Устройство контроля и поддержания температуры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

 

Работа посвящена  разработке программно-аппаратного  комплекса, предназначенного для обеспечения  и поддержания заданной температуры  узлов блока путем регулирования  скорости вращения вентиляторов, а  также для мониторинга температуры контролируемых узлов. Осуществлен поиск схемотехнического решения, разработана программа для микроконтроллера. На языке С++ разработано прикладное приложение, позволяющее пользователю получать данные о текущей температуры охлаждаемых узлов, а также задавать поддерживаемую температуру. Выполнен расчет мощности и надежности разработанного комплекса.

 

Abstract

This work is dedicated to the development of hardware and software designed to provide the desired temperature units by adjusting the fan speed, as well as for monitoring the temperature-controlled units. Carried out searches of circuit solutions, has developed a program for the microcontroller. In C + + application developed application that allows users to receive data on the current temperature of refrigerated units, and also keeps the temperature set. The calculation of power and reliability of the developed complex.

 

Содержание

 

 

 

 

Введение

 

При производстве современных  уличных киосков-терминалов, используются обычные компьютерные комплектующие  предназначенные для стационарных офисных компьютеров, рассчитанных для эксплуатации при комнатной  температуре. Данный фактор приводит к неэффективности установленной штатной системе охлаждения, следовательно, быстрому выходу из строя оборудования и термина в целом. 

Высокое быстродействие современных комплектующих привело к увеличению потребляемой мощности, которая рассеивается в виде тепла. Основные источники тепла — центральный процессор, графический процессор — требуют собственных систем охлаждения. Современные комплектующие оборудуются собственными вентиляторами: как минимум один в блоке питания, один охлаждает процессор, видеокарта также комплектуется своим вентилятором, встречаются даже материнские платы с активным охлаждением микросхем чипсета. Некоторые современные жёсткие диски также разогреваются до заметных температур и требуют охдаждения.

Большинство терминалов оборудуется охлаждением по принципу минимизации стоимости: устанавливается один-два шумных корпусных вентилятора, процессор оборудуется штатной системой охлаждения. Такой подход имеет право на жизнь, но если не соблюдаются правила эксплуатации (комнатная температура) то техника может быстро выйти из строя.

Существует другие сложные технические решения: системы на базе элементов Пельтье, жидкостное охлаждение (обычно водяное, реже: маслянное или фреоновое), специальный алюминиевый корпус, который рассеивает тепло по всей своей поверхности (по сути, работает как радиатор). Для терминалов такие специализированные системы чересчур дороги. Системы жидкостного охлаждения позволяют эффективно отводить тепло от теплосъёмников, но также требуют больших радиаторов для рассеивания этого тепла.

Настоящая работа посвящена разработке устройства, которое  позволяет поддерживать заданную температуру  узлов электронного устройства, что приводит к увеличению ресурса работы устройства и вентиляторов.

Наличие девяти температурных датчиков позволяет использовать устройство при разработке новых терминалов со  штатной системы охлаждения, для сбора большого количества данных о температуре внутри блока, которые сохраняются в памяти компьютера и подлежат дальнейшему анализу.

Возможна работа блока в режиме получения информации о температуре (без вентиляторов), работает только от USB, не требует дополнительного питания.

 

1.ОБЩЕТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ  РАЗРАБОТКИ.

 

1.Наименование  и область применения.

1.1 Наименование работы «Устройство контроля и поддержания температуры (в дальнейшем именуемого Устройство)», предназначенного для обеспечения заданной температуры электронных устройств путем регулирования скорости вращения вентиляторов, а также для мониторинга температуры контролируемых узлов.

 

2.Основание  разработки.

2.1 Настоящее  техническое задание.

3.Цель  и назначение разработки.

3.1 Целью разработки является  создание устройства для обеспечения  и поддержания заданной температуры  узлов электронного устройства путем регулирования скорости вращения вентиляторов, а также для мониторинга температуры контролируемых узлов.

 

4.Технические  требования.

4.1 Требования по составу изделия

4.1.1 Изделие должно состоять из:

-   Блока контроля и поддержания температуры;

- Программного обеспечения (ПО): Программы работы контроллера АТ89С5131 и программы, устанавливаемой на персональный компьютер, предназначенной для установки поддерживаемых температур, а также их мониторинга;

 

 

4.1.2 В состав устройства должны  входить:

- микроконтроллер AT89C5131A;

-9 датчиков температуры DS18B20;

- генератор тактовых импульсов;

-3 вентилятора типа DC 4-pin с PWM управлением;

- разъем для подключения к  шине USB;

- кабель подключения адаптера  к компьютеру USB type B – USB type A.

 

4.1.3 Технические характеристики устройства

 

- Скорость обмена по USB в режиме Low-speed — 1,5 Мбит/с;

- Напряжение питания —по шине  USB, 5 В ±5%;

- Диапазон измеряемой температуры  — от -10°C до 85°C;

- Разрешающая способность измерения  температуры — 0,5°C;

- Диапазон поддерживаемой температуры — от 20°C до 50°C;

- Максимальный ток потребления  Блока в режиме измерения температуры  (без вентиляторов) — 60 мA;

- Максимальный ток потребления  Блока в режиме измерения и  поддержания температуры (с вентиляторами) — 180 мA;

- Максимальная потребляемая мощность – 20 Вт.

 

 

 

 

4.2. Требования по назначению 

 

4.2.1 Изделие предназначено для  сбора информации с температурных  датчиков и изменения скорости  вращения вентилятора в заданном  диапазоне в соответствии с  поддерживаемыми температурами,  а также передачи собранной информации на пользовательскую ЭВМ.

 

4.2.1.1 Устройство должно поддерживать  двусторонний способ организации  передачи данных при длине  кабельной линии связи не более  5 м в соответствии со стандартом USB.

 

4.2.2 Изменение значения поддерживаемой температуры и отображение собранной информации должно выполняться при наличии управляющих сигналов со стороны пользовательской программы, функционирующей под управлением операционной системы Windows XP и имеющей следующие команды:

- увеличить поддерживаемую температуру на 0.5°C;

- уменьшить поддерживаемую температуру  на 0.5°C;

- получить текущее значение  температуры.

 

4.2.3 Устройство предназначен для  функционирования под управлением  операционной системы Windows XP.

 

4.2.4 Электропитание устройства должно осуществляться по шине USB.

 

4.3 Требования по радиоэлектронной  защите

 

Не предъявляются.

 

4.4 Требования по живучести и  стойкости к внешним воздействиям

 

4.4.1 Требования стойкости к температурным  воздействиям:

Температурный диапазон – от -10°C до 85°C;

 

4.4.2 Требования по устойчивости  к воздействию соляного (морского) тумана, компонентов ракетного топлива,  песка, солнечного излучения,  факторов, не предъявляются. 

 

4.5 Требования по надежности

 

4.5.1 Средняя наработка на отказ  устройства должна быть не менее 30000 часов. Проверка наработки на отказ осуществляется расчетным путем.

 

4.5.2 Вероятность безотказной работы - 0,95.

 

4.5.3 Ресурс устройства должен  быть не менее 30000 час в течение  срока службы 5 лет.

 

4.6 Требования по эргономике  и технической эстетике

Не предъявляются.

 

4.7 Требования эксплуатации, хранению, удобству технического обслуживания  и ремонта.

 

4.7.1 Устройство должно обеспечивать  непрерывную работу в течении  20 часов ежедневно. Перерывы предусматриваются  для проведения регламентных работ не чаще 3 раз в год.

 

4.7.2 Вышедший из строя в процессе  эксплуатации блок должен заменяться  на исправный. 

 

4.7.3 Гарантийный срок хранения  устройства должен быть 1 год с  момента приемки.

 

4.7.4 Гарантийный срок эксплуатации  устройства – 2 года с момента ввода в эксплуатацию в составе системных изделий.

 

4.7.5 Гарантийный и послегарантийный  ремонт устройства должен производиться  изготовителем. Послегарантийный  ремонт производится по отдельному  договору.

 

4.7.6 Устройство не должно требовать  при эксплуатации работ по настройке и регулировке.

 

4.8 Требования по транспортабельности

 

Не предъявляются

 

4.9 Требования по безопасности  и экологической защите

 

4.9.1 При эксплуатации устройство должно обеспечивать безопасность обслуживающего персонала от поражения электрическим током.

 

4.10 Требования по стандартизации  и унификации

 

4.10.1 Доработка, изготовление и  испытания должны осуществляться  на основе действующей нормативно-технической  документации, государственных стандартов  ЕСКД, ЕСПД.

 

4.10.2 Доработка устройства должна проводиться с учетом руководящих указаний Заказчика по конструированию.

 

4.11 Требования по технологичности

 

4.11.1 Конструкция устройства должна  быть технологически пригодной  для мелкосерийного производства.

 

4.12 Конструктивные требования

 

4.12.1 Конструктивно устройство должен  быть выполнен в виде одноплатного  модуля размерами не более  140х100х35.

 

4.12.2 Габаритный и сборочный чертежи  печатной платы, а также размещение  компонентов должны быть согласованы  с заказчиком.

 

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

 

5.1 Лимитная цена определяется  договором.

 

6. ТРЕБОВАНИЯ ПО ВИДАМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ 

 

6.2 Требования к устройству по  математическому, программному и  информационному обеспечению

 

6.2.1 В состав ПО изделия должны  входить:

- тестовое ПО для работы в среде Windows XP;

- драйвер устройства для ОС  Windows XP;

- программа для контроллера  AT89C5131.

 

7. ТРЕБОВАНИЯ К СЫРЬЮ, МАТЕРИАЛАМ  И КОМПЛЕКТУЮЩИМ ИЗДЕЛИЯМ 

 

7.1 При проектировании изделия  могут использоваться ЭРЭ и  материалы иностранного производства.

 

8. ТРЕБОВАНИЯ К КОНСЕРВАЦИИ,  УПАКОВКЕ И МАРКИРОВКЕ

 

8.1 Устройство в тарной упаковке должно быть устойчиво к хранению в отапливаемых хранилищах в течение 5 лет.

 

8.2 Состав маркировки согласовывается  с заказчиком. Маркировка должна  быть устойчива к температурным воздействиям в течение всего срока службы изделия.

 

9. Требования по контролю и  приемки устройства.

9.1 Для приемки  представляется один опытный  образец устройства в составе  блока контроля и поддержания температуры, комплекта документов, комплекта программного обеспечения.

9.2 Конструкторская  документация должна быть разработана  в соответствии с требованиями  ГОСТов ЕСКД, согласована и утверждена  в установленном порядке.

9.3 По результатам  проведения приемных испытаний  (при необходимости) проводится корректировка конструкторской документации (в том числе эксплуатационной).

9.4 Отдельные  требования настоящего технического  задания могут изменяться и  дополняться по согласованию сторон в установленном порядке.

 

1.1 Анализ существующих схемных и конструкторских решений

 

В настоящей работе рассматривается  способ управления вентиляторами для  контроля и поддержания температуры.

Для решения этой задачи необходим управляющий блок, который  будет по измеренной температуре  изменять скорость вращения вентиляторов. Выбор основной микросхемы будет проводиться на основе обзора контроллеров архитектуры Intel 8051,  Atmel AVR и MAX66XX.

1.1.1 Устройство на базе контроллеров архитектуры Atmel AVR

 

AVR – 8-битные RISC-микроконтроллеры, построенные по модифицированной гарвардской архитектуре. Это первое семейство микроконтроллеров, в котором используется внутренняя Flash-память для хранения программ. Микроконтроллер отличается возможностью многократного программирования.

Для обработки  шестнадцатиразрядных чисел некоторые внутренние регистры могут объединяться попарно. Каждая такая пара может работать как один шестнадцатиразрядный регистр. Исключение составляет память программ, состоящая целиком из 16-разрядных ячеек.

Микроконтроллеры AVR изготавливаются по технологии КМОП, благодаря которой имеют высокое быстродействие и низкий ток потребления. Большинство команд выполняется за 1 такт. Поэтому при тактовой частоте 1МГц быстродействие контроллеров может достигать 1 миллиона операций в секунду.

Приведем технические  характеристики некоторых микропроцессоров AVR:

AT43320A – микроконтроллер на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 4 нисходящими портами, 512 байт ОЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный и SPI-интерфейсы. Функция имеет 3 конечные точки с буферами FIFO размером 8 байт. Для нисходящих портов хаба предусмотрено индивидуальное управление питанием;

AT43321 – контроллер клавиатуры на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, 512 бай ОЗУ, 16 Кбайт ПЗУ 32х8 регистров общего назначения, 20 программируемых выводов, последовательный и SPI-интерфейсы. Функция имеет 3 конечные точки. Для питания нисходящих портов предусмотрено индивидуальное управление питанием;

АТ43324 – микроконтроллер на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 2 внешними нисходящими портами, 512 бай ОЗУ, 16 Кбайт ПЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 34 программируемых вывода. Функция имеет 3 конечные точки. Для нисходящих портов хаба предусмотрено индивидуальное управление питанием.

1.1.2 Устройство на базе контроллеров архитектуры MAX66XX

 

MAX66XX –микроконтроллеры, предназначенные для контроля температуры. Для решения поставленной задачи наиболее подходит микроконтроллер MAX6661.

ИС MAX6661 – это  внешний температурный датчик и интеллектуальный контроллер вентилятора с замкнутой цепью управления скоростью вращения вентилятора. В качестве внешнего датчика чаще всего используется p-n-p транзистор, включенный с общим коллектором, например, встроенный в подложку микропроцессора, или транзистор в диодном включении, недорогой, легко монтируемый (2N3904 NPN типа или 2N3906 PNP типа).

Устройство  также содержит замкнутый контур управления скоростью вращения вентилятора  с обратной связью с его тахометром. ИС MAX6661 сравнивает температурные данные с пороговыми значениями и установками усиления, программируемыми пользователем по SPI - шине. Результатом сравнения является автоматическое управление скоростью вращения вентилятора, в зависимости от данных температурного датчика. Замкнутый контур управления может быть разорван в любое время для передачи управления вентилятором системе.

Скорость вращения вентилятора управляется напряжением, в отличие от управления с помощью  широтно – импульсной модуляции, что значительно снижает акустический шум и повышает надежность вентилятора. Встроенный источник питания управляет вентиляторами с током потребления до 250 мА. Данные температуры обновляются каждые 300 мс и в любое время доступны для чтения с помощью SPI интерфейса. Погрешность измерения температуры MAX6661 составляет 1°C (макс) в температурном диапазоне датчика от +60°C до +100°C. Данные организованы в виде слова 10-бит + знак с разрешающей способностью 0.125°C. ИС MAX6661 предназначена для работы в диапазоне температур от -40°C до +125°C и выпускается в 16-pin QSOP корпусе.

Недостатком применения данного контроллера является невозможность  расширять систему охлаждения, т.е. увеличить количество контролируемых узлов, что в значительной степени  снижает гибкость разрабатываемой  системы и увеличивает ее стоимость.

1.1.3 Устройство на базе контроллеров архитектуры Intel 8051

 

Микроконтроллеры Intel 8051 – семейство микроконтроллеров гарвардской архитектуры, разработанных фирмой Intel в 1980 году. Официальное название семейства процессоров этого типа MCS-51.

В таблице 1 приводится список 8-разрядных микроконтроллеров  с архитектурой MCS-51. Практически все контроллеры имеют расширенную функциональность: встроенный mp3-декодер, интерфейс чтения смарт-карт и т.п.

 

Таблица 1. Микропроцессоры  с архитектурой Intel 8051

 

Тип	Питание, В	МГц	I/O	Flash, Кбайт	SRAM, Кбайт	Интерфейс	Цена, р
AT89C5131	3,0 – 5,0	40	34/18	32	1,25	UART,USB,SPI	300
AT89C5132	2,7 – 3,3	40	44/38	64	2,5	UART, USB,SPI, I2S	400
AT89C51ED2	2,7 – 5,5	60	50	64	2,25	UART/USART ,SPI	350
AT89C5122	3,6 – 5,5	16	46/13	32	0,75	UART,USB, SPI, SmartCard	250

 

Как видно из таблицы, наименее функциональным (а  значит, и менее дорогим), поддерживающим интерфейс USB, является микроконтроллер AT89C5131, который и выбирается в качестве управляющего узла системы контроля и поддержания температуры.

 

Выводы

Недостатком применения MAX66XX является невозможность расширять систему охлаждения, т.е. увеличить количество контролируемых узлов, что в значительной степени снижает гибкость разрабатываемой системы и увеличивает ее стоимость.

Обзор показал, что наиболее простым микроконтроллером, поддерживающим интерфейс USB, и при этом достаточно быстродействующий (рабочая частота 40 МГц), является микроконтроллер АТ89С5131. Такой выбор позволит построить систему поддержания температуры с возможностью управления тремя вентиляторами, а также передачей информации пользователю по стандартному интерфейсу с минимальными затратами. Выбор также осуществлялся с тем учетом, что для схемы требуется минимум дополнительной обвязки. Немаловажно наличие бесплатного ассемблера, компилятора языка С, программатора и драйвера для Windows. Удобна возможность программирования не по SPI, а по USB-каналу.

 

2.СХЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Разработка  структурной схемы блока, построенного  на базе контроллера AT89C5131

Целью выполнения данного дипломного проекта является создание устройства, которое способно контролировать и поддерживать конкретный температурный режим. Для этого необходимо, чтобы система состояла из узла управления всеми процессами, узла контроля температурой, а также управляемым элементом, который будет осуществлять охлаждение контролируемого объекта. В качестве управляемого узла был выбран вентилятор с возможностью регулирования скорости, так как это позволит использовать систему в большинстве персональных компьютеров.

Для обеспечения  функции мониторинга температурной информации необходимо обеспечить связь между разрабатываемой системой и управляющим компьютером. В качестве данной связи выбран интерфейс USB, так как на сегодняшний день он имеет наибольшее распространение на персональных компьютерах по сравнению с другими интерфейсами.

В результате разработана  структурная схема блока контроля и поддержания температуры, которая  приведена на рисунке 1.

 

Рисунок 1 - Структурная  схема проектируемого устройства

 

Как видно из структурной схемы, блок состоит из контроллера, девяти датчиков температуры и трех вентиляторов. Микроконтроллер собирает информацию с температурных датчиков, и, учитывая заданную температуру, подает сигнал управления на вентиляторы. Затем контроллер опрашивает вентиляторы и получает значение скорости вращения каждого из них, что реализует обратную связь, на основе которой корректируются сигналы управления.

Связь между  контроллером и датчиками температуры  осуществляется по одноразрядной шине 1-wire.

По шине USB осуществляется передача текущих значений температуры на управляющий компьютер, а также получение значения поддерживаемой температуры для каждого контролируемого узла.

 

Выводы

На данном этапе  разработана структура проектируемого устройства. Выделены три основных узла – управляющий узел (микроконтроллер), датчики температуры и вентиляторы.

 

2.2 Разработка блок-схемы  алгоритма работы устройства

 

Как следует  из технического задания, устройство должно выполнять следующие функции:

• осуществлять сбор информации о текущем состоянии температуры;
• изменять скорость вращения вентиляторов, в соответствии с текущим температурным режимом;
• осуществлять передачу данных на управляющий компьютер.

Устройство  должно включать в себя следующие  компоненты:

• Блок инициализации, обеспечивающей первоначальную загрузку параметров;
• блока сбора информации с температурных датчиков. При этом следует учитывать, что некоторые датчики могут быть подключены уже в процессе работы, поэтому необходимо обеспечить постоянное обновление подключенной периферии к управляющему узлу;
• блока управления вентиляторами. Данный компонент должен проводить сравнение поддерживаемых и текущих температур и на основе этих данных изменять скорость вращения вентиляторов;
• блока обмена информацией с управляющим компьютером. Данный компонент осуществляют функции, как приема команд, так и отправки пакета данных в пользовательское приложение.

2.3 Общий алгоритм  работы

На рисунке 2 представлен общий алгоритм работы блока контроля и поддержания  температуры. Работа устройства состоит  в следующем: при подключении питания происходит инициализация контроллера. В данном блоке контроллер опрашивает подключенные датчики и вентиляторы. После определения количества подключенных вентиляторов начинает работать основной блок – блок управления температурой. В нем происходит считывание текущей температуры и, в зависимости от сравнения с заданной температурой, изменение сигналов, управляющих вентиляторами. В случае нормального охлаждения после завершения одной итерации управления температурой происходит опрос шины USB. Если же пришла команда от управляющего компьютера, то на следующем шаге определяется тип команды. В случае, когда пришла команда на передачу данных, контроллер собирает блок, состоящий из температурных данных и скорости вращения вентилятора, и далее передает через шину USB в пользовательскую программу.

 

Рисунок 2 –  Общий алгоритм работы Блока

 

Когда приходит команда на изменение температурных  данных, то контроллер изменяет в памяти значения поддерживаемой температуры. После обработки команд управление передается в блок управления температурой и дальше итерации повторяются. Контроллер будет выполнять цикл, пока не будет отключено питание.

2.4 Алгоритм инициализации  датчиков температуры и вентиляторов

 

После подачи питания, микроконтроллер проводит инициализацию подключенных устройств (рисунок 3). На первом этапе проводится конфигурирование USB, затем идет цикл инициализация каждого из трех каналов.

Рисунок 3 –  Алгоритм инициализации

Инициализация канала состоит из поиска всех доступных этому каналу температурных датчиков. Далее происходит считывание поддерживаемой температуры, а также режима сравнения поддерживаемой температурой с измеренной. В случае если на нескольких датчиках эти значения различаются, что означает первый запуск устройства с этими датчиками или смену расположения датчиков, то информация заменяется данными по умолчанию.

После инициализации  датчиков температуры на вход вентилятора  подается постоянный сигнал, равный 5В. В этом случае, если вентилятор подключен, то он разгоняется до максимальной скорости и, следовательно, тахометр подает импульсы на соответствующий выход. Далее информация о работоспособности вентилятора сохраняется в ОЗУ микроконтроллера. На этом опрос одного канала завершается.

 

 

2.5 Алгоритм блока  управления температурой

После инициализации микроконтроллер  переходит в основной блок (рисунок 4).

              

                                            

Рисунок 4 –  Алгоритм управления температурой

На первом этапе  основного алгоритма происходит проверка на необходимость обновления (переменная Refresh), которое происходит каждые 5 циклов работы устройства. Это позволяет производить горячее подключение/отключение датчиков и вентиляторов. Далее происходит опрос датчиков температуры на каждом канале. В случае ошибочных данных, т.е. значение температуры выходит за диапазон, который может измерить датчик, счетчик обновлений обнуляется и измеренная температура приравнивается к 127 градусам. Это позволяет в случае нарушения работы датчиков увеличивать скорость вентилятора каждый цикл, в котором произошла ошибка.

После этого  на основе измеренных данных, а также  режимов сравнения рассчитывается значение температуры, которое будет сравниваться с поддерживаемым значением. Возможен один из четырех режимов:

1 – из всех  измеренных данных выбирается  минимальное значение температуры;

2 сравниваемая температура рассчитывается как среднее значение всех измеренных данных;

3 из всех измеренных данных выбирается максимальное значение температуры;

4 данный режим подразумевает управление значением скорости вентилятору через компьютер, в этом случае осуществляется переход на конец алгоритма

Далее происходит сравнение текущей и поддерживаемой температур. Если разница больше 1, то происходит увеличение скорости вентилятора. При достижении максимальной скорости или при отсутствии вентилятора  значение переменной, определяющей перегрев, устанавливается в 1.