Stabilizator temperatury płaszcza wodnego oparty na modułach Peltiera

POLITECHNIKA WARSZAWSKA Rok akademicki 2007/2008 WYDZIAŁ ELEKTRONIKI I TECHNIK INFORMACYJNYCH INSTYTUT INFORMATYKI WIECZOROWE STUDIA ZAWODOWE INFORMATYKA PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA Łukasz Trojanowski Stabilizator temperatury płaszcza wodnego oparty na modułach Peltiera Opiekun pracy dr inż. Janusz Rzeszut Ocena.... Podpis przewodniczącego Komisji Egzaminu Dyplomowego

Kierunek: Informatyka Data urodzenia: 10. września 1981. Data rozpoczęcia studiów: 1. października 2004. Życiorys. Urodziłem się dnia 10. września 1981 roku Warszawie. W latach 1988 1996 uczęszczałem do Szkoły Podstawowej nr 36 w Warszawie, a następnie w latach 1996 2000 do XXVIII Liceum Ogólnokształcącego im. Jana Kochanowskiego w Warszawie do klasy o profilu biologiczno-chemicznym. W 2000 roku ukończyłem liceum i zdałem egzamin maturalny. W 2000 roku rozpocząłem studia magisterskie w Szkole Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie na kierunku ochrona środowiska. Od 2003 roku w ramach studiów specjalizowałem się w technologiach w ochronie środowiska. 14. lipca 2005 roku złożyłem egzamin magisterski, uzyskując tytuł zawodowy magistra inżyniera. Temat pracy magisterskiej: Ocena Metod redukcji emisji dioksyn z procesu spalania odpadów komunalnych (na wybranych przykładach). Praca powstała pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. Andrzeja Świątkowskiego z Wojskowej Akademii Technicznej. W czasie trwania studiów odbyłem praktyki w Wolińskim Parku Narodowym w Międzyzdrojach i w Instytucie Badawczym Leśnictwa w Sękocinie. W 2004 roku rozpocząłem studia na wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej, w ramach których powstała niniejsza praca. Od roku 2005 wykonywałem drobne prace zlecone, związane z serwisem i obsługą sieci komputerowych. W 2006 roku odbyłem trzymiesięczny staż w Urzędzie Miasta Stołecznego Warszawy. W kwietniu 2006 rozpocząłem studia doktoranckie w Instytucie Melioracji i Użytków Zielonych w Falentach, które obecnie kontynuuję. Podpis studenta EGZAMIN DYPLOMOWY Złożył egzamin dyplomowy w dn...2008 r. z wynikiem Ogólny wynik studiów.. Dodatkowe wnioski i uwagi komisji...... 2

STRESZCZENIE Praca opisuje projekt i konstrukcję stabilizatora temperatury płaszcza wodnego. Urządzenie jest zdolne mierzyć temperaturę i sterować pracą modułu Peltiera, tak, aby utrzymanie zadanej temperatury było możliwe. Podstawowym zastosowaniem urządznia jest stabilizacja temperatury odczynnika fotograficznego. Wbudowane zostały mechanizmy kalibracji, które pozwalają zwiększyć dokładność zastosowanego cyfrowego czujnika temperatury typu LM74. Dokładność stabilizacji temperatury jest rzędu 0,1 C. Urządzenie do sterowania wykorzystuje mikrokontroler 8 bitowy ATmega32 firmy Atmel. Posiada ponadto interfejs użytkownika w postaci wyświetlacza LCD, oraz 4- przyciskową klawiaturę. Mechanizmy kalibracji wykorzystują łącze RS232C. Sterowanie modułem realizowane jest za pomocą dwóch przekaźników, sterowanych z mikrokontrolera poprzez wzmacniacze prądowe z izolacją optyczną. Słowa kluczowe: moduł Peltiera, cyfrowy pomiar temperatury, stabilizacja temperatury, ATmega ABSTRACT Stabilizer of water jacket`s temperature based on Peltier module The study describes the project and construction of the stabilizer of water jacket`s temperature. The device is able to measure temperature and drive Peltier module to keep given temperature. The basic application of the device is to keep stable temperature of photographic chemicals. The device has integrated mechanisms to calibrate, which improve accuracy of digital thermal sensor LM74 used in the device. Accuracy in stabilizing temperature is in order of magnitude of 0.1 C The device uses ATmega32 microcontroller from Atmel for driving. It also has user interface that consists of LCD and four-button keypad. Mechanisms of calibration use the RS232C interface. Driving Peltier module is implemented on two relays, driven from microcontroller by current amplifiers with optical isolation. Keywords: Peltier module, digital temperature sensing, temperature stabilization, ATmega 3

Spis treści 1. Cel i zakres pracy... 5 2. Przegląd stanu wiedzy z zakresu elektronicznego pomiaru i stabilizacji temperatury.... 8 2.1. Elektryczne metody pomiaru temperatury.... 8 2.1.1. Termistory.... 8 2.1.2. Układy scalone z wyjściem analogowym.... 9 2.1.3. Układy cyfrowe.... 11 2.2. Budowa i działanie modułów Peltiera... 12 3. Konstrukcja urządzenia... 19 3.1. Schemat blokowy... 19 3.2. Jednostka sterująca.... 19 3.3. Pomiar temperatury.... 22 3.4. Interfejs użytkownika.... 26 3.5. Komunikacja z PC... 28 3.6. Sterowanie modułem Peltiera... 28 3.7. System rozprowadzania ciepła.... 30 3.8. Schemat ideowy i montażowy urządzenia.... 31 4. Działanie urządzenia... 37 4.1. Globalne struktury danych.... 37 4.2. Tryby pracy urządzenia.... 38 5. Uruchomienie prototypu urządzenia... 45 6. Podsumowanie... 48 Spis ilustracji... 50 Bibliografia... 51 Załączniki... 52 4

1. Cel i zakres pracy Celem pracy jest zaprojektowanie i skonstruowanie stabilizatora temperatury płaszcza wodnego. Podstawowym przeznaczeniem urządzenia jest stabilizacja temperatury odczynników fotograficznych w zakresie temperatur wynoszącym od +10 do +50 C z dokładnością rzędu 0,1 C, jakkolwiek możliwe jest dowolne zastosowanie, które wymaga płaszcza wodnego o zadanej temperaturze z zakresu działania urządzenia. Stabilizator powinien być w stanie doprowadzić do zadanej temperatury i utrzymać w niej kilka litrów płynu o pojemności cieplnej zbliżonej do wody w warunkach temperatury pokojowej. Podstawową funkcją urządzenia jest automatyczna stabilizacja wybranej przez użytkownika temperatury. Udział użytkownika ogranicza się do wyboru zadanej temperatury i przygotowaniu płaszcza wodnego. Stabilizowana temperatura jest wybierana za pomocą przycisków z rozdzielczością nie mniejszą niż 0,1 C. Projekt urządzenia zakłada zastosowanie, jako elementu sterującego, mikrokontrolera 8-bitowego. Jako element stabilizujący temperaturę, zastosowany zostanie moduł Peltiera. Użycie tego elementu umożliwia łatwe odwrócenie kierunku przepływu ciepła, a co za tym idzie wykorzystania urządzenia jako podgrzewacza i chłodnicy. Pomiar temperatury należy zrealizować czujnikiem termoelektrycznym dowolnego typu. Wymagana jest dokładność rzędu 0,1 C. Dopuszczalna jest okresowa kalibracja urządzenia, przy użyciu referencyjnego wskaźnika temperatury. Urządzenie musi zostać wyposażone w interfejs użytkownika, umożliwiający wygodne sterowanie wszystkimi funkcjami. Interfejs powinien się składać z panelu sterowania (zestaw przycisków i przełączników) oraz wyświetlacza alfanumerycznego. Oprócz prezentacji zadanej temperatury, urządzenie musi pokazywać temperaturę aktualną oraz niezbędne informacje dla użytkownika dla prawidłowej obsługi i interpretacji stanu urządzenia. Do okresowej kalibracji dopuszcza się zastosowanie urządzeń zewnętrznych, takich jak termometr referencyjny i komputer PC z odpowiednim oprogramowaniem. Zasilanie urządzenia odbywa się z sieci elektrycznej 230V prądu przemiennego. Zakres pracy obejmuje wykonanie projektu i konstrukcję prototypu urządzenia. Projekt obejmuje dobór podzespołów, wykonanie schematu i projekt obwodu drukowanego oraz rozwiązanie zasilania urządzenia. Do projektu zalicza się również program mikrokontrolera sterującego oraz całość oprogramowania dodatkowego, służącego m. in. do 5

kalibracji urządzenia. Częścią projektu jest również opis eksploatacji urządzenia i procedury kalibracyjne i testowe. W realizacji urządzenia wyróżnić można szereg zagadnień wymagających zastosowania konkretnych rozwiązań projektowych i praktycznych. Do działania urządzenia niezbędny jest precyzyjny pomiar temperatury metodami elektrycznymi. Jest to w sposób oczywisty implikowane przez założenia projektowe. Pomiar temperatury musi się odbywać z dokładnością do 0,1 C, co jest zwykle wartością przewyższającą dokładności osiągane przez popularne, niedrogie czujniki ogólnego zastosowania. Aby osiągnąć taką dokładność należy zastosować sprzęt laboratoryjny lub odpowiednio skorygować charakterystykę popularnych czujników. Pierwsze rozwiązanie charakteryzuje się wysokim kosztem, gdyż czujniki o dokładności 0,1 C lub lepszej są drogie, a ponadto często ich zastosowanie wymusza użycie wielu dodatkowych elementów i spełnienie wysokich wymagań odnośnie zasilania i filtrowania zakłóceń. Drugie rozwiązanie polegające na użyciu niedrogiego czujnika i dokonaniu jest kalibracji jest czaso- i pracochłonne. Wymaga ono stworzenia mechanizmów kalibracji, a także przeprowadzania okresowego sprawdzenia działania i kalibracji urządzenia. Zadaniem pracy jest przegląd dostępnych metod elektronicznego pomiaru temperatury oraz dobór odpowiedniego rozwiązania i zaprojektowanie wszystkich mechanizmów niezbędnych do jego prawidłowego funkcjonowania. Kolejnym zagadnieniem, które należy rozwiązać, jest sterowanie modułem Peltiera za pomocą mikrokontrolera. Moduł Peltiera pracuje z mocą rzędu 100W, przy napięciu zasilania kilkunastu woltów. Podczas stabilizacji ważna jest możliwość łatwego przełączania kierunków pracy modułu, natomiast drugorzędne znaczenie ma możliwość regulacji mocy. Należy zatem zaprojektować sterowanie modułem umożliwiające włączanie i wyłączanie go w dowolnym kierunku pracy i zabezpieczenie układu przed uszkodzeniem, gdyby na skutek awarii lub błędu wysterowane zostało jednocześnie grzanie i chłodzenie. Moduł Peltiera jest urządzeniem o powierzchni około kilkudziesięciu centymetrów kwadratowych. Istnieje zatem potrzeba projektu systemu, którego zadaniem będzie rozprowadzenie ciepła między czujnikiem a płynem w płaszczu wodnym. Należy także zapewnić skuteczną wymianę ciepła miedzy drugą stroną modułu a otoczeniem, która w czasie pracy, w zależności od kierunku, będzie ulegała nagrzaniu lub ochłodzeniu. Od 6

skuteczności wymiany ciepła z otoczeniem w dużym stopniu zależy sprawność funkcjonowania modułu Peltiera i całego urządzenia. Projekt obejmuje także zasilanie układu. Musi ono spełniać dwa podstawowe kryteria. Pierwszym jest dostarczanie odpowiedniej ilości mocy, drugim zapewnienie odpowiednio odfiltrowanego zasilania dla elektroniki sterującej. Jest to szczególnie ważne ze względu na to, że przełączanie stosunkowo dużych prądów często generuje zakłócenia na linii zasilania, które są w stanie spowodować nieprawidłową prace mikrokontrolerów. Realizacja pracy zakłada także konstrukcję prototypu, składającego się ze sterownika, modułu Peltiera oraz systemu transportu ciepła, a także wykonanie testów i sformułowanie wniosków i zaleceń do konstrukcji urządzenia docelowego. 7

2. Przegląd stanu wiedzy z zakresu elektronicznego pomiaru i stabilizacji temperatury. Koniecznymi elementami projektowanego urządzenia są elementy mierzące i stabilizujące temperaturę. Poniżej dokonano przeglądu dostępnych czujników, a także przedstawiono charakterystykę modułów Peltiera, z uwzględnieniem ich budowy, działania i możliwości wykorzystania w praktyce. 2.1. Elektryczne metody pomiaru temperatury. Pomiar temperatury za pomocą urządzeń elektronicznych jako warunek konieczny przyjmuje zamianę temperatury, która jest wartością nieelektryczna na jakąkolwiek wielkość związaną z prądem elektrycznym. Od jakości tej zamiany zależy jakość i dokładność pomiaru, gdyż w chwili obecnej wartości elektryczne, takie jak napięcie, opór lub prąd mogą być mierzone bardzo dokładnie. Elektryczne pomiary temperatury są niezbędne wszędzie tam, gdzie wynik jest wykorzystywany u przez systemy elektroniczne używane do sterowania, monitoringu, alarmowania i wszelkich innych zastosowań. Coraz częstsze użycie systemów cyfrowych wymaga zamiany wartości temperatury na wartość cyfrową, co może być dokonane na wiele sposobów poprzez zewnętrzny, dodatkowy układ, lub obwód scalony w jednym układzie. Poniżej dokonano przeglądu czujników temperatury dostępnych w dniu dzisiejszym w handlu, z uwzględnieniem ich dokładności i sposobu odczytu wartości pomiaru. Czujniki zostały podzielone na grupy w zależności od sposobu prezentacji wyniku. 2.1.1. Termistory. Termistor jest opornikiem półprzewodnikowym, którego podstawową cechą jest silna zależność oporu od temperatury. Termistory wykonane są z różnych materiałów i charakteryzują się różną zmianą oporu w zależności od temperatury. Podstawowym parametrem charakteryzującym taki element jest współczynnik temperaturowy, czyli parametr mówiący, jak zmienia się opór wraz z temperaturą. Można na podstawie tego współczynnika wyróżnić termistory NTC i PTC, czyli o ujemnym i dodatnim współczynniku temperaturowym. W pierwszej grupie wzrost temperatury powoduje spadek rezystancji, a w 8

drugim jej wzrost. Zależność ta jest zwykle nieliniowa. Producenci w kartach katalogowych podają tabelę lub wzór określający zachowanie czujnika. W przypadku tabeli jest to zestaw punktów opór-temperatura dla zakresu, który termistor jest w stanie mierzyć. Wzór jest zwykle funkcja wykładniczą oporu od temperatury, w której stałe zależą od typu termistora. Osobnym typem termistora są termistory CTR o skokowej zmianie rezystancji. Charakteryzują się gwałtowną zmianą oporu przy przejściu przez pewną krytyczną wartość temperatury. Wykorzystywane są głównie jako bezpieczniki termiczne, a ich zastosowanie do pomiarów jest rzadkie. Ze względu na nieliniowość charakterystyki termistora stosowane są układy linearyzujące, co znacznie komplikuje konstrukcję. W zależności od klasy, termistor jest w stanie wyznaczyć różnice temperatury rzędu tysięcznych stopnia, a mierzyć temperaturę z dokładnością do setnych części stopnia. Ze względu jednak na potrzebę linearyzacji, termistor, jako element dyskretny, nie jest często stosowanym rozwiązaniem. Jest on jednak bardzo atrakcyjnym rozwiązaniem dla projektantów układów scalonych, a także stanowi podstawowy element elektryczny wrażliwy na temperaturę obok termopar, złącz półprzewodnikowych i czujników pirometrycznych. [4] Przykładem temistorów jest rodzina ACCX-0xx produkowana przez firmę RTI Electronics Inc. Producent ten wytwarza linię termistorów precyzyjnych o oporze nominalnym od 2252 do 10kΩ. Opór nominalny to opór jaki element posiada przy temperaturze 25 C. Dokumentacja podaje dwa rodzaje tabel definiujących charakterystykę elementów. Pierwszy rodzaj podaje wartość rezystancji dla wybranych wartości temperatury. Temperatury definiowane są co 10, a zakres obejmuje -40 C do +150 C. Drugi rodzaj tabeli obejmuje wartość współczynnika RT/R25. Jest to współczynnik wyrażający stosunek oporu w danej temperaturze do oporu przy temperaturze 25 C. Tabela ta jest wspólna dla całej grupy produktów. Obejmuje zakres 0 C -70 C i podaje wartości co 1 C. [8] 2.1.2. Układy scalone z wyjściem analogowym. Kolejną grupą układów są układy scalone z wyjściem analogowym. Układy takie, oprócz elementu wrażliwego na temperaturę zawierają zestaw elementów linearyzujących wyjście. Parametr wyjściowy takiego układu jest proporcjonalny do temperatury. Poniżej został przedstawiony przegląd tego typu układów podzielonych pod względem parametru wyjściowego. Układy z wyjściem napięciowym 9

Najliczniejszą grupą czujników z wyjściem analogowym są czujniki z wyjściem napięciowym, proporcjonalnym do temperatury. Wyjście takich układów, niekiedy poprzez dodatkowe układy dopasowujące poziom napięcia, podłączane są do wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego. Poniżej opisano kilka wybranych czujników tego typu: Seria LM35. Producentem układów jest National Semiconductor. Poszczególni przedstawiciele rodziny różnią się dokładnością pomiaru. Układ posiada tylko trzy wyprowadzenia; zasilanie i wyjście napięciowe. Napięcie rośnie na nim o 10mV na każdy stopień Celsjusza, dla temperatury 0 C napięcie wynosi 0V. Dokładność czujnika typowo dla temperatury 25 C wynosi od ±0,2 C do ±0,6 C. Układ zasilany jest napięciem 4-30V, a zakres pomiarowy wynosi od -65 C do 150 C (w niektórych obudowach do 180 C). Jest sprzedawany w obudowach do montażu przewlekanego i powierzchniowego. [14] Seria TMP01. Producentem układów jest Analog Devices. Poszczególne układy różnią się obudową i dokładnością. Układ posiada wyjście napięciowe 5mV/K. Dla temp. 25 C napięcie wynosi 1,49V. Dokładność typowo przy 25 C wynosi ±0,5 lub ±1 C. Możliwy jest pomiar z zakresu -55 do +125 C. Układ posiada dodatkowo możliwość działania jako termostat. Posiada wyjścia sterujące z otwartym kolektorem, a wartości temperatur przełączania wyjść programuje się dobierając oporniki. Zasilanie układu 5V. [23] Układ LM45. Konstrukcja, podobnie jak LM35 National Semiconductor. Układ posiada wyjście napięciowe pracujące identycznie jak w LM35. Jednak dokładność czujnika w zależności od wersji wynosi od ±2 do ±3 C. Zasilanie układu 4-10V, a zakres pomiaru - 20 C do 100 C. Czujnik występuje wyłącznie w obudowie SOT-23 do montażu SMD. [15] Układy pracujące jak dioda Zenera. Przykładem takiego układu jest LM335, produkcji ST Microelectronics. Układ taki zachowuje się jak dioda Zenera, której napięcie przebicia jest proporcjonalne do temperatury. Posiada trzy wyprowadzenia, dwa z nich to anoda i katoda diody, a trzecie jest wyjściem służącym do kalibracji. Zmiany napięcia przebicia wynoszą 10mV/K. Przy 25 C układ ma dokładność ±2 C, jednak jest możliwe jej zwiększenie poprzez zastosowanie mechanizmu kalibracji proponowanego przez producenta. Układ mierzy temperatury z zakresu -40 do 100 C, jest produkowany w obudowach TO-92 i SO8. [19] Układy z wyjściem prądowym. Układy z tej grupy funkcjonują jak źródła prądowe, o wartości prądu proporcjonalnej do temperatury. W podstawowym układzie z takim czujnikiem mierzony jest spadek napięcia na rezystorze, wskutek czego uzyskuje się wyjście napięciowe. Przedstawicielem tej grupy 10

układów jest rodzina AD590, produkcji Analog Devices. Wyjście prądowe jest proporcjonalne do temperatury, zależność wynosi 1µA/K. Dla temperatury +25 C (298,2K) prąd wynosi 298,2µA. Układ wymaga kalibracji, ponieważ bez niej błąd może sięgać ±10 C w niektórych wersjach. Po wykonaniu kalibracji spada do ±1 C w wersji AD590K. Dostępny jest w obudowach do montażu powierzchniowego i przewlekanego. [9] Układy z wyjściem czasowym Układy takie generują przebieg prostokątny, którego parametry czasowe odpowiadają zmierzonej temperaturze. Mogą one być wykorzystane w urządzeniach całkowicie analogowych, a także poprzez użycie liczników w układach mikroprocesorowych. Zwykle przebieg generowany przez czujnik nadaje się do bezpośredniego doprowadzenia do wejść licznikowych procesora. Omówione poniżej zostały dwa układy tego typu, różniące się m. in. sposobem interpretacji generowanego przebiegu. Układ SMT160-30. Produkowany przez Smartec. Czujnik ten posiada wyjście generujące przebieg prostokątny o czasie wypełnienia proporcjonalnym do zmierzonej temperatury. Częstotliwość przebiegu wynosi od 1 do 4kHz. Na każdy stopień Celsjusza wypełnienie rośnie o 0,47%. Układ zasilany jest napięciem 5V, mierzy temperatury z zakresu -45 do +130 C. Dokładność czujnika jest różna w zależności od obudowy, wynosi od ±0,7 C do ±2 C. Czujnik jest produkowany w czterech różnych obudowach, do montażu przewlekanego i powierzchniowego. Producent gwarantuje poprawną pracę na przewodach o długości do 20m, co pozwala na znaczne odsuniecie czujnika od reszty układu pomiarowego. [22] Seria MAX6575 produkcji Maxim. Układ ten posiada jedną linie wyjściową. Jest to linia typu otwarty dren. Pomiar wyzwalany jest przez krótkie ściągnięcie linii do masy przez procesor sterujący. Po określonym czasie czujnik ściąga linie do masy, a temperatura jest proporcjonalna do czasu, jaki upłynął. W tym przypadku jest mierzony czas powrotu impulsu. Dodatkowo ustawiany jest mnożnik czasu na jedną z czterech wartości, co pozwala na podłączenie kilku układów do jednej linii i wyzwalanie ich jednym impulsem. Układ pracuje z napięciem 2,7 do 5,5V, mierzy temperaturę z zakresu -40 do 125 C. Przy 25 C typowo błąd wskazania wynosi ±0,8 C. Dostępny wyłącznie w obudowie SOT23-6 do montażu SMD. [20] 2.1.3. Układy cyfrowe. Odrębną grupę scalonych czujników temperatury stanowią układy z interfejsem cyfrowym. Wyposażone są zwykle w szeregowy interfejs, a wartość temperatury przesyłana jest jako 11

słowo składające się z odpowiedniej ilości bitów, zgodnej z rozdzielczością układu. Układy takie bywają wyposażone w dodatkowe funkcje, jak np. termostat. Główną zaletą tego typu urządzeń jest prostota użycia, minimalna ilość zewnętrznych elementów, dokładność odczytu zawsze zgodna ze sprzętową rozdzielczością czujnika. W chwili obecnej na rynku dostępnych jest wiele układów wyposażonych w różne interfejsy i różnej klasy dokładności. W tabeli zaprezentowano wybrane czujniki cyfrowe z uwzględnieniem ich najważniejszych parametrów. Tabela 1. Zestawienie parametrów cyfrowych czujników temperatury [11, 12, 13, 16, 17, 18] Model Producent Interfejs Zakres C Dokładność* C Rozdzielczość C MAX 7500 Maxim I2C -55; +125 ±2 0,5 LM 72 National I2C -55; +125 ±2 0,5 Semiconductor LM 74 National Synchroniczny, -55; +150 ±1,25 0,0625 Semiconductor szeregowy, 2 przewody LM 92 National synchroniczny, -55; +150 ±0,5 0,0625 Semiconductor szeregowy, 2 przewody DS 1620 Dallas Synchroniczny, -55; +125 ±0,5 0,5 Semiconductor szeregowy, 3 przewody DS 1621 Dallas Synchroniczny, -55; +125 ±0,5 0,5 Semiconductor szeregowy, 2 przewody DS 18B20 Dallas 1-wire -55; +125 ±0,5 0,0625 Semiconductor * Dokładność jest podana dla zakresu temperatur obejmującego warunki normalne. Tabela przedstawia tylko najpopularniejsze cyfrowe układy do pomiaru temperatury. Duża różnorodność na rynku w chwili obecnej pozwala dobrać właściwy układ do większości zastosowań. 2.2. Budowa i działanie modułów Peltiera Moduły Peltiera w ostatnim czasie znalazły szerokie zastosowanie w technice. Stosowane są w wielu urządzeniach dla różnych zastosowań i w różnej skali. Pojawienie się prostej, 12

pozbawionej części mechanicznych pompy ciepła w znacznym stopniu przyczyniło się do rozwoju wielu dziedzin nauki i techniki. W ogólnym ujęciu od strony funkcjonalnej moduł Peltiera jest pompą ciepła. Jego działanie polega na transporcie ciepła przy wykorzystaniu zewnętrznego źródła energii, dostarczanej pod postacią prądu elektrycznego. Oznacza to zdolność tego elementu do wytworzenia różnicy temperatur, tak, aby możliwy był przepływ ciepła z otoczenia o niższej temperaturze do otoczenia o wyższej temperaturze. W ujęciu konstrukcyjnym element Peltiera jest półprzewodnikiem, w którym nacisk został położony na maksymalne wykorzystanie efektu Peltiera do transportu ciepła. Zewnętrznie jest to płytka z wyprowadzeniami elektrycznymi. Ponieważ sam moduł nie ma żadnych elementów sterujących, wyprowadzenia służą wyłącznie do zasilania. Rozmiar płytki zależny jest od zastosowań i może być bardzo różny, dzięki dużemu potencjałowi skalowania urządzenia. Najczęściej spotykane w handlu są moduły o powierzchni kilkudziesięciu centymetrów kwadratowych. Należy jednak wspomnieć o modułach o powierzchni rzędu milimetrów kwadratowych stosowanych w specjalistycznych rozwiązaniach w technice precyzyjnej. Skalowanie w górę jest w oczywisty sposób możliwe poprzez stosowanie wielu modułów. Mogą one być łączone cieplnie zarówno równolegle (zwiększenie ilości transportowanego ciepła) jak i szeregowo (zwiększenie wytwarzanej różnicy temperatur). Również sposób łączenia elektrycznego modułów jest dowolny, charakteryzują się głównie rezystancyjnym charakterem obciążenia. Rysunek 1. Widok ogólny modułu Peltiera [6] Działanie modułów Peltiera opiera się na zjawisku odkrytym przez Jeana Peltiera. Jean Charles Athanase Peltier żył w latach 1785-1845. Był francuskim meteorologiem i fizykiem, zawodowo zajmował się zegarmistrzostwem. Swojego najważniejszego odkrycia dokonał w roku 1834. Odkrył, że przepływ prądu przez połączenie dwóch różnych metali 13

wywołuje oddawanie lub pochłanianie ciepła. Kierunek przepływu ciepła zależny był od kierunku przepływu prądu [1][2]. Dzięki odkryciu tego zjawiska możliwe stało się skonstruowanie modułów działających jak pompy ciepła. Warto w tym miejscu wspomnieć o zjawisku odwrotnym, noszącym nazwę efektu Seebecka. Polega ono na powstawaniu różnicy potencjałów na styku dwóch przewodników o różnych temperaturach. Na zjawisku Seebecka opiera się funkcjonowanie termopar, służących jako czujniki temperatury. Rysunek 2. Jean Charles Athanase Peltier [1] Moduł Peltiera, jak już zostało wspomniane, ma postać płytki. Można wyróżnić trzy zasadnicze warstwy modułu. Zewnętrzne, o identycznej budowie, odpowiadają za kontakt z otoczeniem. Wykonane są zwykle z materiałów ceramicznych o dużej odporności mechanicznej i termicznej. Zapewnia to odpowiednią sztywność modułu i zdolność do działania w skrajnej temperaturze. Warstwa wewnętrzna odpowiada za właściwości termoelektryczne urządzenia. Mechanicznie składa się ona z wielu kolumienek. Występują dwa rodzaje kolumienek ułożonych naprzemiennie, domieszkowanych n i p. Efekt Peltiera powstaje na styku dwóch różnych przewodników, zatem wymusza to stosowanie dwóch rodzajów kolumienek. Kolumienki elektrycznie połączone są szeregowo. Płynący prąd napotyka na zmianę kolumienki obu typów. Są one połączone stykami miedzianymi w okolicy kontaktu z obudową. Połączenia są lutowane i to zwykle one ograniczają maksymalną temperaturę modułu. Po jej przekroczeniu następuje upłynnienie spoiny, rozlutowanie i w rezultacie przerwanie obwodu. W praktyce maksymalna temperatura pracy modułu wynosi zwykle około 130 stopni Celsjusza. Kolumienki wykonane są z tellurku bizmutu. Są one domieszkowane n i p. Dzięki zastosowaniu tego materiału efekt termiczny jest możliwie duży (znacznie większy, niż gdyby zastosowano czyste metale). Ze względu na zastosowane materiały moduł Peltiera można uznać za półprzewodnik. Rysunki nr 3 i 4. wyraźnie przedstawiają, że złącza n-p i p-n 14

zlokalizowane są po różnych stronach modułu. Złącza n-p oddają ciepło, a złącza p-n je pobierają. Łatwo również zauważyć, że po odwróceniu kierunku przepływu prądu złącza n-p i p-n zamienią się miejscami, stąd zmiana kierunku przepływu ciepła po zmianie polaryzacji zasilania. Rysunek 3. Budowa ogniwa Peltiera [5] Rysunek 4. Przekrój przez moduł Peltiera [5] Istota działania modułu polega na występowaniu zjawiska Peltiera na złączu p-n. Dzieje się tak dlatego, że obszary n i p mają elektrony o różnych potencjałach energetycznych. Obszar n zawiera nadmiar elektronów. Oznacza to, że elektrony są na wyższych orbitalach (na wyższych poziomach energetycznych), ponieważ nie mogą się pomieścić na orbitalach niższych. W momencie wymuszenia poprzez różnicę potencjałów ich ruchu do obszaru p, niejako spadają na niższy poziom. Nadmiar energii wydziela się w postaci ciepła. Analogicznie, elektrony z obszaru p, gdzie są na niskim poziomie energetycznym (nadmiar dziur), są wciągane do obszaru n, gdzie muszą wejść na wyższy poziom. Niedobór energii pobierają z otoczenia, co powoduje ochładzanie złącza. 15

Skuteczność działania modułu jest ograniczana przez szereg czynników natury fizycznej. Jest on przewodnikiem elektrycznym, posiadającym rezystancję. Wskutek przepływu przez niego prądu rozpraszana jest energia w postaci ciepła. Jest ona równa: P = I 2 R (I natężenie prądu, R opór elektryczny) Zwana jest ona ciepłem Joule a. Ciepło to w czasie pracy modułu jest wypychane na ciepłą stronę. Jego ilość, co wynika ze wzoru, jest proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu. Aby dokładnie przedstawić konsekwencje tego zjawiska, należy przeanalizować zależność ilości transportowanego ciepła od natężenia prądu. Jak wspomniano, ciepło jest transportowane dzięki różnicy poziomów energii pokonywanej przez elektrony. Każdy elektron powoduje pochłonięcie lub oddanie pewnej stałej ilości energii, gdyż każdy pokonuje tę samą barierę. Definicja natężenia prądu mówi, że jest to ilość ładunku (każdy elektron niesie stały ładunek, zatem ładunek jest proporcjonalny do ilości elektronów) przepływającego w jednostce czasu. Zatem widać wyraźnie, że ilość przetransportowanego ciepła przez moduł jest proporcjonalna do natężenia prądu. Występuje zatem sytuacja, gdy zdolność transportu ciepła rośnie liniowo, a ciepło Joule a kwadratowo wraz z natężeniem prądu. Istnieje zatem taka wartość prądu, gdzie moduł już nie będzie w stanie pobierać ciepła ze środowiska, a cała moc będzie zużywana na transport ciepła Joule a. Jeśli natężenie będzie dalej rosło, obie strony modułu zaczną oddawać ciepło na zewnątrz. Istnieje też pewien optymalny prąd, powyżej którego ilość ciepła Joule a rośnie szybciej niż zdolność transportu ciepła. W normalnej eksploatacji nie ma potrzeby przekraczania tej wartości prądu. Warto również wspomnieć o wydajności cieplnej strony gorącej modułu. Na ilość energii przez nią wypromieniowanej składa się energia elektryczna pobrana z zasilania (jako ciepło Joule a) i ciepło odebrane ze strony zimnej. Zatem, jeśli rozpatrzony zostanie stosunek oddanego ciepła do pobranej energii, okaże się, że wynosi on ponad 1. Daje to ponad stuprocentową sprawność grzewczą w odniesieniu do ilości pobranej energii elektrycznej. Energia pobrana z otoczenia jest niejako darmowa, ze względu iż wykorzystywane są tzw. niskotemperaturowe źródła ciepła. Aktualnie takie rozwiązania są wykorzystywane do celów grzewczych, jednak przy użyciu sprężarkowych pomp ciepła, a jako nieskotemeraturowe źródła ciepła wykorzystuje się grunt, zbiorniki wodne itp. Kolejnym istotnym zjawiskiem występującym w czasie pracy modułu jest transport ciepła. Każdy materiał posiada pewną przewodność cieplną. Również kolumienki z których wykonany jest moduł przewodzą ciepło ze strony gorącej do zimnej, czyli w odwrotnym 16

kierunku niż pompuje je urządzenie. Stwarza to więc konieczność ponownego wypchnięcia tego ciepła na zewnątrz. W sposób oczywisty obniża to wydajność urządzenia. Ilość transportowanego ciepła rośnie wraz z różnicą temperatur obu stron. W praktyce skuteczność działania modułu zależy od wielu czynników i trudno jest, nie stosując zaawansowanego modelowania, precyzyjnie określić możliwe do uzyskania temperatury. Na skuteczność składają się takie czynniki jak wartość prądu, różnica temperatur, izolacja termiczna przestrzeni chłodzonej i wiele innych. Praktyka wykazuje, że sprawność sprężarkowych pomp ciepła jest zwykle nieco większa. Moduły Peltiera stosuje się obecnie prawie wyłącznie do chłodzenia lub stabilizacji temperatury. Jest to związane głównie z kosztami co czyni zastosowanie do ogrzewania nieopłacalnym. Najczęstsze zastosowania to: - Chłodzenie elementów radioelektronicznych i laserowych w celu zmniejszenia zakłóceń. Stosuje się tutaj moduły o powierzchni rzędu milimetrów kwadratowych. Schłodzenie takich elementów znacznie poprawia parametry urządzeń. - Chłodzenie elementów elektronicznych w celu odebrania od nich nadmiaru ciepła i zapobieganiu uszkodzeniom (np. procesory we współczesnych PC). Należy jednak wspomnieć, ze to zastosowane w ostatnim czasie nieco traci na popularności. Składa się na to kilka powodów. Zdarzały się przypadki uszkodzeń elementów z powodu nadmiernego schłodzenia lub doprowadzenia do kondensacji pary wodnej w okolicach styków elektrycznych, co prowadziło do zwarć lub korozji. Ponadto moduły wymagały wydajnego chłodzenia (zwykle wodnego) strony gorącej. Kolejną wadą była moc modułów, rzędu 100W, co powodowało, że wymagane było zwykle skomplikowane, odrębne zasilanie. W końcu procesory stały się tańsze, wydzielają mniej ciepła i w celu zwiększenia ich wydajności wystarczy zwykłe chłodzenie wodne, które nie ma wad modułu Peltiera. - Konstrukcja niewielkich, przenośnych urządzeń chłodniczych, np. lodówki turystyczne. Pozwala to na znaczne uproszczenie ich konstrukcji, poprzez znaczną eliminację części mechanicznych. - Stabilizatory temperatury, komory termiczne, inny sprzęt laboratoryjny, gdzie wymagana jest stabilna temperatura. Wykorzystywana jest tutaj możliwość łatwej zmiany kierunku przepływu ciepła (łatwe ogrzewanie i ochładzanie). - Wzorce temperatury. 17

- Wirtualna rzeczywistość. Urządzenia symulujące wrażenia temperatury przy dotykaniu przedmiotów w wirtualnym świecie. Tu również wykorzystywana jest możliwość zmiany kierunku przepływu ciepła i niewielkie rozmiary urządzenia. Ze względu na cenę moduły Peltiera nie są wykorzystywane w urządzeniach dużej skali, nie są także wykorzystywane do ogrzewania mimo możliwości uzyskania wysokiej wydajności ze względu na zdolność pobierania ciepła ze źródeł niskotemperaturowych. Jeżeli w przyszłości konstruktorom uda się zmniejszyć cenę modułów, wówczas możliwe będzie ich użycie na większą skalę, do takich celów jak klimatyzowanie całych pomieszczeń, lub w małych urządzeniach grzewczych (czajniki, kuchenki) w celu oszczędzenia energii elektrycznej (kosztem nieznacznego ochłodzenia powietrza w pomieszczeniu). Podsumowując, można wyróżnić następujące zalety modułów Peltiera: Brak części mechanicznych, Wysoka niezawodność, odporność mechaniczna i elektryczna, Bezgłośna praca, Duże możliwości skalowania (szczególnie w dół), Prostota zastosowania, elastyczność skali i kształtu. Możliwość pracy rewersyjnej W pełni regulowana moc pracy (płynnie), obciążenie Podstawowe wady: Cena Kłopotliwe zasilanie (dość wysokie prądy) Sprawność niższa niż sprężarkowych pomp ciepła. Niewątpliwym pozostaje fakt, że moduły Peltiera są ciekawymi urządzeniami o dużym potencjale. Ich zastosowanie charakteryzuje się wysoką elegancją, ze względu na możliwość uproszczenia konstrukcji urządzenia i zmniejszenia jego wymiaru. Pozwalają one także na umieszczenie pomp ciepła tam, gdzie do tej pory było to niemożliwe ze względu na wymiary i komplikację tradycyjnych rozwiązań istnieją zastosowania, gdzie moduły są na dzień dzisiejszy niezastąpione. Podstawową ich wadą pozostaje cena. Peltiery są kosztowne ze względu na materiały używane do ich budowy. Jeżeli w przyszłości możliwe będzie obniżenie kosztów produkcji tych urządzeń, należy się spodziewać wkroczenia ich w nowe obszary zastosowań. [3, 5, 6] 18

3. Konstrukcja urządzenia Opis projektu konstrukcji urządzenia obejmuje kryteria doboru elementów, charakterystykę elementów, połączenia elektryczne (schemat), opis wyprowadzeń i sygnałów. Zawiera także projekt obwodu drukowanego, który został wykonany przez zewnętrznego wykonawcę i posłużył do montażu urządzenia. 3.1. Schemat blokowy Projekt sprzętowy urządzenia został przedstawiony na schemacie blokowym na rysunku 5. Można wyróżnić w nim następujące części: jednostka centralna, interfejs użytkownika, blok pomiaru temperatury, blok sterowania modułem Peltiera, części wykonawcze (moduł i system dystrybucji ciepła), komunikacja z PC w celu kalibracji oraz zasilanie wszystkich elementów układu. Rysunek 5. Schemat blokowy projektowanego urządzenia 3.2. Jednostka sterująca. Rolą jednostki sterującej w projekcie jest: - odczyt temperatury z czujnika, - obsługa interfejsu użytkownika, - sterowanie modułem Peltiera na podstawie ustawień użytkownika i odczytanej temperatury 19

- zapewnienie działania mechanizmów kalibracji i obsługa połączenia z PC, jeśli jest to konieczne Jednostka sterująca sprawuje nadzór nad całym urządzeniem, ponadto wykonuje zadania matematyczno-logiczne, jak porównywanie temperatur, pamiętanie ustawień kalibracji itp. Implikuje to zastosowanie mikrokontrolera cyfrowego, który po odpowiednim zaprogramowaniu będzie w stanie spełniać wymienione zadania. Pożądane cechy mikrokontrolera to: - łatwa dostępność urządzenia w handlu. Oprócz oczywistych ułatwień w pozyskaniu procesora, dzięki łatwej dostępności nie trzeba ponosić dodatkowych kosztów związanych ze sprowadzeniem, a także można uniknąć opóźnień. - łatwy dostęp do oprogramowania i urządzeń programujących. Projekt zakłada oprogramowanie w asemblerze, zatem istotne jest dostarczenie przez producenta układu odpowiedniego oprogramowania, jego aktualizacje, współpraca z programatorami - wspieranie interfejsu JTAG w celu wspomagania uruchomienia. Dzięki interfejsowi JTAG możliwe jest śledzenie pracy procesora oraz praca krokowa, co skraca czas wykrycia i poprawienia błędów. - wspieranie sprzętowe protokołu komunikacji z PC (UART lub USB). Protokoły asynchroniczne są kłopotliwe w implementacji programowej, sprzętowe mechanizmy znacznie ułatwiają projektowanie. - dostępność układu w obudowie DIP do montażu przewlekanego. Jest to istotne ułatwienie przy budowie prototypu. - posiadanie wystarczającej liczby wyprowadzeń. Szacunkowa ilość niezbędnych pinów to około 20. - posiadanie minimum 1kB pamięci nieulotnej EEPROM lub FLASH, dającej łatwo programować się z poziomu wykonywanego programu. Jest ona niezbędna do przechowywania danych kalibracyjnych. - minimalna ilość elementów zewnętrznych niezbędnych do uruchomienia procesora. (wewnętrzny układ taktujący, wewnętrzne rezystory pull-up sterowane z poziomu układu). - dodatkowymi zaletami procesora będą: przełączane szybkości wewnętrznego zegara oraz liczniki zgłaszające przerwania, pozwalające ustalić tempo wykonania procedur urządzenia. Należy także dodać, że dla projektu nie jest krytyczna wydajność obliczeniowa i szybkość działania. Wystarczający jest procesor 8-bitowy o przeciętnej wydajności obliczeniowej. System ma za zadanie stabilizować temperaturę cieczy, która ma znaczną 20

pojemność cieplną, co implikuje powolne zmiany temperatury. Nie jest konieczny szybki pomiar i szybka reakcja na zmiany temperatury. Dowolne jest napięcie zasilania procesora, a także energochłonność układu, ponieważ urządzenie zasilane jest z sieci energetycznej, a pobór prądu przez sterownik jest znikomy w porównaniu z poborem przez moduł Peltiera. Po dokonaniu analizy dostępnych układów do projektu został wybrany procesor ATmega32 produkcji firmy Atmel. Jest to 8-bitowy układ o maksymalnej wydajności 16 MIPS, należący do rodziny AVR, wersja zasilana napięciem 5V (4,5 5,5V). Rysunek 6. ATmega16 i ATmega32 Jest to szeroko stosowany przez amatorów układ, łatwo dostępny i niedrogi. Można zakupić go w obudowie DIP40. Posiada 4 porty 8-bitowe, co daje 32 programowane wyprowadzenia. Posiada również interfejs JTAG, który może być stosowany do programowania i debugowania. Wykorzystuje on 4 piny portu C, co powoduje zmniejszenie ogólnej ilości dostępnych linii do 28, jeśli jest używany. Układ posiada 32KB pamięci FLASH, 2 KB SRAM i 1 KB EEPROM, wytrzymującej co najmniej 100000 cykli zapisu/kasowania. ATmega32 może pracować z wewnętrznym zegarem 1, 2, 4, 8MHz, a także wykorzystywać kwarc zewnętrzny. Producent dostarcza program AVR Studio, który jest kompleksowym narzędziem programistycznym i uruchomieniowym dla układów z rodziny AVR. Dostępny jest nieodpłatnie ze strony producenta. Istotne dla projektu pozostałe funkcje procesora to interfejs UART, który po dostosowaniu poziomu napięć jest zgodny z RS232C, trzy wewnętrzne liczniki z prescalerem, mogące zgłaszać przerwania oraz rezystory pull-up na każdym porcie sterowane niezależnie, ułatwiające m. in. implementację klawiatury. Jednostka matematyczno-logiczna operuje na 32 8-bitowych rejestrach. Jakkolwiek są one ogólnego przeznaczenia, nie wszystkie instrukcje mają dostęp do każdego rejestru. Dodatkowo do dyspozycji jest licznik programu, rejestr stanu i wskaźnik stosu. 6 rejestrów 21

można połączyć w 3 rejestry indeksowe o długości 16 bitów, pozwalające adresować bezpośrednio całą przestrzeń adresową. Jednostka posiada 131 instrukcji, realizujących wszystkie podstawowe funkcje logiczne, a także funkcje arytmetyczne takie jak: dodawanie, odejmowanie, mnożenie. Przedstawione cechy uzasadniają wybór kontrolera ATmega32, ponieważ spełnia wszystkie wymagania stawiane przez projekt. Użyta została wersja w obudowie DIP40 do montażu przewlekanego. [10] 3.3. Pomiar temperatury. Projektowane urządzenie musi być wyposażone w układ mierzący temperaturę płaszcza wodnego. Cześć pomiarowa musi spełniać następujące założenia: - zakres pomiaru powinien co najmniej obejmować temperatury od 10 do 50 C - dokładność pomiaru rzędu 0,1 C - sonda powinna mieć niewielkie rozmiary, prostą konstrukcję i niski koszt, co ułatwia ewentualną wymianę. - dopuszcza się możliwość okresowej kalibracji układu. Wszystkie założenia, poza dokładnością spełniają popularne czujniki cyfrowe. Są to układy wewnętrznie skalibrowane przez producenta, wyposażone zwykle w szeregowy interfejs cyfrowy, przystosowane do pracy z praktycznie każdym mikrokontrolerem dostępnym na rynku. Przeglądu dostępnych urządzeń dokonano w rozdziale dotyczącym technik pomiaru temperatury. Żaden z wymienionych czujników nie spełnia wymagań dotyczących dokładności, spełniając jednocześnie wymagania dotyczące zakresu i rozdzielczości. W każdym przypadku konieczna jest kalibracja. Z przeprowadzonych badań [7] wynika, że dokładność czujnika typu LM74 można znacznie poprawić kalibracją. W badaniu użyto populacji czujników i podjęto próbę obliczenia funkcji korygującej uniwersalnej dla całej populacji. Zatem indywidualna kalibracja użytego czujnika da rezultaty niegorsze. Najlepsze rezultaty badający uzyskał dla korekcji odczytów funkcją liniową. Za wyborem układu LM74 przemawiają następujące argumenty: - dostateczny zakres pomiaru, - dostateczna rozdzielczość pomiaru, 22

- łatwy w implementacji interfejs szeregowy, - udowodnione dobre efekty kalibracji, [7] - niska cena (układy dysponujące wyższą dokładnością są droższe, a mimo to w dalszym ciągu kalibracja byłaby niezbędna). Do zalet układu należy zaliczyć także szeroki zakres napięć zasilania (2,7 do 5,5V) i niski pobór prądu. Czujnik LM74 jest miernikiem temperatury wyposażonym w przetwornik analogowocyfrowy oraz szeregowy interfejs synchroniczny. Odczyt temperatury następuje na żądanie kontrolera. Układ podaje dane w postaci 13-bitowego słowa. Pomiaru mieści się w zakresie -55 C do +150 C, natomiast rozdzielczość wynosi 0,0625 C. Rysunek 7. Układ LM74 Dokładność czujnika zależy od zakresu temperatury i wynosi: ± 1,25 C. dla temperatur z zakresu: -10 do +65 C ± 2,1 C. dla temperatur z zakresu: -25 do +110 C ± 3 C. dla temperatur z zakresu: -55 do +125 C Maksymalny pobór prądu przez czujnik wynosi około 0.5mA, w trybie uśpienia spada do 3µA. Uproszczony schemat blokowy jest przedstawiony na rysunku 8: 23

Rysunek 8. Uproszczony schemat blokowy układu LM74 Układ posiada następujące wyprowadzenia: - V+, zasilanie - GND masa - CS, linia wyboru urządzenia, sterowana z kontrolera - SI/O linia danych, transmisja danych do i z układu, linia dwukierunkowa - SC linia zegara interfejsu szeregowego, sterowana z kontrolera Pomiędzy V+ a masę konieczne jest włączenie kondensatora 0,1μF. Większa niż kilka centymetrów długość przewodów lub ścieżek pomiędzy kondensatorem i układem powoduje powstanie znacznych błędów pomiaru. Interfejs układu może być sterowany całkowicie programowo z mikrokontrolera, lub tez może zostać wykorzystany mechanizm sprzętowy procesora. Producent podaje przykładowe połączenia dla kilku popularnych typów kontrolerów. Słowo przekazywane przez układ ma postać dwóch ośmiobitowych ramek, wynik jest wyrównany do lewej strony w systemie U2. Przykładowy przebieg sygnałów przedstawia rysunek 9: Rysunek 9. Przebieg sygnałów podczas odczytu temperatury z układu LM74. 24

Maksymalna częstotliwość zegara interfejsu wynosi 6,25MHz. Rejestr temperatury uaktualniany jest w czasie zależnym od wersji układu: - dla obudowy SO-8: typowo 280ms, maksymalnie 425ms, - dla obudowy micro-smd: typowo 611ms, maksymalnie 925ms. W razie odczytu temperatury w trakcie uaktualniania wartości w rejestrach, na wyjściu pojawia się dotychczasowa wartość. Nowa wartość odczytu dostępna jest dopiero po zakończeniu cyklu pomiaru. Pozwala to na odczyt z urządzenia w dowolnym momencie. Kontakt termiczny układu z otoczeniem zapewniony jest przede wszystkim poprzez metalowe wyprowadzenia elektryczne. Odczytywana temperatura jest temperaturą wewnętrznej struktury krzemowej układu. Aby osiągnąć zamierzoną dokładność pomiaru niezbędna jest kalibracja układu. Pomiar w zakresie wykorzystywanych temperatur (10 50 C) wg. danych producenta jest obarczony błędem o maksymalnej wartości 1,25 C. Jest to znacznie więcej, niż wartość wymagana w projekcie. Kalibracja jest czynnością okresową. Wykonanie jej musi mieć miejsce kiedy: - urządzenie jest uruchamiane po raz pierwszy po montażu. - została wymieniona sonda, lub układ pomiarowy w sondzie - okresowo, głównie w celu kontroli poprawności działania. Może dojść do rozkalibrowania czujnika na skutek starzenia się układu pomiarowego. Szczegóły kalibracji zostały przedstawione w części dotyczącej oprogramowania układu. Czujnik został dołączony do wyprowadzeń procesora portu A w następujący sposób: PA.0 SI/O, dwukierunkowa linia danych PA.1 SC, zegar interfejsu PA.2 CS, wybór układu aktywny stanem niskim. Połączenia wykonane są bezpośrednio, ze względu na pełna zgodność elektryczną. Nie ma potrzeby żadnego dostosowywania sygnału. Odrębnym zagadnieniem jest konstrukcja sondy temperaturowej. Musi ona zapewniać dobry kontakt termiczny, a jednocześnie być szczelna i odporna mechanicznie. Rozważano kilka typów konstrukcji do zastosowania. Jedną z konstrukcji było zastosowanie zamkniętego profilu walcowego o średnicy kilkunastu mm z umieszczonym wewnątrz czujnikiem. Schemat tej konstrukcji przedstawia rysunek nr 10. 25

Rysunek 10. Schemat sondy temperatury Czujnik wewnątrz jest uszczelniony i zaizolowany przy pomocy dowolnego materiału (silikon). Inny wariant konstrukcji zakłada użycie dwóch warstw blachy miedzianej i umieszczenie czujnika pomiędzy nimi. Całość również należy zaizolować silikonem. W wariancie prototypowym użyto czujnika przylutowanego do niewielkiej płytki laminatowej i przymocowano za pomocą silikonu do bloku wodnego. Płytka stanowi przejściówkę ze standardu SMD na standardowy rozstaw końcówek 100mils. Pomiar temperatury na bloku jest miarodajny, gdyż blok jest wykonany z miedzi, która dobrze przewodzi ciepło i zapewnia dobry kontakt termiczny z cieczą. Niezależnie od przyjętego rozwiązania, wytyczne są takie same: dobry kontakt termiczny i zabezpieczenie czujnika. Należy także pamiętać, że konieczne jest zastosowanie kondensatora 100nF pomiędzy masą a zasilaniem możliwie blisko czujnika (w sondzie). 3.4. Interfejs użytkownika. Interfejs użytkownika w urządzeniu spełnia funkcję komunikacyjną. Niezbędna jest komunikacja dwukierunkowa. Kierunek od użytkownika realizuje klawiatura. Złożona jest z czterech przycisków, wykonanych jako mikrostyki. Przyciski zwierają poszczególne linie portu mikrokontrolera do masy. Dzięki zastosowaniu wewnętrznych rezystorów podciągających wyjścia do zasilania, nie są potrzebne żadne dodatkowe elementy. Rozwarcie 26

przycisku odczytywane jest jako stan wysoki. Wciśnięcie powoduje zwarcie linii do masy, przepływ prądu przez opornik, spadek napięcia na nim i pojawienie się na wejściu portu stanu niskiego. Zastosowane przełączniki dołączone są do portu A mikrokontrolera. Opis sygnałów: PA.4 ON/OFF PA.5 DÓŁ PA.6 GÓRA PA.7 Menu Szczegółowy opis działania przycisków znajduje się w części dotyczącej oprogramowania i działania układu. Kierunek komunikacji do użytkownika realizowany jest za pomocą wyświetlacza alfanumerycznego. Użyty został wyświetlacz zgodny ze standardem HD44780. Posiada dwie linie po 20 znaków, co pozwala na wyświetlenie 40 znaków. Wyświetlacz jest zasilany napięciem 5V, linie wyświetlacza podłączone są do wyjść procesora bezpośrednio. Wyświetlacz sterowany jest w trybie 4 bitowym, przez co wykorzystuje 7 linii procesora. Podłączony jest do portu B, rozkład sygnałów jest następujący: PB.0 E, linia Enable sterowana z procesora PB.1 R/W, linia wyboru zapisu lub odczytu z HD44780 PB.2 RS, linia wyboru dostępu do rejestrów danej lub instrukcji do wyświetlacza PB.4-7 DB4-DB7, 4 równoległe linie danych. Linia DB7 działa także jak linia BUSY, sygnalizacja oczekiwania na układ HD44780. Rysunek 11. Wyświetlacz HD44780 W trybie 4-bitowym linie DB0-3 sterownika HD44780 pozostają niewykorzystane i są niepodłączone. 27

3.5. Komunikacja z PC W urządzeniu przewidziany został przewidziany system kalibracji przy użyciu komputera PC. Taki system wymaga zapewnienia komunikacji obustronnej. Wybrany został standard RS232C, ze względu na obecność tego interfejsu w procesorze. Standard elektryczny RS232C przewiduje sygnał niski na poziomie +3 do +15V, a stan wysoki na poziomie -3 do -15V. Procesor ATmega wykonany w technologii CMOS posiada stany logiczne na poziomie 0V i 5V. Konieczne jest dostosowanie tych poziomów dla umożliwienia współpracy. W tym celu użyty został układ MAX232, przeznaczony do konwersji poziomów RS232-TTL. Posiada on dwie pary układów konwersji napięć TTL RS232C. Do pracy układ MAX232 wymaga dołączenia czterech zewnętrznych kondensatorów o pojemności 1µF. W konstrukcji projektu użyto kondensatorów tantalowych o pojemności zalecanej przez producenta. Układ MAX232 zastosowano w obudowie DIP16. Do komunikacji wykorzystano linie TX i RX. Nie został zaimplementowany system sterowania przepływem. Układ MAX232 dołączony został do wyjść procesora portu D, które pracują jako sprzętowe wyprowadzenia interfejsu UART: TXD (PD.1) T1IN RXD (PD.0) R1OUT Natomiast wyjścia układu MAX232A wyprowadzone są na żeńskie gniazdo DB9 umożliwiające podłączenie prostego kabla do portu w komputerze PC: T1OUT RxD (pin 2) R1IN TxD (pin 3) Na pin 5 gniazda DB9 podana jest masa całego układu. Druga para buforów w układzie MAX232 pozostaje niewykorzystana i jest niepodłączona. 3.6. Sterowanie modułem Peltiera Moduł Peltiera jest urządzeniem pracującym z mocą rzędu 100W. Pracuje przy prądzie stałym, charakter obciążenia jest wyłącznie rezystancyjny. Przełączanie modułu zostało zrealizowane wielostopniowo z izolacją galwaniczną. Do sterowania przewidziano 3 wyprowadzenia mikrokontrolera. Dwa z nich służą do sterowania całym modułem, załączając odpowiednio grzanie lub chłodzenie. Trzeci służy do załączania systemu rozprowadzenia ciepła, załączany jest równocześnie z każdym z dwóch 28

poprzednich wyprowadzeń. Podłączenia SA zrealizowane na porcie D mikrokontrolera w następujący sposób: PD.5 ogrzewanie PD.6 chłodzenie PD.7 Praca systemu rozprowadzania ciepła Pierwszy stopień sterowania oraz izolacje galwaniczną zapewnia transoptor CNY17-3. Anoda diody transoptora podłączona jest rezystorem 560Ω do zasilania. Katoda diody dołączona jest do wyprowadzenia mikrokontrolera. Stan niski na wyprowadzeniu powoduje świecenie diody i otwarcie fototranzystora. Punkt pracy diody został ustalony na podstawie informacji zawartej w dokumentacji transoptora. Prąd diody wynosi około 6mA (napięcie około 1,1V). Współczynnik CTR transoptora wynosi od 100 do 200%, przez co maksymalny prąd kolektora wyniesie ok. 6 do 12mA. Jest to wartość wystarczającą do wysterowania wzmacniacza prądowego. Na głównej płycie urządzenia wyprowadzone są 3 pary emiterkolektor transoptorów w celu nieumieszczania na jednej płycie elektroniki sterującej i stopni mocy. Takie postępowanie pozwala uniknąć zakłóceń. Moduł jest sterowany przekaźnikami elektromagnetycznymi. Parametry przekaźników: typ przełączny, prąd cewki 60mA, napięcie cewki 12V, maksymalny prad zestyków 16A. Przekaźniki i moduł mogą być zasilane z osobnej linii o napięciu około 12V. Sterowanie przekaźnikami odbywa się za pomocą tranzystorów bipolarnych BC547C. Są one połączone w układ Darlingtona z transoptorami i pracują jak wzmacniacze prądowe dla przekaźników w układzie wspólnego kolektora. Maksymalny prąd kolektora dla tranzystorów BC547C wynosi 150mA, zatem jest to wartość wystarczająca do wysterowania cewki przekaźnika. Równolegle do cewki przekaźnika włączone są zaporowo do prądu kolektora diody 1N4936 w celu zabezpieczenia tranzystorów sterujących przed napięciem indukowanym w momencie rozłączenia cewki przekaźnika. Schemat części sterującej widoczny jest na ilustracji 12. W wersji prototypowej nie jest przewidziane sterowanie układem rozprowadzenia ciepła, nie mniej obecność końcówki sterującej i transoptora stwarza możliwość projektu takiego systemu w przyszłości. 29