Термометр на ATmega8 та датчику температури DS18B20. Контролер великих температур на термопарі K-типу Практична схема термометра з термопарою
Термопара - це один із видів температурних датчиків, який може застосовуватися у вимірювальних пристроях та системах автоматизації. Їй притаманні певні переваги: дешевизна, висока точність, широкий у порівнянні з термісторами та мікросхемами цифрових датчиків температури діапазон вимірювання, простота та надійність. Однак вихідна напруга термопари мало і відносно, а схема вимірювача на термопарі складна, так як пред'являються жорсткі вимоги до посилення сигналу прецизійного з термопари і до схеми компенсації. Для розробки таких пристроїв існують спеціалізовані мікросхеми, що інтегрують схему перетворення та обробки аналогового сигналу. За допомогою цих мікросхем можна побудувати досить компактний вимірювач температури з термопарою як датчик (Малюнок 1).
Принципи
Вікіпедія визначає принцип дії термопари таким чином:
Принцип дії ґрунтується на ефекті Зеєбека або, інакше, на термоелектричному ефекті. Між з'єднаними провідниками є контактна різниця потенціалів. Якщо стики пов'язаних у кільце провідників перебувають за однакової температури, сума таких різниць потенціалів дорівнює нулю. Коли ж стики знаходяться за різних температур, різниця потенціалів між ними залежить від різниці температур. Коефіцієнт пропорційності у цій залежності називають коефіцієнтом термо-ЕРС. У різних металів коефіцієнт термо-ЕРС різний і, відповідно, різниця потенціалів, що виникає між кінцями різних провідників, буде різною. Поміщаючи спай з металів з відмінними коефіцієнтами термо-ЕРС у середу з температурою Т1, ми отримаємо напругу між протилежними контактами, що знаходяться при іншій температурі Т2, яка буде пропорційна різниці температур Т1 і Т2 (Малюнок 2).
|
|
|
| Малюнок 2. | |
Існує кілька типів термопар, залежно від пари матеріалів (чистий метал або сплав). У нашому проекті ми використовуємо термопару K-типу (хромель-алюмель), яка часто застосовується у промислових інструментах та приладах. Вихідна напруга термопари K-типу становить приблизно 40 мкВ/°С, отже, знадобиться схема посилення сигналу з невеликим зміщенням напруги на вході.
Як згадувалося вище, термо-ЕРС пропорційна різниці температур між холодним та гарячим спаєм. Це означає, що температура холодного спаю має бути відома для обчислення фактичного значення температури гарячого спаю. Для цього буде потрібна схема компенсації холодного спаю, яка автоматично вводитиме поправку до виміряної термо-ЕРС (Малюнок 3).
Щоб отримати значення температури за допомогою термопари потрібно аналогова схема, наприклад, прецизійний операційний підсилювач і схема компенсації холодного спаю. Однак, існує кілька видів спеціалізованих мікросхем із вбудованим інтерфейсом термопари. Ці мікросхеми інтегрують зазначені вище аналогові схеми значно спрощують проект. У нашому випадку ми вибрали мікросхему MAX31855 компанії. Вона містить аналогову схему та аналого-цифровий перетворювач, отже, на виході мікросхеми ми отримаємо цифрові дані. Перед покупкою мікросхеми необхідно заздалегідь визначити тип термопари, яка використовуватиметься у пристрої.
Основні характеристики мікросхеми MAX31855:
- Діапазон вимірювання температури: -270 °С до +1800 °С;
- Роздільна здатність: 14 біт, крок 0.25 ° С;
- Простий SPI-сумісний інтерфейс (режим читання даних);
- Схема компенсації опорного спаю термопар;
- Схема детектування замикання проводів термопари на шину живлення та загальну шину;
- Схема детектування розриву вимірювального ланцюга;
- Виконання для термопар типів K, J, N, T та E;
- 8-ми вивідний корпус.
Компенсація холодного спаю реалізується за допомогою інтегрованого в мікросхему датчика температури, тому однією з важливих умов при складанні вимірювача є розміщення мікросхеми безпосередньо біля конектора підключення термопари. Важливою умовою є ізоляція даного вузла від зовнішнього нагріву. Для підключення ми використовували конектор, зображений на малюнку 4. Можна використовувати конектори інших типів.
Принципову схему вимірювача температури зображено на Рисунку 5.
Серцем приладу є мікроконтролер AVR. Мікросхема MAX31855 підключається до мікроконтролера за інтерфейсом SPI.
В якості джерела живлення використовується батарея типорозміру LR1 з напругою 1.5 В. Для живлення мікроконтролера і мікросхеми інтерфейсу термопари використовується схема підвищує DC/DC перетворювача, виконаного на мікросхемі серії XC9111, що забезпечує вихідну напругу від 3.0 В. Мікроконтролер здійснює керування живленням і керування живленням.
Так як для живлення використовується елемент живлення 1.5, для відображення даних оптимально використовувати сегментний статичний РК індикатор TWV1302W, який застосовується в цифрових пристроях вимірювання температури (Малюнок 6). Робоча напруга цього індикатора 3 В. При використанні індикатора з робочою напругою 5 В буде потрібна додаткова схема перетворювача напруги (Малюнок 7). Функції керування індикатором виконує мікроконтролер. При такому рішенні струм, що споживається пристроєм, складе 4 мА, а батарея прослужить, як мінімум, 100 годин.
|
|
Вирішив до свого ламінатора вставити термометр, термометр на термопарі K-типу. Щоб він у мене став більш інформативним, вважаю, що хобійний радіоаматор не може задовольнятися, коли на такому приладі горить лише два світлодіоди "POWER" та "READY". Розводжу хустку під свої деталі. Про всяк випадок з можливістю її різати навпіл (це деяка універсальність). Відразу з місцем під силову частину на тиристорі, але поки цю частину не використовую, це буде у мене схемка під паяльник (коли придумаю, як пристроити термопару в жало)
У ламінаторі мало місця (механізми розташовані дуже щільно, чи розумієш китай), використовую маленький семисегментний індикатор, але це ще не все, плата цілком теж не влазить, ось тут знадобилася універсальність плати, розрізаю її надвоє (якщо використовувати роз'єм верхня частина підходить до багатьох розробкам на пікушках від ur5kby.)
Налаштовую, спочатку роблю, як сказано у форумі, не впаюю термопару, задаю 400 (хоча якщо цей параметр буде в пам'яті, цей пункт відпаде) налаштовую змінниками приблизно кімнатну і точно по кипінню,
Такий контролер теоретично працює до 999 ° C але в домашніх умовах таку температуру навряд чи знайти, найбільше це відкритий вогонь, але це джерело тепла має сильну нелінійність і чутливість до зовнішніх умов.
ось приблизна таблиця.
і ще для наочності
Отже, вибір невеликий у виборі джерела для налаштування показань контролера.
більше тут ніякої гри кнопочками, Все можна збирати,
Термопару використав від китайського тестера. І пост у форумі набрид мене, що цю термопару можна розмножувати, її довжина майже півметра, відрізаю 2 см.
роблю трансформатором по скручуванні вугіллям, кулька виходить, а до двох кінців точно так, по мідному дроту, для гарного паяння до моїх проводів
На МК. Серцем його є мікроконтролер PIC16F628A. У схемі термометра використовується 4-х значний або 2+2 світлодіодний індикатор із загальним анодом. Датчик температури використовується типу DS18B20 і в моєму випадку показання датчика відображаються з точністю 0,5*С. Термометр має межі вимірювання температури від -55 до +125*С, що достатньо на всі випадки життя. Для живлення термометра було використано звичайну зарядку від мобіли на ІП з транзистором 13001.
Принципова схема термометра на мікроконтролері PIC16F628A:
Для прошивки PIC16F628A я використав програму ProgCode, встановивши її на комп'ютер і зібравши програматор ProgCode за відомою схемою:
Позначення висновків мікроконтролера і цоколівка деяких інших аналогічних МК:
Програма ProgCode та інструкції з фотографіями покрокової прошивки знаходяться в архіві форуму. Там і всі необхідні для цієї схеми файли. У програмі відкриваємо та натискаємо на кнопку "записати все”. У моєму виготовленому пристрої, як видно з фотографій, зібрано 2 термометри відразу в одному корпусі, верхній індикатор показує температуру будинку, нижній - на вулиці. Розміщується він у будь-якому місці приміщення та з'єднується з датчиком гнучким дротом в екрані. Матеріал надав ansel73.
Термопари широко застосовуються там, де необхідно точно поміряти високі температури.температурі аж до 2500°C. Тобто там, де цифрові датчики відразу здохли б від перегріву, застосовуються термопари. Різновидів термопар існує досить багато, але найбільшого поширення набули хромель-алюмелеві (тип К) термопари, через свою дешевизну і практично лінійну зміну термоедс. Цей вид термопар ставляться водонагрівачі та інші побутові прилади з контролем температури, їх повсюдно використовують для контролю температури при плавці металу, за допомогою цих термопар контролюється нагрівання жала в паяльній станції. Тому буде корисно познайомитися з ними ближче.
Термопара це два провідники з різних металів і мають спільну точку контакту (спай). У точці цього контакту виникає різниця потенціалів. Ця різниця потенціалів називається термоедс і безпосередньо залежить від температури, в якій знаходиться спай. Метали підбираються таким чином, щоб залежність термоедс від температури нагрівання була найбільш лінійною. Це спрощує розрахунок температури та скорочує похибку вимірювань.
Так хромель-алюмелеві термопари, що широко застосовуються, мають досить високу лінійність і стабільність показань на всьому діапазоні вимірюваних температур.
Нижче наведено графік для хромель-алюмелевих термопар (тип К) показує, залежність термоедс, що виникає, від температури спаю (наприкінці статті буде посилання на графік з великим розрядженням):
Таким чином, значення термоедс досить помножити на потрібний коефіцієнт і отримати температуру, не морочаючись з табличними значеннями і апроксимацією - один коефіцієнт на весь діапазон вимірювань. Дуже просто та зрозуміло.
Але постає питання про підключення термопари до мікроконтролера. Зрозуміло, що якщо на виході термопари напруга, тоді задіємо АЦП, але різниця потенціалів на виході термопари занадто мала, щоб вловити хоч щось. Тому насамперед його потрібно збільшити, наприклад, застосувавши операційний підсилювач.
Беремо стандартну схему неінвертованого включення операційного підсилювача:
Відношення вхідної та вихідної напруги описується простою формулою:
V out/ Vin = 1 + (R2/R1)
Від значень резисторів зворотного зв'язку R1 та R2 залежить коефіцієнт посилення сигналу. Величину посилення сигналу потрібно підбирати з урахуванням того, що буде використовуватися як опорна напруга.
Допустимо опорним буде напруга живлення мікроконтролера 5V. Тепер необхідно визначитися з діапазоном температур, які збираємося вимірювати. Я взяв межею виміру 1000 °C. При цьому значення температури на виході термопари буде потенціал приблизно 41,3 мВ. Це значення має відповідати напрузі 5 вольт на вході АЦП. Тому операційник повинен мати коефіцієнт посилення не менше ніж 120. У результаті народилася така схема:
У загашнику у мене знайшлася давно зібрана плата з цим операційником, збирав як підсилювач для мікрофона, її я застосував.
Зібрав на бредборді таку схему підключення дворядкового дисплея до мікроконтролера:
Термопара теж валялася без діла довгий час – вона йшла в комплекті з моїм мультиметром. Спай закритий у металеву гільзу.
Код Bascom-AVR для роботи з термопарою:
$regfile
= "m8def.dat"
$crystal
=
8000000
Dim
W AsInteger
"підключення дворядкового дисплея
Config
Lcdpin = Pin, Rs = Portb. 0, E = Portd. 7, Db4 = Portd. 6, Db5 = Portd. 5, Db6 = Portb. 7, Db7 = Portb. 6
Config
Lcd=
16
*
2
Cursor
Off
Cls
"зчитування значення з АЦП щодо переривання від таймера
Config
Timer1=
Timer, Prescale = 64
On
Timer1 Acp
"конфігурація АЦП
Config
Adc = Single, Prescaler = Auto , Reference = Avcc
Enable
Interrupts
Enable
Timer1
Do
Cls
Rem Температура:
Lcd
"Teјѕepaїypa:"
Lowerline
Lcd
W
Waitms
200
Loop
"робота з АЦП
Acp:
Start
Adc "запуск АЦП
W=
Getadc(1
)
W= W/1. 28 "підганяємо виміри під дією. температуру
Return
End
Останнім часом у зв'язку з частим використанням різних понижувальних, підвищують, зарядно-контрольних модулів виникла потреба в термометрі з великим діапазоном вимірів. Оскільки наявний мультиметр не мав функції вимірювання температури, задумався про придбання окремого пристрою. Занурювальні термометри відміли відразу – надто інерційні. Пірометри, хоч і дозволяють дистанційно вимірювати температуру, але відлякують ціною і не блищать якістю. Принаймні ті, що траплялися до рук, не вразили.
В результаті пошуків був замовлений за 3,99 $ електронний термометрТМ 902C 
Подібних приладів на просторах Аліекспрес безліч, але зупинився на цьому через такі причини:
- Вузькоспеціалізований пристрій без додаткових функцій;
- Широкий діапазон вимірювань;
- Комплектація приладу термопарою ТР-02 з верхньою межею вимірювань 750 градусів Цельсія. 
Є інша модифікація термометра - з живленням від двох елементів ААА, але в комплекті з термопарою ТР01 з межею вимірів в 350 (400 згідно деяких джерел) градусів. Купувати окремо термопару ТР02 сенсу не побачив і заплющив очі на харчування від Крони.
Що декларують нам виробник з продавцем згідно з інструкцією зрозумілою всім нам мовою)? 
Хоч мова насправді мало кому з нас зрозуміла, але хоч небагато технічно грамотна людина зрозуміє, що прилад:
- при своїх розмірах 24*72*108
- живлення від 9 Вольт (Крона, 9F22);
- Відносна вологість ≤ 75 %;
- здатний вимірювати температуру від -50 до 1300 градусів за Цельсієм (1370 – за інструкцією);
- працює з термопарами типу До відповідного діапазону. 
З огляду на інформацію в інструкції похибки приладу, в діапазонах такі (у Цельсіях):
Від - 40 до - 20: - ± 3 градуси;
Від -20 до - 0: - ± 2 градуси;
Від 0 до 500: -±0,75-1 градус;
Від 500 до 750: -±1%;
Від 750 до 1000 та від 1000 до 1370: не зміг точно інтерпретувати.
Найбільш поширеними є термопари ТР01 та ТР02 з діапазонами від -50 до 350 (400) та від -50 до 750 градусів Цельсія, відповідно.
При покупці було поставлено питання продавцю про те, яка саме термопара буде в комплекті.
Було отримано запевнення, що термометр вимірюватиме температуру від -50 до 750 градусів, тобто. у комплекті буде зонд ТР02, що підтверджують подальші випробування.
Зовні прилад зроблений дуже акуратно, якісне лиття. 
Вага з елементом живлення та термопарою 
Задня кришка кріпиться двома гвинтами. Цими ж гвинтами кріпиться і плата – просто, надійно та економно.
Двома гвинтами та двома клямками до плати кріпиться дисплей. 
Кути огляду широкі.
Всередині лиття корпусу менш ретельне, що не критично. 
Плата зроблена з гетинаксу.
Якість обробки одного з чотирьох торців плати (не забуваємо за ціну приладу) 
Дисплей розміром 1,9 дюйма з'єднується з платою через резинку, тому знімати екран не став - навряд чи вдасться, потім правильно поставити на місце. 
На окантовці екрана є вуха для кріплення гвинтами до корпусу – у разі така схема кріплення не застосовується.
Є легкі сліди флюсу, але думаю, на працездатності це ніяк не позначиться. 
Як бачимо, на платі і елементів майже немає - напевно під екраном ховається мікросхема-ляпка, що відповідає за обробку сигналу з зонда, обчислення і виведення інформації на екран.
Вивчивши внутрішній світ приладу, перейшов до польових випробувань.
Спочатку для порівняння показань використовував занурювальний кухонний термометр і кімнатний. Кімнатний давно не вселяв довіри і згодом був виключений із програми змагань.
Морозильна камера холодильника 
Занурювальний відразу після вилучення з морозилки показав на 0,2 градуси нижче, але сфотографувати одночасно не виходить з-за швидкої реакції на зміну температури оглядового та інерційності занурювального термеметрів.
На свіжому повітрі 
Веранда 
Кімната 
Гаряча вода 
Температура кипіння води 
Далі як джерело тепла були використані паяльники. Занурювальний термометр вже застосовувати не став так, як його важко приладнати до точкового джерела тепла, а прогрівати весь корпус складно. 
На останній фотографії видно, що температура нагрівального елемента вище 400 градусів, що говорить про те, що в комплекті дійсно термопара ТР02.
У ході тестів було трохи зіпсовано скловолоконне обплетення шнура термопари - потрапила в полум'я газової плити. Однак це теж можна вважати тестом – вона не обгоріла, а лише трохи змінила колір. 
До плюсів віднесу:
- Вузьку спеціалізацію приладу;
- пристойний зовнішній вигляд та якість виконання;
- Комплектацію термопарою ТР02;
- на мою думку, достатню точність вимірювань і завдяки цьому широкий діапазон вимірювань;
Мінусів, крім джерела живлення 9 Вольт та відсутності захисного ковпачка термопари, не виявив.
