijde vhod, rozpůlil jsem ji (pokud použijete konektor, horní část se hodí k mnoha vývojům na tipech od ur5kby.)
Nastavil jsem, nejdříve udělám jak je uvedeno na fóru, nepájem v termočlánku, nastavím 400 (i když pokud je tento parametr v paměti, tato položka zmizí), nastavím proměnné na přibližně pokojovou teplotu a přesně k bodu varu,
Takový regulátor teoreticky pracuje do 999°C, ale doma takovou teplotu pravděpodobně nenajdete, maximálně se jedná o otevřený oheň, ale tento zdroj tepla má silnou nelinearitu a citlivost na vnější podmínky.
zde je vzorová tabulka.
a také pro přehlednost
Při výběru zdroje pro úpravu hodnot regulátoru je tedy malý výběr.
Už se nehraje s tlačítky, vše lze sbírat,
Použil jsem termočlánek z čínského testeru. A příspěvek na fóru mi poradil, že tento termočlánek se dá namnožit, jeho délka je skoro půl metru, odřízl jsem 2 cm.
Vyrábím transformátor tak, že ho zkroutím dřevěným uhlím, ukáže se, že je to koule, a na dva konce je to úplně stejné, podél měděného drátu, pro dobré připájení k mým drátům
Na MK. Jeho srdcem je mikrokontrolér PIC16F628A. Obvod teploměru využívá 4místný nebo 2+2 LED indikátor se společnou anodou. Použité teplotní čidlo je typu DS18B20 a v mém případě se hodnoty čidla zobrazují s přesností 0,5*C. Teploměr má limity měření teploty od -55 do +125*C, což stačí pro všechny příležitosti. K napájení teploměru byla použita běžná nabíječka z mobilního telefonu na IP s tranzistorem 13001.
Schematické schéma teploměru na mikrokontroléru PIC16F628A:
K flashování firmwaru PIC16F628A jsem použil program ProgCode, nainstaloval jej do počítače a sestavil programátor ProgCode podle známého schématu:
Označení pinů použitého mikrokontroléru a pinout některých dalších podobných MK:
Program ProgCode a pokyny s fotografiemi firmwaru krok za krokem jsou v archivu na fóru. Jsou zde také všechny soubory potřebné pro toto schéma. V programu otevřete a klikněte na tlačítko „zaznamenat vše“ V mém vyrobeném zařízení, jak je patrné z fotografií, jsou v jednom pouzdře sestaveny 2 teploměry najednou, horní indikátor ukazuje teplotu doma, spodní indikátor. zobrazuje venkovní teplotu Je umístěn kdekoli v místnosti a připojuje se k senzoru pomocí ohebného vodiče na obrazovce.
Termočlánky jsou široce používány tam, kde je potřeba přesně měřit vysoké teploty, t.jteploty do 2500°C. To znamená, že tam, kde by digitální senzory okamžitě zemřely na přehřátí, se používají termočlánky. Existuje poměrně mnoho typů termočlánků, ale nejpoužívanější jsou chromel-alumelové (typ K) termočlánky, a to kvůli jejich nízké ceně a téměř lineární změně tepelného výkonu. Tento typ termočlánků se instaluje do ohřívačů vody a dalších domácích spotřebičů s regulací teploty, jsou široce používány k regulaci teploty při tavení kovu pomocí těchto termočlánků, je řízen ohřev hrotu v pájecí stanici; Proto bude velmi užitečné je lépe poznat.
Termočlánek jsou dva vodiče vyrobené z různých kovů a mající společný bod kontaktu (spojení). V místě tohoto kontaktu vzniká potenciální rozdíl. Tento potenciálový rozdíl se nazývá termovýkon a přímo závisí na teplotě, při které se přechod nachází. Kovy jsou vybírány tak, aby závislost tepelného výkonu na teplotě ohřevu byla co nejlineárnější. To zjednodušuje výpočty teploty a snižuje chyby měření.
Proto široce používané chromel-alumelové termočlánky mají poměrně vysokou linearitu a stabilitu odečtů v celém rozsahu měřených teplot.
Níže je uveden graf pro termočlánky chromel-alumel (typ K) zobrazující závislost výsledného termovýkonu na teplotě přechodu (na konci článku bude odkaz na graf s vyšším rozlišením):
Stačí tedy vynásobit hodnotu tepelného výkonu požadovaným koeficientem a získat teplotu bez obtěžování tabulkovými hodnotami a aproximací - jeden koeficient pro celý rozsah měření. Velmi jednoduché a přehledné.
Nabízí se ale otázka připojení termočlánku k mikrokontroléru. Je jasné, že pokud je na výstupu termočlánku napětí, tak použijeme ADC, ale rozdíl potenciálů na výstupu termočlánku je příliš malý na to, aby cokoli detekoval. Nejprve je tedy potřeba ji zvýšit např. použitím operačního zesilovače.
Vezměme si standardní obvod neinvertujícího operačního zesilovače:
Poměr vstupního a výstupního napětí je popsán jednoduchým vzorcem:
PROTI ven/Vin = 1 + (R2/R1)
Zesílení signálu závisí na hodnotách zpětnovazebních rezistorů R1 a R2. Velikost zesílení signálu musí být zvolena s ohledem na to, co bude použito jako referenční napětí.
Řekněme, že napájecí napětí mikrokontroléru je 5V jako referenční. Nyní se musíme rozhodnout pro teplotní rozsah, který budeme měřit. Mez měření jsem vzal na 1000 °C. Při této hodnotě teploty bude mít výstup termočlánku potenciál přibližně 41,3 mV. Tato hodnota by měla odpovídat napětí 5 voltů na vstupu ADC. Operační zesilovač proto musí mít zisk alespoň 120. V důsledku toho se zrodil následující obvod:
Ve své skrýši jsem našel dlouho sestavenou desku s tímto operačním zesilovačem, sestavenou jako předzesilovač pro mikrofon, takže jsem ji použil:
Sestavil jsem následující schéma pro připojení dvouřádkového displeje k mikrokontroléru na blogboardu:
Termočlánek také ležel dlouho nečinný - přišel s mým multimetrem. Přechod je uzavřen v kovovém pouzdru.
Bascom-AVR kód pro práci s termočlánkem:
$regfile
= "m8def.dat"
$krystal
=
8000000
Ztlumit
W Tak jakoCelé číslo
připojení dvouřádkového displeje
Konfigurace
Lcdpin = Pin, Rs = Portb. 0, E = Portd. 7, Db4 = Portd. 6, Db5 = Portd. 5, Db6 = Portb. 7, Db7 = Portb. 6
Konfigurace
LCD=
16
*
2
Kurzor
Vypnuto
Cls
"čtení hodnoty z ADC přes přerušení časovače
Konfigurace
Časovač1=
Časovač, Předškála = 64
Na
Časovač1 Acp
"Konfigurace ADC
Konfigurace
adc = Singl, Předdělička = Auto , Reference = Avcc
Umožnit
Přerušení
Umožnit
Časovač1
Dělat
Cls
Teplota Rem:
LCD
"Teјѕepаїypa:"
Spodní linie
LCD
W
Waitms
200
Smyčka
"Práce s ADC
Acp:
Start
Adc "spusťte ADC
W=
Getadc(1
)
W= W/1. 28 „měření přizpůsobujeme skutečné teplotě
Vrátit se
Konec
V poslední době vyvstala v důsledku častého používání různých snižujících, zvyšujících, nabíjecích a řídicích modulů potřeba teploměru se širokým rozsahem měření. Vzhledem k tomu, že dostupný multimetr neměl funkci měření teploty, uvažoval jsem o pořízení samostatného přístroje. Ponorné teploměry jsem hned zavrhl – jsou příliš inerciální. Pyrometry, přestože umožňují měřit teplotu na dálku, odrazuje jejich cena a nezáří kvalitou. Alespoň ty, které se mi dostaly do rukou, nebyly působivé.
Výsledkem hledání byl elektronický teploměr TM 902C za 3,99 $ 
Na Aliexpressu je mnoho podobných zařízení, ale rozhodl jsem se pro toto z následujících důvodů:
- vysoce specializované zařízení bez dalších funkcí;
- široký rozsah měření;
- zařízení je vybaveno termočlánkem TR-02 s horní hranicí měření 750 stupňů Celsia. 
Existuje další modifikace teploměru - poháněný dvěma AAA prvky, ale doplněný termočlánkem TP01 s limitem měření 350 (400 podle některých zdrojů) stupňů. Neviděl jsem žádný smysl v nákupu termočlánku TP02 samostatně a přimhouřil jsem oči nad napájením od Krony.
Co nám deklaruje výrobce a prodejce podle návodu v jazyce, kterému všichni rozumíme)? 
Ačkoli málokdo z nás skutečně rozumí jazyku, alespoň pár technicky vzdělaných lidí pochopí, že zařízení:
- se svými rozměry 24 * 72 * 108
- napájen 9 V (Krona, 9F22);
- relativní vlhkost ≤ 75 %;
- schopný měřit teploty od -50 do 1300 stupňů Celsia (1370 podle návodu);
- pracuje s termočlánky typu K odpovídajícího rozsahu. 
Soudě podle informací v pokynech se chyby zařízení pohybují takto (ve stupních Celsia):
Od – 40 do – 20: -± 3 stupně;
Od -20 do - 0: -± 2 stupně;
Od 0 do 500: -± 0,75-1 stupeň;
Od 500 do 750: -± 1 %;
Od 750 do 1000 a od 1000 do 1370: nelze přesně interpretovat.
Nejběžnější termočlánky jsou TP01 a TP02 s rozsahy od -50 do 350 (400) a od -50 do 750 stupňů Celsia.
Při nákupu byl prodejci položen dotaz, jaký termočlánek bude součástí sady.
Dostalo se ujištění, že teploměr bude měřit teploty od -50 do 750 stupňů, tzn. Souprava bude obsahovat sondu TP02, což je potvrzeno dalšími testy.
Externě je zařízení vyrobeno velmi pečlivě, odlitek je vysoce kvalitní. 
Hmotnost s baterií a termočlánkem 
Zadní kryt je zajištěn dvěma šrouby. Deska je také zajištěna stejnými šrouby - jednoduše, spolehlivě a ekonomicky.
Displej je k desce připevněn dvěma šrouby a dvěma západkami. 
Pozorovací úhly jsou široké.
Uvnitř je odlévání pouzdra méně důkladné, což není kritické. 
Deska je vyrobena z getinaxu.
Kvalita zpracování jednoho ze čtyř konců desky (nezapomeňte na cenu zařízení) 
1,9palcový displej je připojen k desce pomocí vodivého gumového pásku, takže jsem obrazovku neodstranil - je nepravděpodobné, že by to bylo možné, a pak jsem ji správně vrátil zpět. 
Na okraji obrazovky jsou očka pro upevnění šrouby k pouzdru - v tomto případě se takové schéma upevnění nepoužívá.
Jsou tam lehké stopy toku, ale myslím, že to nijak neovlivní výkon. 
Jak vidíte, na desce nejsou téměř žádné prvky - pod obrazovkou je pravděpodobně skrytý mikroobvod blob, který je zodpovědný za zpracování signálu ze sondy, provádění výpočtů a zobrazování informací na obrazovce.
Po prostudování vnitřního světa zařízení jsem přešel k polním testům.
Nejprve jsem k porovnání hodnot používal ponorný kuchyňský teploměr a pokojový teploměr. Ta halová dlouho nebudila důvěru a následně byla vyřazena ze soutěžního programu.
Lednice s mrazákem 
Ponorný hned po vyjmutí z mrazáku ukazoval o 0,2 stupně níže, ale nelze současně fotit z důvodu rychlé reakce na změny teploty sledovaného objektu a setrvačnosti ponorného teploměru.
Venku 
Veranda 
Pokoj, místnost 
Horká voda 
Bod varu vody 
Dále byly jako zdroj tepla použity páječky. Ponorný teploměr se již nepoužívá, protože je obtížné jej připevnit k bodovému zdroji tepla a je obtížné prohřát celé tělo. 
Poslední fotografie ukazuje, že teplota topného tělesa je nad 400 stupňů, což naznačuje, že sada skutečně obsahuje termočlánek TP02.
Při zkouškách se lehce poškodil sklolaminátový oplet termočlánkové šňůry – spadl do plamene plynového vařiče. I to se však dá považovat za test – nebyl přepálený, ale pouze mírně změněna barva. 
Mezi výhody patří:
- úzká specializace zařízení;
- slušný vzhled a zpracování;
- kompletní s termočlánkem TP02;
- zdá se mi dostatečná přesnost měření a díky tomu široká škála měření;
Nenašel jsem žádné nevýhody, kromě 9V napájení a chybějícího ochranného krytu termočlánku.
