VYSOKÉ UČENÍ ECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSIY OF ECHNOLOGY FAKULA ELEKROECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH ECHNOLOGIÍ ÚSAV ELEKOMUNIKACÍ FACULY OF ELECRICAL ENGINEERING AND COMMUNICAION DEPARMEN OF ELECOMMUNICAIONS ERMOREGULAČNÍ ZAŘÍZENÍ S PELIERIHO ČLÁNKY PELIER EMPERAURE CONROLLER BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S HESIS AUOR PRÁCE AUHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR JAN PRŮCHA doc. Ing. IVAN RAMPL, CSc. BRNO 20
VYSOKÉ UČENÍ ECHNICKÉ V BRNĚ Faulta ltrotchniy a omuniačních tchnologií Ústav tlomuniací Baalářsá prác baalářsý studijní obor linformatia Studnt: ID: 9583 Roční: 3 Aadmicý ro: 200/20 NÁZEV ÉMAU: rmorgulační zařízní s Pltiriho člány POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Navrhnět ltronicé zařízní využívající Pltiriho člány udržování stabilní tploty = 20-40 C v biologicém trmostatu. Podmínou j homognní rozložní tploty v clém objmu tplně izolovaného prostoru. Zaměřt s zjména na liminaci rychlých tplotních změn a proto použijt vhodný princip rgulátoru např. proporcionálně-intgračně-drivační PID rgulátor. Exprimntálně ověřt funčnost navržného zařízní. DOPORUČENÁ LIERAURA: [] ĎAĎO, S.: Snzory a přvodníy. ISBN: 80-0-0323-3. ČVU Praha, 2006 [2] FUKÁKO,.: Dtc a měřní různých druhů zářní. ISBN: 80-7300-93-4. BEN-tchnicá litratura, 2006 [3] Kol. autorů: Eltronia - polovodičové součásty a záladní zapojní. ISBN: 80-7300-23-3. BEN-tchnicá litratura, 2006 [4] BALÁŤE, J.: Automaticé řízní. ISBN: 978-80-7300-48-3 / 978807300483. BEN-tchnicá litratura, 2004 rmín zadání: 7.2.20 rmín odvzdání: 2.6.20 Vdoucí prác: doc. Ing. Ivan Rampl, CSc. prof. Ing. Kamil Vrba, CSc. Přdsda oborové rady UPOZORNĚNÍ: Autor baalářsé prác nsmí při vytvářní baalářsé prác porušit autorsá práva třtích osob, zjména nsmí zasahovat ndovolným způsobm do cizích autorsých práv osobnostních a musí si být plně vědom násldů porušní ustanovní a násldujících autorsého záona č. 2/2000 Sb., včtně možných trstněprávních důsldů vyplývajících z ustanovní části druhé, hlavy VI. díl 4 rstního záoníu č.40/2009 Sb.
Abstrat Baalářsá prác obsahuj popis všch funčních prvů biologicého trmostatu. J zd popsán Pltirův člán a jv, na trém j založn. Pro řízní výonu Pltirova článu jsou zd popsány rgulátory PID, PSD a způsoby stanovní jjich paramtrů. Samotné řízní článu j ralizováno miroontrolérm PIC, onrétně jho PWM modulm. Dál jsou vysvětlny njčastější způsoby měřní tploty, obvodové prvy pro řízní Pltirova článu a ostatní důlžité prvy zařízní. Abstract Bachlor thsis contains a dscription of all functional lmnts of biological thrmostat. hr is dscribd Pltir lmnt and Pltir ffct, in which it is basd. For powr control of Pltir lmnt thr ar dscribd diffrnt typs of rgulators - PID, PSD and ways of dtrmining of controllr paramtrs. Control of th lmnt is ralizd by PIC microcontrollr, spcifically th PWM modul. hr ar xplaind most frqunt mthods of tmpratur masuring, circuit lmnts for controlling th Pltir lmnt and othr important pics of this dvic. Klíčová slova Pltirův člán, trmoltricý jv, trmistor, PID rgulátor, disrétní PSD rgulátor, miroontrolér PIC, monochromaticý LCD displj. Ky words Pltir lmnt, thrmolctric ffct, trmistor, PID rgulator, discrt PSD rgulator, PIC microcontrollr, monochrom LCD display. PRŮCHA, J. rmorgulační zařízní s Pltiriho člány. Brno: Vysoé uční tchnicé v Brně, Faulta ltrotchniy a omuniačních tchnologií, 20. 42 s. Vdoucí baalářsé prác doc. Ing. Ivan Rampl, CSc.
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány Prohlášní Prohlašuji, ž svoji baalářsou práci na téma rmorgulační zařízní s Pltiriho člány jsm vypracoval samostatně pod vdním vdoucího baalářsé prác s použitím odborné litratury a dalších informačních zdrojů, tré jsou všchny citovány v práci a uvdny v sznamu litratury na onci prác. Jao autor uvdné baalářsé prác dál prohlašuji, ž v souvislosti s vytvořním této prác jsm nporušil autorsá práva třtích osob, zjména jsm nzasáhl ndovolným způsobm do cizích autorsých práv osobnostních a jsm si plně vědom násldů porušní ustanovní a násldujících autorsého záona č. 2/2000 Sb., včtně možných trstněprávních důsldů vyplývajících z ustanovní 52 trstního záona č. 40/96 Sb. V Brně dn...... 4
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány Poděování Děuji svému vdoucímu baalářsé prác doc. Ing. Ivanu Ramplovi, CSc. za vhodnou mtodicou a odbornou pomoc při zpracování této baalářsé prác a za zajištění podmín pro měřní. V Brně dn...... 5
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány OBSAH ÚVOD... 0 2 PELIERŮV ČLÁNEK... 2. PELIERŮV EFEK... 2.2 SEEBECKŮV EFEK... 2.3 PELIERŮV ČLÁNEK... 3 BIOLOGICKÝ ERMOSA... 3 4 REGULÁORY... 5 4. ANALOGOVÉ REGULÁORY... 5 4.. Proporcionální rgulátor... 5 4..2 Intgrační rgulátor... 5 4..3 Drivační rgulátor... 6 4..4 PID rgulátor... 6 4..5 Paramtry rgulátoru... 6 4..6 Mtoda Ziglr-Nichols... 7 4.2 DISKRÉNÍ REGULÁORY... 8 5 MIKROPROCESOR... 23 6 SENZOR EPLOY... 25 6. ERMISOR... 25 6.2 EPLONÍ SENZOR... 26 7 KOMUNIKAČNÍ ROZHRANÍ... 28 7. LCD DISPLEJ... 28 7.2 LAČÍKA... 29 8 PARAMERY REGULÁORU... 30 9 ZÁVĚR... 35 LIERAURA... 36 SEZNAM POUŽIÝCH ZKRAEK... 37 SEZNAM PŘÍLOH... 38 A ŘÍDICÍ JEDNOKA... 39 A. SCHÉMA ZAPOJENÍ ŘÍDÍCÍ JEDNOKY... 39 A.2 SEZNAM SOUČÁSEK... 40 6
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány A.3 DPS SRANA SPOJŮ... 4 A.4 DPS OSAZOVACÍ PLÁN OP... 4 A.5 DPS OSAZOVACÍ PLÁN BOOM... 42 A.6 DPS FOOGRAFIE OSAZENÉ JEDNOKY... 42 B OBSAH PŘILOŽENÉHO CD... 42 7
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány Sznam obrázů OBR. 2.: PELIERŮV ČLÁNEK []... 2 OBR. 2.2: ZAPOJENÍ PELIEROVA ČLÁNKU []... 2 OBR. 3.: BLOKOVÉ SCHÉMA ERMOBOXU... 3 OBR. 3.2: ERMOBOX ENJOY LAB-07N... 4 OBR. 4.: NÁHRADA SPOJIÉHO INEGRÁLU MEODOU ZOBD... 9 OBR. 4.2: NÁHRADA SPOJIÉHO INEGRÁLU MEODOU DOBD... 9 OBR. 4.3: NÁHRADA SPOJIÉHO INEGRÁLU MEODOU LICHO... 20 OBR. 4.4: NÁHRADA DERIVACE ZPĚNOU DIFERENCÍ... 20 OBR. 5.: MIKROPROCESOR PIC6F877A... 23 OBR. 5.2: POPIS JEDNOLIVÝCH PINŮ MIKROPROCESORU [6]... 24 OBR. 6.: ZÁVISLOS ODPORU NA EPLOĚ PRO NC ERMISOR... 26 OBR. 6.2: EPLONÍ SENZOR SM60-30 O-92 [7]... 27 OBR. 7.: KOMUNIKAČNÍ ROZHRANÍ LCD DISPLEJ... 28 OBR. 7.2: VÝVODY LCD DISPLEJE... 29 OBR. 7.3: KOMUNIKAČNÍ ROZHRANÍ LAČÍKA... 29 OBR. 8.: NASAVENÉ VÝKONOVÉ MEZE REGULÁORU... 30 OBR. 8.2: GRAF AUOMAIZOVANÉHO MĚŘENÍ OPENÍ NA 36 C... 3 OBR. 8.3: GRAF AUOMAIZOVANÉHO MĚŘENÍ CHLAZENÍ NA 20 C... 3 OBR. 8.4: GRAF AUOMAIZOVANÉHO MĚŘENÍ OPENÍ NA 30 C... 32 OBR. 8.5: GRAF RUČNÍHO MĚŘENÍ CHLAZENÍ NA 26 C... 32 OBR. 8.6: MĚŘICÍ PRACOVIŠĚ... 33 OBR. 8.7: EPLOMĚR COME COMMEER D032... 34 8
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány Sznam tabul AB. 4.: SANOVENÍ PARAMERŮ MEODOU ZIEGLER-NICHOLSE... 8 AB. 4.2: VÝPOČY PARAMERŮ Q 0, Q, Q 2 PODLE POUŽIÉ NÁHRADY INEGRÁLU... 22 AB. 7.: ZAPOJENÍ JEDNOLIVÝCH PINŮ DISPLEJE... 28 9
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány Úvod Prác s zabývá torticým řšním rgulac tploty v biologicém trmostatu pro tploty v rozsahu 20 40 C a násldným návrhm řídící jdnoty. Obsahuj popis Pltiriho článu, možnosti jho rgulac a princip přměny ltricé nrgi na tplnou. J zd popsán způsob fungování článu a rozložní tplot na jho vnějších vztyčných plochách. Pro rgulaci Pltiriho článu jsou zd popsány analogové rgulátory, zjména PID a disrétní rgulátor PSD. Pro ativní funci rgulátoru j důlžité zjména nustálé měřní tploty uvnitř izolovaného prostoru, proto jsou zd dál popsány njrůznější způsoby měřní tploty. Výchozí zařízní clé jdnoty j miroontrolér PIC. K zobrazní informací o atuální a nastavné tplotě uvnitř zařízní slouží LCD displj. Rgulační jdnota trmoboxu byla vyrobna a laboratorně odzoušna. 0
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány 2 Pltirův člán V roc 834 popsal francouzsý fyzi Pltir ft. nto ft j invrzní Sbcovu ftu. 2. Pltirův ft "Protéá-li stjnosměrný ltricý proud z vnějšího zdroj Sbcovým obvodm, pa vzniá tplotní rozdíl mzi oběma spoji. č-li proud z vnějšího zdroj daným spojm stjným směrm, jaý má proud při ohřátí tohoto spoj v Sbcově jvu, pa s daný spoj ochlazuj. Prochází-li proud směrm opačným, pa s spoj ohřívá. Pltirův ft závisí na druhu ovů a na jjich tplotě." [] 2.2 Sbcův ft "Jsou-li spojny dva vodič z různých ovů do uzavřného obvodu a mají-li spoj různou tplotu a 2, protéá obvodm ltricý proud." [] 2.3 Pltirův člán Pltirův člán j ltronicá součásta sládající s z pol přchodů dvou rozdílných matriálů. Njčastěji s používá bismut a tllur. Přchody PN jsou zapojny sériově a uspořádány do větších clů. Každá z jho vztyčných ploch j opatřna ramicou dstičou, z nichž jdna chladí a druhá s zahřívá. Kramicá dstiča slouží jao izolant, musí mít vša dobrou tplnou vodivost.
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány Obr. 2.: Pltirův člán [] Zapojní Pltirova článu: Obr. 2.2: Zapojní Pltirova článu [] d Q - tplo absorbované, Q h - tplo vyzařované, P - polovodič s děrovou vodivostí, N - polovodič s ltronovou vodivostí. 2
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány 3 Biologicý trmostat oto zařízní udržuj onstantní nastavnou tplotu v izolovaném prostoru. Chlazní a topní uvnitř trmoboxu j ralizováno Pltiriho článm. Cirulaci vzduchu uvnitř zařízní zajišťuj vntilátor. plota j snímána intgrovaným tplotním snzorm. Bloové schéma zařízní vypadá tato: Obr. 3.: Bloové schéma trmoboxu 3
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány Obr. 3.2: rmobox Enjoy Lab-07N Při onstruci jdnoty bylo použito tplotního snzoru SM60-30 a Pltirova článu M-ES-2704. Obě součásty byly již v zapůjčném trmoboxu zaomponovány. Řídicí jdnota s rozládá na jdnostranné cuprxtitové dsc o rozměrch 55 x 59 mm. Jjí ompltní doumntac j obsažna v příloz A. Paramtry článu M-ES-2704: - vliost 30x30x3.2 mm, - maximální proud I max = 3,9 A, - maximální napájcí napětí U max = 5,4 V, - maximální možný přnsný tplný výon Q max = 33,4 W. 4
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány 4 Rgulátory Rgulátor j zařízní, prostřdnictvím trého s usutčňuj procs automaticé rgulac. Jho úolm j zajištění co njmnší odchyly požadované hodnoty od rálné. Přvdním na uvdnou problmatiu to znamná udržovat tplotu automaticy na požadované hodnotě s co njmnším tplotním výyvm. 4. Analogové rgulátory Z hldisa dynamicých a přnosových vlastností dělím analogové rgulátory na proporcionální P, intgrační I a drivační D. 4.. Proporcionální rgulátor Pro proporcionální rgulátor platí, ž mzi vstupní a výstupní vličinou j přímá úměra. ato složa j ralizována násobním. Difrnciální rovnic a přnosová func této složy j: u t = r0 t, 4. Fr p r =, 4.2 = 0 K R d F R j přnosová func rgulátoru, r 0 a K R jsou onstanty vyjadřující zsílní P složy rgulátoru. 4..2 Intgrační rgulátor Intgrační rgulátor j rgulátor, d j ační vličina přímo úměrná intgrálu rgulační odchyly. Doáž úplně liminovat rgulační odchylu, al zpomaluj rgulační děj a zhoršuj stabilitu. Pro intgrační složu platí vztahy: t u t = ri t dt x0, 4.3 0 ri FR p = =, 4.4 p p i d i přdstavuj časovou intgrační onstantu a r i j zsílní intgračního rgulátoru. 5
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány 4..3 Drivační rgulátor nto rgulátor na rozdíl od P a I nlz použít samostatně. Zvyšuj stabilitu proporcionální a intgrační složy. 4..4 PID rgulátor Sumací slož vznin PID rgulátor: t d t u t = r0 t rd ri t dt x0, 4.5 dt F 0 ri p p p = r0 rd p = K R D p = r, 4.6 p p p 2 R I d K R = r 0, r ri =, r =, 0 I ri rd =, D r 0,2 ± I I D =. 4.7 2 I D 4 Místo r 0 s často používá pásmo proporcionality pp. Udává, o oli s musí změnit vstupní vličina, aby s ační vličina změnila v clém rozsahu. pp = 00 %. 4.8 r 0 4..5 Paramtry rgulátoru Paramtry rgulátoru s dají stanovit: - analyticými mtodami, - mtodou pous-omyl, - inžnýrsou mtodou. Analyticých mtod j dns vypracována clá řada. Jsou to mtody založné na matmaticém modlu, z nichž njznámější j mtoda Ziglr-Nichols. Mtoda pous - omyl, ja již názv napovídá, j založna na xprimntálním nastavování paramtrů rgulátoru. Platí vša zásada, ž paramtry s nastavují v pořadí 6
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány P, I, D. Začíná s nastavním proporcionálního zsílní K, poté intgrační časovou onstantu I a drivační časovou onstantu D. V počátční fázi nastavování rgulátoru zůstává intgrační a drivační složa vypnuta. Rgulátor s pomocí této mtody nastavuj v násldujících rocích:. "Eliminujm vliv intgrační složy nastavím na maximum a drivační složy nastavím na minimum." [5] 2. "V ručním ržimu rgulátoru nastavím proporcionální zsílní na nízou hodnotu např. 0,5 a přpnm rgulátor do automaticého ržimu." [5] 3. "Zvyšujm proporcionální zsílní K r po malých přírůstcích až do dosažní vhodného ompromisu mzi rychlostí odzv a jjich mitavostí, trý daným tchnologicým požadavům vyhovuj." [5] 4. "Snižujm postupně intgrační časovou onstantu I a zpravidla tím taé odstraňujm trvalou rgulační odchylu. Opět sončím u vliosti, při tré rgulační pochody vyhovují." [5] 5. "Zvyšujm drivační časovou onstantu D, jjíž účin zvýšní rychlosti a stability opět platí do určité míry." [5] Inžnýrsá mtoda spojuj dohromady mtodu Ziglr-Nichols a mtodu pousomyl. Primární paramtry s stanový mtodou Ziglr-Nichols a poté s drobné odchyly dolaďují mtodou pous - omyl. 4..6 Mtoda Ziglr-Nichols Jdná s o mpiricou mtodu, trá byla vytvořna již v roc 942. ato mtoda určuj nastavitlné paramtry rgulátorů PID na záladě xprimntálního měřní. Mtoda Ziglra-Nichols přdstavuj njrychljší způsob, ja prvotně nastavit PID rgulátor. Stanovuj hodnoty paramtrů rgulátoru z tzv. riticého zsílní a priody riticých mitů. Podmínou pro použití mtody Ziglr-Nichols j, aby přchodová charatristia procsu měla tvar písmn "S". 7
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány ab. 4.: Stanovní paramtrů mtodou Ziglr-Nichols yp K R I D P 0,5K rit PI 0,45K rit 0,83 rit PID 0,6K rit 0,5 rit 0,25 rit 4.2 Disrétní rgulátory Rgulátor spojitého PID rgulátoru dfinuj hodnotu ační vličiny ut v libovolném časovém oamžiu t na záladě znalosti průběhů rgulační odchyly t = wt yt [2]. Disrétní PSD rgulátor na rozdíl od rgulátoru PID určuj vliost ační vličiny v uvažovaném časovém oamžiu t =. ím splyn tnto oamži s -tým vzorovacím oamžim a j možné napsat: R u = R I RD D, 4.9 I d I j hodnota intgrálu a D j hodnota drivac v uvažovaném disrétním časovém oamžiu t =. Pro náhradu intgrac s užívá: - stupňovitá náhrada zpět zpětná obdélníová ZOBD, - stupňovitá náhrada dopřdu dopřdná obdélníová DOBD, - sčnová náhrada lichoběžníová LICHO. 8
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány Zpětná obdélníová mtoda ZOBD t Z I = τ τd i = ˆ. 4.0 = z 0 i Obr. 4.: Náhrada spojitého intgrálu mtodou ZOBD Dopřdná obdélníová mtoda DOBD I = t 0 τ τd i. 4. i= 0 Obr. 4.2: Náhrada spojitého intgrálu mtodou DOBD 9
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány Lichoběžníová mtoda LICHO t i d 0 i= 2 [ i ] I = τ τ. 4.2 Obr. 4.3: Náhrada spojitého intgrálu mtodou LICHO Náhrada drivac s provádí zpětnou difrncí d t [ ] z D = = ˆ. 4.3 dt Z Obr. 4.4: Náhrada drivac zpětnou difrncí Při náhradě intgrálu zpětnou obdélníovou mtodou a náhradou drivac zpětnou difrncí dostanm difrnční rovnici: D u = R i I i= { [ ]} u0. 4.4 20
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány 2 Přnos polohového algoritmu PSD rgulátoru: = = z z z z z E z U z F D I R R. 4.5 Polohový algoritmus má vša tu nvýhodu, ž j nutné uchovávat v paměti všchny hodnoty i. Proto j vhodnější pracovat s rgulátorm v přírůstovém tvaru, trý určuj pouz změnu ační vličiny oproti hodnotě v přdchozím rou: { } [ ] [ ] { } { } { } [ ] [ ] { }, 2 2 ] [ 2 2 ] [ ] [ = = = = = = i i u u u D I R D i i I R 4.6 d [ ] = = i u D i I R, 4.7 [ ] [ ] = = i u D i I R 2 [ ] [. 4.8 Zavdním paramtrů q 0, q, q 2 rovnici zjdnoduším na [ ] [ ] q q q u 2 2 0 =, 4.9 d = q D I R 0, = q D R 2, 4.20 q D R = 2.
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány 22 Nastavitlnými paramtry jsou q 0, q, q 2. Za jjich hodnotu můžm dosadit přímo hodnotu zísanou jaýmoli optimalizačním postupm pro výš zmíněný PID rgulátor. Dál s zísávají hodnoty rgulační odchyly pro atuální, minulý a přdminulý stav, tj., [-], [-2]. Univrzálně platná difrnční rovnic přírůstového algoritmu j tdy [ ] [ ] ] [ 2 2 0 u q q q u =. 4.2 Odpovídající přnos: 2 2 0 = = z z q z q q z E z U z F R. 4.22 ab. 4.2: Výpočty paramtrů q 0, q, q 2 podl použité náhrady intgrálu Varianta q 0 q q 2 ZOBD I D R D R 2 D R DOBD D R I D R 2 D R LICHO I D R 2 I D R 2 2 D R
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány 5 Miroprocsor V řídící jdnotc byl použit miroprocsor PIC6F877A vyráběný firmou Microchip tchnology. nto miroprocsor j založn na harvardsé archittuř, tj. paměti pro data a pro program jsou navzájm oddělné. Programová a datová paměť nmá stjně dlouhé datové slovo. Obr. 5.: Miroprocsor PIC6F877A Paramtry procsoru PIC6F877A: - paměť programu - 892 slov, - paměť RAM - 368 bytů, - paměť EEPROM - 256 bytů, - vlé pouzdro - 40 pinů, - 33 I/O, - 3 časovač, - 2 PWM moduly, - 8 0-bitových A/D přvodníů, - frvnc až 20 MHz, 23
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány - sériový port USAR/SCI, - sériový port MSSP SPI, I2C. Obr. 5.2: Popis jdnotlivých pinů miroprocsoru [6] 24
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány 6 Snzor tploty Snzor tploty j funční prv tvořící vstupní blo měřicího řtězc tj, blo, trý j v přímém styu s měřným prostřdím [3]. Snzory rozlišujm na snímač tploty a tplotní čidla. Snímač tploty j onstruční část, obsahující čidlo. plotní čidlo obsahuj přvodní na jinou fyziální vličinu, napřílad odpor, nbo střída. Dl fyziálního principu s snzory dělí na odporové, trmoltricé, polovodičové s PN přchodm, dilatační, opticé, radiační, chmicé, šumové, austicé, magnticé, a na další, jao jsou např. apacitní a arodynamicé [3]. Dělní podl styu s měřným prostřdím: - dotyové, - bzdotyové. Bzdotyové snzory jsou vhodné zjména měřní tplot na povrchu, proto pro násldující použití budou njvhodnější čidla dotyová. 6. rmistor rmistory jsou polovodičové součásty, u trých odpor v závislosti na tplotě lsá nbo stoupá podl toho, o jaý druh s jdná. rmistory s vyrábí z polyrystalicé ramiy směs oxidu a ovů Mn, Co, Ni, Cu, i, U, aj., tré s rozmlou na práš a po přidání pojidla s za vysoého tlau slisují na žádaný tvar. rmistory s spéají při tplotě přsahující 000 C. Při spéání vzniají chyby v rystalicé mřížc, tré způsobují změny v vdní proudu. Dělí s: - NC označovaný též jao ngastor. rmistor s ngativním tplotním součinitlm. Zahříváním trmistoru lsá jho odpor. - PC označovaný též jao pozistor. rmistor s pozitivním tplotním součinitlm. Zahříváním trmistoru stoupá jho odpor. NC trmistor s používá jao tplotní čidlo. Musím vša znát jho voltampérovou charatristiu. a s určuj tzv. můstovou mtodou, trá vd linarizaci a zvýšní citlivosti. 25
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány K zísání tploty dalšímu zpracování j vša potřba např. A/D přvodníu v miroontrolru. Jho výhodou j nižší cna. Nvýhodou j nutnost linarizac. Obr. 6.: Závislost odporu na tplotě pro NC trmistor 6.2 plotní snzor Intgrované tplotní snzory též nazývané jao monoliticé jsou tvořny snzorm tploty a ltronicým obvodm. Vš s nachází v jdiném pouzdř. Jsou přsně alibrovány již z výroby, tudíž jsou ihnd připravny použití. Jjich nvýhodou j vša vyšší cna. V trmostatu j zabudovaný tplotní snzor SM60-30. Záladm snzoru j polovodičový přchod PN polarizovaný v propustném směru a obvody přvádějící tplotu na střídu. Snzor j dodáván v pouzdrch typu O-92, O-8, O-220 a SOIC. V trmoboxu j použit snzor v pouzdř O-92. Vlastnosti snzoru: - tplotní rozsah -45 C až 30 C, - nvyžaduj A/D přvodní, - výstupní frvnc 4 Hz, - napájcí napětí 5 V, 26
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány - nízá spotřba < mw, - snadné připojní přímo na pin miroontrolru. Obr. 6.2: plotní snzor SM60-30 O-92 [7] Zapojní pinů snzoru: výstup, 2 VCC, 3 GND. Střída impulzu, nboli poměr šířy impulsu době priody s mění linárně v závislosti na tplotě. Rovnic pro výpočt z tchnicé doumntac má tvar: D. C. = 0,32 0, 0047 t, 6. d D.C. j střída výstupního signálu, t j tplota v stupních clsia. Miroontrolér vša měří střídu snzoru a jao výstupní vličina j požadována tplota. Proto rovnici přvdm na tvar: D. C. 0,32 t =. 6.2 0,0047 27
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány 7 Komuniační rozhraní 7. LCD displj K zobrazní nastavné a sutčné tploty uvnitř biologicého trmostatu slouží LCD displj MC602E-SYL/H. nto displj doáž zobrazit clm 32 znaů v dvou řádcích. Displj j připojn datovými a synchronizačními vodiči přímo miroprocsoru. J vybavn vlastním řadičm. K napájní a podsvícní displj slouží 5V, z trých j napájn miroprocsor. Obr. 7.: Komuniační rozhraní LCD displj ab. 7.: Zapojní jdnotlivých pinů displj PIN 2 3 4 5 6 7 8 SIGNAL VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB PIN 9 0 2 3 4 5 6 SIGNAL DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 DB8 A K 28
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány Obr. 7.2: Vývody LCD displj 7.2 lačíta Pro nastavní požadované tploty slouží dvě tlačíta plus a mínus. Povolný tplotní rozsah j omzn na 20-40 C s jdnotovým som. ato informac j zobrazna na druhém řádu displj. Obr. 7.3: Komuniační rozhraní tlačíta 29
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány 8 Paramtry rgulátoru Paramtry rgulátoru byly určny mtodou pous-omyl. Kvůli nrovnoměrnému rozmístění tplot v rgulátoru, d j vzduch rozháněn pouz jdním vntilátorm bylo nutné stanovit tplotu touto mtodou a ladit výonové mz. Mz s do PWM gnrátoru dosazují v rozsahu datového typu byt 0-255, d 0 žádný výon střída 0%, 255 plný výon střída 00%. Obr. 8.: Nastavné výonové mz rgulátoru Při nastavní těchto výonových mzí rgulátor funguj vlic dobř s tplotním rozmitm 0,5 C pro ladné hodnoty a 0,2 C pro záporné tploty. Problém vša nastan při měřní druhým tploměrm. Nrovnoměrné rozmístění tplot a jiné pouzdro j příčinou odchyly měřní v grafch. Posldní měřní jsm proto ralizoval odčítáním tplot z displj zařízní. Měřní probíhalo za oolní tploty 24, C. 30
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány 40,0 38,0 36,0 34,0 32,0 [ C] 30,0 28,0 26,0 24,0 22,0 20,0 0 200 400 600 800 000 200 400 600 800 2000 t [s] Obr. 8.2: Graf automatizovaného měřní topní na 36 C 36,0 34,0 32,0 30,0 [ C] 28,0 26,0 24,0 22,0 20,0 8,0 0 500 000 500 2000 2500 3000 t [s] Obr. 8.3: Graf automatizovaného měřní chlazní na 20 C 3
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány [ C] 34,0 33,0 32,0 3,0 30,0 29,0 28,0 27,0 26,0 25,0 24,0 23,0 22,0 2,0 20,0 0 200 400 600 800 000 200 t [s] Obr. 8.4: Graf automatizovaného měřní topní na 30 C 30,5 30 29,5 29 28,5 [ C] 28 27,5 27 26,5 26 25,5 0 200 400 600 800 000 200 t [s] Obr. 8.5: Graf ručního měřní chlazní na 26 C 32
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány Obr. 8.6: Měřicí pracoviště K měřní trmoboxu byl použit tploměr COME Commtr D032 s funcí automaticého zaznamnávání změřné hodnoty v libovolném časovém intrvalu. rmobox a měřicí pomůcy mi byly zapůjčny firmou Enjoy s.r.o. 33
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány Obr. 8.7: ploměr COME Commtr D032 34
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány 9 Závěr Na záladě torticých a praticých znalostí jsm navrhl schéma a násldně zralizoval řídicí jdnotu biologicého trmostatu. K měřní střídy tplotního snzoru jsm použil PWM modul miroprocsoru. Měřní tploty má tdy njvětší možnou přsnost danou snzorm. Jdiný problém nastal při určování paramtrů rgulátoru. plota v trmoboxu ndostatčně ciruluj a tím j nutné na aždou polohu snzoru v prostoru vyladit jiné hodnoty rgulátoru. Zařízní ativně řídí výon Pltiriho článu v závislosti na změřné tplotě. Řídicí jdnotu jsm odladil na zapůjčném přípravu s vntilátorm a snzorm, d j snzor umístěn v střdu izolovaného prostoru. S tímto přípravm jsm dosáhl přsnosti -0,2 C až 0,5 C od požadované tploty. Větší přsnost už j limitována ndostatčným výonm Pltirova článu a nrovnoměrným rozložním tploty v prostoru. Původní řídicí jdnota v trmoboxu fungovala jao pouhý trmostat, trý při rozdílu tplot větším ja C od požadované hodnoty připojil člán a při dosažní požadované tploty člán odpojil. plota uvnitř trmoboxu olísala s původní jdnotou přibližně,2 C od požadované tploty, taž onstruc s pulsním řízním článu přinsla výrazné zlpšní. 35
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány Litratura [] DŘÍNEK, Milan. Hw.cz [onlin]. 6. Prosinc 999 [cit. 200--23]. Hw.cz. Dostupné z WWW: <http://hw.cz/ori-a-prax/doumntac/ar652-pltirovytrmobatri.html>. [2] BALÁĚ, Jaroslav. Automaticé řízní. 2. přpracované vydání. Praha : BEN, 2004. 664 s. ISBN 80-7300-48-9. [3] KREIDL, Marcl. Měřní tploty : Snzory a měřící obvody.. vydání. Praha : BEN, 2005. 240 s. ISBN 80-7300-45-4. [4] KUKAL, Jaromír. O volbě paramtrů PI a PID rgulátorů. Automatizac [onlin]. 2006, 49,, [cit. 200-2-2]. Dostupný z WWW: <http://www.automatizac.cz/articl.php?a=07>. [5] KLÁN, Ptr. Modrní mtody nastavní PID rgulátorů. Automa [onlin]. 2000, 9, [cit. 200-2-2]. Dostupný z WWW: <http://www.odborncasopisy.cz/download/au090054.pdf >. [6] Datasht Microchip PIC6F877A [onlin]. 2003. Dostupný z WWW: <http://pdf.alldatasht.com/datashtpdf/viw/82377/microchip/pic6f877ai/p.html>. [7] Datasht SMAREC SM 60-30 [onlin]. 2005. Dostupný z WWW: <http://www.smartc.nl/pdf/dssm6030.pdf>. 36
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány Sznam použitých zrat A/D DC I/O MOSFE PID PSD PWM analogově digitální střída výstupního signálu duty cycl vstupní a výstupní unipolární tranzistor s struturou ov-oxid-polovodič proporcionálně intgračně drivační rgulátor proporcionálně sumačně difrnční rgulátor pulsně šířová modulac µp miroprocsor 37
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány Sznam příloh A Řídicí jdnota A. Schéma zapojní řídicí jdnoty A.2 Sznam součást A.3 DPS strana spojů A.4 DPS osazovací plán top A.5 DPS osazovací plán bottom A.6 DPS fotografi osazné jdnoty B Obsah přiložného CD 38
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány A Řídicí jdnota A. Schéma zapojní řídící jdnoty 39
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány A.2 Sznam součást Označní Počt Hodnota Součásta C, C 2 2 00 nf Kondnzátor SMD206 C 3, C 4 2 33 pf Kondnzátor SMD206 C 5 220 µf/ 6 V Kondnzátor ltrolyticý D, D 2 2 N448 Dioda SOD80 IC PIC6F877A Miroprocsor DIL40 IO 7805 Stabilizátor O220 K, K 4, K 0 3 PSH02-03P Kontor K 3 ARK500/2 Svorovnic K 5, K 6, K 7, K 8, K 9, K 2 6 PSH02-02P Kontor K 2, K 2 F4052 Rlé LCD PSH02-08P Kontor LCD_DAA PSH02-04P Kontor Q 8 MHz Krystal Q 2, Q 3 2 BS70 Unipolární tranzistor O92 Q 4 IRF4905 Unipolární tranzistor O220 R 4,7 Ω Rzistor SMD206 R 2, R 5, R 6, R 8 4 0 Ω Rzistor SMD206 R 3 2,2 Ω Rzistor SMD206 R 4, R 9, R 3 0 Ω Rzistor propoja R 7,2 Ω Rzistor SMD206 R 0 0 Ω Rzistor SMD206 propoja REP KPE242 Siréna 40
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány A.3 DPS strana spojů A.4 DPS osazovací plán top 4
rmorgulační zařízní s Pltiriho člány A.5 DPS osazovací plán bottom A.6 DPS fotografi osazné jdnoty B Obsah přiložného CD /mrni.zip /program.c /xpruch00.pdf hodnoty a grafy zísané při měřní zdrojový program pro miroprocsor napsaný v programu MiroC ltronicá vrz baalářsé prác 42