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    使用NTC熱敏電阻和Arduino微控制器設計熔爐風扇和限位控制器

    來源:發表時間:2020-06-01

    NTC熱敏電阻是控制住宅爐系統功率功能的好方法。這些熱敏電阻可以感應加熱爐加熱室內的空氣溫度,并打開和關閉電源。用溫度傳感器代替爐子的功率控制很容易。本文將帶您逐步了解如何從Arduino微控制器和NTC熱敏電阻開始。

    該設計的應用將是用于住宅的中央空氣加熱系統(爐)。加熱爐由恒溫器以及安裝在空氣加熱室內的風扇和限位控制裝置控制,通向暖風管道分配系統。

    在使用該設計時,目標是更換當前使用的控制器,該控制器是White Rodgers 5D51-90風扇,并且限制控件插入了8英寸的加熱室。5D51-90風扇和極限控件由兩個雙金屬開關,一個極限開關和一個鼓風機開關組成。

    新控制器的設計使用負溫度系數(NTC)熱敏電阻來感應加熱室內的空氣溫度。NTC熱敏電阻的電阻值由微控制器確定,而微控制器又確定何時操作提供風扇和限制開關功能的繼電器。

    使用的微控制器是一個Arduino Nano系列,它提供一個模擬輸入通道來讀取NTC熱敏電阻電路產生的電壓。Arduino Nano系列還將提供兩個數字輸出,用于操作繼電器電路。[有關Arduino Nano系列電路圖,請參見本文末尾的附錄A8頁]

    應用設計參數

    NTC熱敏電阻

    Ametherm PANW103395-353 NTC熱敏電阻 [有關數據表,請參閱附錄A4和A5頁]

    風扇和極限控制器設計

    用于新控制器的NTC熱敏電阻電路由恒定電流吸收器組成,該電流吸收器在溫度測量范圍內通過NTC熱敏電阻提供恒定的100微安激勵電流。需要一個較小的恒定電流,以最大程度地減小NTC熱敏電阻的自熱效應。恒定電流組件位于帶有微控制器和兩個LED的電路板上,這些LED指示繼電器的通電狀態。[有關恒定電流吸收器的信息,請參見附錄A1頁]

    兩側的第二塊電路板由一個120VAC至12VAC降壓變壓器組成,具有:

    • 交流到直流整流組件

    • 限位繼電器

    • 鼓風機繼電器

    • 5VDC穩壓器

    • 晶體管電路,將繼電器連接到微控制器

    變壓器,繼電器和I / O引腳接頭安裝在電路板的頂部。整流組件,晶體管,電阻器和5伏調節器位于電路板的底部。變壓器電路為繼電器提供12VDC電源,為微控制器板提供d5穩壓電壓。[有關這些組件的電路圖,請參見附錄A2頁]

    限位開關

    限位開關控制最高加熱室溫度,通常處于關閉狀態。但是,它在200oF(93oC)的高溫下打開,在160oF(71oC)的溫度下關閉。限制開關通過來自調溫器的24VAC呼叫熱信號來打開燃氣閥,并點燃燃燒器以開始加熱空氣。

     

    鼓風機開關

    鼓風機開關操作120VAC鼓風機,并且通常處于打開狀態。但是,它在100oF(38oC)時關閉,使鼓風機風扇可以送出暖風,直到滿足恒溫器需求為止。此時,恒溫器將關閉燃氣閥,并且鼓風機將繼續運行,直到鼓風機開關在70oF(21oC)打開時關閉了鼓風機。

     

    暖風加熱范圍

    由10KΩNTC熱敏電阻溫度傳感器感測到60oF(16oC)至200oF(93oC),并將3950的beta插入8“熱室。微控制器和相關的電氣硬件將在大約室溫下位于加熱室的外側。

    故障安全裝置

    如果風扇和限位控制器發生故障,則應用設計的最后組成部分是與限位繼電器觸點串聯放置SUPCO L200-40F雙金屬高限位開關。故障安全裝置與NTC熱敏電阻溫度傳感器探頭(PANW103395-353)一起位于加熱室中,并且通常是閉合觸點,溫度上升到200oF(93oC)時斷開,而溫度下降到160℃時閉合oF(71oC)。[有關氣閥和鼓風機電機的圖,請參閱附錄A3]

    軟件數學策略

    熱敏電阻數據表信息和Steinhart-Hart的電子表格分析

    執行Steinhart-Hart方程將數據表中的值與從方程中導出的溫度,電阻和Beta值進行比較。將數據手冊中的值和Steinhart-Hart計算的值繪制成圖表,以查看它們之間的比較程度。Steinhart-Hart計算得出的值非常適合數據表中的值。

    由于NTC熱敏電阻的電阻會推斷出測得的溫度,因此軟件計算中所需要做的就是推導NTC熱敏電阻的電阻,并將測得的電阻值與所選數據手冊的電阻值進行比較,從而允許微控制器控制過程(即打開和關閉電阻限位開關并打開/關閉鼓風機開關)。將使用四個數據表電阻值,并將其分配給浮點常數變量。

    NTC熱敏電阻電阻的測量值使用以下公式得出:

    熱敏電阻= [(1023 VA1)Bit *((Vs / 100μAmp)/ 1023 Bit)]Ω

    • 1023:引用微控制器A / D轉換器的滿量程數字值

    • VA1:從NTC熱敏電阻恒流電路輸入的數字電壓

    • Vs:到恒流電路的滿量程模擬電壓測量值

    • 100μAmp:該電路中的校準勵磁電流

    Vs的精確測量勵磁電流的精確調節除以1023 的比得出的轉換常數的大小為每位歐姆。然后將該轉換常數分配給浮點常數變量。校準恒流電路時,將測量兩個精確值。

    這是幾個例子:

    Vs = 5.00,激勵電流= 100.00 μAmp,則轉換常數為[(5.000 / 100.00e-6)/ 1023 ] = 48.8758 Ohm / bit。

    如果VA1數字電壓讀為701,則熱敏電阻電阻計算如下:

    Rthermistor =浮動(1023 -701)* 48.8758 = 15,738.03歐姆

    根據Atmel數據表,該值最多精確到(48.8758 / 2)Ohms =±0.5 LSB,并推斷出溫度接近59oF(15oC±0.5oC)。

    假設VA1數字電壓讀數為1006,那么Rthermistor = 830.89歐姆,則推斷溫度接近201.2oF(94oC±1.°C)。[請參見附錄中的電子表格和圖表,用于比較計算得出的電阻與數據表中的電阻

    微控制器將計算出的電阻與選定的Ametherm數據表電阻值進行比較,并確定要采取的適當措施。

    軟件實施

    Arduino的IDE軟件被用于開發風扇和限制控制微控制器的草圖程序。[有關草圖,請參見附錄A11 – A14頁]此外,該程序還包括在DVD磁盤上,以及用于校準恒定電流吸收器的其他程序。

    結論
    構造了電子電路,編寫了軟件程序,并對風扇和限位控制器進行了臺架測試,以驗證其在預期應用中的運行。[有關該項目的帶注釋的圖片,請參閱附錄A15 – A22頁]

    完成項目的最終活動包括:

    • 制作NTC熱敏電阻探頭的安裝法蘭

    • 將NTC熱敏電阻探頭和上限開關安裝到加熱室

    • 為電路板制造外殼

    • 安裝組件并將互連線連接到熔爐

    該設計的成功很大程度上歸功于Ametherm NTC熱敏電阻探頭的準確性和質量。已經描述了設計的操作和描述,并且可以在附錄中找到支持開發的文檔。



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