CC BY
2УДК 62-533.6
Соловьев Б.Г.
студент
Российский технологический университет (г. Москва, Россия)
УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТЕРМОСТАТОМ НА ОСНОВЕ ПРОГРАММИРУЕМОЙ ЛОГИКИ
Аннотация: разработано устройство управления термостатом на основе программируемой логики, Написана логическая связь между температурным датчиком, терморегулятором и ПЛИС, Подобраны параметры источника постоянного тока для правильной работы элемента Пельтье на основе обработанных данных.
Ключевые слова: температура, термостат, программирование.
В промышленности и быту часто существует потребность в поддержании постоянной заданной температуры. Поэтому целью настоящей работы выбрана разработка термостата - устройства поддержания постоянной температуры.
Для управления термостатом применяют современные технологические подходы и технику. С этой целью могут применяться доступные в наше время микроконтроллеры от множества производителей [1]. На их основе можно запрограммировать управление нагревателем, используя плавное изменение его мощности в процессе нагрева [2]. В качестве термометра можно использовать цифровое устройство, которое также программируется [3]. Для поддержания постоянной температуры также может применяться нейронная сеть [4]. Для управления системой охлаждения наиболее простым способом может быть использование программируемых логических интегральных схем - ПЛИС, на основе которых можно создать необходимую для работы проекта программу
[5].
1607
В настоящей работе разработано, изготовлено и апробировано устройство управления термостатом на основе программируемой логики. Устройство поддержания постоянной температуры было реализовано на основе элемента Пельтье [6-7].
Для того, чтобы поддерживать температуру постоянной, необходимо контролировать ток. Для этого было решено поставить полевой транзистор, так как он хорошо выдерживает большое количество переключений и не сильно деградирует со временем, а также на базе такого транзистора можно создать программу открывания от логического уровня. В данной работе был использован w-канальный полевой транзистор IRL540NPBF, способный пропускать ток примерно 26 А при напряжении 3,3 В. Данное напряжение обусловлено тем, что в ПЛИС, используемой в данной работе, необходимо 3,3 В для управления цифровым портом, с помощью которого будет осуществляться управление транзистором. А поскольку TEC1-12706 работает при токах не выше, чем 6 А, то данный транзистор спокойно подойдёт для реализации дипломного проекта.
В качестве упомянутой ПЛИС была использована DSDB Digilent. На её основе была реализована программная часть дипломного проекта. DSDB на борту имеет интерфейс Pmod, четырёхзначный 7-сегментный индикатор, возможность подключения протокола UART. Интерфейс Pmod позволяет подключить температурный модуль, также совместимый с данным интерфейсом. Используя 7-сегментный индикатор, можно выводить действующее значение температуры в реальном времени. С помощью протокола UART, можно вывести в ПК значения температуры, на основе которых можно построить график зависимости температуры от нужного параметра.
DSDB Digilent совместима с высокопроизводительным пакетом Vivado Design от компании Xilinx, в котором были написаны программы для работы дипломного проекта. Vivado позволяет спроектировать необходимую часть устройства поддержания постоянной температуры.
1608
В качестве температурного модуля был использован Pmod TMP2, сделанный на базе датчика температуры ADT7420 — высокоточного цифрового датчика, обеспечивающий высокую производительность в широком промышленном диапазоне. Данный температурный датчик совместим с интерфейсом Pmod, работает на интерфейсной шине I2C и обладает требуемыми в проекте характеристиками.
Функциональная схема проекта приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Функциональная схема устройства.
. Транзистор IRL540NPDF подключен к цифровому выходу регулируемого источника постоянного тока 13. Температурный модуль Pmod TMP2 подключен к программируемой плате через интерфейс Pmod в разъём JA. Также для защиты транзистора от высокого напряжения параллельно ему подключен диод.
В работе использовался температурный датчик ADT7420, сделанный на базе Pmod TMP2. Температурный диапазон шины I2C составляет Т = от — 40°С до + 150°С, Увв = от 2,7 В до 5,5 В, если не указано иное. Все входные сигналы задаются временем нарастания (¿д) = временем импульса ) = 5 нс (от 10% до 90% от Уии). Входные сигналы рассчитываются по времени с уровня напряжения 1,6 В. Максимальная частота, с которой работает линия сигналов, составляет 400 кГц. При первом преобразовании, происходящем только при
1609
включении питания, минимальное время, необходимое для старта, составляет 6 мс [14].
Температурный датчик Digilent TMP2 работает на шине I2C (Inter-Integrated Circuit). Процесс обмена данными реализуется по двум проводам: линии данных SDA (Serial DAta) и линии синхронизации SCL (Serial CLock). Изначально необходимо иметь точный цифровой датчик температуры, который будет определять температуру объекта, и элемент, с помощью которого можно будет привести действующую температуру объекта к заданной. Для работы устройства поддержания постоянной температуры был выбран элемент Пельтье TEC1-12706, работающий на оптимальных характеристиках: максимальный ток 6 А при напряжении 15,4 В. Элемент Пельтье выполнен в виде пластины, от которой отведено два вывода. На практике элемент Пельтье был подключен к источнику питания постоянного тока Б5-46 с соблюдением полярности таким образом, чтобы охлаждаемая сторона соприкасалась с радиатором охлаждения, а нагреваемая сторона соприкасалась с датчиком температуры ADT7420, расположенном в температурном модуле Pmod TMP2 (рисунок 2). Сам модуль надёжно закреплён и подключен к программируемой плате DSDB Digilent в разъём Pmod JA.
Рисунок 1. Компоновка элементов устройства.
1610
Сбоку на радиаторе закреплён полевой транзистор IRL540NPDF. Сток подключен к отрицательному полюсу источника питания и элемента TEC1-12706, исток заземлён, а база подключена к цифровому выходу платы 13.
Для получения данных с ПЛИС по протоколу УАПП плата была подключена к ПК по micro USB. Также для этого на ПК использовался терминал RealTerm. Во вкладке «Display» задаётся отображение в формате unit8 (целое число без знака с положительным значением от 0 до 255). Во вкладке «Port» были заданы номер подключенного к ПК порта, частота передачи данных в 9600 бод, отсутствие бита чётности, внутренний пакет данных длиной в 8 бит и один стоповый бит.
Для повышения температуры необходимо подать питание на элемент Пельтье. Для этого использовался источник питания постоянного тока с разными значениями напряжения и силы тока.
Были проведены контрольные испытания разработанного устройства со значениями заданной температуры 32, 35, 50 и 90°С. Использованы значения силы тока 1, 3 и 4,5 А, напряжения 4 и 10 В.
32 -
30-
га
Й 28 О,
Ц
26-
24-
—,-,-|-
-5 0 5
—г—
10
—т—
15
20
—г—
25
Время, с
—1—
30
-1
35
Рисунок 3. График зависимости температуры от времени при напряжении 4 В, силе тока 5 А.
1611
Для примера на рис. 3 приведен график зависимости температуры от времени при нагреве с 25°С до 90°С. Значения напряжения и силы тока 4 В и 5 А соответственно.
На основе полученных данных можно сделать вывод, что оптимальным вариантом является напряжение в 4 В и сила тока в 3 А. И чем меньше значение напряжения и силы тока, тем более точно будет работать устройство поддержания постоянной температуры и тем более устойчивой будет заданная температура.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Н.А. Испулов, А.Ж. Жумабеков, А.Б. Абдрахманов. Разработка программы универсального термостата с помощью микроконтроллера // Вестник карагандинского университета. Серия: физика. 2017. Т. 2, №86, с. 4753;
2. А.В. Михайлов, М.Г. Родионов. Устройство управления термостатом // Омский вестник. 2007. Т. 3, №60, с. 93-95;
3. И.В. Портнова, И.А. Кудрявцев. Устройство для контроля и программирования цифрового термометра и термостата DS1620 // Вестник СГАУ. 1999. Т. Вып. 2, с. 5-6;
4. Н.Т. Хайруллина. Выбор типа нейросети для поддержания постоянной температуры // Новые вопросы в современной науке: мате риалы Международной (заочной) научно-практической конференции. София, Болгария, 30 ноября 2019 года. Казань, 2019. С. 61-64;
5. М.В. Бобырь, А.А. Дородных, А.С. Якушев. Вычислительный модуль на ПЛИС для устройства управления термоэлементом // Научные труды VI Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении». 2019. с. 67-69;
6. В.А. Гринкевич. Синтез регулятора температуры для термостолика на основе элемента Пельтье // Научный вестник НГТУ. 2020. Т. 78, №1, с. 55-74;
1612
7. В. Г. Охрем. Расчетная модель холодильного элемента Пельтье // Успехи прикладной физики. 2017. Т. 5, No 3, с. 299-304
Soloviev B.G.
Russian Technological University (Moscow, Russia)
CONTROL DEVICE THERMOSTAT BASED PROGRAMMABLE LOGIC
Abstract: a thermostat control device has been developed based on programmable logic. A logical connection between the temperature sensor, thermostat and FPGA has been written. The parameters of the DC source have been selected for the correct operation of the Peltier element based on the processed data.
Keywords: temperature, thermostat, programming.
1613
