Termometar na ATmega8 i temperaturni senzor DS18B20. Regulator visoke temperature na termoelementu tipa K. Praktični dijagram termometra s termoelementom
Termopar je vrsta senzora temperature koji se može koristiti u mjernim uređajima i sustavima automatizacije. Ima određene prednosti: nisku cijenu, visoku točnost, širok raspon mjerenja u usporedbi s termistorima i mikrosklopovima digitalnih senzora temperature, jednostavnost i pouzdanost. Međutim, izlazni napon termoelementa je malen i relativan, a krug mjerača termopara je složen, jer postoje strogi zahtjevi za precizno pojačanje signala iz termoelementa i za kompenzacijski krug. Za razvoj takvih uređaja postoje specijalizirani mikrosklopovi koji integriraju analogni krug za pretvorbu i obradu signala. Koristeći ove mikro krugove, možete izgraditi prilično kompaktan mjerač temperature s termoelementom kao senzorom (slika 1).
Principi
Wikipedia definira princip rada termoelementa na sljedeći način:
Princip rada temelji se na Seebeckovom efektu ili, drugim riječima, termoelektričnom efektu. Između spojenih vodiča postoji kontaktna razlika potencijala. Ako su spojevi vodiča spojenih u prsten na istoj temperaturi, zbroj takvih potencijalnih razlika jednak je nuli. Kada su spojevi na različitim temperaturama, razlika potencijala među njima ovisi o razlici temperature. Koeficijent proporcionalnosti u ovoj ovisnosti naziva se koeficijent termo-EMF. Različiti metali imaju različite koeficijente termo-emf i, sukladno tome, razlika potencijala koja nastaje između krajeva različitih vodiča bit će različita. Postavljanjem spoja metala s izvrsnim termo-EMF koeficijentima u okolinu s temperaturom T1, dobit ćemo napon između suprotnih kontakata koji se nalaze na različitoj temperaturi T2, a koji će biti proporcionalan razlici temperatura T1 i T2 (Slika 2. ).
|
|
|
| Slika 2. | |
Postoji nekoliko vrsta termoparova, ovisno o paru korištenih materijala (čisti metal ili legura). U našem projektu koristimo termoelement tipa K (kromel-alumel), koji se često koristi u industrijskim alatima i instrumentima. Izlazni napon termoelementa K-tipa je približno 40 µV/°C, tako da će biti potreban krug za pojačanje signala s malim pomakom napona na ulazu.
Kao što je gore spomenuto, termo-emf je proporcionalna temperaturnoj razlici između hladnog i vrućeg spoja. To znači da temperatura hladnog spoja mora biti poznata da bi se izračunala stvarna temperatura vrućeg spoja. Da biste to učinili, trebat će vam kompenzacijski krug hladnog spoja, koji će automatski uvesti korekciju izmjerenog termo-EMF-a (slika 3).
Za dobivanje vrijednosti temperature pomoću termoelementa trebat će vam analogni sklopovi, kao što je precizno operacijsko pojačalo i kompenzacijski krug hladnog spoja. Međutim, postoji nekoliko vrsta specijaliziranih mikro krugova s ugrađenim sučeljem termoelementa. Ovi čipovi integriraju gore navedene analogne sklopove i uvelike pojednostavljuju dizajn. U našem slučaju odabrali smo čip MAX31855 iz tvrtke. Sadrži analogni krug i analogno-digitalni pretvarač, stoga ćemo na izlazu mikro kruga dobiti digitalne podatke. Prije kupnje mikro kruga potrebno je unaprijed odrediti vrstu termoelementa koji će se koristiti u uređaju.
Glavne karakteristike MAX31855 čipa:
- Raspon mjerenja temperature: od -270 °C do +1800 °C;
- Razlučivost: 14 bita, korak 0,25 °C;
- Jednostavno sučelje kompatibilno sa SPI (način čitanja podataka);
- Kompenzacijski krug referentnog spoja termoelementa;
- Krug za otkrivanje kratkog spoja žica termopara na sabirnicu napajanja i zajedničku sabirnicu;
- Krug za otkrivanje prekida u mjernom krugu;
- Izvedbe za termoparove tipa K, J, N, T i E;
- 8-pinski paket.
Kompenzacija hladnog spoja provodi se pomoću temperaturnog senzora integriranog u čip, pa je jedan od važnih uvjeta pri sastavljanju mjerača postavljanje čipa neposredno uz konektor termopara. Važan uvjet je i izolacija ove jedinice od vanjske topline. Za spajanje smo koristili konektor prikazan na slici 4. Mogu se koristiti i drugi tipovi konektora.
Shematski dijagram mjerača temperature prikazan je na slici 5.
Srce uređaja je AVR mikrokontroler. Čip MAX31855 povezuje se s mikrokontrolerom preko SPI sučelja.
LR1 baterija s naponom od 1,5 V koristi se kao izvor napajanja za napajanje čipa sučelja mikrokontrolera i termopara, koristi se krug pojačanog DC/DC pretvarača, koji se temelji na čipu serije XC9111, koji daje izlazni napon od 3,0 V. Mikrokontroler kontrolira napajanje i prati napon baterije.
Budući da se za napajanje koristi baterija od 1,5 V, za prikaz podataka optimalno je koristiti segmentni statički LCD indikator TWV1302W koji se koristi u digitalnim mjernim uređajima za temperaturu (slika 6). Radni napon ovog indikatora je 3 V. Kada se koristi indikator s radnim naponom od 5 V, bit će potreban dodatni krug pretvarača napona (slika 7). Kontrolne funkcije indikatora obavlja mikrokontroler. S ovim rješenjem, struja koju troši uređaj bit će 4 mA, a baterija će trajati najmanje 100 sati.
|
|
Odlučio sam u svoj laminator umetnuti termometar, termometar tipa K s termoparom. Da mi bude informativnije, smatram da radioamater hobi ne može biti zadovoljan kada na takvom uređaju svijetle samo dvije LED diode “POWER” i “READY”. Slažem šal za svoje detalje. Za svaki slučaj, s mogućnošću rezanja na pola (ovo je neka svestranost). Odmah s mjestom za energetski dio na tiristoru, ali za sada ne koristim ovaj dio, ovo će biti moj krug za lemilicu (kad smislim kako pričvrstiti termoelement na vrh)
Nema dovoljno mjesta u laminatoru (mehanizmi su smješteni vrlo zbijeno, znate u Kini), koristim mali indikator od sedam segmenata, ali to nije sve, ni cijela ploča ne stane, ovdje je svestranost ploče dobro dođe, ja sam je prerezao na pola (ako koristite konektor, gornji dio odgovara mnogim razvojima na sitnicama ur5kbyja.)
Postavio sam, prvo radim kako je navedeno na forumu, ne lemim termoelement, postavio sam 400 (iako je ovaj parametar u memoriji, ova stavka će nestati), postavio sam varijable na otprilike sobnu temperaturu i točno do točke ključanja,
Takav regulator teoretski radi do 999°C, ali kod kuće se takva temperatura vjerojatno neće naći, u najboljem slučaju to je otvorena vatra, ali ovaj izvor topline ima jaku nelinearnost i osjetljivost na vanjske uvjete.
ovdje je ogledna tablica.
a također i radi jasnoće
Dakle, postoji mali izbor u odabiru izvora za podešavanje očitanja regulatora.
Nema više igranja gumbima, sve se može skupiti,
Koristio sam termoelement iz kineskog testera. I post na forumu mi je savjetovao da se ovaj termoelement može umnožiti, njegova duljina je skoro pola metra, odrezao sam 2 cm.
Napravim transformator tako da ga uvrnem sa ugljenom, ispadne lopta, i na dva kraja točno tako, po bakrenoj žici, za dobro lemljenje na moje žice
Na MK. Njegovo srce je mikrokontroler PIC16F628A. Krug termometra koristi 4-znamenkasti ili 2+2 LED indikator sa zajedničkom anodom. Senzor temperature koji se koristi je tipa DS18B20, au mom slučaju očitanja senzora prikazuju se s točnošću od 0,5*C. Termometar ima granice mjerenja temperature od -55 do +125*C, što je dovoljno za sve prilike. Za napajanje termometra korišten je obični punjač s mobilnog telefona na IP-u s tranzistorom 13001.
Shematski dijagram termometra na mikrokontroleru PIC16F628A:
Za flash firmvera PIC16F628A koristio sam program ProgCode, instalirao ga na računalo i sastavio programator ProgCode prema dobro poznatoj shemi:
Oznaka pinova korištenog mikrokontrolera i pinout nekih drugih sličnih MK:
Program ProgCode i upute s fotografijama korak-po-korak firmvera nalaze se u arhivi na forumu. Tu su i sve datoteke potrebne za ovu shemu. Otvorite program i kliknite na gumb "snimi sve" U mom proizvedenom uređaju, kao što se može vidjeti na fotografijama, 2 termometra su sastavljena u jednom kućištu odjednom, gornji indikator pokazuje temperaturu kod kuće, donji pokazuje temperaturu kod kuće. Vanjska temperatura. Postavlja se bilo gdje u prostoriji i povezuje se sa senzorom savitljivom žicom na ekranu. Firmware edited by: [)eNiS.
Termoparovi se široko koriste tamo gdje je potrebno precizno mjeriti visoke temperature, ttemperature do 2500°C. Odnosno, tamo gdje bi digitalni senzori odmah umrli od pregrijavanja, koriste se termoparovi. Postoji dosta vrsta termoparova, ali najviše se koriste termoparovi kromel-alumel (tip K), zbog svoje niske cijene i gotovo linearne promjene termoenergije. Ova vrsta termoparova se ugrađuje u grijače vode i druge kućanske aparate s kontrolom temperature; uz pomoć ovih termoparova kontrolira se temperatura vrha. Stoga će biti vrlo korisno bolje ih upoznati.
Termopar su dva vodiča izrađena od različitih metala koji imaju zajedničku točku dodira (spoj). Na mjestu tog kontakta nastaje potencijalna razlika. Ta razlika potencijala naziva se termoenergija i izravno ovisi o temperaturi na kojoj se nalazi spoj. Metali su odabrani tako da je ovisnost termosnage o temperaturi zagrijavanja najlinearnija. To pojednostavljuje izračune temperature i smanjuje pogreške mjerenja.
Dakle, naširoko korišteni kromel-alumel termoparovi imaju prilično visoku linearnost i stabilnost očitanja u cijelom rasponu izmjerenih temperatura.
Ispod je grafikon za kromel-alumel termoparove (tip K) koji prikazuje ovisnost rezultirajuće termoenergije o temperaturi spoja (na kraju članka bit će poveznica na grafikon u većoj rezoluciji):
Dakle, dovoljno je pomnožiti vrijednost termoenergije s traženim koeficijentom i dobiti temperaturu bez zamaranja tabličnim vrijednostima i aproksimacijom - jedan koeficijent za cijeli raspon mjerenja. Vrlo jednostavno i jasno.
Ali postavlja se pitanje o povezivanju termoelementa s mikrokontrolerom. Jasno je da ako postoji napon na izlazu termoelementa, tada ćemo koristiti ADC, ali potencijalna razlika na izlazu termopara je premala da bi bilo što otkrila. Stoga ga prvo treba povećati, na primjer, korištenjem operacijskog pojačala.
Uzmimo standardni neinvertirajući krug operacijskog pojačala:
Omjer ulaznog i izlaznog napona opisuje se jednostavnom formulom:
V van/Vin = 1 + (R2/R1)
Dobitak signala ovisi o vrijednostima povratnih otpornika R1 i R2. Količina pojačanja signala mora se odabrati uzimajući u obzir ono što će se koristiti kao referentni napon.
Recimo da je napon napajanja mikrokontrolera 5V kao referenca. Sada moramo odlučiti o temperaturnom rasponu koji ćemo mjeriti. Uzeo sam granicu mjerenja na 1000 °C. Na ovoj vrijednosti temperature, izlaz termopara će imati potencijal od približno 41,3 mV. Ova vrijednost bi trebala odgovarati naponu od 5 volti na ulazu ADC-a. Stoga, op-amp mora imati pojačanje od najmanje 120. Kao rezultat, rođen je sljedeći sklop:
U zalihama sam našao dugo montiranu pločicu s ovim opampom, sklopljenim kao pretpojačalo za mikrofon, pa sam ga upotrijebio:
Na blogboardu sam sastavio sljedeći dijagram za spajanje dvorednog zaslona na mikrokontroler:
Termoelement je također dugo bio u stanju mirovanja - došao je uz moj multimetar. Spoj je zatvoren u metalnu čahuru.
Bascom-AVR kod za rad s termoparom:
$regfile
= "m8def.dat"
$kristal
=
8000000
Dim
W KaoCijeli broj
"povezivanje dvorednog zaslona
Konfiguracija
Lcdpin = Pin, Rs = Portb. 0, E = Portd. 7, Db4 = Portd. 6, Db5 = Portd. 5, Db6 = priključakb. 7, Db7 = Portb. 6
Konfiguracija
LCD=
16
*
2
Pokazivač
Isključeno
Cls
"čitanje vrijednosti iz ADC-a putem prekida tajmera
Konfiguracija
Timer1=
Timer, Predmjera = 64
Na
Timer1 Acp
"ADC konfiguracija
Konfiguracija
adc = Singl, Prescaler = Automatski, Referenca = Avcc
Omogućiti
Prekidi
Omogućiti
Timer1
Čini
Cls
Rem temperatura:
LCD
"Tejẑepaí̈ypa:"
Donja linija
LCD
W
čekaj
200
Petlja
"rad s ADC-om
Acp:
Početak
Adc "pokreni ADC
W=
Getadc(1
)
W= W/1. 28 "prilagođavamo mjerenja stvarnoj temperaturi
Povratak
Kraj
U posljednje vrijeme, zbog učestale upotrebe raznih modula za spuštanje, povećanje, punjenje i upravljanje, pojavila se potreba za termometrom sa širokim rasponom mjerenja. Budući da dostupni multimetar nije imao funkciju mjerenja temperature, razmišljao sam o kupnji zasebnog uređaja. Odmah sam odbacio uronjene termometre - previše su inercijski. Pirometri, iako omogućuju mjerenje temperature na daljinu, odvraćaju svojom cijenom i ne blistaju kvalitetom. Barem oni koji su mi došli u ruke nisu bili impresivni.
Kao rezultat pretrage, naručen je elektronički termometar TM 902C za 3,99 USD 
Ima jako puno sličnih uređaja na Aliexpressu, ali ja sam se odlučio za ovaj iz sljedećih razloga:
- visoko specijalizirani uređaj bez dodatnih funkcija;
- širok raspon mjerenja;
- uređaj je opremljen termoelementom TR-02 s gornjom granicom mjerenja od 750 stupnjeva Celzijusa. 
Postoji još jedna modifikacija termometra - napajana s dva AAA elementa, ali zajedno s termoelementom TP01 s ograničenjem mjerenja od 350 (400 prema nekim izvorima) stupnjeva. Nisam vidio smisao u zasebnoj kupnji termoelementa TP02 i zatvorio sam oči na napajanje iz Krone.
Što nam proizvođač i prodavač deklariraju prema uputama na jeziku koji svi razumijemo)? 
Iako malo nas zapravo razumije jezik, barem će nekoliko tehnički pismenih ljudi razumjeti da uređaj:
- sa svojim dimenzijama 24*72*108
- napaja se od 9 volti (Krona, 9F22);
- relativna vlažnost zraka ≤ 75%;
- sposoban mjeriti temperature od -50 do 1300 stupnjeva Celzijusa (1370 prema uputama);
- radi s termoparovima tipa K odgovarajućeg raspona. 
Sudeći prema informacijama u uputama, pogreške uređaja su sljedeće (u Celzijevim stupnjevima):
Od – 40 do – 20: -± 3 stupnja;
Od -20 do – 0: -± 2 stupnja;
Od 0 do 500: -± 0,75-1 stupanj;
Od 500 do 750: -± 1%;
Od 750. do 1000. i od 1000. do 1370.: nije mogao točno protumačiti.
Najčešći termoparovi su TP01 i TP02 s rasponima od -50 do 350 (400), odnosno od -50 do 750 stupnjeva Celzijusa.
Prilikom kupnje prodavaču je postavljeno pitanje kakav će termoelement biti uključen u komplet.
Dobivena su uvjeravanja da će termometar mjeriti temperature od -50 do 750 stupnjeva, tj. Komplet će uključivati sondu TP02, što je potvrđeno daljnjim testovima.
Izvana, uređaj je izrađen vrlo pažljivo, odljev je visoke kvalitete. 
Težina s baterijom i termoelementom 
Stražnji poklopac pričvršćen je s dva vijka. Ploča je također pričvršćena istim vijcima - jednostavno, pouzdano i ekonomično.
Zaslon je pričvršćen za ploču s dva vijka i dva zasuna. 
Kutovi gledanja su široki.
Iznutra je lijevanje kućišta manje temeljito, što nije kritično. 
Ploča je izrađena od getinaksa.
Kvaliteta obrade jednog od četiri kraja ploče (ne zaboravite na cijenu uređaja) 
Zaslon od 1,9 inča povezan je s pločom putem vodljive gumene trake, tako da nisam uklonio zaslon - malo je vjerojatno da će to biti moguće, a zatim ga ispravno vratio. 
Na rubu zaslona nalaze se ušice za pričvršćivanje vijcima na kućište - u ovom slučaju se takva shema pričvršćivanja ne koristi.
Postoje lagani tragovi fluksa, ali mislim da to ni na koji način neće utjecati na performanse. 
Kao što vidite, na ploči nema gotovo nikakvih elemenata - vjerojatno je ispod ekrana skriven mikrokrug mrlja, koji je odgovoran za obradu signala sa sonde, izvođenje izračuna i prikaz informacija na ekranu.
Proučivši unutarnji svijet uređaja, prešao sam na terenske testove.
U početku sam koristio uronjeni kuhinjski termometar i sobni termometar za usporedbu očitanja. Dvoranska dugo nije ulijevala povjerenje te je naknadno izbačena iz natjecateljskog programa.
Hladnjak zamrzivač 
Podvodni je odmah nakon vađenja iz zamrzivača pokazao 0,2 stupnja niže, ali nije moguće istovremeno fotografirati zbog brze reakcije na promjene temperature objekta koji se prati i inercije potopnog termometra.
Na otvorenom 
Veranda 
Soba 
Vruća voda 
Vrelište vode 
Dalje, lemilice su korištene kao izvor topline. Imerzioni termometar se više ne koristi jer ga je teško pričvrstiti na točkasti izvor topline i teško je zagrijati cijelo tijelo. 
Posljednja fotografija pokazuje da je temperatura grijaćeg elementa iznad 400 stupnjeva, što ukazuje da komplet zapravo sadrži termoelement TP02.
Tijekom testiranja, pletenica od stakloplastike kabela termoelementa bila je malo oštećena - pala je u plamen plinske peći. No, ovo se također može smatrati testom - nije spaljeno, već samo malo promijenjena boja. 
Prednosti uključuju:
- uska specijalizacija uređaja;
- pristojan izgled i izrada;
- u kompletu s termoelementom TP02;
- čini mi se da postoji dovoljna točnost mjerenja i, zahvaljujući tome, širok raspon mjerenja;
Nisam našao nikakve nedostatke, osim napajanja od 9 volti i nedostatka zaštitne kapice za termoelement.
