Сделай сам: электронный термометр своими руками. Контроллер больших температур на термопаре K-типа Измеритель температуры с термопарой схема
Поводом для сборки этой схемы послужила поломка терморегулятора в электрическом духовом шкафу на кухне. Поискав в интернете, особого изобилия вариантов на микроконтроллерах не нашел, конечно есть кое-что, но все в основном рассчитаны на работу с термодатчиком типа DS18B20, а он очень ограничен в температурном диапазоне верхних значений и для духовки не подходит. Задача ставилась измерять температуры до 300°C, поэтому выбор пал на термопары К-типа. Анализ схемных решений привел к паре вариантов.
Схема терморегулятора - первый вариант
Термостат собраный по этой схеме имеет заявленный предел верхней границы 999°C. Вот что получилось после его сборки:
Испытания показали, что сам по себе термостат работает достаточно надежно, но не понравилось в данном варианте отсутствие гибкой памяти. Пошивка микроконтроллера для обеих вариантов - в архиве .
Схема терморегулятора - второй вариант
Немного поразмыслив пришел к выводу, что возможно сюда присоединить тот же контроллер, что и на паяльной станции, но с небольшой доработкой. В процессе эксплуатации паяльной станции были выявлены незначительные неудобства: необходимость перевода таймеров в 0, и иногда проскакивает помеха которая переводит станцию в режим SLEEP . Учитывая то, что женщинам ни к чему запоминать алгоритм перевода таймера в режим 0 или 1 была повторена схема той же станции, но только канал фен. А небольшие доработки привели к устойчивой и "помехонекапризной" работе терморегулятора в части управления. При прошивке AtMega8 следует обратить внимание на новые фьюзы. На следующем фото показана термопара К-типа, которую удобно монтировать в духовке.
Работа регулятора температуры на макетной плате понравилась - приступил к окончательной сборке на печатной плате.
Закончил сборку, работа тоже стабильная, показания в сравнении с лабораторным градусником отличаются порядка на 1,5°C, что в принципе отлично. На печатной плате при настройке стоит выводной резистор, пока что не нашел в наличии SMD такого номинала.
Светодиод моделирует ТЭНы духовки. Единственное замечание: необходимость создания надежной общей земли, что в свою очередь сказывается на конечный результат измерений. В схеме необходим именно многооборотный подстроечный резистор, а во-вторых обратите внимание на R16, его возможно тоже необходимо будет подобрать, в моём случае стоит номинал 18 кОм. Итак, вот что имеем:
В процессе экспериментов с последним терморегулятором появились ещё незначительные доработки, качественно влияющие на конечный результат, смотрим на фото с надписью 543 - это означает датчик отключен или обрыв.
И наконец переходим от экспериментов до готовой конструкции терморегулятора. Внедрил схему в электроплиту и пригласил авторитетную комиссию принимать работу:) Единственное что жена забраковала - маленькие кнопки на управлении конвекцией, общее питание и обдув, но это решаемо со временем, а пока выглядит вот так.
Регулятор заданную температуру держит с точностью до 2-х градусов. Происходит это в момент нагрева, из-за инертности всей конструкции (ТЭНы остывают, внутренний каркас выравнивается температурно), в общем в работе схема мне очень понравилась, а потому рекомендуется для самостоятельного повторения. Автор - ГУБЕРНАТОР .
Обсудить статью СХЕМА ТЕРМОРЕГУЛЯТОРА
Прибор (см. рисунок) можно использовать для автоматического контроля измерения температуры в теплицах и овощехранилищах, сушильных шкафах и электропечах, а также в биомедицинских целях. Он обеспечивает высокую чувствительность и помехоустойчивость, удобное управление режимами работы. Наличие гальванической развязки по цепям питания и управления делают его надежным и безопасным в работе. Оптронная система синхронизации с частотой сети позволяет избежать коммутационных помех.
Прибор состоит из двух основных функциональных узлов: электронного терморегулятора и цифрового измерителя. Управляющие сигналы в терморегуляторе формируются на основе сравнения напряжения, получаемого от термопары (ТП), с опорным напряжением.
Основные технические характеристики прибора: диапазон контролируемых температур от 0 до 200 или до 1200 °С в зависимости от используемого датчика. Погрешность термометра не более 1,5% от верхнего предела измерения; максимальная точность поддержания температуры до 0,05°С. Следует учитывать, что система с использованием ТП является дифференциальной, т.е. напряжение на ее выходе пропорционально разности температур между соединенными и свободными концами термопары Поэтому если при высоких контролируемых температурах влияние колебаний температуры окружающей среды на выходное напряжение ТП незначительно, и его можно не учитывать, то для контролируемых температур менее 200°С необходимо применять дополнительные меры по компенсации изменения температуры свободных концов термопары. Максимальная частота коммутации нагрузки 12,5 Гц, ток нагрузки до 0,1A, а при использовании дополнительного симисторного ключа до 80 А при напряжении ~220 В, габаритные размеры 120х75х160 мм.
Переменное напряжение 24 В с частотой сети (f), снимаемое с вторичной обмотки трансформатора Т1, через ограничивающий резистор R21 поступает на транзисторный оптрон U1, на выводе 5 которого образуются синхронизирующие импульсы, фронт которых по времени практически совпадает с моментами перехода сетевого напряжения через нуль. Далее эти импульсы поступают на цифровую часть прибора, которая на основе сигналов, приходящих с аналого вой части, формирует соответствующие управляющие сигналы.
Аналоговая часть прибора реализована на четырех ОУ микросхемы К1401УД2. Напряжение, снимаемое с ТП, усиливается ОУ DA1.1 и поступает на входы ОУ DA1.2...DA1.4, выполняющие роль компараторов. Опорные напряжения, определяющие пороги их переключения, задаются резисторами R8, R9, R11, R12, R14-R16. Благодаря отсутствию обратных связей в ОУ (DA 1.2-DA 1.4) и большому коэффициенту их усиления, достигнута очень высокая чувствительность прибора. Резистор R12 служит для установки верхнего температурного порога, при котором нагрузка отключается, а резистор R9 предназначен для задания разницы температуры (Dt) между верхним и нижним порогами переключения терморегулятора. Когда регулировка Dt не требуется, для обеспечения максимальной точности поддержания температуры вместо резистора R9 рекомендуется установить перемычку, резистор R8 при этом можно исключить из схемы. Цепи на элементах VD1-VD3, С1-СЗ, R10 R13, R17 служат для предотвращения прохождения отрицательного напряжения на входы цифровых микросхем и устранения помех. Синхронизация триггеров DD1.2, DD2.1, DD2.2 осуществляется импульсами, формируемыми счетчиком DD3. Логику формирования управляющих сигналов в устройстве поясняет таблица.
В установившемся режиме работы, когда температура на объекте соответствует заданной, индикатор HL2 должен быть постоянно включен, а индикаторы HL1, HL3 выключены. Об отклонениях температуры, сигнализирует включение индикаторов HL1, HL3. Для повышения наглядности они работают в мигающем режиме. Необходимые для управления этими индикаторами импульсы формируются на выходах 5 и 12 счетчика dD3. С вывода 9 триггера DD1.2 через эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 сигнал идет на цепи индикации и управления нагрузкой. Принудительное отключение нагрузки осуществляется выключателем SA1, размыкающим эти цепи. Для управления нагрузкой используется динисторный оптрон U2, включенный в диагональ моста VD2. Максимальный коммутируемый ток в таком варианте составляет 0,1 A. Установив дополнительно семи-стор VS1 и соответственно изменив схему включения нагрузки, этот ток можно увеличить до 80 А.
Функции измерения температуры, а также отображение ее значения реализованы на основе микросхемы К572ПВ2 (аналог ILC7107) . Выбор этого АЦП обусловлен возможностью непосредственного подключения к нему светодиодных знакосинтезирующих индикаторов. При использовании жКи можно применить К572ПВ5 . При отжатой кнопке SВ1 на АЦП поступает напряжение с выхода ОУ DA1.1, обеспечивая режим измерения температуры. При нажатии на кнопку SВ1 измеряется напряжение на переменном резисторе R12, соответствующее температуре установленного порога регулирования.
Детали. В устройстве использованы постоянные резисторы типа МЛТ, подстроенные СП5-2 (R9, R15), переменный СПЗ-45 (R12), конденсаторы типа К73-17 (С11-С13), КТ1 (С10), К53-1 (С4-С7). Оптрон АОУЮ3В можно заменить АОУ115В. Индикаторы HG1-HG4 типа SA08-11HWA можно заменить отечественными КЛЦ402.
Настройка заключается в установке резистором R3 правильных показаний термометра при минимальной температуре, а резистором R4 - при максимальной. Для устранения взаимного влияния сопротивлений резисторов такую регулировку следует повторить несколько раз. Правильно собранный прибор в дальнейшей настройке не нуждается, необходимо лишь установить резистором R9 требуемое значение Dt, а резистором R15 - допустимый предел превышения температуры до включения аварийной сигнализации.
В качестве датчика температуры можно использовать полупроводниковый диод. Основными преимуществами последнего являются низкая стоимость и намного меньшая инерционность по сравнению с интегральным датчиком, точность измерений достигает 0,2°С в диапазоне температур от -50 до +125°С. Питание низковольтной части устройства осуществляется от двуполярного стабилизатора напряжением ±5 В, собранного на элементах DA2-DA3, С4-С9. Для управления оптроном U1 используется напряжение +12 В. Запрещается включение прибора без наличия заземления. Прибор имеет высокую помехозащищенность, допускающую значительную протяженность линии, соединяющей его с датчиком. Однако для обеспечения надежной работы прибора не следует прокладывать ее вблизи силовых проводов, несущих высокочастотные и импульсные токи.
Литература:
1. Ануфриев Л. Мультиметр на БИС// Радио.- 1986. №4.- C. 34-38.
2. Суетин. В. Бытовой цифровой термометр// Радио.- 1991. №10. C.28-31.
3. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Энергоато-миздат, 1988.
Термопары широко применяются там где необходимо точно померить высокие температуры, т
емпературы вплоть до 2500°C. То есть там, где цифровые датчики бы сразу сдохли от перегрева, применяются термопары. Разновидностей термопар существует достаточно много, но самое большое распространение получили хромель-алюмелевые (тип К) термопары, из-за своей дешевизны и практически линейному изменению термоэдс. Этот вид термопар ставятся в водонагреватели и другие бытовые приборы с контролем температуры, их повсеместно используют для контроля температуры при плавке металла, с помощью этих термопар контролируется нагрев жала в паяльной станции. Поэтому будет весьма полезно познакомиться с ними поближе.
Термопара это два проводника из разных металлов и имеющих общую точку контакта (спай). В точке этого контакта возникает разность потенциалов. Эта разность потенциалов зовется термоэдс и напрямую зависит от температуры, в которой находится спай. Металлы подбираются таким образом, чтобы зависимость термоэдс от температуры нагрева была наиболее линейна. Это упрощает расчет температуры и сокращает погрешность измерений.
Так широко применяемые хромель-алюмелевые термопары имеют достаточно высокую линейность и стабильность показаний на всем диапазоне измеряемых температур.
Ниже приведен график для хромель-алюмелевых термопар (тип К) показывающий, зависимость возникающей термоэдс от температуры спая (в конце статьи будет ссылка на график с большим разряшением):
Таким образом значение термоэдс достаточно умножить на нужный коэффициент и получить температуру, не заморачиваясь с табличными значениями и аппроксимацией - один коэффициент на весь диапазон измерений. Очень просто и понятно.
Но встает вопрос о подключении термопары к микроконтроллеру. Понятно что если на выходе термопары напряжение, тогда задействуем АЦП, но разность потенциалов на выходе термопары слишком мала, чтобы уловить хоть что-то. Поэтому прежде его нужно увеличить, например, применив операционный усилитель.
Берём стандартную схему неинвертирующего включения операционного усилителя:
Отношение входного и выходного напряжений описывается простой формулой:
Vout
/Vin
= 1 + (R2/R1)
От значений резисторов обратной связи R1 и R2 зависит коэффициент усиления сигнала. Величину усиления сигнала нужно подбирать с учетом того, что будет использоваться в качестве опорного напряжения.
Допустим опорным будет напряжение питания микроконтроллера 5V. Теперь необходимо определится с диапазоном температур, которые собираемся измерять. Я взял пределом измерения 1000 °C. При этом значении температуры на выходе термопары будет потенциал примерно 41,3мВ. Это значение должно соответствовать напряжению в 5 вольт на входе АЦП. Поэтому операционник должен иметь коэффициент усиления не менее 120. В итоге родилась такая схема:
В загашнике у меня нашлась давно собранная плата с этим операционником, собирал как предусилитель для микрофона, ее я и применил:
Собрал на бредборде такую схему подключения двухстрочного дисплея к микроконтроллеру:
Термопара тоже валялась без дела долгое время - она шла в комплекте с моим мультиметром. Спай закрыт в металлическую гильзу.
Код Bascom-AVR для работы с термопарой:
$regfile
=
"m8def.dat"
$crystal
=
8000000
Dim
W
As
Integer
"подключение двухстрочного 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
"считывание значения с АЦП по прерыванию от таймера
Config
Timer1
=
Timer
,
Prescale
=
64
On
Timer1
Acp
"конфигурация АЦП
Config
Adc
=
Single
,
Prescaler
=
Auto
,
Reference
=
Avcc
Enable
Interrupts
Enable
Timer1
Do
Cls
Rem Температура:
Lcd
"Teјѕepaїypa:"
Lowerline
Lcd
W
Waitms
200
Loop
"работа с АЦП
Acp
:
Start
Adc
"запуск АЦП
W
=
Getadc
(1
)
W
=
W
/
1
.
28
"подгоняем замеры под действ. температуру
Return
End
Решил в свой ламинатор вставить термометр, термометр на термопаре K-типа. Чтобы он у меня стал более информативен, считаю, что хоббийный радиолюбитель не может довольствоваться, когда на таком приборе горит только два светодиода "POWER” и "READY” . Развожу платку под свои детальки. На всякий случай с возможностью её резать пополам(это некоторая универсальность). Сразу с местом под силовую часть на тиристоре, но пока эту часть не использую, это будет у меня схемка под паяльник (когда придумаю, как в жало термопару пристроить)
В ламинаторе мало места (механизмы расположены очень плотно, китай понимаеш ли), использую маленький семисегментный индикатор, но это еще не все, плата целиком тоже не влазит, вот тут пригодилась универсальность платы, разрезаю ее надвое (если использовать разъем верхняя часть подходит ко многим разработкам на пикушечках от ur5kby.)
Настраиваю, сначала делаю, как сказано в форуме , не впаиваю термопару, задаю 400 (хотя если этот параметр будет в памяти, этот пункт отпадет) настраиваю переменниками примерно комнатную и точно по кипению,
Такой контроллер теоретически работает до 999°C но в домашних условиях такую температуру вряд ли найти, самое большее это открытый огонь, но у этого источника тепла сильная нелинейность и чувствительность к внешним условиям.
вот примерная таблица.
и еще для наглядности
Так что выбор невелик в выборе источника для настройки показаний контроллера.
больше тут никакой игры кнопочками, Все можно собирать,
Термопару использовал от китайского тестера. И пост в форуме надоумил меня, что эту термопару можно размножать, её длина почти полметра, отрезаю 2 см.
делаю трансформатором по скрутке угольком, шарик получается, а к двум концам точно так, по медной проволочке, для хорошей пайки к моим проводам
Термометр на микроконтроллере PIC16F628A и DS18B20(DS18S20) – статья с подробным описанием схемы запоминающего термометра и, вдобавок, - логическое продолжение ранее опубликованной мною статьи на яндекс сайте pichobbi.narod.ru. Этот термометр довольно неплохо себя зарекомендовал, и было принято решение немного его модернизировать. В этой статье расскажу, какие изменения внесены в схему и рабочую программу, опишу новые функции. Статья будет полезна новичкам. Позже переделал текущую версию термометра в .
Термометр на микроконтроллере PIC16F628A и DS18B20(DS18S20) умеет:
- измерять и отображать температуру в диапазоне:
-55...-10 и +100...+125 с точностью 1 градус(ds18b20 и ds18s20)
-в диапазоне -9,9...+99,9 с точностью 0,1 градус(ds18b20)
-в диапазоне -9,5...+99,5 с точностью 0,5 градус(ds18s20); - Автоматически определять датчик DS18B20 или DS18S20;
- Автоматически проверять датчик на аварию;
- Запоминать максимальную и минимальную измеренные температуры.
Также в термометре предусмотрена легкая замена 7 сегментного индикатора с ОК на индикатор с ОА. Организована щадящая процедура записи в EEPROM память микроконтроллера. Вольтметр, который неплохо себя зарекомендовал, описан в этой статье - .
Принципиальная схема цифрового термометра на микроконтроллере разрабатывалась для надежного и длительного использования. Все детали, применяющиеся в схеме, не дефицитные. Схема проста в повторении, отлично подойдет для начинающих.
Принципиальная схема термометра показана на рисунке 1
Рисунок 1 - Принципиальная схема термометра на PIC16F628A + ds18b20/ds18s20
Описывать всю принципиальную схему термометра не стану, так как она довольно проста, остановлюсь только на особенностях.
В качестве микроконтроллера применяется PIC16F628A фирмы Microchip. Это недорогой контроллер и к тому же не дефицитный.
Для измерения температуры используются цифровые датчики DS18B20 или DS18S20 фирмы Maxim. Эти датчики не дорогие, малые по размеру и информация о измеренной температуре передается в цифровом виде. Такое решение позволяет, не тревожиться о сечении проводов, о их длине и прочем. Датчики DS18B20, DS18S20 способны работать в диапазоне температур от -55… +125 °С.
Температура выводится на 7-ми сегментный 3-х разрядный LED индикатор с общим катодом (ОК) или с (ОА).
Для вывода на индикатор максимальной и минимальной измеренных температур нужна кнопка SB1. Для сброса памяти так же нужна кнопка SB1
Кнопкой SA1 можно оперативно переключать датчики(улица, дом).
Jamper необходим для переключения общего провода для LED индикатора. ВАЖНО! Если индикатор с ОК – то ставим jamper на нижнее по схеме положение, а транзисторы VT1-VT3 впаиваем p-n-p проводимости. Если LED индикатор с ОА, то jamper переводим в верхнее по схеме положение, а транзисторы VT1-VT3 впаиваем n-p-n проводимости.
В таблице 1 можно ознакомиться со всем перечнем деталей и возможной их заменой на аналог.
| Позиционное обозначение | Наименование | Аналог/замена |
| С1, С2 | Конденсатор керамический - 0,1мкФх50В | - |
| С3 | Конденсатор электролитический - 220мкФх10В | |
| DD1 | Микроконтроллер PIC16F628A | PIC16F648A |
| DD2,DD3 | Датчик температуры DS18B20 или DS18S20 | |
| GB1 | Три пальчиковых батарейки 1,5В | |
| HG1 | 7-ми сегментный LED индикатор KEM-5631-ASR (OK) | Любой другой маломощный для динамической индикации и подходящий по подключению. |
| R1,R3,R14,R15 | Резистор 0,125Вт 5,1 Ом | SMD типоразмер 0805 |
| R2,R16 | Резистор 0,125Вт 5,1 кОм | SMD типоразмер 0805 |
| R4,R13 | Резистор 0,125Вт 4,7 кОм | SMD типоразмер 0805 |
| R17-R19 | Резистор 0,125Вт 4,3 кОм | SMD типоразмер 0805 |
| R5-R12 | Резистор 0,125Вт 330 Ом | SMD типоразмер 0805 |
| SA1 | Любой подходящий переключатель | |
| SB1 | Кнопка тактовая | |
| VT1-VT3 | Транзистор BC556B для индикатора с ОК/ транзистор BC546B для индикатора с ОА | KT3107/КТ3102 |
| XT1 | Клеммник на 3 контакта. |
Для первоначальной отладки работы цифрового термометра применялась виртуальная модель, построенная в протеусе. На рисунке 2 можно увидеть упрощенную модель в протеусе
Рисунок 2 – Модель термометра на микроконтроллере PIC16F628A в Proteus’e
На рисунке 3-4 показана печатная плата цифрового термометра
Рисунок 3 – Печатная плата термометра на микроконтроллере PIC16F628A(низ) не в масштабе.
Рисунок 4 – Печатная плата термометра на микроконтроллере PIC16F628A(верх) не в масштабе.
Термометр, собранный рабочих деталей начинает работать сразу и в отладке не нуждается.
Результат работы рисунки 5-7.
Рисунок 5 - Внешний вид термометра
Рисунок 6 - Внешний вид термометра
Рисунок 7 - Внешний вид термометра
ВАЖНО! В прошивку термометра не вшита реклама можно пользоваться в свое удовольствие.
Поправки, внесенные в рабочую программу:
1 автоматическое определение датчика DS18B20 или DS18S20;
2. снижено время перезаписи в EEPROM(если выполнилось условие для перезаписи) с 5 минут, до 1 минуты.
3. увеличена частота мерцания точки;
Более подробное описание работы термометра можно посмотреть в документе, который можно скачать в конце этой статьи. Если скачивать нет желания, то на сайте www.pichobbi.narod.ru также отлично расписана работа устройства.
Готовая плата отлично поместилась в китайский будильник (рисунки 8, 9).
Рисунок 8 – Вся начинка в китайском будильнике
Рисунок 9 - Вся начинка в китайском будильнике
Видео - Работа термометра на PIC16F628A
