Измерение температуры с помощью термопары и микроконтроллера AVR. Контроллер больших температур на термопаре K-типа
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.
В последнее время в связи с частым использованием различных понижающих, повышающих, зарядно-контрольных модулей возникла надобность в термометре с обширным диапазоном измерений. Так как имевшийся в наличии мультиметр не имел функции измерения температуры, задумался о приобретении отдельного устройства. Погружные термометры отмел сразу – слишком инерционны. Пирометры, хоть и позволяют дистанционно измерять температуру, но отпугивают ценой и не блещут качеством. По крайней мере, те что попадались в руки не впечатлили.
В результате поисков был заказан за 3,99 $ электронный термометрТМ 902C 
Подобных приборов на просторах Алиэкспресс великое множество, но остановился на этом в силу следующих причин:
- узкоспециализированное устройство без дополнительных функций;
- широкий диапазон измерений;
- комплектация прибора термопарой ТР-02 с верхним пределом измерений 750 градусов Цельсия.
Есть другая модификация термометра – с питанием от двух элементов ААА, но в комплекте с термопарой ТР01 с пределом измерений в 350 (400 –согласно некоторых источников) градусов. Покупать отдельно термопару ТР02 смысла не увидел и закрыл глаза на питание от Кроны.
Что декларируют нам производитель с продавцом согласно инструкции на понятном всем нам языке)?
Хоть язык на самом деле мало кому из нас понятен, но хоть не много технически грамотный человек поймет, что прибор:
- при своих размерах 24* 72 *108
- питании от 9 Вольт (Крона, 9F22);
- относительной влажности ≤ 75 %;
- способен измерять температуру от -50 до 1300 градусов Цельсия (1370 – по инструкции);
- работает с термопарами типа К соответствующего диапазона.
Судя из информации в инструкции погрешности прибора, в диапазонах следующие (в Цельсиях):
От – 40 до – 20: -± 3 градуса;
От -20 до – 0: -± 2 градуса;
От 0 до 500: -± 0,75-1 градус;
От 500 до 750: -± 1 %;
От 750 до 1000 и от 1000 до 1370: не смог точно интерпретировать.
Наиболее распространенными являются термопары ТР01 и ТР02 с диапазонами от -50 до 350 (400) и от -50 до 750 градусов Цельсия, соответственно.
При покупке был задан вопрос продавцу о том, какая именно термопара будет в комплекте.
Были получены заверения, что термометр будет измерять температуру от -50 до 750 градусов, т.е. в комплекте будет зонд ТР02, что подтверждают дальнейшие испытания.
Внешне прибор сделан очень аккуратно, литье качественное. 
Вес с элементом питания и термопарой
Задняя крышка крепится двумя винтами. Этими же винтами крепится и плата – просто, надежно и экономно.
Двумя винтами и двумя защелками к плате крепится дисплей.
Углы обзора широкие.
Внутри литье корпуса менее тщательное, что не критично.
Плата сделана из гетинакса.
Качество обработки одного из четырех торцов платы (не забываем за цену прибора)
Дисплей размером 1,9 дюйма соединяется с платой через токопроводящую резинку, поэтому снимать экран не стал – вряд ли удастся, потом правильно поставить на место.
На окантовке экрана имеются проушины для крепления винтами к корпусу – в данном случае такая схема крепления не применяется.
Присутствуют легкие следы флюса, но думаю, на работоспособности это никак не отразится. 
Как видим, на плате и элементов то почти нет – наверняка под экраном скрывается микросхема-клякса, отвечающая за обработку сигнала с зонда, вычисления и вывод информации на экран.
Изучив внутренний мир прибора, перешел к полевым испытаниям.
На первых порах для сравнения показаний использовал погружной кухонный термометр и комнатный. Комнатный давно не внушал доверия и, впоследствии, был исключен из программы соревнований.
Морозильная камера холодильника
Погружной сразу после извлечения из морозилки показал на 0,2 градуса ниже, но сфотографировать одновременно не получается из за быстрой реакции на изменение температуры обозреваемого и инерционности погружного термеметров.
На свежем воздухе
Веранда
Комната
Горячая вода
Температура кипения воды
Дальше в качестве источника тепла были использованы паяльники. Погружной термометр уже применять не стал так, как его трудно приладить к точечному источнику тепла, а прогревать весь корпус сложно.
На последней фотографии видно, что температура нагревательного элемента выше 400 градусов, что говорит о том, что в комплекте действительно термопара ТР02.
В ходе тестов была слегка подпорчена стекловолоконная оплетка шнура термопары – попала в пламя газовой плиты. Однако это тоже можно считать тестом – она не обгорела, а лишь слегка изменила цвет.
К плюсам отнесу:
- узкую специализацию прибора;
- приличный внешний вид и качество исполнения;
- комплектацию термопарой ТР02;
- как мне кажется, достаточную точность измерений и благодаря этому широкий диапазон измерений;
Минусов, кроме источника питания 9 Вольт и отсутствия защитного колпачка термопары, не обнаружил.
Но можно собрать самому в два раза дешевле.
Кому интересно - добро пожаловать под кат.
Начнем по порядку.
Термопара… как термопара. Метр ровно, К типа, 0-800C
Можно врезать в корпус, имеется резьбовая часть, которая вращается свободно. Диаметр 5,8мм, шаг - 0,9~1.0мм, похоже М6 x 1,0 мм. Под ключ на 10
Это все хорошо, дальше что делать? Нужно преобразовать сигнал (термоэдс) в цифровой или аналоговый сигнал, чтоб читать ардуиной. В этом нам поможет . Это преобразователь сигнала термопары K-типа в цифру, имеет интерфейс, что нас устраивает.
А вот и наш герой - ($4.20)
Стоил $4.10, но того лота больше нет (продавец тот же).
Подключать будем к ардуине, можно взять простенькую ($5.25, можно найти дешевле, здесь Вы видите именно эту)
Данные будем писать на карту памяти (и заодно слать в порт) с помощью $1.25.
Интерфейс, тоже, кстати, SPI. Только не все карточки его поддерживают. Не завелось - попробуйте сначала другую.
В теории все линии SPI устройств (MOSI или SI, MISO или SO, SCLK или SCK), кроме CS (CS или SS - выбор микросхемы), можно подключить к одним контактам ардуины, но тогда MAX6675 работает неадекватно. Поэтому я все разнес по разным пинам.
В основу скетча лег пример по работе с картами памяти с .
Библиотека и скетч для MAX6675 . Схема подключения MAX6675:
#include
#include
Int units = 1; // Units to readout temp (0 = F, 1 = C)
float error = 0.0; // Temperature compensation error
float temp_out = 0.0; // Temperature output varible
MAX6675 temp0(9,8,7,units,error);
Void setup()
{
Serial.begin(9600);
Serial.print(«Initializing SD card...»);
PinMode(10, OUTPUT);
if (!SD.begin(10)) {
Serial.println(«initialization failed!»);
return;
}
Serial.println(«initialization done.»);
// Проверяем, существует ли на карте файл data.csv, если существует, то удаляем его.
if(SD.exists(«temp.csv»)) {
SD.remove(«temp.csv»);
}
// открываем файл. заметьте, что только один файл может быть открыт за раз,
// поэтому вы должны закрыть этот, чтобы открыть другой.
myFile = SD.open(«temp.csv», FILE_WRITE); // открыть на запись
if (myFile) {
Serial.print(«Writing to temp.csv...»);
// закрываем файл:
myFile.close();
Serial.println(«done.»);
}
else {
}
}
void loop()
{
Temp_out = temp0.read_temp(5); // Read the temp 5 times and return the average value to the var
Time = time + 1; // Увеличиваем время на 1
MyFile = SD.open(«temp.csv», FILE_WRITE);
// если файл нормально открылся, запишем в него:
if (myFile) {
// записываем время
myFile.print(time);
Serial.print(time);
// добавляем точку с запятой
myFile.print(";");
Serial.print(";");
// пишем температуру и перевод строки
myFile.println(temp_out);
Serial.println(temp_out);
// закрываем файл:
myFile.close();
}
else {
// а если он не открылся, то печатаем сообщение об ошибке:
Serial.println(«error opening temp.csv»);
}
delay(1000); // Ждем секунду
}
Скачать:
На МК. Сердцем его является микроконтроллер PIC16F628A. В схеме термометра используется 4-х значный или 2+2 светодиодный индикатор с общим анодом. Датчик температуры используется типа DS18B20, и в моем случае показания датчика отображаются с точностью 0,5*С. Термометр имеет пределы измерения теемпературы от -55 до +125*С, что достаточно на все случаи жизни. Для питания термометра была использована обычная зарядка от мобилы на ИП с транзистором 13001.
Принципиальная схема термометра на микроконтроллере PIC16F628A:
Для прошивки PIC16F628A я использовал программу ProgCode, установив её на компьютер и собрав программатор ProgCode по известной схеме:
Обозначение выводов используемого микроконтроллера и цоколёвка некоторых других аналогичных МК:
Программа ProgCode и инструкции с фотографиями пошаговой прошивки находятся в архиве на форуме. Там же и все необходимые для этой схемы файлы. В программе открываем и нажимаем на кнопку "записать всё”. В моем изготовленном устройстве, как видно из фотографий, собрано 2 термометра сразу в одном корпусе, верхний индикатор показывает температуру дома, нижний - на улице. Размещается он в любом месте помещения и соединяется с датчиком гибким проводом в экране. Материал предоставил ansel73. Прошивку редактировал: [)еНиС
