Контроллер на плате Arduino для печи термообработки металлических изделий

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

Факультет электротехнический Кафедра автоматики

Направление подготовки 27.03.04 «Управление в технических системах»

ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ Заведующий кафедрой ___________С.С. Голощапов

«_____»____________2018 г.

Контроллер на плате Arduino для печи термообработки металлических изделий

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЕ ЮУрГУ – 27.03.04.2018.318.09 ПЗ ВКР

Автор проекта

студент группы МиЭТ-420 __________ / Семенов С.В.

подпись ФИО

___________________ 20_____ г.

Руководитель работы

Инженер – механик

должность

_____________ / Семенов В.А.

подпись ФИО

___________________20_____ г.

Нормоконтроль Старший преподаватель

^{должность}

_______________ / В.П. Елисеев подпись ФИО

___________________20_____ г.

Миасс 2018

АННОТАЦИЯ

Семѐнов С.В., Контроллер на плате Arduino для печи термообработки металлических изделий.–

Миасс: ЮУрГУ, МиЭт-420; 2018, 77 с. 30 ил., 10 табл., библиогр. список – 14 наим., 2 прил

В данной выпускной квалификационной работе на основе платформы Arduino была разработана система контроля температуры печи для термообработки металлических изделий, а именно - поддержание заданной температуры. Были рассмотрены:

• платы Arduino;

• платы дополнения (шилды) для Arduino;

• средства измерения температуры (датчики температуры).

Так же был произведен расчет нагревательного элемента, который будет использоваться для работы печи.

В процессе выполнения выпускной квалификационной работы были изучены основы программирования плат Arduino. А так же были произведены подключения отдельных модулей. Для их проверки был написан код. Так же были произведены проверки в среде Proteus.

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

Разраб. Семёнов Контроллер на плате Arduino для ^Лит. Лист Листов

Пров. Семёнов

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ... 5

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ... 7

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ НАУЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ... 8

1.1 Что такое Arduino? ... 8

1.2 Что такое Шилд (Shield)? Их примеры и назначения ... 11

1.3 Среда программирования Arduino IDE... 17

1.4 Датчики температуры ... 20

1.4.1 Термопара ... 21

1.4.2 Интегральные датчики ... 24

1.4.3 Биметаллический датчик ... 28

1.4.4 Термисторы ... 29

1.4.5 Пирометр ... 30

1.4.6 Акустические датчики температуры ... 33

ГЛАВА 2. ВЫБОР КОМПОНЕНТОВ ... 35

2.1 Arduino UNO ... 35

2.2 Питание Arduino ... 39

2.3 Используемые шилды ... 40

2.3.1 LCD KeyPad Shield ... 40

2.3.2. MAX6675 ... 43

2.4 Нагревательный элемент ... 45

2.4.1 Краткие характеристики нагревательных элементов ... 45

2.4.2 Выбор и расчет нагревательных элементов... 46

2.5 Управление нагревательным элементом ... 50

2.6 Контроль температуры ... 52

ГЛАВА 3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ... 53

3.1 Разработка программы ... 53

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ... 54

Приложение 1 ... Ошибка! Закладка не определена. Приложение 2 ... 56

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время идея бытовой автоматизации стремительно расширяется.

Системы автоматического управления перестают быть прерогативой

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

5

высокоуровневого производства, используясь для решения повседневных задач. В связи с этим встает вопрос о создании доступной универсальной платформы автоматизации. Под доступностью здесь понимается относительно невысокая стоимость устройств, а также низкая сложность создания, настройки и непосредственного использования систем на основе этой платформы. В данной работе предлагается вариант такого универсального контроллера, выполненный на базе аппаратной платформы Arduino UNO. В качестве объекта управления был выбрана система поддержания температуры в печи.

Работая с металлами, предприятиям требуется профессиональное оборудование, позволяющее изменять структуру металла. Для этого обычно применяют промышленные печи для термообработки. Процесс изменения структуры материала, а также повышение его качественных показателей называется термической обработкой. Ее используют в различных отраслях промышленности: металлургии, производство штампов, автомобилестроение и так далее.

Печи для термообработки – устройства, применяемые для термической обработки стальных, бронзовых, алюминиевых изделий. Одним из самых популярных типов печей можно выделить – камерные печи. Камерные печи подходят для термообработки малогабаритного металла или деталей мелкого/среднего размера. Камерные печи являются высокоэффективными, в качестве самостоятельного оборудования и в комплексе с несколькими другими печами и закалочным блоком.

Как будет показано ниже, возможностей исходной аппаратной платформы недостаточно для автоматизации подобного объекта, в связи с чем применяется ряд аппаратных расширений.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1. Цель разработки, назначение и область применения

Цель выполнения работы – разработка системы управления температурой в печи.

Устройство предназначено для термообработки металлов (закалка, отпуск, отжиг).

Область применения – работа печи при термообработке рабочих частей штампов.

2. Основные требования к разрабатываемому устройству

Требования к разрабатываемому устройству приведены в техническом задании на разработку ВКР по теме " Контроллер на плате Arduino для печи термообработки металлических изделий ", утвержденный директором предприятия ООО"Промкомплект-С" и представленном в приложении 1 настоящей пояснительной записки.

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

7

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ НАУЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Что такое Arduino?

Arduino – эффективная аппаратно-программная платформа для проектирования и создания новых устройств, разработанная компанией Arduino Software. Внешний вид одного из устройств Arduino представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Лицевая сторона устройства семейства Arduino

Устройства на Arduino имеют возможность принимать сигналы от различных датчиков и управлять различными исполнительными устройствами.

Arduino – это множество устройств разных размеров и возможностей. Например, габаритные размеры некоторых плат представлены в таблице 1.

Таблица 1. Габаритные размеры некоторых плат Arduino Наименование платы Габаритные размеры (см) Arduino Pro Mini 1,8 х 3,3

Arduino Nano 1,85 х 4,2

Arduino LilyPad  5

Arduino Uno 6,9 х 5,3

Arduino Mega2560 10,16 х 5,3

Самый главный компонент Arduino – это его микроконтроллер семейства Atmega. Микроконтроллер представляет из себя микропроцессор с памятью и различными периферийными устройствами, реализованный на одной микросхеме.

Фактически это однокристальный микрокомпьютер, который способен выполнять относительно простые задачи. Разные модели из семейства Arduino оснащены разными микроконтроллерами.

В таблице 2 приведены основные характеристики ряда плат Arduino, где:

• In/Out (IO) – количество аналоговых и цифровых выводов плат Arduino;

• Pulse-Width Modulation (PWM) – широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – управление средним значением напряжения на нагрузке путём изменения скважности импульсов.

Таблица 2. Характеристики плат Arduino Название Процессор

Напряжени е рабочее/

входное

Скорость процессора

Аналоговые выводы (In/Out)

Цифровое выводы (IO/PWM) Pro Mini ATmega328 5В/7-9В 16 МГц 8/0 14/6 Nano ATmega168

ATmega328 5В/7-9В 16 МГц 8/0 14/6

Uno ATmega168

ATmega328 5В/7-12В 16 МГц 6/0 14/6

Mega2560 ATmega256

0 5В/7-12В 16 МГц 16/0 54/15

В таблице 3 представлены характеристики каналов связи платы с компьютером и внешними компонентами. Используемые аббревиатуры в таблице 3 расшифровываются так:

• Flash-память (flash) – энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого;

• Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM) – энергонезависимая память (один из видов flash-памяти). EEPROM может быть запрограммирован, с помощью автоэлектронной эмиссией. Количество перезаписей информации может достигать 1млн. раз;

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

9

• Static Random Access Memory (SRAM) – статическая память с произвольным доступом, энергозависимый тип памяти;

• Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) – универсальный асинхронный приемопередатчик.

Таблица 3. Характеристики каналов связи плат Arduino

Название Процессор ^EEPROM _{*Kбайт+ *Kбайт+} ^SRAM Flash *Kбайт+ UART

Pro Mini ATmega328 1 2 32 1

Nano ATmega168 ATmega328

0,512 1

1 2

16

32 1

Uno ATmega168

ATmega328

0,512 1

1 2

16

32 1

Mega2560 ATmega2560 4 8 256 4

Платы Arduino просты в использовании и не имеют встроенных дисплеев, кнопок (за исключением кнопки перезагрузки) или датчиков. К платам Arduino можно подключать любые электронные компоненты, такие как различные датчики, дисплеи, платы расширения и другие модули. Благодаря наличию плат расширения (так называемых шилдов), добавляющих Arduino дополнительную функциональность, в разы увеличиваются возможности применения плат Arduino.

Шилды (кроме маленьких модулей Arduino Mino/Nano и LilyPad) подключаются к Arduino с помощью разъемов. Расположение разъемов на шилде аналогично разъемам платы, к которой они предназначены.

Платформа пользуется огромной популярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Устройство программируется через USB без использования программаторов. Разработка приложений на базе плат, совместимых с архитектурой Arduino, осуществляется в официальной бесплатной среде программирования Arduino IDE. Язык программирования устройств Arduino основан на языке C++. Он прост в освоении, так как дополнен несколькими простыми функциями.

Что такое Шилд (Shield)? Их примеры и назначения

Шилд – это плата дополнения, с помощью которой возможно расширение функциональных возможностей плат Arduino. Это могут быть как готовые платы с необходимым количеством компонентов, так и размеченную плату, подготовленную под подключение к Arduino. Шилды можно разделить на две категории: на полноразмерные модули и отдельные.

Полноразмерные модули похожи своими размерами на саму плату Arduino.

Монтаж таких модулей не представляет особой сложности. Как правило, большинство Шилдов изготавливается под конкретный форм-фактор платы. В большинстве случаев - это Arduino UNO. Идея Шилдов состоит в том, что это отдельный модуль, который "садится" сверху на плату Arduino. Можно использовать несколько Шилдов одновременно, устанавливая их один на другой.

В результате получается многофункциональный "пирог" Arduino, который представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Пример установки нескольких плат расширения

Использование Шилдов для всех задач проекта позволит избежать излишнего числа перемычек и соединений, что снизит количество ошибок и

лишних перемычек. После сборки получается многоэтажный бутерброд из плат

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

11

заводского изготовления. Такой подход иногда называют «модульная конструкция». Такая конструкция (модульная) облегчит обслуживание, ремонт и наладку оборудования.

Существует большое количество задач, для которых необходимо использовать те или иные компоненты, например реле, для включения электроприборов или управления сервомоторами.

Одним из полезных Шилдов является 4 Relay Shield (Шилд на 4 реле). Эта плата расширения представлена на рисунке 3. Служит она для управления электроприборами, которые питаются от бытовой электросети. Максимальный ток и напряжение зависит от реле. В основном это ток 5А и напряжение 30 В DC и 240 В AC. Что соответствует мощности в 150 Вт и 1,25 кВт.

Рисунок 3. 4 Relay Shield (Шилд на 4 реле).

Чтобы исключить возможность обрыва проводов, плохого контакта, уменьшения размеров и презентабельности прототипных плат существует плата расширения Protoshield (протошилд). Такая плата расширения представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Protoshield (протошилд).

Плата Protoshield представляет собой печатную плату с отверстиями для электронных компонентов, разъемы для подключения датчиков, разъемы для подключения на плату Arduino, а так же индикацию. Существуют несколько видов плат Protoshield, одна из них – Troyka Shield. Troyka Shield – это плата расширения, которая позволяет подключать большое количество модулей и датчиков через стандартные 3-проводные шлейфы. Внешний вид Troyka Shield представлена на рисунке 5.

Рисунок 5. Troyka Shield.

Ещѐ один тип плат позволяет решить проблему с нехваткой памяти, когда необходимо обрабатывать большое количество данных, например обработка звуковых и/или видео файлов. В этом случае можно применить SD Card Shield.

Он совместим с картами памяти форматов SD, SDHC и MicroSD. SD Card Shield представлен на рисунке 6.

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

13

Рисунок 6. SD Card Shield.

Для работы с платой Arduino через интернет, существует шилд под названием Ethernet Shield. Он служит для управления микроконтроллером по сети через кабель Ethernet, или через GSM-связь, вставив сим-карту. Существует как минимум 3 модификации Ethernet Shield:

1. Содержащий Ethernet модуль и модуль SD-кардридера;

2. Содержащий только Ethernet модуль (работа через кабель);

3. GPRS-Shield.

GPRS-Shield представлен на рисунке 7. Он отличается от остальных тем, что можно отправлять СМС на него и с него. С помощью этой платы можно вести контроль и давать команды своему умному дому (или любому другому проекту) находясь на любом удалении.

Рисунок 7. GPRS-Shield.

Самым популярным Шилдом можно отметить - LCD Keypad shield. Плата расширения LCD Keypad shield представлена на рисунке 8. LCD Keypad shield – это плата расширения с небольшим монитором (дисплеем) и набором кнопок, чаще всего их 6. Дисплей необходим для вывода показаний датчиков, отображения простых меню, подсказок и приветствий. Кнопки служат для выбора режимов, передвижению по меню и других действий.

Рисунок 8. LCD Keypad shield.

Для воспроизведения музыки была разработана плата Music Shield. Эта плата расширения представлена на рисунке 9. Music Shield дает возможность воспроизводить музыку в отличном качестве чрез Arduino. Шилд поддерживает широкий диапазон музыкальных форматов для воспроизведения. В Music Shield предусмотрен слот для SD карты.

Расположение электронных компонентов, а так же органов управления в плате Music Shield представлено на рисунке 10.

• Воспроизведение музыки с микро-карт SD в формате MP3, WAV, MIDI, Ogg Vorbis;

• I2S интерфейс для внешнего ЦАП;

• Наушники / линейный выход для воспроизведения;

• Линейный вход для записи в формате OGG;

• Качество звука с точностью ± 1 дБ.

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

15

Рисунок 9. Music Shield

Рисунок 10. Расположение основных элементов на плате Music Shield

Среда программирования Arduino IDE

Разработка приложений на базе плат, совместимых с архитектурой Arduino, осуществляется в официальной бесплатной среде программирования Arduino IDE.

Среда предназначена для написания, компиляции и загрузки собственных программ в память микроконтроллера. Основой среды разработки является язык C++, дополненный простыми и понятным функциями для управления вводом/выводом на контактах. Код, который написан в среде Arduino IDE, можно назвать скетчем. В процессе написания скетча возможны ошибки.

Окно вывода текста показывает сообщения Arduino, включающие полные отчеты об ошибках и другую информацию. Кнопки панели инструментов позволяют проверить и записать программу, создать, открыть и сохранить скетч, открыть мониторинг последовательной шины.

Разрабатываемым скетчам дополнительная функциональность может быть добавлена с помощью библиотек, представляющих собой специальным образом оформленный программный код, реализующий некоторый функционал, который можно подключить к создаваемому проекту. Специализированных библиотек существует множество. Обычно библиотеки пишутся так, чтобы упростить решение той или иной задачи и скрыть от разработчика детали программно- аппаратной реализации.

Среда Arduino IDE поставляется с набором стандартных библиотек: Serial, EEPROM, SPI, Wire и др. Они находятся в подкаталоге libraries каталога установки Arduino. Необходимые библиотеки могут быть также загружены с различных ресурсов. Папка библиотеки копируется в каталог стандартных библиотек (подкаталог libraries каталога установки Arduino). Внутри каталога с именем библиотеки находятся файлы *.cpp, *.h. Многие библиотеки снабжаются примерами, расположенными в папке examples. Если библиотека установлена правильно, то она появляется в меню Sketch | Import Library.

Выбор библиотеки в меню приведет к добавлению в исходный код строчки:

#include <имя библиотеки.h>

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

17

Загрузка скетча или прошивка контроллера Arduino — основная операция, без которой контроллер не представляет какую-нибудь пользу. Контроллер не может получать сигналы с датчиков, обрабатывать нажатия кнопок, общаться с различными устройствами через интерфейсы, управлять исполнительными процессами. Именно возможность быстро и без лишних проблем загрузить в память контроллера управляющую программу и стала одной из основных причин успеха платформы Arduino.

Для начала работы необходимо установить среду программирования Arduino IDE. Данная среда напоминает собой простейшую среду программирования C (Си) или C++ (Си++). Начальный экран запущенной среды Arduino IDE представлен на рисунке 11.

Рисунок 11. Среда программирования Arduino IDE. Начальный экран Из рисунка 11. видно, что на начальном экране, в поле ввода команд отображены две основные функции:

void setup() {

// код выполняется один раз при запуске программы }

void loop() {

// основной код, выполняется в цикле }

Функция setup() выполняется один раз, при включении питания или сбросе контроллера. Обычно в ней происходят начальные установки переменных, регистров. Функция должна присутствовать в программе, даже если в ней ничего нет. После завершения setup() управление переходит к

функции loop(). Она в бесконечном цикле выполняет команды, записанные в ее теле (между фигурными скобками). Собственно эти команды и совершают все алгоритмические действия контроллера.

Одним из основных элементов Arduino является главное меню программы (рисунок 12), которое позволяет получить доступ ко всем доступным функциям программы.

Рисунок 12. Главное меню среды программирования Arduino IDE

Следующим по важности элементом является вкладка с файлами проекта.

Если это простой скетч, то файл будет всего один. Однако сложные скетчи могут состоять из нескольких файлов. В таком случае на панели вкладок можно быстро переключить просмотр с одного файла на другой.

Самым большим из блоков является поле редактора скетчей. Тут можно просмотреть и, при необходимости, отредактировать нужный программный код.

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

19

Отдельно реализовано поле для вывода системных сообщений. С его помощью можно убедиться, что сохранение скетча или его загрузка были проведены успешно. Также в программе существует окно, отображающее наличие в ходе компиляции вашего скетча.

Компиляция – преобразование исходного кода языка высокого уровня в машинный код или на язык ассемблера.

Датчики температуры

Датчик температуры - это устройство, которое преобразует измеряемую величину в сигнал для последующей передачи его на приборы или управляющее воздействие. Датчик температуры позволяет измерить температуру любого объекта или вещества. Не смотря на то, что все термодатчики призваны измерять температуру, разные типы датчиков делают это абсолютно по-разному.

Применяются датчики температуры практически везде. Любая сфера или производство, где температура объекта влияет на качество работы и итоговой продукции, требует пристального температурного контроля.

Например:

• Металлургическая промышленность (литейное, прокатное производство, производство металлических изделий, металлообработка);

• Машиностроение;

• Химическая промышленность;

• Энергетика и другое.

Датчики температуры можно разделить на несколько типов:

• термопары;

• интегральные датчики;

• биметаллические;

• диодные датчики;

• термисторы;

• пирометры;

• кремниевые датчики температуры.

Термопара

Термопара – это пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Измерение температуры с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции, которое имеет датчик температуры этого вида, возможность работать в широком диапазоне и дешевизны. К числу достоинств относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур в агрессивных средах. Внешний вид термопары представлен на рисунке 13.

Рисунок 13. Внешний вид термопары

Термопары относятся к классу термоэлектрические преобразователи, принцип действия которых основан на эффекте Зеебека (часто называют термоэлектрическим эффектом).

Эффект Зеебека – это явление возникновения термо-ЭДС в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников (или полупроводников), если места спаев проводников имеют различные температуры. Цепь, которая состоит только из двух различных проводником и называется термоэлементом или термопарой.

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

21

Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Соединенные между собой концы термопары, погружаемые в среду, температура которой измеряется, называют рабочим концом термопары. Концы, которые находятся в окружающей среде, и которые обычно присоединяют проводами к измерительной схеме, называют свободными концами.

( ) ( )

где – термоэлектрическая способность пары или коэффициент термо- ЭДС;

– температура горячего контакта;

– температура холодного контакта.

Формула 1 справедлива для небольшого интервала температур.

Формула 2 является более корректным выражением для термо-ЭДС.

∫ ( ) ( )

Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика – она не превышает 8 мВ на каждые 100 ^оС и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ.

Например, в паре нихром – никель возникает ЭДС в 4,1 мВ, при разности температур в 100 ^оС и температуре холодного спая 0 ^оС. Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 2200 ⁰С.

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, хромель, алюмель.

Термопары имеют следующие преимущества:

• спайку термопары можно расположить в непосредственном контакте с точкой измерения;

• простота изготовления;

• надѐжность и долговечность в эксплуатации;

• отсутствие источников питания;

• возможность измерений в большом диапазоне температур.

Наряду с этим, термопарам свойственны и некоторые недостатки:

• меньшая точность измерения, чем у терморезисторов;

• наличие значительной тепловой инерционности;

• необходимость введения поправки на температуру свободных концов;

• в процессе измерения контактная группа термопары подвержена негативному влиянию окружающей среды, что вызывает нарушения в процессе работы.

Термопары конструируются с учетом диапазона измеряемых температур и могут изготавливаться из комбинаций различных металлов. Комбинация используемых металлов определяет диапазон температур, измеряемых термопарой. По этой причине была разработана маркировка с помощью букв для обозначения различных типов термопар. Каждому типу присвоено соответствующее буквенное обозначение. В таблице 4 представлены характеристики различных термопар, а именно:

• наименование типа термопары;

• диапазон измеряемых температур;

• погрешность измерений.

Таблица 4. Характеристики различных термопар Тип

термопары Используемые металлы Диапазон температур (^оС)

Погрешность измерений (%) J Железо-константан От -200 до +1200 ~ 0.75 K Хромель-алюмель От -270 до +1400 От 0,75 до 2 T Медь-константан От -270 до +400 От 0,75 до 1,5 E Хромель-константан От -270 до +1000 От 0,5 до 1 S Платина-платина/родий

(10%) От -50 до +1800 ~ 0,25 R Платина-платина/родий

(13%) От -50 до +1800 ~ 0,25 Термопары J, K и других типов состоят из двух спаянных на одном из

концов проводников, изготовленных из металлов, обладающих разными

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

23

термоэлектрическими свойствами. Спаянный конец, называемый «рабочим спаем», погружается в измеряемую среду, а свободные концы («холодный спай») подключаются ко входу измерителей, регуляторов или преобразователей. Если температуры «рабочего» и «холодного спаев» различны, то вырабатывается термо-ЭДС. Поскольку термо-ЭДС зависит от разности температуры двух спаев датчика, то для получения корректных показаний необходимо знать температуру

«холодного спая», чтобы скомпенсировать эту разницу в дальнейших вычислениях.

Во избежание влияния помех на измерительную часть прибора рекомендуется экранировать линию связи прибора с датчиком. При нарушении указанных условий могут иметь место значительные погрешности при измерении.

Поскольку напряжение генерируемое термопарой ничтожно мало, это вызывает определенные трудности измерения температуры. Выходом из данной ситуации является применение усилителя для термопары.

На рисунке 14. изображена схема усилителя, построенная на операционном усилителе AD8551.

Рисунок 14. Схема усилителя для подключения термопары Интегральные датчики

Интегральные датчики температуры (ИДТ) – самые современные и быстро развивающиеся температурные датчики, которые встраиваются в микросхемы и широко используются в электронике. Принцип работы датчиков основан на

зависимости вольт-амперной характеристики полупроводникового диода от температуры. Увидеть интегральный датчик температуры можно на рисунке 15.

Рисунок 15. Интегральный датчик температуры LM35

Диапазон измерения температуры таких датчиков невелик – от -55 до +150

оС. Характеристики некоторых ИДТ приведены в таблице 5.

Преимущества таких датчиков температуры:

• высокая чувствительность;

• высокая точность;

• дешевизна;

• небольшие размер;

• широкое использование в усилителях, регуляторах и в других электронных приборах.

Сфера их применения непрерывно расширяется, они могут использоваться в системах измерения локальной температуры процессоров, измерительных плат, в сложных системах многопараметрического контроля, например мониторинг давления и др. параметров.

Интегральные датчики температуры можно разделить на пять групп:

• датчики температуры с аналоговым выходом;

• датчики температуры с цифровым выходом;

• термостаты;

• датчики температуры с выносным диодом;

• датчики температуры с функциями управления.

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

25

Интегральные датчики температуры с аналоговым выходом имеют линейный характер функции выходного напряжения от температуры, причем зависимость может быть как прямая, так и обратная, соответственно знак чувствительности у этих групп разный.

Физическая основа работы ИДТ заложена в температурной зависимости падения напряжения на прямо смещенном кремниевом p-n-переходе, которая выражается формулой (3):

(

) ( )

где U — напряжение на переходе, k — постоянная Больцмана, T— абсолютная температура, q— заряд электрона, I— ток через переход, Is — обратный ток насыщения, величина которого зависит от конфигурации и температуры перехода.

Вышеприведенную зависимость непосредственно использовать для точного измерения температуры нельзя по двум причинам. Во-первых, существует значительный разброс «начального» прямого падения напряжения на переходе, связанный с технологией его изготовления, а во-вторых, существенный вклад в зависимость U(T) вносит температурная зависимость Is. В связи с этим для измерения температуры в ИДТ используют разность напряжений двух p-n- переходов, а точнее, напряжений база-эмиттер ΔUBE двух транзисторов VT1 и VT2, которая может быть определена по формуле (4):

( ) ( )

где JE1 и JE2 — плотность тока эмиттеров транзисторов.

Эффекты, связанные с током насыщения и начальным падением напряжения на p-n-переходах при этом компенсируются, и температурная зависимость становится линейной с высокой точностью. В реальных устройствах используют транзисторы с разными площадями эмиттерных переходов, что обеспечивает заданное соотношение плотностей тока эмиттеров, или набор одинаковых транзисторов, соединенных параллельно.

Практическая схема измерения температуры с температурным коэффициентом выходного напряжения 10 мВ/°K приведена на рисунке 16.

Требуемое значение коэффициента достигается определенным соотношением сопротивлений резисторов 26R и 23R. Резистор 100R, используется для точной калибровки датчика. Данная схема применяется в популярных микросхемах ИДТ LM135 — LM335.

Рисунок 16. Схема для измерения температуры по разности напряжений эмиттерных переходов транзисторов

Таблица 5. Датчики температуры с аналоговым выходом

Наименование Температурный

диапазон, °C Точность,

±°C

Чувствительность,

мВ/°C UПИТ, В IПИТ, мкА

Тип корпуса

LM19C -55…130 3,5 -11,7 2,4…5,5 10,0 TO92-3

LM20B -55…130 2,5 -11,7 2,4…5,5 10,0 SC70-5

LM35 -55…150 1,5 10,0 4,0…30,0 105,0 TO46-3

LM62C 0…90 +4,0/-3,0 15,6 2,7…10,0 165,0 SOT23-3 LM34A -50…300°F 2,0°F 10,0 мВ/°F 5,0…30,0 163,0 TO46-3

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

27

На рисунках 17 и 18 представлены схемы подключения ИДТ в градусах Кельвина и градусах Цельсия соответственно. На рисунке 17 представлена базовая схема – а) и б) – схема с калибровкой. На рисунке 18 представлено подключение ИДТ для:

а) – только положительных температур;

б) – всего диапазона температур.

Рисунок 17. Схема подключения интегрального датчика температуры в градусах Кельвина

Рисунок 18. Схема подключения интегрального датчика температуры в градусах Цельсия

Биметаллический датчик

Биметаллическим датчиком можно назвать две, соединенных между собой, разнородных металлических пластины, например медь и железо. Нужно такое соединение для того, чтобы приводить в движение электромеханический

переключатель или выполнять другие механические задачи, при достижении некоторой температуры, за счет изгиба формы пластины.

Принцип работы биметаллического датчика довольно прост. Его работу можно описать так – пусть биметаллический датчик состоит из двух тонких пластин – медной и железной, соединенных между собой. Один конец (или оба) закреплен(ы) в устройстве, а другой конец (или середина) подвергается нагреванию. За счет разности в температурных коэффициентах, например

( ) для меди и ( ) для железа, происходит изгиб пластины, достаточный, чтобы замкнуть (рисунок 19) или разомкнуть контакты.

Рисунок 19. Работа биметаллической пластины на замыкание контакта Диапазон работы биметаллических датчиков от -40 до +550 ^oC.

Используются для измерения поверхности твердых тел и температуры жидкостей.

Биметаллические датчики температуры можно встретить практически в каждом доме. Они устанавливаются в масляных обогревателях, бытовых электроприборах, тепловых реле и др.

Термисторы

Термистор — это чувствительный к изменениям температуры элемент, изготовленный из полупроводникового материала. Внешний вид термистора представлен на рисунке 20.

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

29

Рисунок 20. Внешний вид термисторов

Используется термистор во многих приборах, принцип работы термистора основан на зависимости электрического сопротивления от температуры. Качество любого прибора, прежде всего, зависит от физических свойств полупроводника, а также от форм и размеров самого терморезистора.

Термисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). Термисторы обладают высокой стабильностью характеристик, что позволяющие продуктивно работать в диапазоне температур до 200ºC.

Пирометр

Пирометр – прибор для определения температуры любого объекта на основе инфракрасного датчика. Пирометр (рисунок 21) внешне напоминает пистолет. Он имеет такую же рукоятку, только вместо ствола у пирометра находится инфракрасный датчик.

Рисунок 21. Внешний вид пирометра

Принцип работа пирометра – сначала пирометр наводится на объект, с которого необходимо измерить температуру. Затем необходимо нажать кнопку, чтобы инфракрасный датчик измерил поток теплового излучения, далее преобразуют показания в температурные. Затем полученное значение выводится на дисплей.

Диапазон измеряемых температур определяется параметрами пирометрического датчика. В большинстве случаев он составляет от -30 до 360°С.

Расстояние между прибором и телом (рисунок 22), с которого необходимо снять температуру, нужно выбирать таким, чтобы площадь контакта не превышала геометрические параметры тела. На рисунке 23 изображен пирометр с показателем визирования 12:1. Этот показатель рассчитывается как отношение диаметра пятна (круга) на поверхности, излучение с которого регистрируется пирометром, к расстоянию до объекта.

Рисунок 22. Соотношение расстояния и площади для измерения пирометром На рисунке 23 представлены три варианта измерения температуры с помощью пирометра. Правильное наведение пирометра на объект измерения - залог точных измерений.

.

Рисунок 23. Примеры расположения пятна относительно объекта измерения

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

31

• Первый вариант - правильный: объект с большим запасом перекрывает пятно визирования.

• Второй вариант - нежелательный: размеры объекта сопоставимы с пятном визирования, при небольшом уменьшении геометрических размеров объекта или частичного ухода объекта пирометр будет показывать неверные значения.

• Третий вариант - неправильный: пятно визирования больше объекта, пирометр будет всегда показывать неверные значения, необходимо приблизиться к объекту.

Принцип действия пирометров основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света. Достаточно просто направить пирометр на объект измерения и нажать кнопку — температура поверхности отобразится на экране.

Основные характеристики:

• диапазон измерения от -50 до +2200 °С;

• точность — ±3 % до температуры +1400 °С;

• показатель визирования — 1:1, 5:1, 6:1, 8:1, 10:1, 12:1, 13:1, 30:1, 50:1, 80:1;

• коэффициент излучаемой способности — от 0,1 до 1,0;

• лучевой лазерный указатель;

• время отклика — менее 150 мс;

• возможность подключения термопары;

• отображение температуры — °С, °F (текущее значение, максимум, минимум, разница, среднее);

• габаритные размеры не превышают 280х200х80 мм.

Двухцветные пирометры:

Принцип работы двухцветного пирометра основан на измерении отношения значений излучаемых энергий двух или более волн в разных цветовых спектрах.

Применение такой технологии позволяет избежать влияния внешних факторов окружающей среды на показания пирометра.

Оптоволоконные пирометры:

В оптоволоконном пирометре световой поток транспортируется к детектору по оптоволоконному кабелю, который может быть изогнут в произвольной форме.

Это свойство позволяет проводить измерения в труднодоступных местах. Кроме этого, оптоволоконный кабель не подвержен влиянию сильных электромагнитных полей и устойчив к большим давлениям или вакууму.

В пирометрах такого типа одновременным и плюсом и минусом является фиксированный фокус. Плюс состоит в том, что можно выбрать модель пирометра с очень малым показателем визирования, минус – необходимо точно соблюдать расстояние между пирометром и объектом измерения.

Акустические датчики температуры

Акустические датчики температуры используются для измерения средних и высоких температур. Так же они применяются в экстремальных условиях и при проведении измерений в замкнутом герметичном объеме.

Акустические датчики состоят из излучателя и приемника акустических волн.

Излучатель испускает сигнал, который проходит через исследуемую среду.

Измерив время прохождения сигнала по известному расстоянию, вычислитель считает скорость распространения при данной температуре. Например, для газов зависимость скорости ультразвука от температуры выражается формулой 5:

√ ( ) где Т — абсолютная температура;

- коэффициент, зависящий от давления, плотности, молекулярной массы газа.

Акустический датчик температуры (рисунок 24) состоит из трех компонентов: ультразвуковых передатчика и приемника, а также герметичной трубки, заполненной газом. Передатчик и приемник представляют собой керамические пьезоэлектрические пластины, акустически несвязанные с трубкой, что обеспечивает распространение звука преимущественно через газ внутри трубки. В качестве газа чаще всего используется сухой воздух.

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

33

Рисунок 24. Акустический датчик температуры

Тактовое устройство работает на низкой частоте (порядка 100 Гц). Его импульсы запускают передатчик и блокируют приемник. Передающий кристалл изгибается и тем самым запускает ультразвуковую волну, которая распространяется вдоль трубки. На принимающий кристалл приходит сигнал разрешения, и он преобразует дошедшую до него акустическую волну в электрический сигнал, который усиливается и передается в схему управления. Блок управления по времени распространения волны вдоль трубки вычисляет скорость звука, по которой при помощи калибровочных коэффициентов, находится искомая температура.

ГЛАВА 2. ВЫБОР КОМПОНЕНТОВ ARDUINO UNO

Плата Arduino UNO — это самое популярное и самое доступное устройство Arduino. В ее основе лежит чип ATmega. В последней версии Arduino UNO R3 — это ATmega328 (ранее был ATmega168). Arduino UNO является самым подходящим вариантом для начала работы с платформой – она имеет удобный размер (не слишком большой, как у Arduino Mega и не такой маленький, как у Arduino Nano), достаточно доступна из-за массового выпуска всевозможных аналогов, большого количества шилдов, под нее написано огромное количество бесплатных уроков и скетчей.

Микроконтроллер для платы Arduino UNO может быть установлен как с использованием поверхностного монтажа, так и с помощью «традиционной»

технологии – сквозного монтажа. Эти две вариации исполнения плат Arduino UNO представлены на рисунке 25 и 26.

Рисунок 25. Плата Arduino Uno («традиционный» монтаж микроконтроллера)

27.03.04.2018.318.09 ПЗ

35