Как подключить термопару к контроллеру

Измерение температуры с помощью термопары и микроконтроллера AVR

Термопара – это один из видов температурных датчиков, который может применяться в измерительных устройствах и системах автоматизации. Ей присущи определенные преимущества: дешевизна, высокая точность, широкий по сравнению с термисторами и микросхемами цифровых датчиков температуры диапазон измерения, простота и надежность. Однако выходное напряжение термопары мало и относительно, а схема измерителя на термопаре сложна, так как предъявляются жесткие требования к прецизионному усилению сигнала с термопары и к схеме компенсации. Для разработки таких устройств существуют специализированные микросхемы, интегрирующие схему преобразования и обработки аналогового сигнала. С помощью этих микросхем можно построить достаточно компактный измеритель температуры с термопарой в качестве датчика (Рисунок 1).

Принципы

Википедия определяет принцип действия термопары следующим образом:

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединенными проводниками имеется контактная разность потенциалов. Если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различной. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2 (Рисунок 2).

Существует несколько типов термопар, в зависимости от используемой пары материалов (чистый металл или сплав). В нашем проекте мы используем термопару K-типа (хромель-алюмель), которая часто применяется в промышленных инструментах и приборах. Выходное напряжение термопары K-типа составляет приблизительно 40 мкВ/°С, следовательно, потребуется схема усиления сигнала с небольшим смещением напряжения по входу.

Как упоминалось выше, термо-ЭДС пропорциональна разности температур между холодным и горячим спаем. Это означает, что температура холодного спая должна быть известна для вычисления фактического значения температуры горячего спая. Для этого потребуется схема компенсации холодного спая, которая будет автоматически вводить поправку к измеренной термо-ЭДС (Рисунок 3).

Чтобы получить значение температуры с помощью термопары потребуется аналоговая схема, например прецизионный операционный усилитель и схема компенсации холодного спая. Однако, существует несколько видов специализированных микросхем со встроенным интерфейсом термопары. Эти микросхемы интегрируют указанные выше аналоговые схемы и значительно упрощают проект. В нашем случае мы выбрали микросхему MAX31855 компании Maxim. Она содержит аналоговую схему и аналого-цифровой преобразователь, следовательно, на выходе микросхемы мы получим цифровые данные. Перед покупкой микросхемы необходимо заранее определить тип термопары, которая будет использоваться в устройстве.

Основные характеристики микросхемы MAX31855:

Компенсация холодного спая реализуется с помощью интегрированного в микросхему датчика температуры, поэтому одним из важных условий при сборке измерителя является размещение микросхемы непосредственно возле коннектора подключения термопары. Немаловажным условием является также изоляция данного узла от внешнего нагрева. Для подключения мы использовали коннектор, изображенный на Рисунке 4. Можно использовать коннекторы других типов.

Принципиальная схема измерителя температуры изображена на Рисунке 5.

Сердцем прибора является микроконтроллер Atmel AVR ATmega164P. Микросхема MAX31855 подключается к микроконтроллеру по интерфейсу SPI.

В качестве источника питания используется батарея типоразмера LR1 с напряжением 1.5 В. Для питания микроконтроллера и микросхемы интерфейса термопары используется схема повышающего DC/DC преобразователя, выполненного на микросхеме серии XC9111, обеспечивающего выходное напряжение 3.0 В. Микроконтроллер осуществляет управление питанием и отслеживает напряжение батареи.

Так как для питания используется элемент питания 1.5 В, для отображения данных оптимально использовать сегментный статический ЖК индикатор TWV1302W, который применяется в цифровых устройствах измерения температуры (Рисунок 6). Рабочее напряжение этого индикатора 3 В. При использовании индикатора с рабочим напряжением 5 В потребуется дополнительная схема преобразователя напряжения (Рисунок 7). Функции управления индикатором выполняет микроконтроллер. При таком решении потребляемый устройством ток составит 4 мА, а батарея прослужит, как минимум, 100 часов.

Измеритель температуры совместно с ПК или ноутбуком может использоваться в качестве системы сбора данных. Для этого предусмотрена возможность подключения к последовательному порту RS-232 для передачи данных. Настройки порта: 8 бит данных, 1 стоп-бит, скорость передачи данных 300 бит/с.

В программе микроконтроллера реализуется чтение данных по интерфейсу SPI с интервалом 0.5 сек и отображение измеренного значения на ЖК индикаторе. Управление индикатором осуществляется в фоновом режиме.

Загрузки

Исходный код программы микроконтроллера – скачать
Демонстрационное видео – скачать

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

Источник

Микроконтроллеры

В данной статье речь пойдет о подключении термопары к микроконтроллеру Atmega8. Термопара представляет собой два проводника из разных металлов спаянных в одной точке. В этой точке при разных температурах возникает термоэдс. Метталлы берутся такими чтобы зависимость термоэдс от температуры была наиболее линейна. Это снижает погрешность измерений и облегчает расчет температуры.

Термопары испольщуются там где нам нужно измерить высокую температуру до 2000 градусов. При таких температурах цифровые датчики сразу бы вышли из строя. Есть много разных видов теромопар, но наибольшей популярностью пользуются термопары типа K (хромель-алюминий), это связано с их практически линейным графиком изменения теромоэдс. Такие термопары устанавливаются в различные виды водонагревателей, паяльных станций, их используют в установках по плавке металла.

График зависимости термоэдс от температуры для термопар типа K практически линейный на всем диапазоне температуры.

Измеренно значение термоэдс нужно преобразовать в температуру. Преобразование осуществляется при помощи коэффициента который постояннен для всего диапазано измерения температуры.

Для измерения термоэдс будем использовать АЦП (аналого-цифровой преобразователь). Для того чтобы подлючить термопару к микрокнтроллеру используется ОУ (операционный усилитель) который включается по неинвертирующей схеме. Дело в том что значение эдс очень мало и его необходимо усилить при помощи ОУ.\

Для того чтобы найти отношение входного и выходного напряжения нужно воспользоваться формулой:

Подключение термопары к микроконтроллеру

В результате получилась такой модуль:

Схема подключения двухстрочного дисплея к микрокнтроллеру

А так выглядит теомапара которая шла в комплекте с мультиметром

Код программы

Число 1.28 бы подогнато опытным путем. В качестве эталонной температуры была температура кипения воды 100 градусов. Зная температуру и подгоняя коэффициент добиваемся аналогичных показаний на дисплее.

После того как выставил показания, измерил температуру в пламени зажигалки, прибор показал значение в 700 градусов. При комнатной температуре 25 градусов прибор почему то показывал 50.

Источник

Подключение термопары к плате Ардуино

Функциональность и богатство возможностей микроконтроллеров помогают автоматизировать многие ниши, требовавшие ранее человеческого внимания. Охранные системы, управление климатом помещений или контроль производственных линий — все названное под силу цифровым помощникам человека, которые не просто выполняют последовательность действий, но и реагируют в рамках своей программы на изменившиеся обстоятельства.

Одной из распространенных моделей микроконтроллеров стали Arduino. Мини-компьютер, обладающий расширенной функциональностью и возможностью относительно простого подключения внешнего оборудования — по праву держит пальму первенства в деле производства прототипов, финальных устройств или участия в DIY-проектах.

Одно из применений Arduino — контроль температуры и запуск вспомогательной аппаратуры в зависимости от ее изменений. Примером служит обычный кондиционер — он работает только в те периоды, когда требуется нагреть или охладить воздух в помещении для приведения его характеристик в соответствие с заложенными значениями. Схематичная конструкция аппарата достаточно проста и характерна для всех устройств, содержащих логический контур:

Вместо вентилятора и нагревателя применяют другие автоматы включения внешнего оборудования, термометр может быть заменен на любой иной датчик или их комплекс. В число подобных входят сенсоры, реагирующие на освещение, звук, приближение, движение среды или нагрев. Причем последние могут быть представлены как специализированными термометрами, так и термопарой, подключаемой к Arduino. Вместо блока дистанционного управления используются электронные компоненты, обеспечивающие многообразие интерфейса с пользователем.

Применение термопары с микроконтроллером

Одной из популярных схем для Ардуино стали «умные» измерители нагрева, способные не только демонстрировать температуру, но и производить различные действия в зависимости от ее текущих значений. Измерения в пределах от −50 до 150 ℃ проводятся достаточно несложным датчиком соединяемым с микроконтроллером. Другое дело, если речь идет об очень высоких или сверхнизких значениях характеристики от −273 до 400 ℃ или выше. Здесь потребуется подключить термопару к Ардуино.

Нишей потребления связки контроллера и термодатчика могут стать паяльники, печи, холодильные установки сверхнизких температур, детекторы открытого пламени. Все те сферы, где требуется точно знать критические уровни нагрева или охлаждения.

Что такое термопара

Термопара представляет собой два соединенных сваркой проводника из разных металлов. За счет отличия температуры холодной части спайки и нагреваемой, на концах электродов возникает ток (эффект Зеебека). Сила его зависит от материалов, применяемых для каждого из проводников, но, в лучшем случае, не превышает нескольких милливольт на сантиметр их поверхности.

Подключение термопары к микроконтроллеру

Определение нагрева с помощью термопары требует обязательного получения информации о температуре холодной части конструкции. Последние данные используются для расчета показаний. Соответственно к Ардуино подключается не только сама термопара, но и датчик определяющий текущее состояние нагрева одного из ее концов.

Так как вырабатываемый ток связкой проводников низок, в обязательном порядке требуется усилитель, для соединения их с микроконтроллером. Нужна и подстройка самодельных устройств под используемые материалы в спайке и их длину. Облегчается ситуация при использовании специализированных АЦП, наподобие MAX6675 или MAX31855. Устройства преобразуют характеристики тока, полученные от термопары, в числовые значения, которые уже и передаются в Ардуино посредством пинов данных. Если использовать только прямое повышение уровня тока иными схемами, — соединение усилителя производится к аналоговым входам микроконтроллера. К сожалению, градация последних составляет всего 1024 уровня, что непосредственно влияет на точность получаемых показаний.

АЦП MAX6675, MAX31855

Представленная далее схема, как и сам АЦП изначально не рассчитаны на использование с термопарами, требующими заземления, что нужно учитывать при разработке финальной конструкции устройства. Платы MAX6675 и MAX31855 электрически взаимозаменяемы. Единственное различие в подключаемой библиотеке. Для первого АЦП получить ее можно по адресу http://github.com/adafruit/MAX6675-library, для второго https://github.com/adafruit/Adafruit-MAX31855-library.

Схема подключения

У обоих АЦП на плате 5 выходных контактов. Два используются для питания, на них подается +5В и GND соответственно. Остальные размечены следующим образом:

В качестве линий питания и земли можно также использовать цифровые пины Arduino, но нежелательно. Будут заняты еще два контакта. В случае, если все же требуется использовать такую конструкцию, в инициализацию void setup () нужно добавить следующие строки:

pinMode(pVCC, OUTPUT);
pinMode(pGND, OUTPUT);
digitalWrite(pVCC, HIGH);
digitalWrite(pGND, LOW);
//Пауза на активацию датчика
delay(500);

Соответственно в шапке скетча задать

// пин на котором +5В
#define pVCC 5
// пин для земли
#define pGND 6

Скетч работы с АЦП

// пины соединенные с АЦП MAX
#define DO 2
#define CS 3
#define CLK 4
// для MAX6675
#include «max6675.h»
MAX6675 TD(CLK, CS, DO);
// для MAX
#include «Adafruit_MAX31855.h»
Adafruit_MAX31855 TD(CLK,CS,DO);
void setup() <
Serial.begin(9600);
>
void loop() <
Serial.print(«Celsius = «);
Serial.println(TD.readCelsius());
Serial.print(«; Farentgeit = «);
Serial.println(TD.readFahrenheit());
delay(500);
>

Некоторые замечания по специализированным АЦП

В случае с аналого-цифровым преобразователем непонятно откуда он берет температуру «холодного» конца термопары. Скорее всего считает ее равной измеренной встроенным термодатчиком. Соответственно точность показаний зависит от непосредственного расположения усиливающей платы рядом с измеряющей линией.

Кроме вышеназванной проблемы стоит не забывать о «шумности» входов преобразователя, на которую жалуются пользователи АЦП MAX. Для уменьшения мешающего фактора рекомендуется разместить между контактами термопары фильтрующий конденсатор от 0.001 до 0.01 мкФ.

Критичны и выходные параметры самих спаянных рабочих проводников. Термопара должна давать именно то количество вольт на градус разницы, на которые рассчитаны усилители.

В окончание

Подключить термопару к Arduino очень просто, и программно, и аппаратно. Требуется только операционный усилитель. За рамки статьи вышел разговор об использовании аналоговых его вариантов, зато в целом и полностью рассмотрена схема с применением преобразующих силу полученного тока в цифровой сигнал моделей.

Видео по теме

Источник

#32. Подключение термопары К-типа к Arduino с помощью модуля max6675.

Для измерения высоких температур обычные датчики, такие как DS18B20, термистор – не подойдут. Высокие температуры можно измерять с помощью термопары. Но как ее подключить к Arduino? Для решения данной проблемы есть недорогой модуль max6675 который позволяет преобразовать аналоговый сигнал в цифровой. Полученное цифровое значение считывает Arduino, таким образом, мы получаем показание с термопары К-типа. А сейчас подробно разберемся, что такое термопара К-типа и как подключить модуль max6675 к Arduino.

Что такое термопар. Характеристики термопары K-типа.

Термопара – это термоэлектрическое устройство замкнутой цепи, чувствительное к температуре, которое состоит из двух проводников, выполненных из разнородных металлов. Электрический ток создается, когда температура на одном конце или спае, отличается от температуры на другом конце. Это явление носит название эффект Зеебека, который является основой измерения температуры с помощью термопар.

Существует много типов термопар, в которых используются различные сочетания металлов. Эти сочетания имеют разные выходные характеристики, которые определяют диапазон температур, в котором можно применять ту или иную термопару, и соответствующий выходной сигнал напряжения.

Термопары K-типа (хромель – алюмель).

Хромель (Chromel) – это сплав, состоящий на 90% из никеля и на 10% из хрома, а Алюмель (Alumel) – это сплав, содержащий 95% никеля, 2% марганца, 2% алюминия и 1% кремния. Термоэлектрод из сплава Chromel имеет положительный потенциал относительно термоэлектрода из сплава Alumel.

Корпус термопары, который используется в нашем примере, рассчитан на температуру до 600 °C, значит и измерения необходимо производить в диапазоне от 0 до 600 °С.

Описание модуля max6675.

Модуль преобразователя MAX6675 поставляется как вместе с термопарой, так и отдельно. Немного расскажу о самом модуле, на котором установлена одна микросхема MAX6675ISA фирмы Maxim Integrated Products конденсатор и пару разъемов. Микросхема имеет 12 битный АЦП, SPI интерфейс и точность микросхемы 0,25°C (это точность самой микросхемы, у термопары точность другая). Если необходима более подробная информация о микросхеме MAX6675, можете воспользоваться документаций, скачать можно внизу статьи.

Характеристики модуля max6675:

Для подключения модуля MAX6675 к микроконтроллеру используется интерфейс SPI, для этого на модуле выведен пяти контактный разъем, назначение каждого вывода приведено ниже.

Назначение контактов:

MAX6675 подключение к Arduino.

Для урока понадобится:

Схема подключения MAX6675 к Arduino UNO.

Подключаем питание, выводы VCC и GND (модуля MAX6675) подключаем к выводам +5В и GND (Arduino). Теперь можно подключить интерфейс ISP, для этого выводы SCK, CS, SO (модуля MAX6675), подключаем к выводам 2, 3, 4 (Arduino).

Установка библиотеки MAX6675.

В открывшемся окне ищем «MAX6675» и устанавливаем библиотеку. Сейчас можно приступить к коду для Arduino.

Скетч MAX6675 + Arduino считывания показаний с термопары и вывод значений в монитор порта.

Данный пример кода просто считывает показание с термопары и выводит значение в монитор порта.

Вот такое значения температуры с термопары мы увидим в мониторе порта.

В данном уроке мы рассмотрели основы работы с термопарой и модулем MAX6675. У меня есть несколько реализованных проектов с использованием термопары, вот один из нихАвтоматизация вакуумного пресса на Arduino и дисплее Nextion.

В следующих Arduino Уроках рассмотрим, как автоматически регулировать температуру с помощью IRF520 MOSFET.

Появились вопросы или предложения, не стесняйся, пиши в комментарии!

Не забывайте подписываться на канал Youtube и вступайте в группы в Вконтакте и Facebook.

Всем Пока-Пока.

И до встречи в следующем уроке.

Понравилась статья? Поделитесь ею с друзьями:

Источник