Kupima Joto Kutumia PT100 na Arduino: Hatua 16

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:51

Lengo la mradi huu ni kubuni, kujenga na kujaribu mfumo wa kuhisi joto. Mfumo huo ulibuniwa kupima kiwango cha joto cha 0 hadi 100 ° C. PT100 ilitumika kupima hali ya joto, na ni kigunduzi cha joto cha upinzani (RTD) ambacho hubadilisha upinzani wake kulingana na hali yake ya joto.

Hatua ya 1: Vifaa

1x PT100

Bodi ya mkate ya 1x

Wapinzani wa 2x 2.15 kohms

1x 100 ohms ya kupinga

Waya

Ugavi wa umeme

Tofauti amplifier

Hatua ya 2: Kuhusu PT100

Kama sehemu ya mradi wetu tumepewa jukumu la kupima joto la kawaida kutoka digrii 0 hadi digrii 100 za Celsius. Tuliamua kutumia PT100 kwa sababu zifuatazo:

PT100 ni kigunduzi cha joto cha upinzani (RTD), ambacho kinaweza kupima joto kutoka -200 digrii hadi kiwango cha juu cha digrii 850 Celsius, lakini haitumiwi kupima joto zaidi ya digrii 200. Masafa haya yanakubaliana na mahitaji yetu.

Sensorer hii hutoa upinzani kwa joto linalopewa karibu. Uhusiano kati ya joto na upinzani wa sensor ni sawa. Hii, pamoja na usanidi mdogo ambao sensor inahitaji, inafanya iwe rahisi kufanya kazi na madhabahu ikiwa safu zingine za joto zinahitajika katika siku zijazo.

PT100 pia ina wakati wa kujibu polepole lakini ni sahihi. Tabia hizi hazina athari kubwa kwa lengo letu na kwa hivyo hazikuwa na ushawishi wakati wa kuamua ni sensor ipi ya joto itumiwe.

Hatua ya 3: Daraja la Ngano

Daraja la ngano hutumiwa kupima upinzani wa umeme usiojulikana kwa kusawazisha miguu miwili ya mzunguko wa daraja, mguu mmoja ambao unajumuisha sehemu isiyojulikana.

Faida ya msingi ya mzunguko ni uwezo wake wa kupata anuwai ya voltage ya pato ambayo huanza saa 0V.

Mgawanyiko rahisi wa voltage unaweza kutumika lakini haitaturuhusu kujiondoa yoyote ya sasa, ambayo itafanya kukuza pato la voltage lisifanye kazi vizuri.

Upinzani katika PT100 hutofautiana kutoka 100 hadi 138.5055 kwa joto la nyuzi 0 hadi 100 Celsius.

Njia ya daraja la ngano iko hapa chini, inaweza kutumika kuokoa daraja la ngano kwa safu tofauti zilizopatikana kutoka kwa meza ya pdf iliyoambatanishwa.

Pato = Vin (R2 / (R1 + R2) - R4 / (R3 + R4))

Katika hali yetu:

R2 itakuwa upinzani wetu wa PT100.

R1 itakuwa sawa na R3.

R4 inahitaji kuwa sawa na ohms 100 ili kutoa 0V kwa digrii 0 Celsius.

Kuweka Vout kwa 0V na Vin hadi 5V inatuwezesha kupinga kupata maadili ya R1 na R2 = 2.2k ohms.

Tunaweza basi sub katika 138.5055 ohms kwa upinzani wa sensor kupata voltage yetu ya pato kwa digrii 100 Celsius = 80mV

Hatua ya 4: Kuiga Mzunguko

Chombo cha kuiga mizunguko, OrCAD Capture ilitumika kuiga mzunguko wetu na kupata matokeo yanayotarajiwa ya Voltage kwa joto tofauti. Hii ingetumika baadaye kulinganisha jinsi mfumo wetu ulikuwa sahihi.

Mzunguko ulifananishwa na kuathiri uchambuzi wa muda mfupi na kufagia kwa nguvu ambayo ilibadilisha upinzani wa pt100 kutoka 100 ohms hadi 138.5055 ohms kwa hatua za 3.85055 ohms.

Hatua ya 5: Matokeo yaliyoigwa

Matokeo hapo juu yanaonyesha uhusiano wa mstari wa Voltage ya pato la mzunguko na maadili ya upinzani.

Matokeo yalikuwa yameingizwa kwa ubora na kupangwa. Excel hutoa fomula ya mstari inayohusiana na maadili haya. Inathibitisha usawa na kiwango cha voltage ya pato ya sensor.

Hatua ya 6: Kuunda Mzunguko

Mzunguko uliwekwa pamoja kwa kutumia vipinga mbili vya ohm 2.2k na kontena ya 100 ohm.

Vipinga vina uvumilivu wa + -5%. Maadili tofauti ya upinzani husababisha daraja kutokuwa na usawa kwa digrii 0.

Vipinga sawa viliongezwa kwa safu ya kontena ya 100 ohm kuongeza idadi ya upinzani kupata R4 karibu na ohms 100 iwezekanavyo.

Hii ilitoa voltage ya pato la 0.00021V ambayo iko karibu sana na 0V.

R1 ni 2, 1638 ohms na R3 ni 2, 1572 ohms. Kontena zaidi inaweza kushikamana kutengeneza R1 na R3 sawa kabisa, ikitoa daraja lililo sawa kabisa.

makosa yanayowezekana:

sanduku linalopingana la kupingana linalotumiwa kupima viwango tofauti vya joto linaweza kuwa sio sahihi

Hatua ya 7: Matokeo yaliyopimwa

Matokeo yaliyopimwa yanaweza kuonekana hapa chini.

Mabadiliko ya joto yalipimwa kwa kutumia sanduku linalopingana la kupingana, kuweka upinzani wa R2 kwa vipingamizi tofauti ambavyo vinaweza kupatikana kwenye Jedwali la PT100.

Fomula inayopatikana hapa itatumika kama sehemu ya nambari ili kubaini pato la joto.

Hatua ya 8: Kwa safu kubwa zaidi za Joto

Aina ya K thermocouple inaweza kuletwa kwenye mzunguko ikiwa joto kali sana linahitaji kurekodiwa. Aina K thermocouple inaweza kupima kiwango cha joto cha -270 hadi 1370 digrii Celsius.

Thermocouples hufanya kazi kulingana na athari ya thermoelectric, Tofauti ya joto hutoa tofauti inayowezekana (Voltage).

Kama Thermocouples inavyofanya kazi kulingana na tofauti ya joto mbili joto kwenye makutano ya kumbukumbu inahitaji kujulikana.

Kuna njia mbili za kupima na thermocouples ambazo tunaweza kutumia:

Sensorer ya PT100 inaweza kuwekwa kwenye makutano ya kumbukumbu na kupima voltage ya kumbukumbu

Makutano ya kumbukumbu ya thermocouple inaweza kuwekwa kwenye bafu ya Ice ambayo itakuwa digrii 0 ya Celsius lakini haingewezekana kwa mradi huu

Hatua ya 9: Muhtasari: Hatua ya Amplifier Tofauti

Amplifier ya kutofautisha ni sehemu muhimu ya ujenzi. Amplifier ya kutofautisha inachanganya ni nini kimsingi kisichobadilisha na kugeuza kipaza sauti katika mzunguko mmoja. Kwa kweli kama na ujenzi wowote unakuja na mapungufu yake mwenyewe hata hivyo kama inavyoonyeshwa kwa hatua chache zijazo, hakika inasaidia kupata pato sahihi la 5V.

Hatua ya 10: Kuhusu Amplifier Tofauti

Amplifier tofauti ni amplifier ya kufanya kazi. Inachukua jukumu muhimu katika muundo huu wa mzunguko wa kukuza pato la voltage kutoka daraja la Wheatstone katika mV hadi V na kisha inasomwa kama pembejeo ya voltage na Arduino. Amplifier hii inachukua pembejeo mbili za voltage na huongeza tofauti kati ya ishara mbili. Hii inaitwa pembejeo ya voltage tofauti. Uingizaji wa voltage tofauti huongezewa na kipaza sauti na inaweza kuzingatiwa katika pato la kipaza sauti. Pembejeo za amplifier hupatikana kutoka kwa mgawanyiko wa voltage ya daraja la Wheatstone katika sehemu iliyopita.

Hatua ya 11: Faida na Upungufu

Amplifier tofauti huja na sehemu yake mwenyewe ya faida na hasara. Faida kuu ya kutumia amplifier kama hii ni kwa urahisi wa ujenzi. Kama matokeo ya ujenzi huu rahisi, inafanya maswala ya utatuzi yaliyokutana na mzunguko kuwa rahisi na ufanisi zaidi.

Ubaya wa kutumia mzunguko kama huu ni kwamba ili kurekebisha faida ya kipaza sauti, faida inayoamua vipinga (maoni ya kupinga na kontena iliyounganishwa ardhini) zote lazima zizimishwe, ambazo zinaweza kuwa za muda. Pili op-amp ina kiwango cha chini cha CMRR (uwiano wa njia ya kawaida ya kukataa) ambayo sio bora kwa kupunguza ushawishi wa voltage ya pembejeo ya pembejeo. Kwa hivyo katika usanidi kama wetu, kuwa na CMRR kubwa ni muhimu katika kupunguza athari za voltage kukabiliana.

Hatua ya 12: Kuchagua Faida ya Pato Inayotarajiwa

Op-amp ina vipinga 4 vilivyounganishwa na mzunguko. Vipinga 2 vinavyolingana kwenye pembejeo za voltage, nyingine imeunganishwa ardhini na vile vile kipinga maoni. Vipinga viwili hivi hutumika kama impedance ya kuingiza op-amp. Kwa kawaida, kontena katika kiwango cha kilogramu 10-100 inapaswa kuwa ya kutosha, hata hivyo mara tu vipingizi hivi vikiwa vimewekwa, faida inaweza kuamua kwa kuruhusu pato linalohitajika kupata sawa na uwiano wa kipinga maoni na kipinga pembejeo kwenye moja ya pembejeo (Rf / Rin).

Upinzani wa ardhi uliounganishwa, pamoja na kipinga maoni, zinafanana. Hizi ni faida zinazoamua kupinga. Kwa kuwa na impedance ya pembejeo kubwa, inapunguza athari za kupakia kwenye mzunguko, yaani, kuzuia kiwango cha juu cha sasa kutoka kwa kuendesha kupitia kifaa ambacho kinaweza kuwa na athari mbaya ikiwa haitadhibitiwa.

Hatua ya 13: ARDUINO MICROCONTROLLER

Arduino ni microcontroller inayoweza kupangiliwa iliyo na bandari za I / O za dijiti. Mdhibiti mdogo alipangiwa kusoma voltage kutoka kwa kipaza sauti kupitia pini ya pembejeo ya analog. Kwanza, Arduino itasoma voltage kutoka kwa kiwango cha pato la mzunguko 0-5 V na kuibadilisha kuwa 0-1023 DU na itachapisha thamani. Ifuatayo, thamani ya analogi itazidishwa na 5 na kugawanywa na 1023 kupata thamani ya voltage. Thamani hii itazidishwa na 20 ili kutoa kiwango halisi cha kiwango cha joto kutoka 0-100 C.

Ili kupata maadili ya kukabiliana na unyeti, usomaji kutoka kwa pini ya kuingiza kwenye A0 ulichukuliwa na maadili tofauti kwa PT100 na grafu ilipangwa ili kupata usawa sawa.

Nambari iliyotumiwa:

kuanzisha batili () {Serial.begin (9600); // kuanza uunganisho wa serial na kompyuta

pinMode (A0, INPUT); // pato kutoka kwa amplifier itaunganishwa na pini hii

}

kitanzi batili ()

{kuelea kukabiliana = 6.4762;

unyeti wa kuelea = 1.9971;

int AnalogValue = AnalogRead (A0); // Soma pembejeo kwenye A0

Serial.print ("Thamani ya Analog:");

Serial.println (AnalogValue); // chapisha thamani ya pembejeo

kuchelewesha (1000);

kuelea DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul na 5 kutoa kiwango cha 0-100

Serial.print ("Thamani ya Dijitali:");

Serial.println (DigitalValue); // thamani ya voltage ya analog

kuelea temp = (AnalogValue - offset) / unyeti;

Serial.print ("Thamani ya joto:");

Serial.println (temp); // muda wa kuchapisha

kuchelewesha (5000);

}

Hatua ya 14: Utatuzi wa matatizo

Ugavi wa 15V kwa op-amp na 5V kwa daraja la ngano na arduino lazima iwe na uwanja wa pamoja. (maadili yote 0v yanahitaji kuunganishwa pamoja.)

Voltmeter inaweza kutumika kuhakikisha kuwa voltage inashuka baada ya kila kontena kusaidia kuhakikisha kuwa hakuna mizunguko fupi.

Ikiwa matokeo yanatofautiana na haiendani waya zinazotumiwa zinaweza kupimwa kwa kutumia voltmeter kupima upinzani wa waya, ikiwa upinzani unasema "nje ya mtandao" inamaanisha kuna upinzani usio na kipimo na waya ina mzunguko wazi.

Waya lazima iwe chini ya 10 ohms.

Tofauti ya voltage kwenye daraja la ngano inapaswa kuwa 0V katika kiwango cha chini cha kiwango cha joto, ikiwa daraja halina usawa inaweza kuwa kwa sababu:

vipingaji vina uvumilivu, ambayo inamaanisha wanaweza kuwa na hitilafu ambayo inaweza kusababisha daraja la ngano kutokuwa na usawa, upinzani unaweza kuchunguzwa na voltmeter ikiwa imeondolewa kwenye mzunguko. vipingaji vidogo vinaweza kuongezwa kwa safu au sambamba kusawazisha daraja.

Risensi = r1 + r2

1 / Sambamba = 1 / r1 + 1 / r2

Hatua ya 15: Kuokoa

Fomula na njia ya kuokoa mfumo kwa joto tofauti inaweza kupatikana katika sehemu ya daraja la ngano. Mara tu maadili haya yakipatikana na mzunguko umewekwa:

PT100 inapaswa kubadilishwa na sanduku la kupinga, maadili ya upinzani yanapaswa kubadilishwa kutoka kwa kiwango kipya cha joto kwa kutumia maadili yanayofaa ya upinzani yaliyopatikana kutoka kwa pdf iliyoambatanishwa.

Voltage iliyopimwa na upinzani na inapaswa kupangwa kwa ubora na joto (upinzani) kwenye mhimili wa x na voltage kwenye y.

Fomula itapewa kutoka kwa njama hii, malipo yatakuwa ya mara kwa mara ambayo yanaongezwa na unyeti utakuwa nambari iliyozidishwa na x.

Maadili haya yanapaswa kubadilishwa kwenye nambari na umefanikiwa kuokoa mfumo.

Hatua ya 16: Kuanzisha Arduino

unganisha pato la mzunguko wa amp kwenye pini ya kuingiza A0 ya Arduino

Unganisha Arduino Nano kupitia bandari ya USB kwenye PC.

weka nambari kwenye nafasi ya kazi ya mchoro wa Arduino.

Tunga nambari.

Chagua Zana> Bodi> Chagua Arduino Nano.

Chagua Zana> Bandari> Chagua bandari ya COM.

Pakia nambari hiyo kwa Arduino.

Thamani ya dijiti iliyotolewa ni pato la voltage ya op-amp (inapaswa kuwa 0-5V)

Thamani ya joto ni mifumo inayosoma joto katika Celsius.