Konstrukce regulátoru teploty v nádob ě fermentoru

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií

Studijní program: B2612 – Elektrotechnika a informatika

Studijní obor: 2612R011 – Elektronické informační a řídící systémy

Konstrukce regulátoru teploty v nádobě fermentoru

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Autor: Lukáš Mindl

Vedoucí práce: Ing. Jiří Jelínek, Ph.D.

Konzultant: Ing. Jan Václavík

Počet stran textu ……… 45

Počet obrázků ………… 25

Počet tabulek ……….. 8

Počet příloh …………. 5

Počet stran příloh …… 11

Prohlášení

Byl(a) jsem seznámen(a) s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).

Beru na vědomí, že TUL má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé bakalářské práce a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mé bakalářské práce (prodej, zapůjčení apod.).

Jsem si vědom(a) toho, že užít své bakalářské práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).

Bakalářsou práci jsem vypracoval(a) samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím bakalářské práce a konzultantem.

Datum

Podpis

Poděkování

Tímto bych chtěl především poděkovat panu Ing. Jiřímu Jelínkovi, Ph.D., vedoucímu mojí bakalářské práce, za jeho odborné vedení, cenné rady a připomínky. Dále bych rád poděkoval panu Jiřímu Horáčkovi a panu Dr. Ing. Jaroslavu Moravcovi za technické zázemí a odborné rady.V neposlední řadě bych chtěl poděkovat rodičům a bratrovi za pochopení a psychickou podporu.

Anotace

Cílem mé bakalářské práce je vyřešit problém regulace teploty v nádobě fermentoru.

V této nádobě je umístěn topný kabel DEVI. Mým úkolem je navrhnout a vyrobit regulátor, kterým bude možno udržovat stálou teplotu v nádobě. Teplota je řízena pomocí výkonu dodávaného do topného kabelu.Celé toto zařízení bude napájeno ze sítě 230 V AC. Velikost výkonu dodávaného do zátěže se řídí interním nebo externím napětím v rozsahu 0-1 V nebo 0-10V. Teplota v nádobě je pak měřena odporovým čidlem teploty PT100. Hodnoty obou veličin jsou vyhodnocovány a zobrazovány na displeji. Celý tento obvod může po sériové lince komunikovat s počítačem a je řízen procesorem.

Funkce celého zařízení zajišťuje lepší výsledky při biologickém výzkumu v chemické laboratoři.

Klíčová slova

Annotation

The goal of my bachelor work is to solve the problem with temperature regulationin a fermenter tank. A heating cable DEVI is put in this tank. My project is to suggest and make a regulator, that will keep a continual temperature in the tank.

Temperature is controled by the help of delivery electrical power to the heating cable.

This apparatus will be power supplied from system 230 V AC. Greatness delivery electrical power to the load is controlled internal or external on-load voltage between 0 - 1V or 0- 10V. Temperature in tank is measured by resistive temperature-sensitive element PT100. Values of both quantity are analysed and reflected on display. Whole this electric circuit can communicate with computer by serial lines and is controlled by processor.

Function of whole apparatus guarantee better results for biological research in chemical laboratory.

Keywords

Obsah

Seznam použitých symbolů ... 8

Seznam použitých zkratek ... 8

Úvod ... 9

Teoretická část ... 10

1 Popis problému a specifikace cíle ... 10

1.1 Zadání ... 10

1.2 Přesná specifikace výrobku ... 11

1.3 Popis samoregulačních kabelů DEVI ... 12

1.3.1 Příklad použití samoregulačníhu topného kabelu ... 13

2 Teoretický rozbor ... 15

2.1 Návrh – blokové schéma... 15

2.2 Popis procesoru... 17

2.2.1 Popis jednotlivých portů procesoru ... 19

2.2.2 Rozdělení paměti ... 23

Praktická část ... 25

3 Praktický návrh obvodu... 25

3.1 Funkční blokové schéma obvodu ... 25

3.2 Napájecí zdroj ... 26

3.3 Vstup a ovládání ... 27

3.4 Měření teploty... 29

3.5 Zdroj záporného napětí ... 31

3.6 Procesor ... 32

3.7 Displej ... 34

3.8 Komunikace RS232 ... 35

3.9 Výkonová část... 36

4 Software potřebný pro realizaci ... 38

4.1 Návrhový systém PADS ... 38

4.2 Programovací prostředí MPLAB IDE ... 39

5 Měření ... 41

Závěr ... 44

Literatura ... 45

Seznam příloh... 47

A Návod k obsluze... 48

B Schéma zapojení a návrhy desek plošných spojů... 49

C Fotodokumentace ... 55

D Program pro procesor ... 58 E Přílohy v elektronické formě……….…CD

Seznam použitých symbol ů

R elektrický odpor U elektrické napětí

Seznam použitých zkratek

IO integrovaný obvod OZ operační zesilovač DPS deska plošných spojů

Úvod

Hlavní myšlenkou mé bakalářské práce je regulace teploty v nádobě fermentoru.

V prostoru této nádoby je umístěn biologický materiál, na kterém je prováděn výzkum za stálé okolní teploty. Pro řízení této teploty je potřebný regulátor, který obstarává regulaci teploty v nádobě fermentoru pomoci výkonu dodávaného do topného tělesa.Toto těleso představuje topný kabel od firmy DEVI. Výkon dodávaný do zátěže se bude měnit podle střídy signálu, který bude vysílat procesor na základě řídícího napětí, které bude připojeno na vstup regulátoru. Tento signál bude spínat usměrněné síťové napětí.

V první části bych chtěl popsat nádobu fermentoru a přesně vyjasnit všechny požadavky na výrobu regulátoru.Dále bych chtěl popsat topné kabely DEVI a říci něco o jejich využití v běžné praxi.

Potom bych rozebral jak jsem vybíral vhodný procesor, který bude řídit celý regulátor a stručně bych popsal jeho funkce a vlastnosti.

V další části bych se rád věnoval praktickému návrhu celého obvodu. Nejdříve si navrhnu blokové schéma a podle něho budu postupovat v návrhu od napájecího zdroje až po výstupní obvod.

Dále bych popsal potřebný software pro realizaci celého výrobku. Jedná se především o návrhový systém PADS a o programovací prostředí MPLAB IDE.

Po dokončení realizační části provedu měření reálných parametrů.

Teoretická část

1 Popis problému a specifikace cíle

V následující kapitole objasním, jak znělo konkrétní zadání pro moji práci a co by můj přístroj měl umět.

1.1 Zadání

Vyrobit regulátor teploty v nádobě fermentoru. Teplota se bude regulovat výkonem, který bude dodáván do topného tělesa umístěné v nádobě [1].

Obr. 1 : Nádoba fermentoru s regulátorem.

1.2 Přesná specifikace výrobku

• Napájení 230 V AC (EURO konektor)

• Ovládání externím napětím v rozsahu 0 – 1V a v rozsahu 0 – 10V. Tímto se rozumí, že pří nulovém napětí se nebude do topného tělesa dodávat žádný výkon a při plném rozsahu se do tělesa bude dodávat 100% výkonu. Připojení CINCH.

• Topné těleso bude představovat samoregulační topný kabel od firmy DEVI.

• Ovládání vnitřním napětím pomocí potenciometru ( umístění na předním panelu).

• Měření teploty v nádobě pomocí čidla.

• Zobrazování teploty v nádobě a hodnoty dodávaného výkonu do tělesa na displeji.

• Těleso také připojeno přes EURO konektor – samice.

• Celé toto zařízení bude řídit elektronika s procesorem. Výkonová část musí být od ovládací elektroniky galvanicky oddělena.

• Možnost spojení s počítačem, rozhraní RS 232.

• Výkon dodávaný do tělesa alespoň 500 W.

1.3 Popis samoregulačních kabelů DEVI

Výdej výkonu samoregulačního topného kabelu reguluje a omezuje teplotně závislý odporový prvek, který je umístěn mezi dvěma paralelně vedenými měděnými vodiči. Technické provedení umožňuje, že samoregulační topný kabel může automaticky zvyšovat nebo snižovat svůj výkon (teplotu) na kterémkoli místě po celé své délce v závislosti na okolní teplotě. To znamená, že jednotlivé úseky kabelu procházející prostředím o různé teplotě budou mít i rozdílné výkony. Při zvýšení okolní teploty se sníží topný výkon kabelu, při poklesu okolní teploty se výkon topného kabelu zvýší. Díky této schopnosti topného odporového prvku se samoregulační kabely mohou křížit a vzájemně dotýkat, aniž by došlo k jejich přehřátí. Konstrukce těchto kabelů umožňuje jejich libovolné zkracování na potřebnou délku, což zjednodušuje projektování a instalaci.

Obr. 2 : Struktura samoregulačního kabelu.

1.3.1 Příklad použití samoregulačníhu topného kabelu

Zajištění okamžitého odběru teplé vody není pouze problém bytových výstaveb s centrálním ohřevem teplé užitkové vody ale i mnoha průmyslových aplikací.

V současné době velmi rozšířená instalace tzv. „cirkulační smyčky“ zdvojnásobuje ochlazovanou plochu potrubí a tím i zvyšuje tepelné ztráty. Ohřev teplovodního potrubí samoregulačním kabelem devi-hotwatt instalovaným po celé délce potrubí přináší řadu výhod:

• odpadá cirkulační potrubí a čerpadlo

• snížení tepelných ztrát potrubím, není potřeba energie na pohon čerpadla

• snížení nároků na prostor pro instalaci potrubního rozvodu vody

• systém s jedním potrubím je hydraulicky vyvážený (problémy rozsáhlých soustav)

• montáž topných kabelů je snadná a rychlá a nevyžaduje údržbu

• systém devi-hotwatt je možné rozdělit a ovládat po jednotlivých sekcích, které je možné snadno rozšiřovat

• v případě, kdy je potřeba omezit horní teplotu musíme použít termostat deviregTM.

• Devi-hotwatt dokáže udržet teplotu vody asi 55 °C v závislosti na použité izolaci.

Obr. 3 : Příklad instalace topného kabelu.

Topné kabely se dají využít ve spoustě dalších aplikací jako jsou:

• rozpouštění sněhu a ledu v okapech a svodech .

• ochrana venkovních ploch před sněhem a ledem, kabel je zalitý v asfaltu.

• Podlahové vytápění a spousta dalších použití.

2 Teoretický rozbor

Při nastolení toho problému jsem si nejdříve rozmyslel jak asi bude můj obvod vypadat a jaké použiji součástky.

2.1 Návrh – blokové schéma

Nejprve jsem si navrhnul teoretické blokové schéma podle požadavků a specifikace zadání (obr. 4.).

Obr. 4 : Teoretické blokové schéma regulátoru.

Napájecí zdroj

Napájecí zdroj budu realizovat jako stabilizovaný. Parametry transformátoru a stabilizátoru se budou odvíjet od napájecího napětí procesoru a dalších periferních obvodů.

Procesor

Procesor budu volit podle parametru. Nejvhodnější by byl procesor, který má analogový vstup a A/D převodník. Důraz bych ještě kladl na jednoduché spojení s displejem. Také procesor nesmí být finančně náročný.

Vstup a ovládání

Tento blok bych realizoval pomocí přepínačů. Jedním přepínačem bych vybíral ovládací napětí (0 – 1V nebo 0 – 10V), druhým bych přepínal mezi interním a externím ovládáním.

Komunikace RS 232

Toto zapojení bych realizoval pomocí integrovaného obvodu MAX 232.

Displej

Displej bych volil radši LCD, nejvhodnější by byl dvouřádkový znakový displej s odsvitem.Na segmentový displej by byl složitější výpis a určitě by to nebylo tak efektivní jako na LCD displej.

Výkonová část

Tuto část bych postavil pomocí výkonového tranzistoru. Abych dodržel zadání tak tuto část oddělím optočlenem.

2.2 Popis procesoru

V této kapitole bych chtěl popsat funkce procesoru . Podle čeho jsem vybíral je patrné v tabulce .

Tabulka č.1 : Rodina procesorů PIC 18Fxx2 [3].

Obr. 5 : Blokové schéma procesu PIC 18F452 [3] .

2.2.1 Popis jednotlivých portů procesoru Popis portu A

V tabulce č.2 můžeme vidět možnosti připojení všech pinů portu A

Tabulka č. 2: Port A [3].

Popis portu B

V tabulce č.3 můžeme vidět možnosti připojení všech pinů portu B

Tabulka č. 3: Port B [3].

Popis portu C

V tabulce č.4 můžeme vidět možnosti připojení všech pinů portu C

Tabulka č. 4: Port C[3].

Popis portu D

V tabulce č.5 můžeme vidět možnosti připojení všech pinů portu D

Tabulka č. 5: Port D[3].

2.2.2 Rozdělení paměti

Na obrázku č.6. je vidět členění paměti programu procesoru PIC 18F452

Obr. 6 : Paměť programu [3].

Z obrázku č. 7 je patrné rozdělení paměti dat procesoru PIC 18F452

Obr. 7 : Paměť dat[3] .

Praktická č ást

3 Praktický návrh obvodu

V této kapitole popíšu celý návrh obvodu a postup výroby.

3.1 Funkční blokové schéma obvodu

Obr. 8 : Blokové schéma obvodu .

3.2 Napájecí zdroj

Napájecí napětí pro obvod procesoru a ovládací elektroniky jsem volil podle napájení procesoru. Jeho napájecí napětí je 5 V stabilizovaných.

Celé zařízení je napájeno ze sítě 230V, 50Hz, proto jsem toto napětí musel transformovat, usměrnit a stabilizovat.Použitý transformátor U4 (BW EI 382 1189) má sekundární napětí 9V a výkon 4,5VA. Sekundární napětí jsem dvoucestně usměrnil a dále stabilizoval na 5V. Pro stabilizaci jsem použil obvod LM7805 v jeho obvyklém zapojení. Tento obvod mi zajistí stálé napětí 5V i když bude síťové napětí kolísat.

Kdybych nepoužil stabilizátor tak by napájecí napětí procesoru bylo proměnné a on by neprocoval správně.

Obr. 9 : Schéma zapojení napájecího zdroje.

3.3 Vstup a ovládání

Ve specifikaci výrobku je uvedeno, že výkon dodávaný do zátěže má být řízen třemi způsoby:

1) Externím napětím 0-1V 2) Externím napětím 0-10V 3) Interně pomocí potenciometru

Po promyšlení jak toto zrealizovat jsem dospěl k závěru, že na analogový vstup procesoru budu přivádět napětí v rozsahu 0-1V pro všechny možnosti řízení. Výběr vstupu, kterým je obvod řízen jsem vyřešil soustavou dvou přepínačů. Jedním přepínačem se volí vstup 0-1V nebo 0-10V a druhým přepínačem můžeme vybrat externí řízení nebo ovládání potenciometrem. Pro vstup 0-1V jsem toto napětí nemusel ani nijak upravovat a rovnou jsem ho přivedl na analogový vstup procesoru. Akorát jsme tento vstup ošetřil Zenerovou diodou s hodnotou 5,1V. Tuto diodu jsme tam dal, proto kdyby někdo na tento vstup přivedl větší napětí než 5V. Potom by mohlo dojít ke zničení procesu, protože maximální napětí přivedené na analogový vstup muže být podle Data scheatu 5V.

Druhý vstup (0-10V) jsem zapojil obdobně, také jsem ho ošetřil Zenerovou diodou,ale jeho napětí jsem desetkrát zmenšil napěťovým děličem abych na analogový vstup procesoru zase přiváděl napětí v rozsahu 0-1V. Odpory pro napěťový dělič jsem vypočítal podle Theveninovy poučky.

Theveniva poučka zní: U2 = U1 ( R2 / R1 + R2 )

V mém případě je U2 = 1V U1 = 10V

Odpor R2 představuje v mém zapojení rezistor R12 a odpor R1 rezistor R4. Hodnotu rezistoru R12 jsem zvolil 1 kΩ a odpor rezistoru jsem dopočítal podle uvedeného vzorce.

1 = 10 ( 1000 / R1 + 1000) → R1 = 9 kΩ

Pro třetí případ regulace jsem použil potenciometr jako proměnný dělič napětí.

Odpor potenciometru jsem zvolil 20kΩ a okolní odpory R13 a R14 jsem dopočítal obdobným způsobem jako v předešlém případě tak aby se na analogový vstup procesoru přivádělo napětí v rozsahu 0-1V.

Pro signalizaci vstupů jsem použil svítivé diody, které jsem připojil na druhé kontakty příslušných přepínačů. Odpory k diodám jsem vypočítal pomocí Ohmova zákona na základě napájecího napětí 5V a procházejícím proudu 2mA. Diody s potenciometrem a přepínače budou umístěny na předním ovládacím panelu. Na DPS jsou umístěny jen příslušné konektory pro tyto součástky. Na předním panelu jsou také umístěny konektory (CINCH) pro ovládací napětí a pro teplotní čidlo PT 100, kterým budu měřit teplotu v nádobě.

Obr. 10 : Schéma zapojení ovládací části .

3.4 Měření teploty

Pro měření teploty roztoku v nádobě jsem si vybral teplotní čidlo PT100. Toto čidlo je připojeno do měřícího můstku. Jeho odpor při 0°C je 100Ω, ale jeho charakteristika není zcela lineární. Proto jsem musel realizovat linearizační obvod pro toto čidlo. Tento obvod se skládá z operačního zesilovače OP07 a okolních odporů.

V záporné zpětné vazbě OZ je zapojen odporový trimr R23, který se používá na přesnou kalibraci konce měřeného rozsahu teploty. Na pin číslo 8 je přiváděno napětí z odporové trimru R28, kterým lze doladit chybu offsetu u tohoto OZ, z toho důvodu je tento pin u OZ vyveden ven z pouzdra. Výstup z tohoto OZ opět přivádím na jeden z analogových vstupů procesoru. Jediná komplikace, která nastala při návrhu této části obvodu bylo symetrické napájení OZ. Tento zesilovač potřebuje symetrické napájení, protože jinak by nebyla možná přesná kalibrace počátku rozsahu měření teploty.

Napájecí zdroj pro celé zařízení je schopen vytvořit akorát napájecí napětí v rozsahu 0 až + 5V, proto jsem ještě musel realizovat obvod, který je schopen vytvořit záporné napětí -5V.

Obr. 11 : Pouzdro OZ OP07 .

Obr. 12 : Schéma zapojení obvodu pro měření teploty .

3.5 Zdroj záporného napětí

Pro tuto část obvodu jsem použil obvod NE555 v jeho obvyklém zapojení jako časovač. Jako vstupní a zároveň napájecí napětí pro tento obvod jsem použil nestabilizované napětí +VCC z napájecího zdroje. Napětí +VCC jsem nejdříve časovačem rozkmital, pak jsem ho diodami D1 a D3 záporně usměrnil.Dále kondenzátorem C11 a C14 vyfiltroval.Aby toto napětí bylo stálé tak jsem ho ještě záporně stabilizoval obvodem 79L05. Na výstupu tohoto obvodu teď mám stabilní napětí -5V a to přivádím na mínus napájení OZ OP07. Teď už bez problémů můžu měřit teplotu přesně od 0°C.

Obr. 13 : Schéma zapojení zdroje záporného napětí .

3.6 Procesor

Pro toto zapojeni jsem vybral procesor od firmy MICROCHIP,typ PIC 18F452.

Myslím si že pro tuto aplikaci je zcela dostačující a mám s ním už zkušenosti co se týče programování. V tomto obvodu jsem se rozhodl použít procesor v pouzdře TQFP.

Jednak jsem tím ušetřil místo na DPS a při opětovném vyndávání a zandávání procesoru do patice při programování by mohlo dojít k jeho poškození a zničení. Z toho důvodu je na DPS umístěn jen programovací konektor a na něj vyvedeny jen piny potřebné k naprogramování procesoru.

Obr. 14 : Pouzdro TQFP.

Port C jsem u procesoru zvolil jako výstupní. Na bit 0 jsem připojil tranzistor T1, který bude ovládat celou výkonovou část obvodu. V procesoru se generují impulsy na základě vstupního napětí na analogovém vstupu. Tyto impulsy přicházejí na bázi tranzistoru T1 a tím je zabezpečen dodávaný výkon do zátěže. Na portu C je ještě na bitu 5 připojena svítivá dioda, ta je tam z toho důvodu aby se jednoduchým programem nahraným do procesoru dalo zjistit zda procesor funguje.

Port D je volen taky jako výstupní, na tento port se posílají data,které chceme zobrazit na displeji. Displej je umístěn na samostatné DPS a tak na této DPS je umístěn jen konektor pro spojení s displejem.

Obr. 15 : Schéma zapojení procesorové části.

3.7 Displej

Displej je má samostatnou DPS, ta je umístěna společně s dalšími prvky na předním ovládacím panelu. LCD displej, který jsem použil je dvouřádkový s osvitem.

Obr. 16 : Schéma zapojení displeje.

3.8 Komunikace RS232

V požadavku pro toto zařízení je, že by se mělo dát připojit k počítači přes sériový port. Pro toto zapojení jsem použil obvod MAX232 v jeho obvyklém zapojení který upraví napěťové úrovně pro sériový port počítače.

Obr. 17 : Schéma zapojení pro sériovou komunikaci.

3.9 Výkonová část

V této části popíšu a vysvětlím zapojení celé výkonové části obvodu, která je umístěna na samostatné DPS. Učinil jsem tak, protože je stejně galvanicky oddělena od ostatních částí obvodu a pro výrobu je to tak jednodušší a levnější. Regulační část obvodu potřebuje DPS dvouvrstvou, pro výkonovou část stačí jednovrstvá DPS.

Celá tato část je napájena ze sítě 230V, toto napětí je přiváděno přes filtr, který je umístěn v EURO konektoru, na usměrňovač. Usměrněním se toto napětí zvýší asi na 300V. Toto napětí je dále upraveno rezistory R29, R30 a kondenzátorem C6 s diodou D7. Dále je upravené napětí stabilizováno IO 7812 na 12V. Tímto napětím je napájen další IO U4, který zajišťuje buzení a úpravu signálu přicházejícího z optočlenu.

Obr. 18 : Schéma zapojení výkonové části .

Strmost tohoto signálu musí být co největší, proto je 4x zesilován obvodem U4.

Kdyby byl tento signál málo strmý tak by docházelo k velké ztrátě na tranzistorech Q1 a Q3 a tím i k jejich velkému zahřívání. Přesto jsou tyto tranzistory umístěny na chladiči.

Signál z těchto tranzistorů spíná síťové napětí do zátěže. Vůči případnému zkratu na zátěži je obvod chráněný pojistkou.

V mém případě je použito topné těleso devi-hotwatt. Používá se pro udržení požadované teploty užitkové vody nebo jiných tekutin v temperovaném teplém potrubí nebo v jiném prostředí.

Tabulka č. 6: Topný kabel

Obr. 19 : Ukázka použitého topného kabelu DEVI .

4 Software pot ř ebný pro realizaci

Softwary, které byly potřebné pro realizaci celého zařízení jsou dva. Jedná se především o návrhový systém PADS a o programovací prostředí MPLAB IDE.

4.1 Návrhový systém PADS

Pro návrh celého zapojení a DPS jsem použil návrhový systém PADS. Tento systém obsahuje nástroje jak pro návrh schématu (PowerLogic) tak i nástroje pro návrh DPS (PCB). Dále obsahuje editor součástek a autorouter.

Tento návrhový systém jsem použil, protože si myslím že je jednoduchý a dostatečně přehledný. Mám už s ním také zkušenosti ze střední školy.

V tomto systému jsem realizoval jednotlivé části schématu a následně i DPS. Po dokončení návrhu jsem vygeneroval výrobní data v podobě Gerber RS 274-X a odeslal do výroby.

Obr. 21 : Návrhové prostředí PowerLogic.

4.2 Programovací prostředí MPLAB IDE

Programovací prostředí pro procesory z řady PIC18Fxx2 dodává přímo jejich výrobce firma MICROCHIP. Toto prostředí umožňuje programovat procesory jak v dříve běžném ASEMBLERU tak i v dnes velice používaném jazyce C.

Já jsem pro programování volil jazyk C. Program napsaný v jazyce C je jednodušší, přehlednější a určitě ne tak obsáhlý. Prostředí MPLAB IDE obsahuje i překladač do strojového kódu a také umožňuje soubor se strojovými daty nahrát do procesoru. Programovaný procesor je spojen s počítačem přes port USB a programátor MPLAB ICD2. Tento programátor umožní nahrání strojového kódu do procesoru a zkontroluje jeho správné zapsání.

Použití tohoto vývojového prostředí a programátoru mi umožnila novopacká

Obr. 22 : Prostředí MPLAB IDE .

5 M ěř ení

a) Měření na vstupu IN1

Tabulka č. 7: IN1

Obr. 24: Graf 40%

Tento graf odpovídá výstupnímu signálu při nastaveném vstupním napětí 0.4 V, tedy výkonu 40%.

IN1

U[V] P[%] T1[ms] T2[ms]

0,1 10 2 18

0,3 29 5,8 14,2

0,4 40 8 12

0,5 51 10,2 9,8

0,7 70 14 6

0,8 80 16 4

1 100 19,9 0,1

b) Měření na vstupu IN2

IN2

U[V] P[%] T1[ms] T2[ms]

0,5 5 1,1 18,9

1,2 12 2,4 17,6

2 20 4 16

4 40 8 12

5,5 55 11 9

8 80 16 4

10 100 19,9 0,1

Tabulka č. 8: IN2

Obr. 25: Graf 80%

Tento graf odpovídá výstupnímu signálu při nastaveném vstupním napětí 8 V, tedy výkonu 80%.

Závěr měření:

Naměřené hodnoty výstupního signálu odpovídají teoretickým předpokladům.

Amplitudu výstupního signálu zde neuvádím, protože je na osciloskopu těžko měřitelná.

Její hodnota asi 300V, proto jsem měření na osciloskopu realizoval pomocí děliče a tím se tato hodnota znepřesnila. Tento dělič jsem použil proto aby bylo možné zobrazit na osciloskopu časový průběh výstupního signálu.

Záv ě r

Úkolem mojí bakalářské práce bylo zkonstruovat regulátor teploty v nádobě fermentoru. Tento úkol jsem plnil přesně podle zadaní.

Výkon dobodávaný do zátěže je možný regulovat externím napětím v rozsahu od 0 do 1V nebo v rozsahu 0 do 10V.Tyto vstupy jsou chráněny proti překročení vstupního napětí. Zvolení rozsahu už záleží na konkrétních požadavcích uživatele. Pokud by nevyhovoval ani jeden z těchto rozsahů, je možné výkon regulovat „ručně“ z vnitřního zdroje napětí, které můžeme regulovat ovládacím prvkem. Tento prvek je umístěn na předním panelu přístroje, kde jsou také umístěny další ovládací a indikační prvky. Na prvním řádku displeje je zobrazována nastavená hodnota výkonu a na druhém řádku aktuální hodnota teploty, naměřená teplotní sondou. Pokud sondu k regulátoru nepřipojíme, na displeji svítí nápis „Chybí sonda“ a teplota se neměří.

Regulátor je vyroben přímo podle požadavků chemické laboratoře, ale dá se použít i v jiných aplikacích, kde je potřeba regulovat výkon dodávaný do zátěže.

Připojená zátěž musí mít však odporový charakter. Kdybychom k regulátoru připojili zátěž s jiným charakterem, nepracoval by správně a mohlo by dojít k jeho poškození.

Výkon regulátoru je dimenzován na 500W. Pro případ připojení zátěže s větším příkonem je výstupní obvod chráněn pojistkou. Pojistkou je také chráněn celý přístroj.

Ta je umístěna v zadní části regulátoru a je dimenzována právě pro výkon 500W.

Doufám, že tento regulátor pomůže odborníkům v chemické laboratoři při jejich výzkumu a bude dlouho fungovat tak, jak byl navržen. Myslím si, že by se tato myšlenka regulace dala ještě dále rozšířit a využít při zařazení tohoto regulátoru do regulační smyčky. V tom případě by si odborníci v laboratoři nastavili pouze požadovanou hodnotu teploty v nádobě. Celé měření a regulace by potom probíhalo plně automaticky.

Realizací tohoto regulátoru jsem se naučil spoustu nových věcí a dostal mnoho cenných rad pro další praxi. V tomto oboru bych chtěl pokračovat i nadále, protože práce ve vývoji je velice zajímavá a rozmanitá. Také jsem poznal, že pro tuto práci jsou potřebné nejenom teoretické, ale i praktické zkušenosti.

Literatura

[1] Vedral J., Fischer J. Elektronické obvody pro měřící techniku vyd. ČVUT, 2004.

340 s. ISBN 80-01-02966-2

[2] Jelínek J. Měřící technika 2 [aktuálně probíhající kurz ]. Přednášky TUL.

[3] Microchip PIC18FXX2 Data Scheet

<http://www.disam.upm.es/cybertech/Nacional/Documentos/Componentes/

PIC18F442.pdf>

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií

Konstrukce regulátoru teploty v nádobě fermentoru

PŘÍLOHY BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Lukáš Mindl

Rozsah příloh bakalářské práce: 11 stran

Seznam p ř íloh

A) Návod k obsluze……… 48

B) Schéma zapojení a návrhy desek plošných spojů………... 49

C) Fotodokumentace………..… 55

D) Program pro procesor……… 58 E) Přílohy v elektronické podobě………CD

A Návod k obsluze

Regulátor výkonu je výhradně určený pro regulaci výkonu topných těles.

Technické údaje:

Primární napětí - 230 V AC,50Hz Sekundární napětí - 230 V ,50Hz

Výkon - 500 W

Teplotní rozsah - 0 – 50 °C

Uvedení do provozu:

1. Zasuňte zástrčku topného tělesa do zásuvky na regulátoru,tato zásuvka je umístěna za zadní straně regulátoru (OUTPUT).

2. Zasuňte síťový kabel do zásuvky regulátoru, umístěn také v zadní části

regulátoru (INPUT) a následně síťovou zástrčku zasuňte do zásuvky 230 V AC.

3. Zasuňte zástrčku teplotního čidla do zásuvky PT100 a čidlo umístěte do místa měřené teploty.

4. Zapněte síťový vypínač na regulátoru do polohy “1“.

5. Přepínačem si vyberte způsob regulace. Při výběru interního řízení nastavte regulačním prvkem požadovaný výkon dodávaný do zátěže. Při výběru

externího řízení zvolte příslušný rozsah a připojte ovládací napětí do příslušného vstupu.Maximálním napětím rozsahu se rozumí 100% výkonu.

6. Po skončení práce přístroj vypněte.

7. Zabraňte styku horkého topného tělesa s hořlavými předměty a chraňte jej z dosahu dětí.

Popis činnosti:

Po nastavení příslušného výkonu je tento výkon neustále dodáván do zátěže.Hodnota nastaveného výkonu je zobrazena na displeji stejně tak s aktuální hodnotou měřené teploty.

VAROVÁNÍ:

Nepoužívejte regulátor pro pokusy se zvířaty ! Nepoužívejte regulátor ve vlhkých místnostech !

B Schéma zapojení a návrhy desek plošných spoj ů

Obr. Schéma zapojení ovládací části s procesorem

Obr. DPS ovládací části s procesorem

Obr. Osazovací list pro DPS s procesorem

Obr. Schéma zapojení displeje

Obr. DPS pro displej

Obr. Osazovací list pro displej

Obr. Schéma zapojení silové části

Obr. DPS silové části

Obr. Osazovací list pro silovou část

C Fotodokumentace

Pohled na přední panel

Pohled na zadní panel

Pohled na otevřený regulátor

D Program pro procesor

Program napsaný v jazyce C je uložený na přiloženém CD ve složce PROGRAM_PROCESOR.