Устройство контроля и поддержания температуры

В случае, когда  разница текущей и поддерживаемой температуры меньше 1, то сбрасывается значение переменной, определяющей перегрев, и уменьшается скорость вращения вентилятора. На этом алгоритм управления температурой завершается.

Выводы

На данном этапе  разработан алгоритм работы устройства, который состоит из трех основных частей: блока инициализации датчиков и вентиляторов, блока сбора информации с датчиков, блока управления вентиляторами  и блока обмена информацией. Данный алгоритм реализует все необходимые функции, обозначенные в техническом задании.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.6 Технические  параметры элементной базы

В соответствии с техническим заданием, а также  анализом различных решений систем охлаждения осуществлен выбор элементной базой. В качестве управляющего узла выбран микроконтроллер фирмы Atmel AT89C5131. Для сбора информации используются датчики температуры DS18B20.

2.6.1 Микроконтроллер  AT89C5131

Цоколевка и  блок-схема используемой микросхемы представлены на рисунках 5 и 6.

 

Рисунок 5 –  Цоколевка AT89C5131

 

Рисунок 6 –  Блок схема АТ89С5131

 

8-битный микроконтроллер  АТ89С5131 фирмы Atmel обладает следующими свойствами:

• Ядро 80С52Х2 (6 тактов на инструкцию)
• Максимальная рабочая частота 48 МГц
• 3 16-битных таймера/счетчика
• Поддержка USB 1.1 и 2.0
• Полнодуплексный UART
• 4 8-битных порта ввода-вывода
• 5 каналов PCA
• 4-х уровневая система приоритетов
• Низковольтный режим:
• Напряжение питания 3-3,6 В
• Максимальный рабочий ток 30 мА (при 40 МГц)
• 100 мкА в ждущем режиме

2.6.2 Датчик температуры  DS18B20

DS18B20 цифровой  термометр с  программируемым   разрешением, от 9 до 12 бит, которое   может сохраняться в EEPROM памяти прибора. DS18B20 обменивается данными по 1-Wire шине и при этом может быть как единственным устройством на линии так и работать в группе. Все процессы на шине управляются центральным микропроцессором.

Диапазон измерений от –55°C до +125°C и точностью 0.5°C в диапазоне от –10°C до +85°C. В дополнение, DS18B20 может питаться напряжением линии данных (“паразитное питание”), при отсутствии внешнего источника напряжения.

Каждый DS18B20 имеет уникальный 64-битный последовательный код, который  позволяет, общаться с множеством датчиков DS18B20 установленных на одной шине. Такой принцип позволяет использовать один микропроцессор, чтобы контролировать  множество  датчиков  DS18B20, распределенных  по большому участку. Приложения, которые могут извлечь выгоду из этой особенности, включают системы  контроля температуры в зданиях,  и  оборудовании или машинах, а так же контроль и управление  температурными процессами.

Цоколевка и  блок-схема используемого датчика  представлены на рисунках 7 и 8.

 

Рисунок 7 –  Цоколевка DS18B20

 

Рисунок 8 –  Блок схема DS18B20

 

DS18B20 использует  исключительно 1-Wire  протокол  –  при этом  формируется   соединение,  которое осуществляет  коммуникацию  на  шине, используя   всего  один управляющий сигнал.  Шина должна быть подключена  к источнику питания через подтягивающий резистор, так как все устройства связаны с шиной, используют соединение  через Z-состояния или вход открытого стока.  Используя эту шину микропроцессор (устройство управления) идентифицирует и обращается к датчикам температуры, используя 64-битовый код прибора. Поскольку каждый прибор имеет уникальный код, число приборов, к которым можно обратиться на одной шине, фактически неограниченно.

 

 

Выводы

Основными составляющими  блока контроля и поддержания  температуры являются микроконтроллер AT89C5131, а также датчик температуры DS18B20. Коммутация между ними происходит посредством интерфейса 1-wire.

 

2.7 Разработка принципиальной  схемы устройства блока с применением контроллера АТ89С5131

2.7.1 Описание  электрической принципиальной схемы

Основной задачей  при разработке электрической принципиальной схемы является коммутации используемых компонентов: шины USB, микроконтроллера AT89C5131, датчиков температуры DS18B20 и вентиляторов.

На рисунке 9 представлена разработанная электрическая принципиальная схема блока контроля и поддержания температуры.

Рисунок 9 –  Электрическая принципиальная схема блока контроля и поддержания температуры

 

Питание блока  может осуществляться как от USB, так и от блока питания АТХ. Смена режимов питания происходит путем переключения тумблера S1. Предпочтительнее использовать в качестве источники энергии блок питания АТХ, что позволяет снизить нагрузку на USB хост.

Элементы схемы ZQ1, R1-R4 и C1-C10 предназначены для обеспечения работоспособности микроконтроллера. Конденсаторы C4,C5,C8-C10 осуществляют фильтрацию помех. Конденсаторы С6-С7 совместно с кварцевым резонатором ZQ1 необходимы для задания тактовой частоты. Резисторы R1-R3 и конденсатор C1 применятся для подключения разъема USB к микроконтроллеру. Элементы C2-C3 и R4 необходимы для обеспечения режима удвоенной частоты X2.

Резисторы R5-R7 применяются для обеспечения работоспособности интерфейса  
1-wire в соответствии с его спецификацией. В этом случае информационный вход подключен к шине питания через резистор номиналом 2,2 – 4,7 кОм в зависимости от сопротивления информационного провода.

В данной схеме  датчики температуры DS18B20 подключены к внешнему питанию, что, в отличие от «паразитного» питания, позволяет увеличить диапазон измеряемой температуры.

Управляющие входы  вентиляторов подключаются к PCA (программируемому массиву счетчиков), которые в свою очередь настроены на широтно-импульсную модуляцию.

2.7.2 Описание  временных диаграмм работы блока

Основное время  микроконтроллер работает в режиме считывания данных с датчиков температуры по шине 1-wire. Временные диаграммы инициализации шины, слотов чтения и записи данных представлены на рисунках 10 и 11.

 

Рисунок 10 Инициализация шины

 

Весь процесс  связи микроконтроллера с DS18B20 начинается с последовательности инициализации, которая состоит из импульса сброса от устройства управления (УУ), сопровождаемого импульсом присутствия от DS18B20 (рисунок 10). Когда DS18B20 посылает импульс присутствия в ответ на сброс, это указывает УУ, что DS18B20 находится на шине и готов работать.

В течение последовательности инициализации устройство управления шиной передает (TX) импульс сброса, перемещая шину 1-Wire в состояние  логического «0» минимум на 480 мкс. Устройство управления шиной отпускает  шину и переходит в режим приема (RX). Когда шина отпущена, подтягивающий резистор перемещают шину в уровень логической «1». Послу того как DS18B20 обнаруживает положительный перепад, он ожидает в течении 15 60 мкс и затем передает  импульс присутствия, перемещая шину  в логический «0» на длительность от 60 мкс до 240 мкс.

 

Рисунок 11 Слоты чтения и записи

 

Устройство  управления шиной записывает данные в DS18B20 в течение слотов времени  записи и читает данные от DS18B20 в  течение слотов времени считывания. Один бит данных передается за  один  слот времени.

 

Слоты времени записи

Есть два  типа слотов времени записи:

• Слот времени  записи «1» - W1

• Слот времени  записи «0» - W0

Устройство  управления шиной использует W1 чтобы  записать бит логической «1» в DS18B20 и W0, чтобы записать бит логического «0» в DS18B20.

Все слоты времени  записи должны быть продолжительностью минимумом 60 мкс разделенные импульсом  восстановления  минимумом 1 мкс.  Оба типа слотов времени записи инициализируются устройством управления, устанавливающим на шине логический ноль (рисунок 11).

Чтобы генерировать W1, после формирования импульса восстановления, устройство управления шиной должно  отпустить шину  в пределах 15 мкс. Когда шина  отпущена,  подтягивающий  резистор переместит уровень на шине к логической «1».

Чтобы генерировать W0, после формирования импульса восстановления, устройство управления шиной должно продолжать удерживать шину продолжительностью  всего слота времени (не менее 60 мкс).

 

 

Слоты времени считывания

Слоты времени  считывания предназначены для определения состояния устройства.  DS18B20 может передать данные  о своем состоянии  устройству управления только, когда устройство управления формирует слоты времени считывания.  Для команд  Чтения Памяти [BEh] или команды Чтения Вида Питания [B4h] устройство управления должно генерировать слоты времени считывания немедленно после формирования  этих  команд, это необходимо, чтобы DS18B20 мог передать требуемые данные. Кроме того,  устройство управления  может генерировать слоты времени считывания после  команды Конвертирования [44-ого] или команды Recall E2 [B8h], чтобы узнать о состояние операции.

Все слоты  времени  считывания должны быть минимумом 60 мкс  и разделяться импульсами восстановления  минимумом 1 мкс между слотами. Слот времени считывания инициализирован главным устройством, устанавливает на шине уровень логического нуля минимум на 1 мкс и затем отпускает шину (рисунок 11). После того, как устройство управления  инициализирует слот времени считывания, DS18B20 начнет передавать 1 или 0 на шине. DS18B20 передает 1, оставляя шину  в высоком уровне и передает 0,  устанавливая на шине 0. Выходные данные от  DS18B20  достоверны через  15 мкс после отрицательного  уровня, который инициализировал слот времени считывания. Поэтому,  устройство управления должен выпустить шину и затем начать считывание шины не ранее 15 мкс от начала слота.

 

Выводы

Основной составляющей блока контроля и поддержания  температуры является обмен данными  между датчиком температуры DS18B20 и микроконтроллером AT89C5131 по шине 1-wire. Особенностями 1-wire являются 1-битная шина данных, подтягивающий резистор к питанию, а также передача сигналов, путем сброса шины в «0» и ее оставление в высоком уровне.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.КОНСТРУКТОРСКАЯ  ЧАСТЬ

3.1.Выбор конструкторско-технологического решения платы

Рассчитаем  допустимую ширину проводников для  платы:

Для стабильной работы печатных проводников должно соблюдаться  неравенство:

  ,

где b ¾ ширина проводника, мм;

I ¾ ток, протекающий в печатном проводнике, А;

 ¾ допустимая плотность тока в печатном проводнике, А/мм²;

t_П  ¾ толщина печатного проводника, мкм [5].

Максимальный ток потребления  Блока в режиме измерения и  поддержания температуры (с вентиляторами) — 180 мA;

           Допустимая плотность тока для проводников, полученных методом химического травления, составляет , толщина печатного проводника равна t_П= 35 мкм, так как материал ПП стеклотекстолит СФ-2-35-1.5Г. 

Получаем:

 

Таким образом, ширину печатного  монтажа для платы выбираем равной 0,25 мм. Это соответствует третьему классу плотности монтажа. Шаг сетки  выбираем равным 1,27 мм. Шаг подсетки выбираем равным 0,635 мм. Это обусловлено тем, что ножки микросхемы имеют шаг 0,635 мм.

.

Для получения проводящего  рисунка в плате питания будем  использовать комбинированный позитивный метод. Метод используется для получения  проводящих слоёв двухсторонних  и многослойных печатных плат из фольгированного  травящегося диэлектрика.

 

 

 

 

 

3.2.Конструкторско-технологическое решение ячеек

3.2.1.Описание  платы

Плату изготавливаем из фольгированного стеклотекстолита. Габаритные размеры платы в сборе: 140х100х35 мм. Толщина платы 2 мм. Такая толщина платы выбрана по такому критерию, что на плату не устанавливается массивных элементов и суммарный вес всех ЭРЭ устанавливаемых на плату невелик. Толщины фольги 35 мкм и ширины проводника 0,25 мм достаточно для максимального напряжения в схеме 5В и тока 180мА. Печатные проводники разведены на обеих сторонах платы. Использование двухстороннего фольгированного диэлектрика позволяет получить более надёжные соединения. Шаг координатной сетки 1,27 мм. На плате просверлены шесть отверстия диаметром 5 мм, которые являются конструкционными для закрепления платы в корпусе блока. Адресация ЭРЭ выполнена краской МКЭЧ, шрифтом 3 по ОСТ 4Г 0.054.205 У1. ЭРЭ паяем припоем ПОС-61 по ГОСТ 21931-96.

3.2.2 Выбор материала  корпуса

Корпус блока  изготовляется литьем под давлением.

Основные преимущества литья под давлением заключаются в следующем:

1)Литье под  давлением позволяет решить одну  из важнейших задач литейного  производства: максимально приблизить  размеры отливки к размерам  готовой детали.

2) Отливки, полученные  в металлических пресс-формах, имеют  чистую и гладкую поверхность, что значительно сокращает поверхностную отделку деталей (шлифование, полирование и т. д.).

3) Отливки, полученные  литьем под давлением, имеют  мелкозернистую структуру и высокие  механические свойства.