کنترل دما – معرفی انواع سنسور دما – آنچه باید بدانید

سنسورهای دما

در این بخش، با مهم‌ترین انواع سنسورهای دما آشنا می‌شویم.

ترموکوپل

«ترموکوپل» (Thermocouple) نوعی سنسور دما است که با اتصال دو فلز غیرمشابه در یک انتها ساخته می‌شود. انتهای متصل به عنوان اتصال گرم شناخته می‌شود.

انتهای دیگر این فلزات غیرمشابه را اتصال سرد می‌نامند. محل اتصال سرد در آخرین نقطه از ماده ترموکوپل تشکیل می‌شود. اگر بین محل اتصال گرم و اتصال سرد اختلاف دما وجود داشته باشد، ولتاژ اندکی ایجاد می‌شود. این ولتاژ به عنوان EMF (نیروی محرکه الکتریکی) شناخته می‌شود و می‌توان آن را اندازه‌گیری کرد که در نشان دادن دما به ما کمک می‌کند.

حسگر دمای مقاومتی (RTD)

ترمیستور

سنسورهای نیمه‌هادی

سنسورهای دما مستقیماً به ورودی ریزپردازنده متصل شده و در نتیجه قادر به ارتباط مستقیم و قابل اطمینان با ریزپردازنده‌ها هستند. واحد حسگر می‌تواند بدون نیاز به مبدل آنالوگ به دیجیتال، با پردازنده‌های کم‌هزینه ارتباط مؤثری برقرار کند.

نمونه‌ای از سنسور دما، سنسور LM35 است. سری LM35 آی‌سی‌های سنسور دمای دقیقی هستند که ولتاژ خروجی آن‌ها به طور خطی با دما متناسب است. سنسور LM35 در دمای 55- تا 120 درجه سانتیگراد کار می‌کند. سنسور دمای سانتیگراد پایه (۲ درجه سانتیگراد تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد) در شکل زیر نشان داده شده است.

ویژگی های سنسور دمای LM35 به شرح زیر است:

• درجه‌بندی مستقیم برحسب درجه سانتیگراد
• پوشش درجه حرارت کامل از 55− درجه سانتیگراد تا 150+ درجه سانتیگراد
• مناسب برای کاربردهای از راه دور
• هزینه کم به دلیل «آرایش» (Trimming) سطح ویفر
• ولتاژ کاری 4 تا 30 ولت
• خودگرمایی کم
• غیرخطی بودن معمول $$\pm 1/4 ^\circ C$$

سنسور LM35 را می‌توان به راحتی مانند سایر سنسورهای دمای مدار مجتمع به مدار وصل کرد. سنسور را می‌توان روی یک سطح ثابت قرار داد و دمای آن در حدود 0٫01 درجه سانتیگراد از دمای سطح خواهد بود. فرض می‌شود که دمای هوای محیط تقریباً مشابه دمای سطح است. اگر دمای هوا بسیار بالاتر یا پایین‌تر از دمای سطح باشد، دمای واقعی LM35 در دمای متوسط بین دمای سطح و دمای هوا خواهد بود.

سنسورهای دما کاربردهای شناخته‌شده‌ای در کنترل دمای محیط و فرایند و همچنین در آزمون، اندازه‌گیری و ارتباطات دارند. دمای دیجیتال یک سنسور است که قرائت دمای 9 بیتی را فراهم می‌کند. سنسورهای دمای دیجیتال دقت بسیار خوبی دارند و برای خواندن از 0 درجه سانتیگراد تا 70 درجه سانتیگراد طراحی شده‌اند و دستیابی به دقت 0٫5± درجه سانتیگراد را امکان‌پذیر می‌کنند.

سنسورهای دمای دیجیتال نیاز به اجزای اضافی مانند مبدل A/D را رفع می‌کنند و هنگام استفاده از ترمیستورها نیازی به کالیبره کردن اجزا یا سیستم در دمای مرجع خاص ندارند. مزایای یک سنسور دمای دیجیتال خروجی دقیق آن برحسب درجه سانتیگراد است. این سنسور هیچ بخش دیگری مانند مبدل آنالوگ به دیجیتال ندارد و استفاده از آن بسیار ساده‌تر از یک ترمیستور ساده است که با تغییر دما مقاومت غیرخطی ایجاد می‌کند.

یک نمونه از سنسور دمای دیجیتال DS1621 است که یک قرائت دمای 9 بیتی را فراهم می‌کند. ویژگی‌های DS1621 به شرح زیر است:

• به اجزای خارجی نیاز ندارد.
• دامنه دما از 55- درجه سانتیگراد تا 125+ درجه سانتیگراد با دقت ۰٫۵ درجه‌ای است.
• مقدار دما را به عنوان قرائت 9 بیتی ارائه می‌دهد.
• دامنه ولتاژ منبع تغذیه گسترده (2٫7 ولت تا 5٫5 ولت) دارد.
• در کمتر از یک ثانیه دما را به کلمه دیجیتالی تبدیل می‌کند.
• تنظیمات ترموستاتیک قابل تعریف توسط کاربر دارد.
• یک بسته DIP با ۸ پین است.

پین‌های سنسور دمای دیجیتال DS1621 به صورت زیر هستند:

• SDA: ورودی/خروجی داده‌های سریال 2 سیمه
• SCL: ساعت (کلاک) سریال 2 سیمه
• GND: زمین
• TOUT: سیگنال خروجی ترموستات
• A0: ورودی آدرس تراشه
• A1: ورودی آدرس تراشه
• A2: ورودی آدرس تراشه
• VDD: ولتاژ منبع تغذیه

هنگامی که دمای سنسور بیش از دمای تعریف شده توسط کاربر (HIGH) باشد، خروجی TOUT فعال می‌شود. خروجی فعال خواهد بود تا زمانی که دما به زیر دمای تعریف شده توسط کاربر (LOW) برسد. تنظیمات دمای تعریف شده توسط کاربر در حافظه «غیرفرار» (Non-volatile) ذخیره می‌شود، بنابراین ممکن است قبل از قرار دادن در سیستم برنامه‌ریزی (پروگرام) شود. قرائت دما با صدور دستور READ TEMPERATURE در برنامه‌نویسی به صورت 9 بیتی ارائه می‌شود. از رابط سریال 2 سیمه برای ورودی تنظیمات دما و خروجی قرائت دما استفاده می‌شود.

روش‌های کنترل دما

سه نوع کنترل‌کننده اساسی وجود دارد: خاموش/روشن، تناسبی و PID. بسته به سیستمی که باید کنترل شود، اپراتور قادر خواهد بود از یک روش برای کنترل فرایند استفاده کند. در ادامه، یک کنترل‌کننده نوع خاموش/روشن را طراحی می‌کنیم.

فیلم آموزش اصول نقشه کشی برق صنعتی با ای پلن ePLAN در فرادرس

کلیک کنید

کنترل روشن/خاموش

کنترل‌کننده روشن/خاموش ساده‌ترین شکل سیستم کنترل دما است. خروجی سیستم روشن یا خاموش است و حالت بینابینی ندارد. یک کنترل‌کننده خاموش/روشن (OFF/ON) فقط درصورتی که دما از نقطه تنظیم عبور کند، خروجی را تغییر می‌دهد.

کنترل روشن/خاموش معمولاً در مواردی که کنترل دقیق لازم نباشد، در سیستم‌هایی که نمی‌توانند انرژی را به طور مداوم روشن و خاموش کنند، جایی که جرم سیستم به حدی زیاد است که درجه حرارت آهسته تغییر می‌کند یا برای هشدار دما استفاده می‌شود. یک نوع خاص از کنترل خاموش/روشن که برای هشدار استفاده می‌شود، «کنترل‌کننده محدود» (Limit Controller) است. این کنترل‌کننده از یک رله قفل‌شونده استفاده می‌کند که باید به صورت دستی تنظیم شود و برای خاموش کردن فرایند با رسیدن به درجه حرارت خاصی استفاده می‌شود.

کنترل تناسبی

کنترل‌کننده‌های تناسبی برای از بین بردن چرخه مرتبط با کنترل خاموش/روشن طراحی شده‌اند. یک کنترل‌کننده تناسبی، با نزدیک شدن دما به نقطه تنظیم، متوسط ​​توان وارد شده به هیتر را کاهش می‌دهد. این امر موجب کند شدن تغییر دمای هیتر می‌شود، به گونه‌ای که نسبت به نقطه تنظیم فراجهش نخواهد داشت، بلکه به نقطه تنظیم نزدیک می‌شود و درجه حرارت پایداری را حفظ می‌کند. این عمل تناسب را می‌توان با خاموش و روشن کردن خروجی برای فواصل زمانی کوتاه انجام داد.

این «متناسب‌سازی زمان» نسبت زمان «روشن» به «خاموش» برای کنترل دما را تغییر می‌دهد. عمل تناسب در یک «باند متناسب» حول دمای نقطه تنظیم رخ می‌دهد. خارج از این باند، کنترل‌کننده به عنوان یک واحد خاموش/روشن کار می‌کند، خروجی یا کاملاً روشن (زیر باند) یا کاملاً خاموش (بالای باند) است. با این حال، در داخل باند، خروجی به نسبت اختلاف اندازه‌گیری از نقطه تنظیم، خاموش و روشن می‌شود. در نقطه تنظیم (نقطه میانی باند تناسبی)، نسبت خروجی خاموش به روشن، یک به یک است. یعنی زمان روشن و زمان خاموش برابر هستند. اگر دما از نقطه تنظیم فاصله بیشتری داشته باشد، زمان خاموش و روشن متناسب با اختلاف دما تغییر خواهد کرد. اگر دما کمتر از نقطه تنظیم باشد، خروجی زمان بیشتری روشن می‌شود. اگر درجه حرارت خیلی زیاد باشد، خروجی مدت زمان بیشتری خاموش خواهد ماند.

کنترل PID

این کنترل دقیق‌ترین و پایدارترین کنترل را از بین سه نوع کنترل‌کننده فراهم می‌کند و بهترین گزینه در سیستم‌هایی که جرم نسبتاً کمی دارند و سیستم‌هایی که به سرعت در مقابل تغییرات انرژی اضافه شده به فرایند واکنش نشان می‌دهند، است. توصیه می‌شود در سیستم‌هایی که بار اغلب تغییر می‌کند، انتظار می‌رود کنترل‌کننده به دلیل تغییرات مکرر در تنظیمات، به طور خودکار جبران شود.

کنترل دما با استفاده از آردوینو

در این بخش، روش پیاده‌سازی کنترل‌کننده خاموش/روشن دما را بیان می‌کنیم. این موارد را بررسی خواهیم کرد:

• چگونه می‌توان کلیدها و LCD را به آردوینو متصل کرد؟
• چگونه ورودی کلید را بگیریم؟
• چگونه سنسور دما LM35 را بخوانیم؟
• کنترل دستگاه طبق هر نقطه تنظیم‌شده چگونه است؟

اجزای مورد نیاز مدار به شرح زیر هستند:

• آردوینو اونو (Arduino Uno)
• صفحه نمایش ال‌سی‌دی 2×16
• کلیدها
• رله
• سه عدد مقاومت‌ ۱ کیلواهم
• ترانزیستور BC548
• LED ها
• سنسور دما LM35

برنامه با استفاده از کتابخانه "LiquidCrystal" نوشته شده است و دارای ماژول‌های مختلف‌، راه‌اندازی و حلقه است. در تنظیمات، تمام اتصالات IO، صفحه کلید و LCD را مقداردهی اولیه می‌کنیم. در حلقه اصلی ورودی‌های نقطه تنظیم را می‌گیریم و دائماً دما را اندازه‌گیری می‌کنیم و آن را با نقاط تنظیم مقایسه می‌کنیم. اگر اندازه‌گیری بیش از نقطه تنظیم باشد، هیتر را خاموش می‌کنیم، در غیر این صورت، آن را روشن می‌کنیم. می‌توانید مقداری هیسترزیس اضافه کنید.

معرفی فیلم آموزش برد آردوینو (Arduino) با انجام پروژه های عملی 

برای آشنایی بیشتر با آردوینو پیشنهاد می‌کنیم به فیلم آموزش برد آردوینو (Arduino) با انجام پروژه های عملی «فرادرس» مراجعه کنید که مدت زمان آن ۱۹ ساعت و ۱۰ دقیقه است.

در درس اول این آموزش که در ۹ درس تدوین شده، معرفی اجمالی با برد آردوینو (Arduino) بیان شده است. در درس دوم، واحد ارتباط سریال در آردوینو مورد بحث قرار گرفته است. موضوع درس سوم واحد PWM و ADC در آردوینو است.

واحد وقفه و SPI در آردوینو نیز در درس‌های چهارم و پنجم معرفی شده‌اند. به واحد TWI و I2C در آردوینو نیز در درس ششم پرداخته شده است. حافظه EEPROM نیز موضوع درس هفتم است. آرایه‌ها و رشته‌ها در آردوینو از مباحث مهمی هستند که در درس هشتم گنجانده شده‌اند و در نایت، برنامه‌نویسی پیشرفته برد آردوینو در درس نهم آموزش داده شده است.

• برای مشاهده فیلم آموزش برد آردوینو (Arduino) با انجام پروژه های عملی + اینجا کلیک کنید.