VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF RADIO ELECTRONICS

ŘÍDICÍ JEDNOTKA PRŮMYSLOVÉ VYPALOVACÍ PECE

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE AUTHOR

BRNO 2013

STANISLAV AUGUSTIN

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF RADIO ELECTRONICS

ŘÍDICÍ JEDNOTKA PRŮMYSLOVÉ VYPALOVACÍ PECE CONTROL UNIT FOR AN INDUSTRIAL CONVECTION OVEN

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE

STANISLAV AUGUSTIN

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2013

Ing. MICHAL KUBÍČEK, Ph.D.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav radioelektroniky

Bakalářská práce bakalářský studijní obor Elektronika a sdělovací technika Student: Ročník:

Stanislav Augustin 3

ID: 88554 Akademický rok: 2012/2013

NÁZEV TÉMATU:

Řídicí jednotka průmyslové vypalovací pece POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Navrhněte koncepci a schéma zapojení jednotky pro řízení procesu vypalování laku při výrobě transformátorů. Jednotka bude obsahovat jednoduchý panel řízení a indikace stavu zařízení. Navrženou jednotku realizujte a ověřte její vlastnosti. Vzhledem k plánovanému použití v průmyslovém provozu věnujte pozornost spolehlivosti a kvalitnímu mechanickému provedení. DOPORUČENÁ LITERATURA: [1] ŠEDA, M., ŠVARC, I., VÍTEČKOVÁ, M Automatické řízení. 1. vydání. Praha: CERM, 2007. [2] KRIEDL, M., Měření teploty – senzory a měřicí obvody. 1. vydání. Praha: BEN – technická literatura, 2005. [3] KREJČIŘÍK, A. Moderní spínané zdroje, 1. vydání. BEN - technická literatura, Praha, 1999 Termín zadání:

11.2.2013

Termín odevzdání:

31.5.2013

Vedoucí práce: Ing. Michal Kubíček, Ph.D. Konzultanti bakalářské práce:

prof. Dr. Ing. Zbyněk Raida Předseda oborové rady

UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

ABSTRAKT Obsahem této bakaláˇrské práce je návrh a realizace ˇr´ıd´ıc´ı jednotky vypalovac´ı pece pro ˇ ıd´ıc´ı prototypovou výrobu transformátor˚ u pro svaˇrovac´ı techniku a ovˇeˇrit jej´ı vlastnosti. R´ jednotka mus´ı být schopna regulovat teplotu prostˇred´ı uvnitˇr komory vypalovac´ı pece za pomoc´ı ˇr´ızen´ı pˇr´ıkonu topných element˚ u (napˇr. topných tyˇc´ı), které jsou v této komoˇre osazeny.

ˇ ´ SLOVA KLÍCOV A vypalovac´ı pec, teplotn´ı regulace, výroba transformátor˚ u

ABSTRACT The contents of this bachelor thesis is to design and realization of controll unit for convection oven for prototype transformers production for welding technology and design a scheme of the unit. The controll unit must be able to regulate the ambient temperature inside the oven using a power management of heating elements (for example heating rail) inside the oven.

KEYWORDS convection oven, temperature regulation, transformers production

ˇıd´ıc´ı jednotka pr˚ AUGUSTIN, Stanislav R´ umyslové vypalovac´ı pece: bakaláˇrská práce. V Brnˇe 29. kvˇetna 2013: Vysoké uˇcen´ı technické v Brnˇe, Fakulta elektrotechniky a komu´ nikaˇcn´ıch technologi´ı, Ustav radioelektroniky, 2013. 67 s. Vedouc´ı práce byl Ing. Michal Kub´ıˇcek, Ph.D.

´ SEN ˇ Í PROHLA ˇ ıd´ıc´ı jednotka pr˚ Prohlaˇsuji, ˇze svou bakaláˇrskou práci na téma R´ umyslové vypalovac´ı ” pece“ jsem vypracoval samostatnˇe pod veden´ım vedouc´ıho bakaláˇrské práce a s pouˇzit´ım odborné literatury a dalˇs´ıch informaˇcn´ıch zdroj˚ u, které jsou vˇsechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakaláˇrské práce dále prohlaˇsuji, ˇze v souvislosti s vytvoˇren´ım této bakaláˇrské práce jsem neporuˇsil autorská práva tˇret´ıch osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným zp˚ usobem do ciz´ıch autorských práv osobnostn´ıch a/nebo majetkových a jsem si plnˇe vˇedom následk˚ u poruˇsen´ı ustanoven´ı § 11 a následuj´ıc´ıch autorského zákona ˇc. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisej´ıc´ıch s právem autorským a o zmˇenˇe nˇekterých zákon˚ u (autorský zákon), ve znˇen´ı pozdˇejˇs´ıch pˇredpis˚ u, vˇcetnˇe moˇzných trestnˇeprávn´ıch d˚ usledk˚ u vyplývaj´ıc´ıch z ustanoven´ı ˇcásti druhé, hlavy VI. d´ıl 4 Trestn´ıho zákon´ıku ˇc. 40/2009 Sb.

V Brnˇe 29. kvˇetna 2013

.................................. (podpis autora)

ˇ ´ Í PODEKOV AN Dˇekuji vedouc´ımu semestráln´ı práce Ing. Michalovi Kub´ıˇckovi, Ph.D. za odborné veden´ı, ˇ konzultace, trpˇelivost a podnˇetné návrhy k práci. Dále dˇekuji panu Michalovi Sperlovi za pomoc pˇri konstrukci mechanické podoby vypalovac´ı pece a jej´ı ˇr´ıd´ıc´ı jednotky.

V Brnˇe 29. kvˇetna 2013

.................................. (podpis autora)

OBSAH ´ 1 Uvod 1.1 Pouˇzit´ı pece . . . . . . . . . . . . . 1.2 Parametry lak˚ u . . . . . . . . . . . 1.3 Poˇzadavky na pec a ˇr´ıd´ıc´ı jednotku 1.4 Parametry pece a ˇr´ıd´ıc´ı jednotky .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

2 N´ avrh ˇ r´ıd´ıc´ı jednotky pece 2.1 Parametry elektrické pˇr´ıpojky . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Napájec´ı zdroj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Kontrola parametr˚ u transformátoru . . . . . . . 2.2.2 Návrh usmˇerˇ novaˇce . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Návrh filtraˇcn´ıch kondenzátor˚ u . . . . . . . . . 2.2.4 Návrh stabilizátor˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ ıd´ıc´ı ˇca´st . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 R´ ˇ 2.3.1 Casov´ an´ı a reset mikrokontroléru . . . . . . . . 2.3.2 Programován´ı pamˇeti mikrokontroléru . . . . . 2.3.3 Sériová EEPROM . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 Obvod reálného ˇcasu - RTC . . . . . . . . . . . 2.3.5 USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6 PSD regulátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Ovládac´ı, indikaˇcn´ı a zobrazovac´ı ˇcást . . . . . . . . . . 2.4.1 Dotyková plocha . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Displej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Mˇeˇr´ıc´ı ˇcást . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Pˇrehled mˇeˇr´ıc´ıch metod, parametry mˇeˇren´ı . . . 2.5.2 Integrovan´ y obvod s vnitˇrn´ım sn´ımaˇcem . . . . 2.5.3 Rezistivn´ı sn´ımaˇc . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.4 Kˇrem´ıkov´ y sn´ımaˇc . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.5 Termoˇclánek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.6 Porovnán´ı sn´ımaˇc˚ u, v´ ybˇer vhodné varianty . . . 2.5.7 Mˇeˇr´ıc´ı pˇrevodn´ık . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 V´ ykonová ˇca´st . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.1 Zmˇena amplitudy napájec´ıho napˇet´ı . . . . . . . 2.6.2 Sine wave dimming . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.3 Propuˇstˇen´ım pouze ˇca´st´ı p˚ ulvln proudu . . . . . 2.6.4 Stˇr´ıdavé propuˇstˇen´ı a zadrˇzován´ı p˚ ulvln proudu 2.6.5 Volba ˇreˇsen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

12 12 12 12 13

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15 15 15 16 17 17 18 21 21 22 22 23 23 25 26 26 30 32 32 33 33 33 34 34 35 37 37 38 39 40 40

2.7

Mechanické proveden´ı ˇr´ıd´ıc´ı jednotky . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3 Program 3.1 Jazyk, v´ yvojové prostˇred´ı . . 3.2 Obsluha LCD displeje . . . . 3.3 Obsluha sbˇernice I2 C . . . . . 3.4 Obsluha dotykového panelu . 3.5 Obsluha mˇeˇr´ıc´ıho pˇrevodn´ıku 3.6 PSD regulátor . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

44 44 44 44 45 46 46

4 Z´ avˇ er

48

Literatura

49

Seznam pˇ r´ıloh

52

A Sch´ ema zapojen´ı jednotky

53

B Rozpisky souˇ c´ astek

57

C Osazovac´ı v´ ykresy

60

D Motivy DPS

62

E Podoba vypalovac´ı pece

66

´ ˚ SEZNAM OBRAZK U 1.1 1.2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 2.26 2.27 3.1 3.2 3.3 3.4 C.1 C.2 D.1

Vypalovac´ı pec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vypalovac´ı pec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma napájec´ıho zdroje jednotky . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı sp´ınaného stabilizátoru napˇet´ı . . . . . . . . . . . . . . . . Graf pro urˇcen´ı indukˇcnosti L1 pomoc´ı E·T konstanty, zdroj: [3] . . Zapojen´ı n´ızko´ ubytkového stabilizátoru napˇet´ı . . . . . . . . . . . . Obvod pro reset mikrokontroléru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sbˇernice pro programován´ı pamˇeti mikrokontroléru . . . . . . . . . Zapojen´ı pamˇeti EEPROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı obvodu reálného ˇcasu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı obvodu pro komunikaci po USB . . . . . . . . . . . . . . . Konstrukce dotykové plochy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ rvodiˇcové zapojen´ı dotykové plochy . . . . . . . . . . . . . . . . Ctyˇ Urˇcen´ı m´ısta stisku dotykové plochy a) ve smˇeru osy y, b) ve smˇeru osy x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Instalace dotykové plochy na LCD displej . . . . . . . . . . . . . . . Blokové schéma obvodu TSC2003IPWR, pˇrevzato z [17] . . . . . . . Zapojen´ı obvodu TSC2003IPWR pro ˇr´ızen´ı dotykového panelu . . . Zapojen´ı modulu LCD displeje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zdroj pro podsv´ıcen´ı LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Termoˇclánek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pˇrevodn´ıku MAX31855 . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı pˇrevodn´ıku napˇet’ov´ ych u ´rovn´ı . . . . . . . . . . . . . . . ˇ ızen´ı pˇr´ıkonu pomoc´ı zmˇeny amplitudy napˇet´ı . . . . . . . . . . . R´ ˇ ızen´ı pˇr´ıkonu pomoc´ı techniky sine wave dimming . . . . . . . . . R´ Fázové ˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stˇr´ıdavé propouˇstˇen´ı p˚ ulvln napájec´ıho proudu . . . . . . . . . . . . Jeden kanál v´ ykonové ˇca´sti ˇr´ıd´ıc´ı jednotky . . . . . . . . . . . . . . Komplet desek ploˇsn´ ych spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komplet desek ploˇsn´ ych spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Provoz na sbˇernici I2 C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adresa obvodu TSC2003 na I2 C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ ıd´ıc´ı slovo obvodu TSC2003 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R´ Pr˚ ubˇeh signálu na sbˇernici SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Osazovac´ı v´ ykres ploˇsného spoje RJ-2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . Osazovac´ı v´ ykres ploˇsného spoje TR-1.0 . . . . . . . . . . . . . . . Motiv ploˇsného spoje RJ-2.0 - strana top . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

13 13 15 18 20 20 21 22 23 23 24 27 27

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28 28 29 30 31 32 34 36 37 38 39 39 40 41 42 42 44 45 45 46 60 61 62

D.2 D.3 D.4 E.1 E.2 E.3

Motiv ploˇsného Motiv ploˇsného Motiv ploˇsného Vypalovac´ı pec Vypalovac´ı pec ˇ ıd´ıc´ı jednotka R´

spoje spoje spoje . . . . . . . . .

RJ-2.0 - strana bottom . TR-1.0 - strana top . . . TR-1.0 - strana bottom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

63 64 65 66 66 67

SEZNAM TABULEK 2.1 2.2 2.3 2.4 B.1 B.2 B.3

Proudová spotˇreba jednotliv´ ych ˇca´st´ı jednotky Parametry stávaj´ıc´ıho s´ıt’ového transformátoru ˇ ıd´ıc´ı signály LCD displeje . . . . . . . . . . R´ Pˇrehled teplotn´ıch sn´ımaˇc˚ u. . . . . . . . . . . Rozpiska souˇcástek DPS RJ-2.0 . . . . . . . . Rozpiska souˇcástek DPS RJ-2.0 - pokraˇcován´ı Rozpiska souˇcástek DPS TR-1.0 . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

16 16 31 34 57 58 59

1

´ UVOD

Tato bakaláˇrská práce se vˇenuje návrhu ˇr´ıd´ıc´ı jednotky vypalovac´ı pece pro prototypovou v´ yrobu transformátor˚ u ve firmˇe, vˇenuj´ıc´ı se v´ yrobˇe svaˇrovac´ı techniky (firma si nepˇreje b´ yt jmenována). Potˇreba v´ yvoje podobného zaˇr´ızen´ı vznikla pˇredevˇs´ım kv˚ uli chybˇej´ıc´ı flexibilitˇe pˇri prototypovém v´ yvoji vinut´ ych d´ıl˚ u. Tato pec by mˇela vhodnˇe doplˇ novat stávaj´ıc´ı technologické zaˇr´ızen´ı firmy. Firma vlastn´ı pec pro sériovou v´ yrobu transformátor˚ u, tato pec má vnitˇrn´ı rozmˇery 2 m x 2 m x 2 m. Jej´ı provoz je z d˚ uvodu ekonomiˇcnosti pˇredem naplánován a jej´ı rychlé pouˇzit´ı pro prototypovou v´ yrobu tak nen´ı moˇzné. Firma tedy mˇela zájem o v´ yvoj pece, která bude odpov´ıdat poˇzadavk˚ um prototypového v´ yvoje.

1.1

Pouˇ zit´ı pece

Vypalovac´ı pec pro vypalován´ı transformátor˚ u slouˇz´ı k vytvrzen´ı tepelnˇe tvrditeln´ ych lak˚ u, které jsou pˇri v´ yrobˇe transformátor˚ u pouˇzity k mechanické fixaci vinut´ı a k jejich doplˇ nkové elektrické izolaci. V pˇr´ıpadˇe transformátoru s kovov´ ym (plechov´ ym) jádrem tvoˇr´ı lak také ochranu jádra pˇred u ´ˇcinky vzduˇsné vlhkosti.

1.2

Parametry lak˚ u

Teploty, pˇri kter´ ych jsou bˇeˇznˇe pouˇz´ıvané laky vytvrzovány, se pohybuj´ı okolo 80 ◦ C aˇz 120 ◦ C a doba potˇrebná k vytvrzen´ı laku se pohybuje od dvou do osmi hodin. Vˇetˇsina lak˚ u nevyˇzaduje v ˇcase promˇennou teplotu vytvrzován´ı (teplotn´ı profil), avˇsak ˇr´ıd´ıc´ı jednotka pece s touto moˇznost´ı poˇc´ıtá. Laky, pouˇzité pro impregnaci transformátor˚ u a dalˇs´ıch vinut´ ych d´ıl˚ u v elektrotechnice, nen´ı nutné vytvrzovat v nev´ ybuˇsném prostˇred´ı. To velmi zjednoduˇsuje mechanick´ y návrh celé pece.

1.3

Poˇ zadavky na pec a ˇ r´ıd´ıc´ı jednotku

Vzhledem k pouˇzit´ı pece pˇredevˇs´ım pˇri prototypové a malosériové v´ yrobˇe mus´ı pec splˇ novat nˇekolik specifick´ ych poˇzadavk˚ u: • Mobilita • Pˇripojen´ı k jednofázovému rozvodu s jiˇstˇen´ım 16 A • Dostateˇcn´ y v´ ykon k dosaˇzen´ı maximáln´ı teploty 250 ◦ C • Dostateˇcnˇe pˇresná regulace vnitˇrn´ı teploty • Zobrazován´ı informac´ı o teplotˇe uvnitˇr pece a o pr˚ ubˇehu vypalovac´ıho procesu

12

• Ruˇcn´ı zadán´ı parametr˚ u teplotn´ıho profilu i zadán´ı profilu pomoc´ı zaˇr´ızen´ı pˇripojeného pˇres sbˇernici USB

1.4

Parametry pece a ˇ r´ıd´ıc´ı jednotky

Na Obr. 1.1 a 1.2je vzhled a mechanické uspoˇra´dán´ı vypalovac´ı pece a jej´ı ˇr´ıd´ıc´ı jednotky.

Obr. 1.1: Vypalovac´ı pec

Obr. 1.2: Vypalovac´ı pec Vnitˇrn´ı prostor pece je z d˚ uvodu zamezen´ı tepeln´ ych ztrát a z d˚ uvodu vytvoˇren´ı tepelné izolace mezi vnitˇrn´ım prostorem a ˇsasi pece vyloˇzen tepelnˇe izolaˇcn´ımi bloky

13

z keramiky. Maximáln´ı teplota, které je moˇzné v peci trvale dosáhnout je 250 ◦ C. ˇ ıd´ıc´ı jednotka je schopna zpracovat signál z teplotn´ıho ˇcidla - termoˇclánku - a R´ regulovat teplotu uvnitˇr pece tak, aby se co nejv´ıce shodovala s poˇzadovanou nastavenou teplotou. Vypalovac´ı pec je urˇcena pˇredevˇs´ım pro potˇreby v´ yvoje nov´ ych typ˚ u transformátor˚ u, pˇr´ıpadnˇe pro v´ yrobu mal´ ych séri´ı menˇs´ıch typ˚ u transformátor˚ u a ostatn´ıch vinut´ ych d´ıl˚ u pro svaˇrovac´ı techniku. Tomu odpov´ıdaj´ı také rozmˇery vnitˇrn´ıho prostoru vypalovac´ı pece 700 mm x 500 mm x 500 mm. V zadn´ı stˇenˇe vnitˇrn´ıho prostoru pece jsou osazeny tˇri topné tyˇce, kaˇzdá o maximáln´ım pˇr´ıkonu 1 kW, jejichˇz aktuáln´ı pˇr´ıkon je ˇr´ızen ˇr´ıd´ıc´ı jednotkou podle aktuáln´ı potˇreby. Aby byla dosaˇzena co moˇzná nejrovnomˇernˇejˇs´ı teplota v celém prostoru pece, je do jej´ı boˇcn´ı stˇeny osazen ventilátor, kter´ y je spouˇstˇen na pokyn ˇr´ıd´ıc´ı jednotky. Ten zajiˇst’uje dostateˇcnou cirkulaci vzduchu v peci.

14

2 2.1

´ ˇ ÍDÍCÍ JEDNOTKY PECE NAVRH R Parametry elektrick´ e pˇ r´ıpojky

Celá vypalovac´ı pec je napájena ze stˇr´ıdavého rozvodu 1 x 230 V / 50 Hz, jiˇstˇen´ı 16 A, charakteristika jistiˇce B. Tomu odpov´ıdá maximáln´ı moˇzn´ y pˇr´ıkon pˇripojeného zaˇr´ızen´ı 3680 W, coˇz pro napájen´ı pece a jej´ı ˇr´ıd´ıc´ı jednotky postaˇcuje. K peci je pˇripojena malá rozvodná skˇr´ıˇ n, ve které jsou um´ıstˇeny silové komponenty pro rozvod elektrické energie v zaˇr´ızen´ı. Skˇr´ıˇ n obsahuje jednofázov´ y jistiˇc (vzhledem k tomu, ˇze jmenovit´ y proud rozvadˇeˇce je menˇs´ı neˇz 25 A, m˚ uˇze tento jistiˇc slouˇzit zároveˇ n jako hlavn´ı vyp´ınaˇc) a obvody havarijn´ıho termostatu a nouzového vyp´ınaˇce celého zaˇr´ızen´ı. Do samotné ˇr´ıd´ıc´ı jednotky jsou z této rozvodné skˇr´ınˇe pˇripojeny fázov´ y a stˇredn´ı vodiˇc s´ıt’ového pˇr´ıvodu. Celé zaˇr´ızen´ı je moˇzné ihned vyˇradit z provozu stiskem nouzového tlaˇc´ıtka. Obvod havarijn´ıho termostatu odpoj´ı pec od s´ıtˇe v pˇr´ıpadˇe, ˇze teplota uvnitˇr pece pˇresáhne 300 ◦ C. Tento havarijn´ı termostat je absolutnˇe nezávisl´ y na ˇr´ıd´ıc´ı jednotce pece.

2.2

Nap´ ajec´ı zdroj

Obr. 2.1: Schéma napájec´ıho zdroje jednotky Celá ˇr´ıd´ıc´ı jednotka je napájena s´ıt’ov´ ym toroidn´ım jednofázov´ ym transformátorem Talema 58-020-012-B se sekundárn´ım napˇet´ım 12 V a jmenovit´ ym sekundárn´ım proudem 1,667 A a napˇet´ım naprázdno 13,96 V (transformátor je souˇcást´ı stávaj´ıc´ı instalace rozvadˇeˇce pece a pro potˇreby nové ˇr´ıd´ıc´ı jednotky je plnˇe vyhovuj´ıc´ı). Stˇr´ıdavé napájec´ı napˇet´ı z transformátoru je usmˇernˇeno graetzov´ ym usmˇerˇ novaˇcem sloˇzen´ ym z diod D10 aˇz D13 a vyhlazeno dvojic´ı kondenzátor˚ u C4 a C44. Takto upravené stejnosmˇerné napˇet´ı je pˇrivedeno na vstup sp´ınaného stabilizátoru N1 LM2595S-ADJ. Tento stabilizátor pracuje na frekvenci 150 kHz a na svém v´ ystupu udrˇzuje napˇet´ı, které je moˇzné nastavit vhodnou kombinac´ı rezistor˚ u R51 a R40.

15

Tento stabilizátor udrˇzuje na svém v´ ystupu napˇet´ı 5 V pro displej, mikrokontrolér a jeho podp˚ urné obvody, I2 C a SPI zaˇr´ızen´ı, USB ˇradiˇc a ˇr´ıd´ıc´ı ˇca´st v´ ykonov´ ych obvod˚ u. Dále je v této napˇet’ové vˇetvi zaˇrazen n´ızko´ ubytkov´ y (tzv. low-drop) lineárn´ı stabilizátor ADP121-AUJZ33R7 s v´ ystupn´ım napˇet´ım 3,3 V pro napájen´ı pˇrevodn´ıku N3. Proudová spotˇreba jednotliv´ ych ˇcást´ı a celé jednotky je uvedena v Tab. 2.1. ˇ ast C´

Pozn´ amka

Mikrokontrolér Displej V´ ykonová ˇca´st

— ˇ c, podsv´ıcen´ı Radiˇ Optoˇcleny a SSR

Spotˇ reba

Celkem

50 mA 200 mA 45 mA 295 mA

Tab. 2.1: Proudová spotˇreba jednotliv´ ych ˇca´st´ı jednotky

2.2.1

Kontrola parametr˚ u transform´ atoru

V´ ykon

Prim. napˇ et´ı Sek. napˇ et´ı Sek. proud Napˇ et´ı napr´ azdno

20 VA

230 V

12 V

1,667 A

13,96 V

Tab. 2.2: Parametry stávaj´ıc´ıho s´ıt’ového transformátoru

Toroidn´ı transformátor je souˇca´st´ı stávaj´ıc´ıho rozvadˇeˇce, kter´ y bude slouˇzit k pˇripojen´ı pece do elektrického rozvodu budovy. Vzhledem k tomu, ˇze transformátor napáj´ı obvody, které vyˇzaduj´ı pˇr´ımou interakci s uˇzivatelem (bude se ˇcást´ı jednotky pˇr´ımo dot´ ykat), mus´ı se jednat o tzv. bezpeˇcnostn´ı transformátor. Tento typ transformátoru zajiˇst’uje dostateˇcnou elektrickou izolaci mezi primárn´ım a sekundárn´ım vinut´ım. V´ ystupn´ı napˇet´ı transformátoru mus´ı b´ yt dostateˇcné pro sp´ınan´ y stabilizátor i pˇri poklesu napˇet´ı v s´ıti o 10 %. Sp´ınan´ y stabilizátor N1 vyˇzaduje na svém vstupu pro udrˇzen´ı konstantn´ıho v´ ystupn´ıho napˇet´ı UOUT = 5 V vstupn´ı napˇet´ı vyˇsˇs´ı o UDROP = 2,2 V, tedy UIN = 7,2 V. Na kaˇzdé z diod graetzova usmˇerˇ novaˇce vzniká pˇri pr˚ uchodu proudu u ´bytek UF od cca 0,3 V do 0,7 V dle typu diody. U tohoto typu usmˇerˇ novaˇce se na veden´ı proudu v jednom okamˇziku pod´ıl´ı vˇzdy dvojice diod, maximáln´ı u ´bytek na tˇechto diodách je tedy 2·UF = 2 · 0, 7 V=1,4 V. Minimáln´ı v´ ystupn´ı efektivn´ı hodnota napˇet´ı transformátoru mus´ı pˇri maximáln´ı zátˇeˇzi b´ yt U0 =

5V + 2, 2V + 2 · 0, 7V UOUT + UDROP + 2 · UF √ √ = = 6, 76V. 2 · 0, 9 2 · 0, 9

16

(2.1)

V´ ystupn´ı napˇet´ı instalovaného transformátoru je 12 V pˇri jmenovitém sekundárn´ım proudu a 13,96 V naprázdno. Jeho hodnota je tedy pro napájen´ı jednotky dostateˇcná. Toto napˇet´ı je sice cca dvakrát vyˇsˇs´ı neˇz poˇzadované minimáln´ı v´ ystupn´ı napˇet´ı, ale vzhledem k dále zaˇrazenému sp´ınanému stabilizátoru s relativnˇe vysokou u ´ˇcinnost´ı 85 %, a t´ım i mal´ ymi tepeln´ ymi ztrátami, je moˇzné toto napˇet´ı akceptovat. Proudovˇe mus´ı b´ yt transformátor dimenzován minimálnˇe na souˇcet maximáln´ıch proud˚ u jednotliv´ ych podobvod˚ u ˇr´ıd´ıc´ı jednotky tak, jak je uvedeno v Tab. 2.1. Minimáln´ı celkov´ y v´ ystupn´ı proud transformátoru je tedy 295 mA. Je tˇreba volit transformátor, kter´ y je schopen dodat dostateˇcné v´ ystupn´ı napˇet´ı i pˇri maximáln´ım odbˇeru proudu. Nav´ıc je vhodné transformátor pˇredimenzovat. Pouˇzit´ y transformátor o v´ ykonu 20 VA, tedy s proudem 1,667 A, tomuto poˇzadavku plnˇe vyhovuje.

2.2.2

N´ avrh usmˇ erˇ novaˇ ce

Usmˇerˇ novaˇc je tvoˇren graetzov´ ym zapojen´ım ˇctyˇr diod D10 aˇz D13. Jedná se o diody SS2H9 s maximáln´ım proudem v propustném smˇeru IF = 2 A a závˇern´ ym napˇet´ım UR = 90 V (viz [1]). Usmˇerˇ novac´ı diody jsou v graetzovˇe zapojen´ı v závˇerném smˇeru namáhány maximálnˇe dvojnásobkem amplitudy usmˇerˇ novaného napˇet´ı. Maximáln´ı v´ ystupn´ı napˇet´ı transformátoru pˇri maximáln´ım moˇzném 10% pˇrepˇet´ı v s´ıti je √ √ UOUTMAX = 2 2 · 1, 1 · U0 = 2 2 · 1, 1 · 13, 96 V = 43, 4 V.

(2.2)

Toto napˇet´ı je bezpeˇcnˇe pod maximáln´ım závˇern´ ym napˇet´ım pouˇzité diody UR = 90 V. Maximáln´ı proud diodou v propustném smˇeru IF v zapojen´ı je dle Tab. 2.1 295 mA. IF pouˇzit´ ych diod je tedy dostaˇcuj´ıc´ı.

2.2.3

N´ avrh filtraˇ cn´ıch kondenz´ ator˚ u

Filtraˇcn´ı kondenzátory C4 a C44 maj´ı za u ´kol vyfiltrovat dvoucestnˇe usmˇernˇené napˇet´ı z graetzova m˚ ustku a vytvoˇrit tak napˇet´ı stejnosmˇerné s minimáln´ı stˇr´ıdavou sloˇzkou (zvlnˇen´ım v´ ystupn´ıho napˇet´ı) ΔU. Vzhledem k vysokému potlaˇcen´ı zvlnˇen´ı napˇet’ového stabilizátoru N1 (cca 60 dB) nen´ı nutné dosáhnout na jeho vstupu extrémnˇe n´ızkého zvlnˇen´ı. ΔU ˇrádovˇe v n´ızk´ ych jednotkách V je plnˇe dostaˇcuj´ıc´ı. Pro v´ ypoˇcet velikosti filtraˇcn´ıch kondenzátor˚ u jsem zvolil ΔU = 1 V a maximáln´ı proud s rezervou 0,4 A. Vzhledem k vyˇsˇs´ı v´ yrobn´ı toleranci hodnoty kapacity elektrolytick´ ych kondenzátor˚ u je moˇzné pouˇz´ıt zjednoduˇsen´ y vzorec pro v´ ypoˇcet minimáln´ı potˇrebné filtraˇcn´ı kapacity pro dvoucestnˇe usmˇernˇené napˇet´ı

17

IMAX 0, 4 = = 4mF. (2.3) 2 · f · ΔU 2 · 50 · 1 Tento vzorec poˇc´ıtá s vyb´ıjen´ım filtraˇcn´ıch kondenzátor˚ u po dobu celé jedné periody usmˇerˇ novaného signálu. Ve skuteˇcnosti se filtraˇcn´ı kondenzátory vyb´ıj´ı o nˇeco kratˇs´ı dobu, zvlnˇen´ı tak bude jeˇstˇe niˇzˇs´ı, neˇz poˇzadované. Jako filtraˇcn´ı kondenzátor jsem zvolil paralelnˇe ˇrazenou dvojici kondenzátor˚ u s n´ızk´ ym ESR a teplotn´ım roz◦ sahem 105 C (viz [2]), kaˇzd´ y s kapacitou 2,2 mF. Celková filtraˇcn´ı kapacita je tedy 4,4 mF. CMIN =

2.2.4

N´ avrh stabiliz´ ator˚ u

Sp´ınan´ y stabilizátor mˇen´ı hodnotu stejnosmˇerného napˇet´ı na svém vstupu na definovanou velikost (v tomto pˇr´ıpadˇe +5 V) a zajiˇst’uje jeho stabilizaci pˇri zmˇenách vstupn´ıho napˇet´ı anebo zmˇenách v´ ystupn´ıho proudu. V zapojen´ı ˇr´ıd´ıc´ı jednotky jsou pouˇzity dva napˇet’ové stabilizátory. Sp´ınan´ y N1 pro vytvoˇren´ı napájec´ıho napˇet´ı +5 V pro vˇsechny ˇca´sti jednotky kromˇe pˇrevodn´ıku N3 a lineárn´ı n´ızko´ ubytkov´ y stabilizátor N5, kter´ y v´ ystupn´ı napˇet´ı obvodu N1 dále sn´ıˇz´ı na +3,3 V. Toto napˇet´ı je potˇrebné právˇe pro pˇrevodn´ık N3.

Obr. 2.2: Zapojen´ı sp´ınaného stabilizátoru napˇet´ı Na Obr.2.2 je zapojen´ı sp´ınaného stabilizátoru napˇet´ı N1 - LM2595S-ADJ. Stabilizátor je v katalogovém zapojen´ı dle [3]. Sp´ınan´ y stabilizátor má intergrován sp´ınac´ı tranzistor, kter´ y v závislosti na velikosti vstupn´ıho a v´ ystupn´ıho napˇet´ı a v závislosti na velikosti v´ ystupn´ıho proudu sp´ıná vstupn´ı napˇet´ı na v´ ystup stabilizátoru. V dobˇe, kdy je tranzistor sepnut, procház´ı tlumivkou L1 elektrick´ y proud a v tlumivce se akumuluje energie. V dobˇe rozepnut´ı tranzistoru se snaˇz´ı tlumivka tento protékaj´ıc´ı proud udrˇzet a akumulovanou energii tak pˇrevád´ı do elektrolytick´ ych kondenzátor˚ u

18

na v´ ystupu stabilizátoru. Pr˚ uchod proudu obvodem tlumivka - napájen´ y obvod umoˇzn ˇuje po dobu uzavˇren´ı tranzistoru dioda D14. Pro r˚ uzné velikosti vstupn´ıho a v´ ystupn´ıho napˇet´ı a v´ ystupn´ıho proudu je nutné urˇcit dle [3] parametry diody D14, tlumivky L1 a v´ ystupn´ı filtraˇcn´ı kapacity. Dále je nutné stanovit velikost rezistor˚ u R51 a R40, které nastavuj´ı poˇzadovanou velikost v´ ystupn´ıho napˇet´ı celého stabilizátoru. V´ ystupn´ı napˇet´ı dˇeliˇce R51, R40 je porovnáváno s vnitˇrn´ım referenˇcn´ım napˇet´ım stabilizátoru UREF = 1,23 V. Pro velikost v´ ystupn´ıho napˇet´ı plat´ı vztah

R51 . (2.4) UOUT = UREF · 1 + R40 Hodnotu jednoho z rezistor˚ u je nutné zvolit - dle [3] R40 = 240 Ω aˇz 1,5 kΩ. Zvolil jsem tedy R40 - 1 kΩ. Pro rezistor R51 pak plat´ı

UOUT 5 R51 = R40 · − 1 = 1000 · − 1 = 3065Ω. UREF 1, 23

(2.5)

Nejbliˇzˇs´ı standardn´ı hodnota rezistoru je 3 kΩ. Pˇresné v´ ystupn´ı napˇet´ı nastavené dvojic´ı tˇechto rezistor˚ u tedy bude

UOUT

R51 3kΩ = UREF · 1 + = 1, 23 · 1 + R40 1kΩ

= 4, 92 V.

(2.6)

S t´ımto napájec´ım napˇet´ım jsou schopné bez problém˚ u pracovat vˇsechny pouˇzité obvody ˇr´ıd´ıc´ı jednotky. Dále je pro návrh nutné urˇcit tzv. E·T konstantu tlumivky L1: UOUT + UD 1000 · = UIN − USAT + UD 150 5 + 0, 5 1000 = (17 − 5 − 1) · · = 24, 4 V · μs, 17 − 1 + 0, 5 150

E · T = (UIN − UOUT − USAT ) ·

(2.7)

ystupn´ı napˇet´ı stabilizátoru kde UIN je vstupn´ı napˇet´ı stabilizátoru, UOUT je v´ +5 V, USAT je saturaˇcn´ı napˇet´ı sp´ınac´ıho tranzistoru (dle [3] USAT = 1 V) a UD je napˇet´ı diody D14 v propustném smˇeru, tedy cca 0,5 V. Pomoc´ı této E·T konstanty jsem dle Obr. 2.3 zvolil hodnotu indukˇcnosti tlumivky L1 150 μH

19

Obr. 2.3: Graf pro urˇcen´ı indukˇcnosti L1 pomoc´ı E·T konstanty, zdroj: [3] Doporuˇcená hodnota kapacity kondenzátoru na v´ ystupu stabilizátoru je pro v´ ystupn´ı napˇet´ı +5 V dle [3] minimálnˇe 220 μF. Je nutné pouˇz´ıt typ s n´ızk´ ym ekvivalentn´ım sériov´ ym odporem ESR. Na v´ ystup stabilizátoru jsem zaˇradil dvojici paralelnˇe ˇrazen´ ych kondenzátor˚ u 220 μF/16 V, typ KZE s velmi n´ızk´ ym ESR (viz [4]). [3] dále urˇcuje kapacitu kondenzátoru C5, kter´ y zvyˇsuje stabilitu stabilizátoru. Pro v´ ystupn´ı napˇet´ı 5 V je doporuˇcena hodnota 3,9 nF.

Obr. 2.4: Zapojen´ı n´ızko´ ubytkového stabilizátoru napˇet´ı Pro napájen´ı pˇrevodn´ıku N3 je za sp´ınan´ y stabilizátor zaˇrazen n´ızko´ ubytkov´ y lineárn´ı stabilizátor N5 - ADP121-AUJY33R s pevn´ ym v´ ystupn´ım napˇet´ım +3,3 V (viz Obr.2.4). Tento stabilizátor dosahuje UDROP pouze 120 mV a maximáln´ı v´ ystupn´ı proud obvodu je 150 mA, coˇz pro napájen´ı pouˇzitého pˇrevodn´ıku postaˇcuje. Potlaˇcen´ı zvlnˇen´ı vstupn´ıho napˇet´ı dosahuje 70 dB, coˇz zajiˇst’uje kvalitn´ı napájec´ı napˇet´ı pro analogovou ˇca´st mˇeˇr´ıc´ıho pˇrevodn´ıku N3. Stabilizátor je zapojen dle katalogového

20

listu [5]. Obvod pro svoji funkci vyˇzaduje pouze pˇriveden´ı napájec´ıho napˇet´ı, pˇripojen´ı dvou blokovac´ıch keramick´ ych kondenzátor˚ u ke vstupu a v´ ystupu a pˇriveden´ı vhodné logické u ´rovnˇe na vstup Chip Enable - CE. Pˇri napˇet´ı o velikosti od 0,4 V na tomto vstupu udrˇzuje obvod na svém v´ ystupu poˇzadované napˇet´ı.

2.3

ˇ ıd´ıc´ı ˇ R´ c´ ast

Celá ˇr´ıd´ıc´ı jednotka je ˇr´ızena mikrokontrolérem typu AVR - ATmega128 od firmy Atmel. Jedná se o 8bitov´ y mikroprocesor doplnˇen´ y o dalˇs´ı periferie. Tento mikrokontrolér jsem zvolil z d˚ uvodu dostateˇcného poˇctu vstupnˇe-v´ ystupn´ıch pin˚ u, dostateˇcnˇe velkého pamˇet’ového prostoru (grafick´ y displej vyˇzaduje ukládán´ı rozmˇern´ ych dat reprezentuj´ıc´ıch obrazce, napˇr. fonty) a kv˚ uli vyhovuj´ıc´ı skladbˇe a poˇctu periféri´ı (viz [6]). Návrh ˇr´ıd´ıc´ı jednotky pece z tˇechto periferi´ı vyuˇz´ıvá: • sériov´ y kanál UART • sbˇernici TWI (firemn´ı název firmy Atmel pro sbˇernici I2 C) • sbˇernici SPI • JTAG • 8bitov´ y a 16bitov´ y ˇc´ıtaˇc/ˇcasovaˇc

2.3.1

ˇ Casov´ an´ı a reset mikrokontrol´ eru

ˇ Casov´ an´ı mikrokontroléru zajiˇst’uje krystal B1 o frekvenci 11,0592 MHz. Tuto frekvenci jsem zvolil z d˚ uvodu snadného generován´ı pˇrenosov´ ych rychlost´ı sériového kanálu, které jsou bˇeˇznˇe podporovány osobn´ımi poˇc´ıtaˇci. Pro správnou funkci mikrokontroléru mus´ı b´ yt zaruˇcen tzv. reset obvodu. Ten zajist´ı, ˇze mikrokontrolér zaˇcne s vykonáván´ım obsluˇzného programu na správné adrese v pamˇeti programu. Pro reset mikrokontolér˚ u AVR je nutno na jejich vstup RESET pˇrivést n´ızkou u ´roveˇ n logického sinálu. Nav´ıc je v zapojen´ı poˇc´ıtáno i s pˇr´ıpadn´ ym pouˇzit´ı bˇeˇzné kombinace rezistoru R3 a kondenzátoru C47.

Obr. 2.5: Obvod pro reset mikrokontroléru

21

Poˇcáteˇcn´ı pˇresnˇe definovan´ y reset a ochranu mikrokontroléru v pˇr´ıpadˇe n´ızkého napájec´ıho napˇet´ı zajiˇst’uje obvod D1 MAX809LTRG (Obr. 2.5). Tento obvod generuje na svém v´ ystupu n´ızkou u ´roveˇ n logického signálu po dobu nábˇehu napájec´ıho napˇet´ı a také v pˇr´ıpadˇe, ˇze napájec´ı napˇet´ı klesne pod hranici 4,63 V (typicky, viz [7]). Obvod tak kompletnˇe oˇsetˇruje resetem stavy mikrokontroléru, pˇri kter´ ych nen´ı v´ yrobcem zaruˇcena jeho správná funkce. Pro pouˇzit´ı tohoto obvodu s mikrokontroléry AVR je dle [8] doporuˇceno zaˇradit na v´ ystup tohoto obvodu rezistor R65 o odporu 3,3 kΩ.

2.3.2

Programov´ an´ı pamˇ eti mikrokontrol´ eru

Pamˇet’ programu mikrokontroléru je programována pˇres sbˇernici ISP (6pinov´ y konektor X4), pˇr´ıpadnˇe JTAG (10pinov´ y konektor X5), pˇres kter´ y je moˇzné pˇri v´ yvoji ladit jednotlivé ˇcásti obsluˇzného programu. Sbˇernici ISP tvoˇr´ı u mikrokontroléru ATmega128 vodiˇce sériového kanálu 0. Zapojen´ı konektor˚ u obou sbˇernic je standardizované (viz Obr. 2.6) tak, aby bylo moˇzné zaˇr´ızen´ı naprogramovat r˚ uzn´ ymi typy programátor˚ u.

Obr. 2.6: Sbˇernice pro programován´ı pamˇeti mikrokontroléru

2.3.3

S´ eriov´ a EEPROM

Data (teplotn´ı profily, r˚ uzná nastaven´ı) ukládá mikrokontrolér pomoc´ı sbˇernice I2 C do sériové EEPROM pamˇeti D6 24LC128. Tato pamˇet’ má velikost 8096 x 8 bit˚ u. Ob2 vod má na sbˇernici I C 7bitovou adresu, jej´ıˇz nejniˇzˇs´ı 3 bity lze nastavit pˇriveden´ım vhodn´ ych logick´ ych u ´rovn´ı na vstupy A0 aˇz A3. Vyˇsˇs´ı ˇctyˇri bity jsou pevnˇe dány uˇz pˇri v´ yrobˇe obvodu - 1010. V zapojen´ı ˇr´ıd´ıc´ı jednotky jsou vˇsechny adresové vstupy pˇripojeny na spoleˇcn´ y zemn´ı vodiˇc. Zapojen´ı pamˇeti je na Obr. 2.7.

22

Obr. 2.7: Zapojen´ı pamˇeti EEPROM

2.3.4

Obvod re´ aln´ eho ˇ casu - RTC

Pomoc´ı I2 C komunikuje mikrokontrolér také s obvodem reálného ˇcasu D7 DS1307, kter´ y zajiˇst’uje ˇcasovou orientaci ˇr´ıd´ıc´ı jednotky pece. RTC je vlastnˇe sériová EEPROM, jej´ıˇz pamˇet’ové buˇ nky maj´ı v´ yznam poˇctu rok˚ u, mˇes´ıc˚ u, dn´ı, hodin, minut a sekund a obvod dokáˇze v reálném ˇcase data v tˇechto pamˇet’ov´ ych prostorech automaticky mˇenit. Pˇri správném poˇcáteˇcn´ım nastaven´ı tohoto obvodu (uloˇzen´ı pˇresného ˇcasu) umoˇzn ˇuje jednotka zobrazen´ı pˇresného ˇcasu, kdy dojde k ukonˇcen´ı vypalovac´ıho procesu. Funkce tohoto obvodu je pˇri v´ ypadku napájec´ıho napˇet´ı zálohována bateri´ı G1. Proudov´ y odbˇer z baterie v dobˇe v´ ypadku napájec´ıho napˇet´ı obvodu D7 je 300 nA aˇz 500 nA (viz [9]) Zapojen´ı obvodu je na Obr. 2.8

Obr. 2.8: Zapojen´ı obvodu reálného ˇcasu

2.3.5

USB

ˇ ıd´ıc´ı jednotka umoˇzn R´ ˇuje naˇcten´ı a realizaci tzv. teplotn´ıho profilu, tedy udrˇzován´ı v ˇcase promˇenné pˇredem nastavené teploty. Informace o teplotn´ım profilu a jeho pr˚ ubˇeh je moˇzné zadat ruˇcnˇe pomoc´ı ovládac´ı klávesnice. Druhou moˇznost´ı zadán´ı profilu je pˇrenos dat specifick´ ym protokolem z extern´ıho zaˇr´ızen´ı, které je schopné

23

komunikovat po USB sbˇernici. Pro USB komunikaci je ˇr´ıd´ıc´ı jednotka vybavena obvodem D1 FT232RL. Tento obvod pˇrevád´ı komunikaci pomoc´ı UART rozhran´ı na USB datové pakety, je vˇsak schopn´ y pracovat pouze v reˇzimu Device. Tento reˇzim neumoˇzn ˇuje napˇr. pˇripojen´ı USB flashdisk˚ u, umoˇzn ˇuje pouze spojen´ı se zaˇr´ızen´ım typu Host (napˇr. PC). Nav´ıc je na stranˇe zaˇr´ızen´ı typu Host nutná instalace speciáln´ıch ovladaˇc˚ u, které pˇrevád´ı USB komunikaci zpˇet na komunikaci pomoc´ı virtuáln´ıho sériového portu. Vzhledem k plánovanému vyuˇzit´ı pece pouze k v´ yvojov´ ym u ´ˇcel˚ um je tento typ komunikace dostaˇcuj´ıc´ı.

Obr. 2.9: Zapojen´ı obvodu pro komunikaci po USB Na Obr. 2.9 je zapojen´ı obvodu D1 FT232RL (viz [10]). Obvod je na stranˇe USB sbˇernice pˇr´ımo pˇripojen ke vstupn´ımu USB konektoru, ke své funkci vyˇzaduje pouze blokovac´ı keramické kondenzátory C13 a C14, které je nutné um´ıstit v tˇesné bl´ızkosti napájec´ıch pˇr´ıvod˚ u obvodu a napˇet’ov´ y dˇeliˇc R16, R17, kter´ y zajiˇst’uje reset obvodu v pˇr´ıpadˇe pˇripojen´ı vnˇejˇs´ıho USB kabelu, na kterém je pˇr´ıtomno napájec´ı napˇet´ı USB sbˇernice +5 V. Obvod D1 jiˇz obsahuje vˇsechny potˇrebné pˇrepˇet’ové ochrany a impedanˇcn´ı pˇrizp˚ usoben´ı. V pˇr´ıpadˇe pˇripojen´ı zaˇr´ızen´ı, které nen´ı schopno na pˇr´ısluˇsném vodiˇci sbˇernice USB generovat napájec´ı napˇet´ı +5 V (tedy zaˇr´ızen´ı typu Device) nen´ı komunikace moˇzná. K obvodu jsou dále pˇripojeny dvˇe LED, které indikuj´ı právˇe prob´ıhaj´ıc´ı vys´ılán´ı dat (LED H3), nebo jejich pˇr´ıjem (LED H4). Na stranˇe mikrokontroléru je obvod pˇripojen na v´ yvody sériového kanálu UART1.

24

2.3.6

PSD regul´ ator

´ Ukolem regulátoru je udrˇzovat teplotu uvnitˇr pece co nejbl´ıˇze nastavené hodnotˇe. Vstupem regulátoru je informace o odchylce skuteˇcné hodnoty od poˇzadované - tzv. regulaˇcn´ı odchylka e(t). V´ ystupem je pak hodnota, odpov´ıdaj´ıc´ı aktuáln´ımu v´ ykonu, kter´ y je tˇreba topn´ ymi tyˇcemi do regulované soustavy dodávat - tzv. akˇcn´ı veliˇcina x(t). Pro regulaci teploty soustavy se v pˇr´ıpadˇe pouˇzit´ı spojitého regulátoru hod´ı jeho PID (proporcionálnˇe-integraˇcnˇe-derivaˇcn´ı) varianta. V pˇr´ıpadˇe, ˇze je regulátor tvoˇren ˇc´ıslicovˇe (diskrétnˇe v ˇcase), je oznaˇcován jako PSD - proporcionálnˇe-sumaˇcnˇediferenˇcn´ı regulátor. Akˇcn´ı veliˇcina PID, resp. PSD regulátoru je tvoˇrena souˇctem tˇr´ı sloˇzek - proporcionáln´ı, intergraˇcn´ı a derivaˇcn´ı. P sloˇ zka regul´ atoru Akˇcn´ı veliˇcina P sloˇzky regulátoru je tvoˇrena prost´ ym zes´ılen´ım regulaˇcn´ı odchylky, tedy x(t) = r0 · e(t),

(2.8)

yhodou samostatného P-regulátoru kde r0 je tzv. ˇcinitel ˇci konstanta zes´ılen´ı. Nev´ je teoretická nemoˇznost dosáhnout nulové regulaˇcn´ı odchylky e(t). Jestliˇze je totiˇz tato odchylka nulová, je nulová i akˇcn´ı veliˇcina x(t) a t´ım nutnˇe vzniká nenulová ˇ ım vyˇsˇs´ı je r0 , t´ım niˇzˇs´ı lze dosáhnout trvalé velikosti regulaˇcn´ı regulaˇcn´ı odchylka. C´ odchylky, ovˇsem v pˇr´ıpadˇe pˇr´ıliˇs vysoké hodnoty r0 je systém náchyln´ y k rozkmitán´ı - regulátoru se nepodaˇr´ı regulaˇcn´ı odchylku udrˇzet v poˇzadovan´ ych mez´ıch a regulovaná hodnota kmitá kolem hodnoty poˇzadované. I sloˇ zka regul´ atoru Akˇcn´ı veliˇcina I-regulátoru je urˇcena ˇcasov´ ym integrálem regulaˇcn´ı odchylky, tedy x(t) = ri ·

t 0

e(t) dt + x(0),

(2.9)

kde ri je integraˇcn´ı konstanta. Zmˇena této sloˇzky je tedy u ´mˇerná velikosti regulaˇcn´ı odchylky - ˇc´ım bude tato odchylka vyˇsˇs´ı, t´ım rychleji bude tato sloˇzka regulace r˚ ust a naopak. Integraˇcn´ı sloˇzka regulátoru je v pˇr´ıpadˇe správného nastaven´ı schopna u ´plnˇe eliminovat regulaˇcn´ı odchylku, ovˇsem rychlost regulace je oproti Pregulátoru niˇzˇs´ı. Existuje také riziko rozkmitán´ı regulovaného systému. D sloˇ zka regul´ atoru Akˇcn´ı veliˇcina derivaˇcn´ı sloˇzky regulátoru je u ´mˇerná rychlosti ˇcasové zmˇeny regulaˇcn´ı odchylky, tedy

25

x(t) = rd

de(t) , dt

(2.10)

ˇ ım rychleji se zvyˇsuje ˇci naopak sniˇzuje regulaˇcn´ı kde rd je derivaˇcn´ı konstanta. C´ odchylka, t´ım je hodnota akˇcn´ı veliˇciny vyˇsˇs´ı, resp. niˇzˇs´ı. Kompletn´ı PID regul´ ator Velikost akˇcn´ı veliˇciny PID regulátoru je tvoˇrena souˇctem jednotliv´ ych sloˇzek P, I a D, tedy t

de(t) . (2.11) dt 0 Pomoc´ı konstanty zes´ılen´ı r0 , integraˇcn´ı konstanty ri a derivaˇcn´ı konstanty rd je moˇzné dosáhnout regulace, jej´ıˇz regulaˇcn´ı odchylka je nulová, je dostateˇcnˇe rychlá a pˇritom stabiln´ı. Existuje nˇekolik postup˚ u nastaven´ı PID regulátoru, ovˇsem vˇsechny jsou zaloˇzeny pˇredevˇs´ım na mˇeˇren´ı regulované veliˇciny pˇr´ımo v regulované soustavˇe. x(t) = r0 · e(t) + ri ·

2.4 2.4.1

e(t) dt + x(0) + rd

Ovl´ adac´ı, indikaˇ cn´ı a zobrazovac´ı ˇ c´ ast Dotykov´ a plocha

ˇ ıd´ıc´ı jednotka je ovládána pomoc´ı pr˚ R´ uhledné rezistivn´ı dotykové plochy, která je vloˇzena pˇred LCD displej. Plocha je principiálnˇe sloˇzena ze ˇctyˇr vrstev (viz 2.10). Spodn´ı nosná vrstva je pevná a proti jej´ımu povrchu je provedeno stlaˇcen´ı vrchn´ıch vrstev pˇri dotyku pˇredmˇetu. Nad touto vrstvou jsou um´ıstˇeny dvˇe rezistivn´ı vrstvy, na jejichˇz protilehl´ ych okraj´ıch jsou vytvoˇreny elektrody, které umoˇzn ˇuj´ı nakontaktován´ı tˇechto rezistivn´ıch vrstev. Elektrody obou rezistivn´ıch vrstev jsou um´ıstˇeny navzájem kolmo a jsou oznaˇceny dle smˇeru, ve kterém jsou mechanicky um´ıstˇeny X+ a X- resp. Y+ a Y-. Vrchn´ı kryc´ı vrstva je pruˇzná, umoˇzn ˇuje tedy pˇrenos dotyku na rezistivn´ı vrstvy a zároveˇ n je dostateˇcnˇe odolná, aby tyto citlivé vrstvy ochránila pˇred mechanick´ ym poˇskozen´ım.

26

Obr. 2.10: Konstrukce dotykové plochy Je pouˇzito ˇctyˇrvodiˇcové zapojen´ı, jehoˇz princip je znázornˇen na Obr. 2.11. Pˇri dostateˇcnˇe silném stlaˇcen´ı dotykové plochy se vytvoˇr´ı elektrické spojen´ı mezi obˇema rezistivn´ımi vrstvami a odpor vrstev lze rozdˇelit na sloˇzky RX1 a RX2 ve smˇeru osy x a sloˇzky RY1 a RY2 ve smˇeru osy y.

ˇ rvodiˇcové zapojen´ı dotykové plochy Obr. 2.11: Ctyˇ Pokud je na vhodné v´ yvody dotykové plochy pˇripojeno známé napˇet´ı Uref , je moˇzné zmˇeˇrit na zbyl´ ych nezapojen´ ych v´ yvodech napˇet´ı, které odpov´ıdá pomˇeru vzdálenost´ı stisku od elektrod rezistivn´ı vrstvy. Pokud je toto mˇeˇren´ı provedeno pro obˇe vrstvy zvláˇst’ (viz Obr. 2.12), je moˇzné urˇcit souˇradnice m´ısta stisku dotykové plochy ve smˇeru osy x i y.

27

Obr. 2.12: Urˇcen´ı m´ısta stisku dotykové plochy a) ve smˇeru osy y, b) ve smˇeru osy x Dotykové panely v´ yˇse uvedené konstrukce se vyráb´ı v r˚ uzn´ ych velikostech. Pouˇzil jsem panel s aktivn´ı plochou o rozmˇerech 108 mm x 61 mm, coˇz koresponduje s rozmˇery pouˇzitého LCD displeje. V´ yrobce panelu mi bohuˇzel nen´ı znám. Dotykov´ y panel je pˇrilepen kontaktn´ım lepidlem k plechovému rámu LCD displeje a ohebn´ y v´ yvod je prostrˇcen otvorem pro uchycen´ı rámu k ploˇsnému spoji na druhou stranu spoje (viz Obr. 2.13).

Obr. 2.13: Instalace dotykové plochy na LCD displej Potˇrebná mˇeˇren´ı, jejich vyhodnocen´ı a komunikaci s ˇr´ıd´ıc´ım mikrokontrolérem zajiˇst’uje obvod D3 TSC2003IPWR. Blokové schéma tohoto obvodu je na Obr. 2.14. Obvod umoˇzn ˇuje kromˇe práce s dotykov´ ym panelem také mˇeˇren´ı teploty pouzdra (pomoc´ı vnitˇrn´ıho zdroje proudu, kter´ y protéká polovodiˇcovou diodou), mˇeˇren´ı napˇet´ı dvou bateri´ı a dvoukanálové mˇeˇren´ı dalˇs´ıho extern´ıho napˇet´ı. Tyto funkce nejsou v ˇr´ıd´ıc´ı jednotce vyuˇzity.

28

Obr. 2.14: Blokové schéma obvodu TSC2003IPWR, pˇrevzato z [17] ˇ ıd´ıc´ı ˇcást obvodu Control Logic“ ˇr´ıd´ı pˇripojován´ı odpov´ıdaj´ıc´ıch elektrod doR´ ” tykové plochy k referenˇcn´ımu napˇet´ı (v zapojen´ı ˇr´ıd´ıc´ı jednotky pece je pouˇzito vnitˇrn´ı referenˇcn´ı napˇet´ı Internal +2,5 VREF“), multiplexován´ı mˇeˇr´ıc´ıch vstup˚ uk ” AD pˇrevodn´ıku (blok MUX“), mˇeˇren´ı napˇet´ı a jeho pˇrevod 12bitov´ ym AD pˇrevodn´ıkem ” s postupnou aproximac´ı (bloky CDAC“, Comparator“ a SAR“) a komunikaci po” ” ” moc´ı sbˇernice I2 C. Obvod umoˇzn ˇuje generován´ı poˇzadavku na pˇreruˇsen´ı bˇehu programu pˇri dotyku plochy - n´ızká u ´roveˇ n na v´ yvodu PENIRQ, coˇz v´ yraznˇe usnadˇ nuje obsluhu dotykové plochy.

29

Obr. 2.15: Zapojen´ı obvodu TSC2003IPWR pro ˇr´ızen´ı dotykového panelu Zapojen´ı obvodu je katalogové, k obvodu staˇc´ı pˇripojit napájec´ı napˇet´ı, dotykovou plochu, signály sbˇernice I2 C a zabezpeˇcit kvalitn´ı blokován´ı jak napájec´ıho, tak referenˇcn´ıho napˇet´ı kombinac´ı tantalového kondenzátoru 4,7 μF/10 V a keramického kondenzátoru 100 nF.

2.4.2

Displej

Vˇsechny hodnoty, které potˇrebuje obsluha znát a které m˚ uˇze mˇenit, jsou zobrazovány na modrém monochromatickém podsv´ıceném grafickém displeji PG240128WRMATA-IY6 s rozliˇsen´ım 240 x 128 bod˚ u s ˇradiˇcem T6963C. Rozmˇery viditelné plochy displeje jsou 108 mm x 58 mm. Displej je schopen pracovat v plnˇe grafickém, semigrafickém a plnˇe textovém reˇzimu. V grafickém reˇzimu je moˇzné na celé ploˇse displeje vykreslovat libovolné body. V semigrafickém reˇzimu je moˇzné pˇres grafiku na displeji vykreslovat text. V´ yhodou tohoto typu ˇradiˇce je pˇr´ıtomnost generátoru ˇ fontu. Radiˇc se tak sám stará o vykreslen´ı textu na danou pozici a mikrokontrolér nemus´ı text vykreslovat bod po bodu. V plnˇe grafickém reˇzimu displej zobrazuje na celé své ploˇse pouze textové informace - podobn´ ym systémem jako v semigrafickém reˇzimu. Mikrokontrolér s ˇradiˇcem komunikuje po 8bitové datové sbˇernici a dále pomoc´ı ˇr´ıd´ıc´ıch signál˚ u, jejichˇz v´ yznam je uveden v Tab. 2.3.

30

Sign´ al

V´ yznam

D0 aˇz D7 C/D RD WR CE RESET V0 VEE MD2 FS1

Datová sbˇernice displeje Log. 0 - pˇrenáˇs´ı se data, log. 1 - pˇrenáˇs´ı se instrukce ˇ ı dat Cten´ Zápis dat, instrukce Povolen´ı komunikace s displejem Reset ˇradiˇce ˇ ızen´ı kontrastu R´ V´ ystup mˇeniˇce pro ˇr´ızen´ı kontrastu Poˇcet sloupc˚ u znak˚ u v textovém reˇzimu Velikost fontu v textovém reˇzimu ˇ ıd´ıc´ı signály LCD displeje Tab. 2.3: R´

Obr. 2.16: Zapojen´ı modulu LCD displeje Na vstup displeje s oznaˇcen´ım V0 je nutné pˇrivést záporné napˇet´ı, které definuje kontrast LCD displeje. Záporné napˇet´ı generuje displej sám a staˇc´ı mezi napájec´ı pˇr´ıvod a pin VEE zapojit trimr s odporem 20 kΩ. Bˇeˇzec tohoto trimru je pak pˇripojen právˇe na vstup pro ˇr´ızen´ı kontrastu V0.

31

Obr. 2.17: Zdroj pro podsv´ıcen´ı LCD Podsv´ıcen´ı displeje je ˇreˇseno b´ıl´ ymi LED diodami, jejichˇz svit je rozvádˇen pod celou zobrazovac´ı plochu svˇetlovodn´ ym panelem. Doporuˇcen´ y proud LED diodami je IF = 120 mA pˇri napˇet´ı v propustném smˇeru ULED = 3,5 V. Proud LED diodami reguluje nastaviteln´ y proudov´ y sp´ınan´ y zdroj N8 AP8801, jehoˇz v´ ystupn´ı proud lze nastavit vhodnou volbou velikosti odporu rezistoru R25. Dle [11] pro R25 plat´ı 200 mV 200 mV = = 1, 67Ω. (2.12) ILED 120 mA Vzhledem k tomu, ˇze pec bude provozována ve vnitˇrn´ıch prostorách a nebude tˇreba dosáhnout maximáln´ıho jasu displeje, zvolil jsem nejbliˇzˇs´ı vyˇsˇs´ı hodnotu rezistoru z ˇrady, a to 1,8 Ω. Pˇri pouˇzit´ı rezistoru této hodnoty bude skuteˇcn´ y proud LED diodami R25 =

ILED =

200 mV 200 mV = = 111 mA. R25 1, 8Ω

(2.13)

Blokovac´ı kondenzátory C50 a C61, tlumivka L5 a dioda D15 jsou pouˇzity dle katalogového listu obvodu (viz [11]).

2.5 2.5.1

Mˇ eˇ r´ıc´ı ˇ c´ ast Pˇ rehled mˇ eˇ r´ıc´ıch metod, parametry mˇ eˇ ren´ı

Pomineme-li napˇr. bezkontaktn´ı mˇeˇren´ı teploty, existuje nˇekolik moˇzn´ ych zp˚ usob˚ u mˇeˇren´ı teploty plynného prostˇred´ı. Liˇs´ı se pˇredevˇs´ım pouˇzit´ ymi sn´ımac´ımi ˇcleny. Jako mˇeˇr´ıc´ı ˇclánek je moˇzné pouˇz´ıt: • Integrovan´ y obvod s vnitˇrn´ım sn´ımaˇcem (rezistivn´ı, kˇrem´ıkov´ y)

32

• Rezistivn´ı sn´ımaˇc • Kˇrem´ıkov´ y sn´ımaˇc • Termoˇclánek Pro mˇeˇren´ı teploty uvnitˇr vypalovac´ı pece je d˚ uleˇzit´ y pˇredevˇs´ım teplotn´ı rozsah sn´ımaˇce, jeho vysoká citlivost (velikost zmˇeny v´ ystupn´ı veliˇciny sn´ımaˇce v závislosti na zmˇenˇe teploty) a pˇredevˇs´ım jeho mechanické proveden´ı.

2.5.2

Integrovan´ y obvod s vnitˇ rn´ım sn´ımaˇ cem

Na trhu existuj´ı integrované obvody, které mˇeˇr´ı teplotu svého ˇcipu a tu pak pˇrevád´ı na nˇejakou z forem digitáln´ı informace. V´ yhodou tohoto ˇreˇsen´ı je jednoduché pouˇzit´ı. K obvodu totiˇz nen´ı tˇreba pˇripojovat ˇza´dné extern´ı teplotn´ı sn´ımaˇce. Pro pouˇzit´ı pˇri sn´ımán´ı teploty uvnitˇr vypalovac´ı pece má vˇsak toto ˇreˇsen´ı dvˇe zásadn´ı nev´ yhody. Prvn´ı z nich je nutnost um´ıstˇen´ı integrovaného obvodu pˇr´ımo do pracovn´ıho prostoru. Druhou a zásadnˇejˇs´ı nev´ yhodou je teplotn´ı mˇeˇr´ıc´ı rozsah tˇechto integrovan´ ych obvod˚ u. Ten b´ yvá pˇr´ımo závisl´ y na teplotn´ı odolnosti integrovaného obvodu, jehoˇz základ tvoˇr´ı polovodiˇc. Maximáln´ı teploty, které dokáˇz´ı tyto obvody zpracovat se tak pohybuj´ı kolem 125 ◦ C aˇz 150 ◦ C. Pro sn´ımán´ı teploty ve vypalovac´ı peci jsou tedy tyto obvody nepouˇzitelné.

2.5.3

Rezistivn´ı sn´ımaˇ c

Obecnˇe se tyto sn´ımaˇce oznaˇcuj´ı zkrakou RTD - Resistance Temperature Detector. Tyto sn´ımaˇce jsou nejˇcastˇeji tvoˇreny kovovou vrstvou, která mˇen´ı sv˚ uj elektrick´ y odpor v závislosti na teplotˇe. Pˇri v´ yrobˇe tˇechto souˇca´stek se pouˇz´ıvaj´ı pˇredevˇs´ım platina (známé pˇredevˇs´ım sn´ımaˇce Pt100 a Pt1000), nikl, wolfram ˇci mˇed’. Tyto sn´ımaˇce je moˇzné vyrobit s velmi n´ızkou v´ yrobn´ı toleranc´ı a mˇeˇren´ı teploty je tak velmi pˇresné. Bˇeˇznˇe je moˇzné s RTD sn´ımaˇci dosáhnout pˇresnosti 0,05 ◦ C. Jejich nev´ yhodou je vˇsak n´ızká citlivost, ˇrádovˇe desetiny Ω/◦ C. V silnˇe zaruˇseném pr˚ umyslovém prostˇred´ı je pouˇzit´ı tˇechto sn´ımaˇc˚ u velmi obt´ıˇzné.

2.5.4

Kˇ rem´ıkov´ y sn´ımaˇ c

Tyto sn´ımaˇce jsou zaloˇzeny na teplotn´ı závislosti pohyblivosti nosiˇc˚ u náboje v monokrystalu kˇrem´ıku. Této závislosti je moˇzné vyuˇz´ıt napˇr. u sn´ımaˇc˚ u zaloˇzen´ ych na zmˇenˇe Zenerova napˇet´ı speciáln´ı Zenerovy diody. tyto sn´ımaˇce je moˇzné konstruovat tak, ˇze závislost Zenerova napˇet´ı na teplotˇe je lineárn´ı a sn´ımaˇce maj´ı také vysokou citlivost ˇra´dovˇe jednotky mV/◦ C. Jejich nev´ yhodou, podobnˇe jako u integrovan´ ych sn´ımaˇc˚ u, je vˇsak teplotn´ı rozsah, kter´ y je pomoc´ı nich mˇeˇriteln´ y. Ten b´ yvá dle typu cca -80 ◦ C aˇz +150 ◦ C. Existuj´ı sice sn´ımaˇce tohoto typu, které dokáˇz´ı mˇeˇrit teploty

33

aˇz 300 ◦ C, ovˇsem pˇredevˇs´ım jejich mechanické proveden´ı nen´ı vhodné pro nasazen´ı v pr˚ umyslu.

2.5.5

Termoˇ cl´ anek

Obr. 2.18: Termoˇclánek Termoˇclánek je tvoˇren dvoj´ım spojen´ım kovov´ ych vodiˇc˚ u z r˚ uzn´ ych materiál˚ uAa B (viz Obr. 2.18). Pokud je jeden spoj tˇechto dvou kov˚ u ohˇr´ıván na teplotu T2 a druh´ y udrˇzován na stálé referenˇcn´ı teplotˇe T1, vzniká na konc´ıch vodiˇc˚ u vlivem Seebeckova jevu termoelektrické napˇet´ı. Je moˇzné také vyuˇz´ıt termoˇclánek, kter´ y je tvoˇren pouze jedn´ım spojem dvou r˚ uzn´ ych kov˚ u, ovˇsem je pak tˇreba zavést tzv. teplotn´ı kompenzaci studeného konce. To je postup, pˇri kterém je bud’ do mˇeˇr´ıc´ı ˇca´sti, nebo do v´ ypoˇctu v pˇr´ıpadˇe digitáln´ıho zpracován´ı zahrnut vliv teploty na nespojen´ ych konc´ıch vodiˇc˚ u termoˇclánku. V´ yhodou tohoto ˇreˇsen´ı je dobrá dostupnost termoˇclánk˚ u, jejich relativnˇe pˇr´ıznivá cena a mnoho variant mechanického proveden´ı termoˇclánk˚ u.

2.5.6

Porovn´ an´ı sn´ımaˇ c˚ u, v´ ybˇ er vhodn´ e varianty

Typ sn´ımaˇ ce

Mˇ eˇ r´ıc´ı rozsah

Citlivost

Pˇ resnost

Integrovan´ y obvod Rezistivn´ı sn´ımaˇc Kˇrem´ıkov´ y sn´ımaˇc Termoˇclánek

-70 ◦ C aˇz +150 ◦ C -100 ◦ C aˇz +800 ◦ C -80 ◦ C aˇz +150 ◦ C -200 ◦ C aˇz +1400 ◦ C

V´ ystup v digitáln´ı formˇe setiny Ω/◦ C jednotky aˇz des´ıtky mV/◦ C desetiny mV/◦ C

0,5 ◦ C 0,05 ◦ C 1 ◦C 1 ◦C

Tab. 2.4: Pˇrehled teplotn´ıch sn´ımaˇc˚ u

34

V Tab. 2.4 jsou shrnuty vlastnosti moˇzn´ ych ˇreˇsen´ı sn´ımaˇce teploty pro vypalovac´ı pec. Je zˇrejmé, ˇze specializované integrované obvody pro mˇeˇren´ı své vlastn´ı teploty a kˇrem´ıkové sn´ımaˇce (aˇz na vzácné v´ yjimky) nemaj´ı poˇzadovan´ y teplotn´ı rozsah mˇeˇren´ı. Rezistivn´ı sn´ımaˇce maj´ı jak poˇzadovan´ y rozsah mˇeˇren´ ych teplot, tak dostateˇcnou citlivost a pˇresnost. Termoˇclánky vˇsak vynikaj´ı mnoˇzstv´ım mechanick´ ych proveden´ı urˇcen´ ych pˇr´ımo pro pr˚ umyslové aplikace. Existuj´ı varianty miniaturn´ıch termoˇclánk˚ u o rozmˇerech nˇekolika málo milimetr˚ u aˇz po masivn´ı proveden´ı urˇcené do nejnároˇcnˇejˇs´ıch mechanick´ ych podm´ınek. Jako vhodn´ y sn´ımaˇc teploty prostˇred´ı uvnitˇr pece jsem zvolil termoˇclánek typu K, kter´ y je tvoˇren spojen´ım dvou slitin chromel (90 % nikl a 10 % chrom) a alumel (95 % nikl, 2 % mangan, 2 % hlin´ık a 1 % kˇrem´ık). V´ yhodou pouˇzitého ˇreˇsen´ı je pˇredevˇs´ım ˇsiroká ˇskála mechanického proveden´ı termoˇclánk˚ u. Termoˇclánky typu K je moˇzné mˇeˇrit ˇsirok´ y rozsah teplot zhruba od -200 ◦ C do 1250 ◦ C. Tento mˇeˇr´ıc´ı rozsah tedy pro mˇeˇren´ı teploty uvnitˇr vypalovac´ı pece postaˇcuje. V´ yrobce termoˇclánk˚ u udává v´ ystupn´ı napˇet´ı termoˇclánku pˇri r˚ uzn´ ych teplotách a pˇri konstantn´ı teplotˇe tzv. studeného konce. Tabulka pro pouˇzit´ y termoˇclánek je um´ıstˇena v pˇr´ıloze B (Obr. ??).

2.5.7

Mˇ eˇ r´ıc´ı pˇ revodn´ık

Vzhledem k tomu, ˇze k ˇr´ızen´ı pece je pouˇzit mikrokontrolér, je vhodné pouˇz´ıt mˇeˇr´ıc´ı pˇrevodn´ık, kter´ y pˇrevede v´ ystupn´ı napˇet´ı termoˇclánku rovnou na nˇekterou z forem digitáln´ıho signálu. Pouˇzil jsem mˇeˇr´ıc´ı pˇrevodn´ık MAX31855K (viz [12] a [13]), kter´ y obsahuje vˇse potˇrebné pro takov´ y pˇrevod: • rozliˇsen´ı AD pˇrevodu 14 bit˚ u, pˇresnost 0,25 ◦ C • kompenzace teploty studeného konce termoˇclánku • komunikace po sbˇernici SPI • detekce chybnˇe pˇripojeného termoˇclánku (zkrat na napájec´ı napˇet´ı, rozpojen´ı vodiˇc˚ u termoˇclánku)

35

Obr. 2.19: Zapojen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pˇrevodn´ıku MAX31855 Na Obr. 2.19 je zapojen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pˇrevodn´ıku. K obvodu staˇc´ı pˇripojit pˇres standardizovan´ y konektor termoˇclánek, kter´ y je v tomto pˇr´ıpadˇe tvoˇren´ y pouze jedn´ım spojem dvou vodiˇc˚ u z r˚ uzného kovu a obvod na vyˇzádán´ı provede mˇeˇren´ı termoelektrického napˇet´ı termoˇclánku, jeho pˇrevod do digitáln´ı podoby a pˇrenos po SPI sbˇernici. Analogovou ˇcást obvodu MAX31855K tvoˇr´ı n´ızkoˇsumov´ y pˇresn´ y operaˇcn´ı zesilovaˇc. Termoelektrické napˇet´ı termoˇclánku je vhodné pˇred zpracován´ım filtrovat. Filtrace je zajiˇstˇena LC filtrem L7, L8, C27. Tlumivky L7 a L8 tvoˇr´ı pro vf ruˇsen´ı a ˇsum velkou impedanci a zabraˇ nuj´ı tak pronikán´ı ruˇsen´ı do vstupn´ıho operaˇcn´ıho zesilovaˇce. Kondenzátor C27, zapojen´ y mezi vodiˇce termoˇclánku tvoˇr´ı pro vf signál naopak zkrat. Protoˇze je termoˇclánek vyveden mimo prostor ˇr´ıd´ıc´ı jednotky, je vhodné na vstup obvodu N3 (resp. ihned za vstupn´ı konektor termoˇclánku) pˇripojit ochranu pˇred EMI jevy (krátkodobá ˇspiˇcková pˇrepˇet´ı, ESD v´ yboje). Tuto ochranu zajiˇst’uje obvod V8 PESD15VL2BT. Tento obvod obsahuje dva bipolárn´ı transily, které pˇr´ıpadné pˇrepˇet´ı obou polarit rychle svedou do spoleˇcného zemn´ıc´ıho vodiˇce. Napájec´ı napˇet´ı pˇrevodn´ıku je 3,3 V a tomu odpov´ıdaj´ı i napˇet’ové u ´rovnˇe signál˚ u SPI sbˇernice. Mezi mikrokontrolér a pˇrevodn´ık je tedy nutné zaˇradit pˇrevodn´ık u ´rovn´ı, kter´ y zajist´ı obousmˇern´ y pˇrevod u ´rovnˇe 3,3 V na u ´roveˇ n 5 V a naopak. Pˇrevodn´ık u ´rovn´ı, jehoˇz zapojen´ı je na Obr. 2.20 je nutné zaˇradit pro kaˇzd´ y pˇrevádˇen´ y signál, v pˇr´ıpadˇe SPI sbˇernice jsou tedy pouˇzity tˇri shodné pˇrevodn´ıky, z nichˇz kaˇzd´ y je tvoˇren jedn´ım N-MOSFET tranzistorem a dvˇema rezistory. Zaˇr´ızen´ı, které je pˇripojeno na sbˇernici SPI má v´ ystup typu otevˇren´ y kolektor. Pokud ani jedno ze zaˇr´ızen´ı na obou stranách negeneruje SPI signál, jsou na obou stranách pˇrevodn´ıku napˇet´ı odpov´ıdaj´ıc´ı vysoké logické u ´rovni. Jestliˇze zaˇr´ızen´ı na stranˇe 3,3 V sepne sv˚ uj v´ ystupn´ı tranzistor, objev´ı se mezi gate a source tranzistoru V1 napˇet´ı, které tranzistor sepne a pˇrivede tak n´ızkou logickou u ´roveˇ n i na stranu 5V zaˇr´ızen´ı. Jestliˇze sepne sv˚ uj

36

v´ ystupn´ı tranzistor zaˇr´ızen´ı na stranˇe 5 V, dojde d´ıky intern´ı diodˇe tranzistoru V1 i k pˇrenesen´ı n´ızké u ´rovnˇe na 3,3V stranu.

Obr. 2.20: Zapojen´ı pˇrevodn´ıku napˇet’ov´ ych u ´rovn´ı

2.6

V´ ykonov´ aˇ c´ ast

Pˇr´ıkon topn´ ych tˇeles je regulován v závislosti na rozd´ılu poˇzadované a skuteˇcné teploty uvnitˇr pece v´ ystupem PID regulátoru, kter´ y je tvoˇren regulaˇcn´ı programovou smyˇckou obsluˇzného programu mikrokontroléru. V´ ystupem PID regulátoru jsou ˇr´ızeny tˇri v´ ykonové kanály, kaˇzd´ y o pˇr´ıkonu 1 kW. V´ ykonová ˇca´st ˇr´ıd´ıc´ı jednotky mus´ı b´ yt elektricky izolována od ˇcást´ı jednotky, kter´ ych je moˇzné se pˇri provozu dot´ ykat. Pˇr´ıkon topn´ ych element˚ u je moˇzné regulovat nˇekolika zp˚ usoby: • Zmˇenou amplitudy napájec´ıho napˇet´ı • Sine wave dimming - sp´ınán´ı usmˇernˇeného napˇet´ı napˇr. IGBT prvkem s frekvenci ˇrádovˇe des´ıtek kHz. • Propuˇstˇen´ım pouze ˇcást´ı p˚ ulvln napájec´ıho napˇet´ı (napˇr. fázové ˇr´ızen´ı) • Stˇr´ıdav´ ym propuˇstˇen´ım a zadrˇzován´ım cel´ ych p˚ ulvln napájec´ıho napˇet´ı

2.6.1

Zmˇ ena amplitudy nap´ ajec´ıho napˇ et´ı

Na Obr. 2.21 je znázornˇena jedna perioda vstupn´ıho s´ıt’ového napˇet´ı u1 a napˇet´ı na zátˇeˇzi u2 v pˇr´ıpadˇe, ˇze je v´ ykon dodávan´ y do zátˇeˇze ˇr´ızen zmˇenou amplitudy napájec´ıho napˇet´ı.

37

ˇ ızen´ı pˇr´ıkonu pomoc´ı zmˇeny amplitudy napˇet´ı Obr. 2.21: R´ Zmˇeny amplitudy napájec´ıho napˇet´ı je moˇzné dosáhnout napˇr. regulaˇcn´ım autotransformátorem ˇci promˇenn´ ym rezistorem zaˇrazen´ ym do série se zátˇeˇz´ı. Elektrické izolace mezi ˇr´ıd´ıc´ı a ˇr´ızenou ˇca´sti tˇechto prvk˚ u je dosaˇzeno mechanick´ ym proveden´ım jejich ovládac´ıch ˇca´st´ı. Hlavn´ımi nev´ yhodami tohoto ˇreˇsen´ı je sloˇzitost mechanického proveden´ı a malá rychlost regulace v pˇr´ıpadˇe regulaˇcn´ıho autotransformátoru a n´ızká u ´ˇcinnost v pˇr´ıpadˇe pouˇzit´ı rezistivn´ıho prvk˚ u, zaˇrazeného do série se zátˇeˇz´ı - veˇskerá nadbyteˇcná energie se maˇr´ı právˇe v tomto rezistoru. Tyto metody jsou pro ˇr´ızen´ı v´ ykonu topn´ ych tyˇc´ı pece nevhodné.

2.6.2

Sine wave dimming

Jedná se o techniku, která je zaloˇzena na PWM sp´ınán´ı usmˇernˇeného napˇet´ı (napˇr. IGBT tranzistorem), kter´ y jeˇstˇe pˇred usmˇernˇen´ım projde zátˇeˇz´ı. Frekvence sp´ınán´ı je volena v ˇra´dech nˇekolika des´ıtek kHz. Hlavn´ı v´ yhodou tohoto ˇreˇsen´ı je linearita regulace a pˇri zaˇrazen´ı ˇcistˇe odporové zátˇeˇze i malé nf ruˇsen´ı, m´ırnou nev´ yhodou pak nutnost zaˇrazen´ı bud´ıc´ıho obvodu, kter´ y zajist´ı elektrickou izolaci mezi ˇr´ıd´ıc´ı a ˇr´ızenou stranou a generuje dostateˇcné napˇet’ové a proudové pulzy pro sepnut´ı prvku IGBT. Pr˚ ubˇehy napájec´ıho napˇet´ı u1 a napˇet´ı na zátˇeˇzi u2 jsou patrné na Obr. 2.22. Pro názornost je na obrázku frekvence PWM sp´ınán´ı pouze 15 krát vyˇsˇs´ı, neˇz je frekvence s´ıt’ového napˇet´ı u1 .

38

ˇ ızen´ı pˇr´ıkonu pomoc´ı techniky sine wave dimming Obr. 2.22: R´ Topné tyˇce pece jsou vˇsak tvoˇreny odporov´ ym vodiˇcem navinut´ ym na keramickém tˇelese a pro pouˇzit´ı v systému, kter´ y vyuˇz´ıvá sine wave dimming jsou d´ıky své indukˇcnosti (L = 54 μH pˇri frekvenci f = 20 kHz) nevhodné. V´ıcekanálov´ y sine wave dimming systém nav´ıc neumoˇzn ˇuje propojen´ı jednoho z pracovn´ıch vodiˇc˚ u do spoleˇcného uzlu.

2.6.3

Propuˇ stˇ en´ım pouze ˇ c´ ast´ı p˚ ulvln proudu

Tato metoda je zaloˇzena na propuˇstˇen´ı pouze urˇcité ˇca´sti harmonického pr˚ ubˇehu napájec´ıho proudu. K sepnut´ı proudu zátˇeˇz´ı docház´ı v okamˇziku, kdy má harmonick´ y pr˚ ubˇeh napájec´ıho napˇet´ı pˇresnˇe definovanou fázi.

Obr. 2.23: Fázové ˇr´ızen´ı

39

Na Obr. 2.23 je jedna perioda napˇet´ı na zátˇeˇzi u2 v pˇr´ıpadˇe fázového ˇr´ızen´ı s u ´hlem sepnut´ı α. Zmˇenou u ´hlu sepnut´ı je moˇzné regulovat efektivn´ı hodnotu regulovaného napˇet´ı. Jako sp´ınac´ı prvek se v tomto zapojen´ı vyuˇz´ıvá pˇredevˇs´ım triak pro niˇzˇs´ı v´ ykony do nˇekolika kW nebo tyristor pro v´ ykony od nˇekolika kW aˇz po stovky kW. Hlavn´ı v´ yhodou tˇechto sp´ınac´ıch prvk˚ u je jejich pˇrechod do blokuj´ıc´ıho stavu pˇri komutaci proudu. Protékaj´ıc´ı proud je tedy rozepnut ve chv´ıli, kdy má nulovou hodnotu a na indukˇcnosti zátˇeˇze se tak nevytvoˇr´ı napˇet´ı s opaˇcnou polaritou, které by namáhalo sp´ınac´ı souˇcástku.

2.6.4

Stˇ r´ıdav´ e propuˇ stˇ en´ı a zadrˇ zov´ an´ı p˚ ulvln proudu

Pˇri tomto systému ˇr´ızen´ı pˇr´ıkonu topn´ ych element˚ u je proud zátˇeˇz´ı sepnut v okamˇziku pr˚ uchodu napájec´ıho napˇet´ı nulovou hodnotou a rozepnut v okamˇziku, kdy má proud protékaj´ıc´ı zátˇeˇz´ı nulovou hodnotu. Sp´ınac´ı prvek tak propouˇst´ı ˇci zadrˇzuje urˇcit´ y poˇcet cel´ ych p˚ ulvln napájec´ıho proudu.

Obr. 2.24: Stˇr´ıdavé propouˇstˇen´ı p˚ ulvln napájec´ıho proudu Na Obr. 2.24 jsou znázornˇeny tˇri periody napˇet´ı na zátˇeˇzi. V naznaˇceném pˇr´ıpadˇe jsou na zátˇeˇz propuˇstˇeny dvˇe vlny napˇet´ı, jedna vlna je vynechána. Tento systém ˇr´ızen´ı v´ ykonu je moˇzné pouˇz´ıt pouze k ˇr´ızen´ı zátˇeˇz´ı, u nichˇz je relativnˇe n´ızká rychlost odezvy na zmˇenu napájec´ıho proudu, tedy napˇr. k ˇr´ızen´ı pouˇzit´ ych topn´ ych tyˇc´ı.

2.6.5

Volba ˇ reˇ sen´ı

V pˇr´ıpadˇe pouˇzit´ı induktivn´ı zátˇeˇze se metoda sine dimming jev´ı jako nevhodná pˇredevˇs´ım kv˚ uli nesnadnému ˇreˇsen´ı pˇrechodov´ ych dˇej˚ u v obvodu a s t´ım spojen´ ymi ztrátami pˇri sp´ınán´ı proudu zátˇeˇz´ı. V´ ysledn´ y obvod je pak vˇetˇs´ı, draˇzˇs´ı a má vyˇsˇs´ı

40

tepelné ztráty. Pro ˇr´ızen´ı v´ ykonu topn´ ych tyˇc´ı jsem tedy zvolil metodu propuˇstˇen´ı ˇca´sti nebo cel´ ych p˚ ulvln napájec´ıho proudu. Obˇe tyto metody je moˇzné realizovat stejn´ ym obvodov´ ym zapojen´ım optotriaku a triaku. Vpˇr´ıpadˇe propouˇstˇen´ı cel´ ych p˚ ulvln napájec´ıho proudu lze s v´ yhodou vyuˇz´ıt optotriak s tzv. sp´ınán´ım v nule. Tato souˇcástka má jiˇz integrován detektor, kter´ y v pˇr´ıpadˇe poˇzadavku na sepnut´ı zajist´ı toto sepnut´ı aˇz v okamˇziku, kdy je hodnota napájec´ıho napˇet´ı nulová. V pˇr´ıpadˇe vyuˇzit´ı fázového ˇr´ızen´ı je nutné pouˇz´ıt optotriak bez tohoto detektoru, tedy souˇcástku, která je schopná sepnout proud zátˇeˇz´ı v r˚ uzném okamˇziku po pr˚ uchodu napájec´ıho napˇet´ı nulovou hodnotou.

Obr. 2.25: Jeden kanál v´ ykonové ˇcásti ˇr´ıd´ıc´ı jednotky Na Obr.2.25 je zapojen´ı jednoho ze tˇr´ı v´ ykonov´ ych kanál˚ u jednotky. Kanál je ˇr´ızen v´ yvodem z procesoru, kter´ y pomoc´ı tranzistoru V13 ovládá optotriak U1 MOC3020. Jedná se o optotriak, kter´ y sp´ıná záteˇz v nule napˇet´ı. Je zapojen podle katalogového listu [16] a [19]. Pˇresné hodnoty prvk˚ u R18, C7 a L6 jsem zkusmo zvolil podle velikosti pˇrechodov´ ych jev˚ u ve v´ ysledném obvodu. Vzhledem k zm´ınˇenému sp´ınán´ı v nule nen´ı ˇreˇsen´ı tˇechto pˇrechodov´ ych jev˚ u tak sloˇzité, jako pˇri sp´ınán´ı v obecném okamˇziku pr˚ ubˇehu napájec´ıho napˇet´ı (fázové ˇr´ızen´ı).

2.7

Mechanick´ e proveden´ı ˇ r´ıd´ıc´ı jednotky

Jednotka je tvoˇrena dvˇema deskami ploˇsn´ ych spoj˚ u, jejichˇz nákresy jsou v pˇr´ılohách A aˇz D. Sestaven´ y komplet (viz Obr.2.26 a br.2.27) Jednotka je um´ıstˇena ve standardizované instalaˇcn´ı krabici s kryt´ım IP55, která je tedy sama o sobˇe dostateˇcnˇe odolná pˇredevˇs´ım proti prachu. Bylo nutné vyˇr´ıznout otvor pro viditelnou ˇca´st LCD displeje a dotykovou plochu. Jednotka je k peci pˇripevnˇena pomoc´ı dvou spojovac´ıch m˚ ustk˚ u, které zároveˇ n slouˇz´ı pro veden´ı nutné kabeláˇze.

41

Obr. 2.26: Komplet desek ploˇsn´ ych spoj˚ u

Obr. 2.27: Komplet desek ploˇsn´ ych spoj˚ u

42

Mechanické proveden´ı celé pece je co se t´ yká pˇrestupu tepla do okol´ı velmi dobré. Dodateˇcnou montáˇz´ı odraziv´ ych panel˚ u na povrch pece bylo dosaˇzeno oteplen´ı po◦ vrchu pece o zhruba 30 C nad teplotu okol´ı pˇri ˇctyˇrhodinovém provozu pece na maximáln´ı teplotˇe 250 ◦ C. Povrchová teplota drˇzáku jednotky v m´ıstˇe styku s jednotkou pak byla pouze o cca 20 ◦ C vyˇsˇs´ı neˇz teplota okol´ı. Vˇetˇsina kabeláˇze je um´ıstˇena mezi odraziv´ ymi plochami a keramick´ ym obkladem pece. Kabeláˇz je vedena v buˇz´ırkách ˇ sen´ı pece jako skeletu z ocelov´ ze skelného vlákna s teplotn´ı odolnost´ı 1200 ◦ C. Reˇ ych profil˚ u se vˇsak ukázalo jako ˇspatné ˇreˇsen´ı. Bˇehem provozu (pˇredevˇs´ım pˇri teplotách nad 200 ◦ C se konstrukce v nˇekter´ ych m´ıstech prohnula a objevily se i praskliny keramického obloˇzen´ı pece. Nejv´ıce se ohnut´ı profil˚ u projevilo na dvˇeˇr´ıch pece p˚ uvodnˇe pouˇzit´ y profil z magnetické gumy, kter´ y udrˇzoval dvˇeˇre zavˇrené, pˇrestal plnit svoji funkci a pˇri mˇeˇren´ı musela b´ yt pec uzav´ırána mechanickou truhláˇrskou svorkou. Nav´ıc obloˇzen´ı dvˇeˇr´ı pece z ˇza´ruvzdorné pˇeny (pouˇzita kv˚ uli hmotnosti) se pˇri proh´ ybán´ı mechanicky drolilo. Mˇeˇren´ı uvnitˇr pece t´ım nebylo ovlivnˇeno, ale pec ve stávaj´ıc´ı podobˇe nen´ı pouˇzitelná ke svému u ´ˇcelu. Proto je v souˇcasnosti vyv´ıjena nová konstrukce vypalovac´ı pece.

43

3 3.1

PROGRAM Jazyk, v´ yvojov´ e prostˇ red´ı

Mikrokontrolér vykonává obsluˇzn´ y program, kter´ y je napsan´ y v jazyce C ve v´ yvojovém prostˇred´ı Atmel Studio 6.0. Toto v´ yvojové prostˇred´ı obsahuje vˇse potˇrebné pro v´ yvoj aplikac´ı s procesory Atmel AVR - editor, compiler, linker, debuger a prostˇred´ı pro fyzické nahrán´ı programu do pamˇeti mikrokontroléru.

3.2

Obsluha LCD displeje

Knihovny pro obsluhu LCD displeje jsem s m´ırn´ ymi u ´pravami pˇrevzal z [20]. Dále jsem vyuˇzil nadstavbu tˇechto knihoven, uvedenou na [21]. Tyto knihovny jsou organizovány do vrstev - od fyzické, která definuje ovládac´ı signály pˇres vrstvu LCD displeje, která zprostˇredkuje pˇr´ım´ y pˇr´ıstup do adresn´ıho prostoru LCD displeje aˇz po vrstvu grafickou, která umoˇzn ˇuje vykreslovat na displeji r˚ uzné grafické obrazce. Z [21] jsem vyuˇzil knihovnu zajiˇst’uj´ıc´ı vykreslován´ı specifick´ ych ovládac´ıch prvk˚ u (tlaˇc´ıtko, progress bar). Jedinou u ´pravou tˇechto knihoven byla odliˇsná inicializace displeje s vyˇsˇs´ım rozliˇsen´ım 240 x 128. Dále jsem knihovny doplnil o vykreslován´ı kombinovan´ ych kontroln´ıch prvk˚ u (napˇr. klávesnice).

3.3

Obsluha sbˇ ernice I2C

Sbˇernice I2 C propojuje jedno zaˇr´ızen´ı typu Master s jedn´ım nebo nˇekolika zaˇr´ızen´ımi typu Slave. Sbˇernice umoˇzn ˇuje propojen´ı obvod˚ u pomoc´ı dvou vodiˇc˚ u - SDA - datov´ y vodiˇc - a SCL - hodinov´ y signál. Hodinov´ y signál generuje vˇzdy zaˇr´ızen´ı Master, data m˚ uˇze vys´ılat jak Master, tak Slave, ale Slave vˇzdy pouze na vyˇza´dán´ı Mastera. Struktura provozu na sbˇernici je na Obr. 3.1.

Obr. 3.1: Provoz na sbˇernici I2 C Master nejprve vygeneruje start stav, poté adresuje pˇr´ısluˇsn´ y Slave, se kter´ ym chce komunikovat a v pˇr´ıpadˇe, ˇze Slave rozpozná svoji adresu, potvrd´ı pˇripravenost

44

generován´ım signálu ACK. Dále následuje vˇetˇsinou pˇrenos dat a to r˚ uzn´ ym smˇerem, v závislosti na nastaven´ı bitu R/W v adresn´ım slovu. mikrokontrolér ATmega128 má tuto sbˇernici implementovánu na ˇcipu, jej´ı název je z d˚ uvodu licenˇcn´ıch podm´ınek TWI - Two-Wire Serial Interface. Pro ovládán´ı této periferie slouˇz´ı speciáln´ı registry: • TWBR (TWO WIRE BAUD RATE) - slouˇz´ı pro nastaven´ı pˇrenosové rychlosti • TWCR (TWO WIRE CONTROL REGISTER) - ˇr´ıd´ıc´ı registr sbˇernice TWI • TWSR (TWO WIRE STATUS REGISTER) - stavov´ y registr TWI • TWAR (TWO WIRE ADRESS REGISTER) - adresa mikrokontroléru, pokud by byl provozován jako Slave • TWDR - datov´ y registr sbˇernice TWI Knihovna twi-lib.c ovládaj´ıc´ı sbˇernici I2 C je volnˇe dostupná na [23]. Pro komunikaci s jednotliv´ ymi obvody Slave je nutné nadefinovat pouze jejich I2 C adresy.

3.4

Obsluha dotykov´ eho panelu

Informace o stisku dotykového panelu je zpracována obvodem N6. Je to vlastnˇe 12 bitov´ y AD pˇrevodn´ık, kter´ y v´ ysledek pˇrevodu vyˇsle po sbˇernici I2 C. Adresn´ı byte obvodu na sbˇernici je

Obr. 3.2: Adresa obvodu TSC2003 na I2 C Bity A1 a A0 jsou uˇzivatelsky definované hardwarov´ ym zapojen´ım. Obvod je moˇzné konfigurovat pro práci s pln´ ym rozliˇsen´ım 12 bit˚ u, nebo pro niˇzˇs´ı rozliˇsen´ı 8 bit˚ u. Vzhledem k tomu, ˇze ˇs´ıˇrka displeje (tedy jeho vˇetˇs´ı rozmˇer) je 24 bod˚ u, je 8bitové rozliˇsen´ı (256 hodnot) plnˇe postaˇcuj´ıc´ı. Obvod je moˇzné konfigurovat ˇr´ıd´ıc´ım slovem Command Byte“: ”

ˇ ıd´ıc´ı slovo obvodu TSC2003 Obr. 3.3: R´

45

kde bity C3 aˇz C0 definuj´ı, kter´ y ze vstup˚ u intern´ıho multiplexeru obvodu bude pˇriveden na AD pˇrevodn´ık. Pro mˇeˇren´ı napˇet´ı odpov´ıdaj´ıc´ı poloze stisku je hodnota bit˚ u C3 aˇz C0 1100 pro osu X a 1101 pro osu Y. Bity PD1 a PD0 definuj´ı, zda je pro mˇeˇren´ı pouˇzit intern´ı nebo extern´ı zdroj referenˇcn´ıho napˇet´ı a zda je pˇri stisku generován signál pˇreruˇsen´ı PENIRQ. V programu jsou nastaveny bity PD1 a PD0 na hodnotu 10, tzn. pouˇzit´ı intern´ıho referenˇcn´ıho napˇet´ı a generován´ı pˇreruˇsen´ı. Bit M urˇcuje, zda bude obvod pracovat ve 12bitovém reˇzimu (M = 0), nebo 8bitovém reˇzimu (M = 1).

3.5

Obsluha mˇ eˇ r´ıc´ıho pˇ revodn´ıku

Mˇeˇr´ıc´ı pˇrevodn´ık MAX31855 komunikuje s mikrokontrolérem pomoc´ı sbˇernice SPI. Tato sbˇernice je tˇr´ıvodiˇcová a zjednoduˇsen´ y ˇcasov´ y diagram pˇrenosu dat je na Obr. 3.4. Bity D18 aˇz D31 vyjadˇruj´ı pˇr´ımo mˇeˇrenou teplotu vynásobenou ˇctyˇrmi (rozliˇsen´ı obvodu je 0,25 ◦ C). Dalˇs´ı vyuˇz´ıvané bity jsou D0 aˇz D2. Tyto bity jsou nastaveny na hodnotu 1 pokud nen´ı pˇripojen´ı termoˇclánku v poˇra´dku (zkrat, rozpojen´ı)

Obr. 3.4: Pr˚ ubˇeh signálu na sbˇernici SPI

3.6

PSD regul´ ator

Vyuˇzil jsem pˇr´ımo knihovny pid.h a pid.c, které distribuuje v´ yrobce mikrokontroléru - firma Atmel. Jejich pouˇzit´ı je snadné, staˇc´ı zadat pouze tˇri konstanty a posledn´ı mˇeˇrené hodnoty a algoritmus vypoˇcte velikost akˇcn´ı veliˇciny moˇzn´ y rozsah 0 - 1. To odpov´ıdá v pˇr´ıpadˇe ˇr´ıd´ıc´ı jednotky nulovému a plnému v´ ykonu topn´ ych tyˇc´ı. Mˇeˇren´ı bylo zahájeno s ˇr´ızen´ım v´ ykonu pomoc´ı metody fázového ˇr´ızen´ı. Je moˇzné pˇresnˇe nastavit poˇzadovan´ y v´ ykon, ovˇsem za cenu vyˇsˇs´ıho ruˇsen´ı do s´ıtˇe. Postupnˇe

46

byl systém ˇr´ızen´ı zjednoduˇsován na maximáln´ı moˇznou u ´roveˇ n. Tepelná setrvaˇcnost pece je tak velká (samotná pec váˇz´ı cca 80 kg a vloˇzené transformátory mohou m´ıta aˇz 120 kg), ˇze k dosaˇzen´ı kol´ısán´ı teploty o maximálnˇe dva stupnˇe je moˇzné vypustit fázové ˇr´ızen´ı a pˇripojovat jen jednotlivé tyˇce s pln´ ym v´ ykonem. V´ ykon je tedy moˇzné regulovat v kroc´ıch o velikost´ı 33%. To velmi v´ yraznˇe zjednoduˇsuje ˇr´ızen´ı pece.

47

4

´ ER ˇ ZAV

C´ılem této bakaláˇrské práce bylo navrhnout koncepci, schéma zapojen´ı a mechanickou konstrukci ˇr´ıd´ıc´ı jednotky vypalovac´ı pece pro v´ yrobu transformátor˚ u, realizovat ji a ovˇeˇrit jej´ı vlastnosti. Tato pec bude slouˇzit pˇri v´ yvoji prototyp˚ u a v´ yrobˇe mal´ ych séri´ı vinut´ ych d´ıl˚ u pro svaˇrovac´ı techniku. Návrh schématu jednotky postihuje vˇsechny poˇzadované parametry zadán´ı. Jednotku je moˇzné napájet ze specifikovaného s´ıt’ového pˇr´ıvodu. Jednotka obsahuje obvody, které umoˇzn ˇuj´ı mˇeˇren´ı teploty uvnitˇr vypalovac´ı pece bˇeˇznˇe dostupn´ ym termoˇclánkem typu K a pˇredevˇs´ım jej´ı automatickou regulaci bez zásahu obsluhy. Teplotu uvnitˇr pece a ostatn´ı d˚ uleˇzité informace o v´ yrobn´ım procesu je moˇzné zobrazit na grafickém podsv´ıceném LCD displeji. Jednotku je moˇzné ovládat ruˇcnˇe pomoc´ı dotykového panelu. Jednotka umoˇzn ˇuje komunikaci se zaˇr´ızen´ım, pˇripojen´ ym pomoc´ı USB sbˇernice (napˇr. PC). Pomoc´ı tohoto zaˇr´ızen´ı je moˇzné do jednotky pˇrenáˇset informace o poˇzadovan´ ych teplotn´ıch profilech procesu a pˇrenos mˇeˇren´ ych hodnot teploty uvnitˇr pece zpˇet do pˇripojeného zaˇr´ızen´ı k pozdˇejˇs´ımu vyhodnocen´ı. Pozornost pˇri návrhu obvodov´ ych zapojen´ı jednotliv´ ych ˇcást´ı jednotky byla kladena pˇredevˇs´ım na budouc´ı moˇznost pouˇzit´ı doplˇ nkového ˇreˇsen´ı pˇri filtraci analogového signálu z termoˇclánku. Na vstup mˇeˇr´ıc´ıho pˇrevodn´ıku je tak v pˇr´ıpadˇe potˇreby moˇzné pˇripojit doplˇ nkov´ y LC filtr. Napájen´ı vˇsech integrovan´ ych obvod˚ u je blokováno lokálnˇe um´ıstˇen´ ymi keramick´ ymi kondenzátory. U souˇcástek citliv´ ych na kvalitu napájec´ıho napˇet´ı (napˇr. mikrokontrolér) je tato blokovac´ı kapacita sloˇzena z nˇekolika kondenzátor˚ u odstupˇ novan´ ych podle hodnoty jejich kapacity. Vzhledem k mechanickému poˇskozen´ı pece nebylo moˇzné provést vˇsechna mˇeˇren´ı, v´ ysledky vˇsak ukazuj´ı, ˇze ˇr´ızen´ı vnitˇrn´ı teploty podobnˇe velk´ ych systému nen´ı pˇr´ıliˇs kritické. K ˇr´ızen´ı v´ ykonu postaˇcuje pouhé pˇrip´ınán´ı jednotliv´ ych topn´ ych tyˇc´ı, tedy zmˇena pouˇzitého v´ ykonu o 33%. I s takto hrubou zmˇenou je moˇzné dosáhnout dostaˇcuj´ıc´ı pˇresnosti +-2 ◦ C.

48

LITERATURA [1] VISHAY High-Voltage Surface Mount Schottky Rectifier [online]. 2006, [cit. 6. 2. 2013]. Dostupné z URL: . [2] NIPPON CHEMI-CON Miniature Aluminium Electrolytic Capacitors - KZE Series [online]. 2010, [cit. 6. 2. 2013]. Dostupné z URL: . [3] TEXAS INSTRUMENTS LM2595 SIMPLE SWITCHERTM Power Converter 150 kHz 1A Step-Down Voltage Regulator [online]. 2004, [cit. 28. 11. 2012]. Dostupné z URL: . [4] NIPPON CHEMI-CON Miniature Aluminium Electrolytic Capacitors - KZE Series [online]. 2010, [cit. 28. 11. 2012]. Dostupné z URL: . [5] ANALOG DEVICES 150 mA, Low Quiescent Current, CMOS Linear Regulator [online]. 2011, [cit. 6. 2. 2013]. Dostupné z URL: . [6] ATMEL CORPORATION ATmega128 - 8-bit Atmel Microcontroller with 128KBytes In-System Programmable Flash [online]. 2011, [cit. 30. 11. 2012]. Dostupné z URL: . [7] MAXIM INTEGRATED MAX803/MAX809/MAX810 - 3-Pin Microprocessor Reset Circuits [online]. 2010, [cit. 30. 11. 2012]. Dostupné z URL: . [8] ATMEL CORPORATION Application note AVR180: External Brownout Protection [online]. 2002, [cit. 30. 11. 2012]. Dostupné z URL: . [9] MAXIM INTEGRATED DS1307 - 64 x 8, Serial, I2 C RealTime Clock [online]. 2010, [cit. 30. 11. 2012]. Dostupné z URL: . [10] FTDI Future Technology Devices International Ltd. FT232R USB UART IC [online]. 2012, [cit. 30. 11. 2012]. Dostupné z URL: . [11] DIODES INCORPORATED AP8801 - 500mA LED Step-down Converter [online]. 2012, [cit. 7. 3. 2013]. Dostupné z URL: . 49

[12] MAXIM INTEGRATED MAX31855 - Cold-Junction Compensated Thermocouple-to-Digital Converter [online]. 2012, [cit. 1. 12. 2012]. Dostupné z URL: . [13] MAXIM INTEGRATED MAX31855 Evaluation Kit [online]. 2011, [cit. 1. 12. 2012]. Dostupné z URL: . ´ [14] OMEGA ENGINEERING Uvod do termoˇcl´ ank˚ u [online]. [cit. 30. 11. 2012]. Dostupné z URL: . [15] NXP PESDxL2BT Product data sheet [online]. [cit. 3. 2. 2013]. Dostupné z URL: . [16] FAIRCHILD SEMICONDUCTOR MOC3020M - 6-pin DIP Random-phase Optoisolators Triac Driver Output [online]. 2005, [cit. 1. 12. 2012]. Dostupné z URL: . [17] TEXAS INSTRUMENTS I2C Touch Screen Controller [online]. 2005, [cit. 15. 4. 2013]. Dostupné z URL: . [18] TEXAS INSTRUMENTS Using resistive touch screens for human/machine interface [online]. 2005, [cit. 15. 4. 2013]. Dostupné z URL: . [19] NXP BTA140 series Triacs [online]. 2003, [cit. 1. 12. 2012]. Dostupné z URL: . [20] SKOPAL, M. Knihovna grafických prvk˚ u pro mikrokontrolery Atmel AVR a grafické displeje. Brno: Vysoké uˇcen´ı technické v Brnˇe, Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı, 2008. 47 s. Vedouc´ı bakaláˇrské práce Ing. Zbynˇek Fedra, Ph.D. Dostupné z URL: . [21] DRBOHLAV, L., FRACER, P. Doplnˇen´ı knihovny pro grafický displej [online]. 2011, [cit. 3. 4. 2013]. Dostupné z URL: . [22] WIKIPEDIE: Otevˇrená encyklopedie I2C [online]. c2013, [cit. 4. 5. 2013]. Dostupné z URL: .

50

[23] FLEURY, P. I2C [online]. 2013, [cit. 2. 4. 2013]. Dostupné z URL: . [24] ATMEL AVR221: Discrete PID controller [online]. 2006, [cit. 9. 4. 2013]. Dostupné z URL: . http://www.atmel.com/Images/doc2558.pdf

51

ˇ ÍLOH SEZNAM PR A Sch´ ema zapojen´ı jednotky

53

B Rozpisky souˇ c´ astek

57

C Osazovac´ı v´ ykresy

60

D Motivy DPS

62

E Podoba vypalovac´ı pece

66

52

A

´ SCHEMA ZAPOJENÍ JEDNOTKY

53

54

55

56

B

ˇ ASTEK ´ ROZPISKY SOUC

Reference

Hodnota

Popis

Pouzdro

G1 D15 D16 D14 D10, D11, D12, D13 C6, C8, C48 C4, C44 D6 N5 N8 D2 D7 D1 N1 N3 N2 D3 C2, C7, C9, C11, C12, C13, C14, C16, C18, C23, C24, C33, C34, C37, C61 C15, C27 C45, C49 C20, C21 C31, C32, C46 C50 C5 C22 C1, C3, C10, C17 X7

CR2032H B140 BAT54S SK36A SS2H9

Baterie Dioda SMD Dioda SMD Dioda SMD Dioda SMD

CR2032H DO214AC SOT23 DO214AC SMB

1 1 1 1 4

220u/16V 2m2/35V 24LC128-I/SN ADP121-AUJZ33R7 AP8801 ATMega128-AU DS1307Z+ FT232RL LM2595S-ADJ MAX31855KASA+ MAX809LTRG TSC2003IPWR 100n

Elektrolyt. kond. Elektrolyt. kond. Integrovan´ y obvod Integrovan´ y obvod Integrovan´ y obvod Integrovan´ y obvod Integrovan´ y obvod Integrovan´ y obvod Integrovan´ y obvod Integrovan´ y obvod Integrovan´ y obvod Integrovan´ y obvod Kondenzátor SMD

E2.5-6.3 E7.5-16 SO-08 SOT25 SO08 TQFP64 SO08 SSOP28 TO263-5 SO08 SOT23 TSSOP16 0805

3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15

10n 10u 18p 1u 2u2 3n9 47n 4u7/10V

Kondenzátor Kondenzátor Kondenzátor Kondenzátor Kondenzátor Kondenzátor Kondenzátor Kondenzátor

0805 1206 0805 0805 1206 0805 0805 SMC A

2 2 2 3 1 1 1 4

52207-0485

Konektor

52207-0485

1

SMD SMD SMD SMD SMD SMD SMD SMD

Tab. B.1: Rozpiska souˇcástek DPS RJ-2.0

57

Ks

Reference

Hodnota

Popis

Pouzdro

X5 X1, X2, X11 X3, X8 X10, X12 X4 X6, X9 B1 B2 H5

MLW10G MiniFIT 2 S1G03 S1G04 S2G06 S1G06 11,0592 MHz 32,768 kHz PG240128WRMATA-IY6 GREEN NC NC

Konektor Konektor Konektor Konektor Konektor Konektor Krystal CRYSTALTC26H LCD Displej

MLW10G MiniFIT 2 JP2 MA04-1 MA03-2 MA06-1 HC49/S TC26H PG240128WRM

1 3 2 2 1 2 1 1 1

LED SMD NC NC

0805 0805 2512

3 2 6

NC NC PESD15VL2BT 100k 10R 10k

NC NC Pˇrepˇet’ová ochrana Rezistor SMD Rezistor SMD Rezistor SMD

0805 0805 SOT-23 0805 0805 0805

1R8 1k 220R 270R 3k 3k3 4k7 150uH 10uH 47uH BLM18PG471SN1D BSS138 20k

Rezistor SMD Rezistor SMD Rezistor SMD Rezistor SMD Rezistor SMD Rezistor SMD Rezistor SMD Tlumivka SMD Tlumivka SMD Tlumivka SMD Tlumivka SMD Tranzistor SMD Trimr

0805 0805 0805 0805 0805 0805 0805 MSS1038 0805 MSS1038 0603 SOT23 CA6V

H1, H3, H4 C25, C26 R2, R4, R13, R14, R72, R73 R3 C47 V8 R20 R7 R8, R9, R15, R17, R27, R28, R29, R30, R31, R32 R25 R6, R40 R1 R18, R19 R51 R65 R16 L1 L2 L5 L7, L8 V1, V2, V3 R5

Tab. B.2: Rozpiska souˇcástek DPS RJ-2.0 - pokraˇcován´ı 58

Ks

1 1 1 1 1 10

1 2 1 2 1 1 1 1 1 1 2 3 1

Reference

Hodnota

Popis

Pouzdro

Ks

D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7 C1 C3, C6, C7 C5 C4 C2 X1, X2, X5, X6, X7, X9, X11 X10 X4 X12 X3, X8 U4 U1, U2, U3 F1, F2, F3 R14, R18, R33 R4, R16, R19 R6, R7, R8 R13, R17, R21 R1, R10, R11, R12 R2, R3, R5, R9 U5, U6, U7, U8 L3, L4, L6 V1, V2, V3, V4, V11, V12, V13 V8 V5, V6, V7

1N4148

Dioda SMD

SOD80C

7

NC 100n/630V 0805 1206 22u/10V FS1536

Kondenzátor Kondenzátor Kondenzátor Kondenzátor Kondenzátor Konektor

MSTBV3 MSTBV4 MA04-1 MA06-1 NC MOC3062M 10A 100R/2W 0207/XX0207/10 270R 330R 0805

Konektor Konektor Konektor Konektor Optoˇclen Optotriak Pojistka Rezistor Rezistor Rezistor Rezistor Rezistor

MSTBV3 MSTBV4 MA04-1 MA06-1 DIL04 DIL06 SHH1A 0414 0207 0805 0207 0805

1 1 1 2 1 3 3 3 3 3 3 4

0805 S102T02 64uH/5A BCR512

Rezistor SMD SSR Tlumivka Tranzistor

0805 S102T0X SF-T12-40-PF SOT23

4 4 3 7

NC BTA140-800

Tranzistor Triak

SOT23 TO220CL

1 3

C150-072X183 fól. C150-072X183 SMD 0805 SMD 1206 SMD SMC B FASTON 6.3

Tab. B.3: Rozpiska souˇcástek DPS TR-1.0

59

1 3 1 1 1 7

C

´ OSAZOVACÍ VYKRESY

Obr. C.1: Osazovac´ı v´ ykres ploˇsného spoje RJ-2.0

60

Obr. C.2: Osazovac´ı v´ ykres ploˇsného spoje TR-1.0

61

D

MOTIVY DPS

Obr. D.1: Motiv ploˇsného spoje RJ-2.0 - strana top

62

63 RJ-2.0 - strana bottom Obr. D.2: Motiv ploˇsného spoje

Obr. D.3: Motiv ploˇsného spoje TR-1.0 - strana top

64

Obr. D.4: Motiv ploˇsného spoje TR-1.0 - strana bottom

65

E

PODOBA VYPALOVACÍ PECE

Obr. E.1: Vypalovac´ı pec

Obr. E.2: Vypalovac´ı pec

66

ˇ ıd´ıc´ı jednotka Obr. E.3: R´

Obr. E.4: Obsah displeje

67

Obr. E.5: Obsah displeje

68

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Recommend Documents