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使用NTC热敏电阻和Arduino微控制器设计熔炉风扇和限位控制器

来源:发表时间:2020-06-01

NTC热敏电阻是控制住宅炉系统功率功能的好方法。这些热敏电阻可以感应加热炉加热室内的空气温度,并打开和关闭电源。用温度传感器代替炉子的功率控制很容易。本文将带您逐步了解如何从Arduino微控制器和NTC热敏电阻开始。

该设计的应用将是用于住宅的中央空气加热系统(炉)。加热炉由恒温器以及安装在空气加热室内的风扇和限位控制装置控制,通向暖风管道分配系统。

在使用该设计时,目标是更换当前使用的控制器,该控制器是White Rodgers 5D51-90风扇,并且限制控件插入了8英寸的加热室。5D51-90风扇和极限控件由两个双金属开关,一个极限开关和一个鼓风机开关组成。

新控制器的设计使用负温度系数(NTC)热敏电阻来感应加热室内的空气温度。NTC热敏电阻的电阻值由微控制器确定,而微控制器又确定何时操作提供风扇和限制开关功能的继电器。

使用的微控制器是一个Arduino Nano系列,它提供一个模拟输入通道来读取NTC热敏电阻电路产生的电压。Arduino Nano系列还将提供两个数字输出,用于操作继电器电路。[有关Arduino Nano系列电路图,请参见本文末尾的附录A8页]

应用设计参数

NTC热敏电阻

Ametherm PANW103395-353 NTC热敏电阻 [有关数据表,请参阅附录A4和A5页]

风扇和极限控制器设计

用于新控制器的NTC热敏电阻电路由恒定电流吸取器组成,该电流吸取器在温度测量范围内通过NTC热敏电阻提供恒定的100微安激励电流。需要一个较小的恒定电流,以最大程度地减小NTC热敏电阻的自热效应。恒定电流组件位于带有微控制器和两个LED的电路板上,这些LED指示继电器的通电状态。[有关恒定电流吸取器的信息,请参见附录A1页]

两侧的第二块电路板由一个120VAC至12VAC降压变压器组成,具有:

  • 交流到直流整流组件

  • 限位继电器

  • 鼓风机继电器

  • 5VDC稳压器

  • 晶体管电路,将继电器连接到微控制器

变压器,继电器和I / O引脚接头安装在电路板的顶部。整流组件,晶体管,电阻器和5伏调节器位于电路板的底部。变压器电路为继电器提供12VDC电源,为微控制器板提供d5稳压电压。[有关这些组件的电路图,请参见附录A2页]

限位开关

限位开关控制最高加热室温度,通常处于关闭状态。但是,它在200?F(93?C)的高温下打开,在160?F(71?C)的温度下关闭。限制开关通过来自调温器的24VAC呼叫热信号来打开燃气阀,并点燃燃烧器以开始加热空气。

 

鼓风机开关

鼓风机开关操作120VAC鼓风机,并且通常处于打开状态。但是,它在100?F(38?C)时关闭,使鼓风机风扇可以送出暖风,直到满足恒温器需求为止。此时,恒温器将关闭燃气阀,并且鼓风机将继续运行,直到鼓风机开关在70?F(21?C)打开时关闭了鼓风机。

 

暖风加热范围

由10KΩNTC热敏电阻温度传感器感测到60?F(16?C)至200?F(93?C),并将3950的beta插入8“热室。微控制器和相关的电气硬件将在大约室温下位于加热室的外侧。

故障安全装置

如果风扇和限位控制器发生故障,则应用设计的最后组成部分是与限位继电器触点串联放置SUPCO L200-40F双金属高限位开关故障安全装置与NTC热敏电阻温度传感器探头(PANW103395-353)一起位于加热室中,并且通常是闭合触点,温度上升到200?F(93?C)时断开,而温度下降到160℃时闭合?F(71?C)。[有关气阀和鼓风机电机的图,请参阅附录A3]

App数学策略

热敏电阻数据表信息和Steinhart-Hart的电子表格分析

实行Steinhart-Hart方程将数据表中的值与从方程中导出的温度,电阻和Beta值进行比较。将数据手册中的值和Steinhart-Hart计算的值绘制成图表,以查看它们之间的比较程度。Steinhart-Hart计算得出的值非常适合数据表中的值。

由于NTC热敏电阻的电阻会推断出测得的温度,因此App计算中所需要做的就是推导NTC热敏电阻的电阻,并将测得的电阻值与所选数据手册的电阻值进行比较,从而允许微控制器控制过程(即打开和关闭电阻限位开关并打开/关闭鼓风机开关)。将使用四个数据表电阻值,并将其分配给浮点常数变量。

NTC热敏电阻电阻的测量值使用以下公式得出:

热敏电阻= [(1023 VA1)Bit *((Vs / 100?Amp)/ 1023 Bit)]Ω

  • 1023:引用微控制器A / D转换器的满量程数字值

  • VA1:从NTC热敏电阻恒流电路输入的数字电压

  • Vs:到恒流电路的满量程模拟电压测量值

  • 100?Amp:该电路中的校准励磁电流

Vs的精确测量励磁电流的精确调节除以1023 的比得出的转换常数的大小为每位欧姆。然后将该转换常数分配给浮点常数变量。校准恒流电路时,将测量两个精确值。

这是几个例子:

Vs = 5.00,激励电流= 100.00 ?Amp,则转换常数为[(5.000 / 100.00e-6)/ 1023 ] = 48.8758 Ohm / bit。

如果VA1数字电压读为701,则热敏电阻电阻计算如下:

Rthermistor =浮动(1023 -701)* 48.8758 = 15,738.03欧姆

根据Atmel数据表,该值最多精确到(48.8758 / 2)Ohms =±0.5 LSB,并推断出温度接近59?F(15?C±0.5?C)。

假设VA1数字电压读数为1006,那么Rthermistor = 830.89欧姆,则推断温度接近201.2?F(94?C±1.°C)。[请参见附录中的电子表格和图表,用于比较计算得出的电阻与数据表中的电阻

微控制器将计算出的电阻与选定的Ametherm数据表电阻值进行比较,并确定要采取的适当措施。

App实施

Arduino的IDEApp被用于开发风扇和限制控制微控制器的草图程序。[有关草图请参见附录A11 – A14页]此外,该程序还包括在DVD磁盘上,以及用于校准恒定电流吸取器的其他程序。

结论
构造了电子电路,编写了App程序,并对风扇和限位控制器进行了台架测试,以验证其在预期应用中的运行。[有关该项目的带注释的图片,请参阅附录A15 – A22页]

完成项目的最终活动包括:

  • 制作NTC热敏电阻探头的安装法兰

  • 将NTC热敏电阻探头和上限开关安装到加热室

  • 为电路板制造外壳

  • 安装组件并将互连线连接到熔炉

该设计的成功很大程度上归功于Ametherm NTC热敏电阻探头的准确性和质量。已经描述了设计的操作和描述,并且可以在附录中找到支撑开发的文档。



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