Решение задачи
Структурная схема термостата
На рис. 8 представлена структурная схема разрабатываемого термостата.
Камера термостата является основным объектом термостабилизации, температура внутри камеры измеряется датчиком, в качестве которого используется полупроводниковый кремниевый диод.
Камера подготовки термостабилизированного воздушного потока представляет собой бокс, разделенный на 2 секции, секции друг от друга воздушно изолированы, в каждой из секций находится радиатор и прикрепленный к радиатору вентилятор, между радиатором первой секции и радиатором второй секции находится модуль Пельтье. Камера термостата и одна из секций (например, первая секция) камеры подготовки термостабилизированного воздушного потока соединены рукавом воздуховода, по которому и осуществляется доставка термостабилизированного воздуха до камеры термостата. Прошедший через камеру термостата воздух возвращается по другому рукаву воздуховода в первую секцию. Данное решение позволяет при значительной разности температур камера термостата/окружающая среда затрачивать на термостабилизацию воздушного потока меньше энергии и времени. Вторая секция соединена только с одним рукавом воздуховода диной около полутра метров, по которому происходит забор воздуха из окружающей среды, конец рукава воздуховода второй секции должен находиться как можно дальше от отверстия секции, откуда выходит разогретый/охлажденный воздух.
Работа модуля Пельтье определяется напряжением (и током) на выходе силового драйвера модуля Пельтье. Драйвер, в зависимости от управляющих сигналов на входе может пропускать электрический ток через модуль Пельтье в обоих направлениях, обеспечивая нагрев одной из сторон модуля, либо охлаждение соответствующей стороны.
Сигналы управления формируются микроконтроллером в зависимости от текущей установленной программой температуры и от данных, полученных от АЦП микроконтроллера. На АЦП напряжение поступает с датчика, которое усиливается измерительным усилителем.
Рис.8. Структурная схема термостата
Принципиальная электрическая схема термостата
Принципиальная электрическая схема контроллера термостата
На рисунке 9 представлена принципиальная электрическая схема контроллера термостата. Основой контроллера термостата является микроконтроллер ATmega16 (U1). Преобразователь интерфейсов USB-USART построен на микросхеме FT232RL (U2). В качестве стабилизатора напряжения для микроконтроллера выбран линейный стабилизатор L7805(U3). Тактирование микроконтроллера осуществляется при помощи кварцевого резонатора на 11.0592MHz (Y2).
Рис.9. Принципиальная электрическая схема контроллера термостата
Принципиальная электрическая схема силового драйвера модуля Пельтье
На рисунке 10 представлена принципиальная схема силового драйвера модуля Пельтье. Основа драйвера - H-мост, построенный на комплементарных парах полевых транзисторов AO4606. Компараторы LM293D, резистивный делитель на R1 (R6), R7 (R8), R9 (R10), RCцепь С2 (C3)R13(R14) и входной буфер MC74VHC125Dобразуют схему для создания мертвой зоны при переключении транзисторов, чтобы исключить возможность протекания сквозного тока через плечи H-моста.
Рис.10. Принципиальная электрическая схема силового драйвера модуля Пельтье
Принципиальная электрическая схема измерительного усилителя
На рисунке 11 представлена принципиальная электрическая схема измерительного усилителя. Измерительный усилитель построен на двух операционных усилителях LM2904N. Калибровка датчика температуры производится двумя подстроечными резисторами R4 и R9.
Рис.11. Принципиальная электрическая схема измерительного усилителя.
Алгоритм работы программы аппаратной части устройства
Алгоритм работы программы аппаратной части устройства представлен в приложении Б.
Внешний вид электронных блоков
Внешний вид электронных блоков представлен в приложении В.
Листинг программы
Листинг программы аппаратной части устройства представлен в приложении Г.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В рамках данной работы стояла задача разработать и реализовать термостат, имеющий минимальные габариты и малое энергопотребление, а также выбрать наиболее подходящий для него тип термоэлектрического модуля.
Для выполнения поставленной задачи были проделаны следующие виды работ:
Изучение необходимого аппаратного обеспечения.
Изучение принципов работы существующих на данный момент термостатов (в приближении к заданным требованиям).
Исследование принципа работы термоэлектрических модулей (ТЭМ), выбор и обоснование типа ТЭМ, режимов работы.
Изучение принципов работы датчиков температуры.
Разработка электрических схем термостата.
Собрана плата контроллера термостата, силовой драйвер для управления модулем Пельтье, платы с измерительными усилителями для датчиков температуры.
Разработка алгоритма программы для аппаратной части устройства.
Разработка программы для аппаратной части устройства.
Отладка программы.
Тестирование устройства в реальном эксперименте.
Анализ проделанной работы.