Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев

Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев

Элемент Пельтье это термоэлектрический преобразователь, который создает разность температур на своих поверхностях при протекании электрического тока. Принцип действия основан на эффекте Пельтье – возникновении разности температур в месте контакта проводников под действием электрического тока.

Устройство и принцип действия элемента Пельтье.

Думаю, что только знатоки физики могут понять, как на самом деле работает элемент Пельтье. Для практиков главное, что существует минимальная единица модуля – термопара, представляющая из себя два соединенных проводника p и n типа.

Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев

При пропускании через термопару тока, происходит поглощение тепла на контакте n-p и выделение тепла на p-n контакте. В результате, участок полупроводника, примыкающий к  n-p переходу, будет охлаждаться, а противоположный участок – нагреваться. Если поменять полярность тока, то на оборот, n-p участок будет нагреваться, а противоположный – охлаждаться.

Существует и обратный эффект. При нагревании одной из сторон термопары, вырабатывается электрический ток.

Для практического применения энергии поглощения тепла одной термопары недостаточно. В термоэлектрическом модуле используется много термопар. Электрически их соединяют последовательно. А конструктивно – так, что охлаждающие и нагревающие переходы расположены на разных сторонах модуля.

Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев

Термопары установлены между двух керамических пластин. Соединяются они медными шинами. Количество термопар может доходить до нескольких сотен. От их количества зависит мощность модуля.

Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев

Разность температур между горячей и холодной стороной модуля Пельтье может достигать 70 °C.

Надо понимать, что термоэлектрический модуль Пельтье снижает температуру одной стороны, относительно другой. Т.е. чтобы холодная сторона имела низкую температуру, необходимо отводить тепло от горячей поверхности, снижая ее температуру.

  • Для увеличения перепада температур, возможно последовательное (каскадное) соединение модулей.
  • Применение.
  • Термоэлектрические модули Пельтье применяются:
  • в небольших бытовых и автомобильных холодильниках;
  • в охладителях воды;
  • в системах охлаждения электронных приборов;
  • в термоэлектрических генераторах.

Я, используя элемент Пельтье, сделал холодильник для вина.

 Достоинства и недостатки модулей Пельтье.

Как-то неправильно сравнивать элементы Пельтье с компрессорными охлаждающими установками.

Совсем разные устройства – большая механическая система с компрессором, газом, жидкостью и маленький полупроводниковый компонент. А больше сравнивать не с чем.

Поэтому достоинства и недостатки модулей Пельтье весьма условное понятие. Есть области, в которых они не заменимы, а в других случаях их применение совершенно нецелесообразно.

К достоинству элементов Пельтье можно отнести:

  • отсутствие механически движущихся частей, газов, жидкостей;
  • бесшумная работа;
  • небольшие размеры;
  • возможность обеспечивать как охлаждение, так и нагревание;
  • возможность плавного регулирования мощности охлаждения.

Недостатки:

  • низкий кпд;
  • необходимость в источнике питания;
  • ограниченное число старт-стопов;
  • высокая стоимость мощных модулей.

Параметры элементов Пельтье.

  • Qmax (Вт) – холодопроизводительность, при максимально-допустимом токе и разности температур между горячей и холодной сторонами равной 0. Считается, что вся тепловая энергия поступающая на холодную поверхность, мгновенно, без потерь передается на горячую.
  • Delta Tmax (град) – максимальная разность температур между поверхностями модуля при идеальных условиях: температура горячей стороны – 27 °C и холодная сторона с нулевой отдачей тепла.
  • Imax (А) – ток, обеспечивающий перепад температур delta Tmax.
  • Umax (В) – напряжение, при токе Imax и разности температур delta Tmax.
  • Resistance (Ом) – сопротивление модуля постоянному току.
  • COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, отношение мощности охлаждения к электрической мощности, потребляемой модулем. Т.е. подобие кпд. Обычно 0.3-0.5.

Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.

Модули Пельтье – капризные устройства. Их применение сопряжено с рядом требований, не выполнение которых приводит: к деградации модуля или выходу из строя, снижению эффективности системы.

  • Модули выделяют значительное количество тепла. Для отвода тепла должен быть установлен соответствующий радиатор. Иначе:
    • Невозможно достичь нужной температуры холодной стороны, т.к. элемент Пельтье снижает температуру относительно горячей поверхности.
    • Допустимый нагрев горячей стороны как правило + 80 °C ( в высокотемпературных до 150 °C). Т.е. модуль может просто выйти из строя.
    • При высоких температурах кристаллы модуля деградируют, т.е. снижается эффективность и срок службы модуля.
  • Важен надежный тепловой контакт модуля с радиатором охлаждения.
  • Источник питания для модуля должен обеспечивать ток с пульсациями не более 5%. При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.
  • Не допустимо, для управления элементом Пельтье, использовать релейные регуляторы. Это приведет к быстрой деградации модуля. Каждое включение – выключение вызывает деградацию полупроводниковых термопар. Из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками. Производители элементов Пельтье нормируют  количество циклов старт-стопов модуля. Для бытовых модулей это порядка 5000 циклов. Релейный регулятор выведет из строя модуль Пельтье за 1-2 месяца.
  • К тому же элемент Пельтье обладает высокой теплопроводностью между поверхностями. При выключении, тепло радиатора горячей стороны, через модуль будет передаваться на холодную сторону.
  • Недопустимо, для регулирования мощности на элементе Пельтье, использовать ШИМ модуляцию.
  • Чем надо питать элемент Пельтье источником тока или напряжения? Обычно используют источник напряжения. Он проще в реализации. Но вольт-амперная характеристика модуля Пельтье нелинейная и крутая. Т.е. при небольшом изменении напряжения ток меняется значительно. И вдобавок, характеристика меняется при изменении температуры поверхностей модуля. Надо стабилизировать мощность, т.е. произведение тока через модуль на напряжение на нем. Охлаждающая способность элемента Пельтье напрямую связана с электрической мощностью. Конечно, для этого необходим достаточно сложный регулятор.
  • Напряжение модуля зависит от количества термопар в нем. Чаще всего это 127 термопар, что соответствует напряжению 16 В. Разработчики элементов рекомендуют подавать до 12 В, или 75% Umax. При таком напряжении обеспечивается оптимальная эффективность модулей.
  • Модули имеют герметичное исполнение, их можно использовать даже в воде.
  • Полярность модуля отмечена цветами проводов – черный и красный. Как правило, красный (положительный) провод расположен справа, относительно холодной стороны.

Мною был разработан контроллер элемента Пельтье для холодильника, удовлетворяющим всем этим требованиям. Он:

  • Вырабатывает питание для элемента Пельтье с пульсациями не более 2%.
  • Стабилизирует на модуле электрическую мощность, т.е. произведение тока на напряжение.
  • Обеспечивает плавное включение модуля.
  • Регулировка температуры происходит по принципу аналогового регулирования, т.е. плавного изменения мощности на элементе пельтье.
  • Контроллер разработан для холодильника, поэтому математика регуляторов учитывает инерционность охлаждения воздуха в камере.
  • Обеспечивает контроль температуры горячей стороны модуля и управление вентилятором.
  • Имеет высокий кпд, широкие функциональные возможности.

Термоэлектрический модуль Пельтье TEC1-12706.

Это самый распространенный тип элемента Пельтье. Используется во многих бытовых приборах. Не дорогой, с неплохими параметрами. Хороший вариант для изготовления маломощных холодильников, охладителей воды и т.п.

Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев

Характеристики модуля TEC1-12706 привожу в переводе на русский из документации TEC1-12706.pdf компании производителя – HB Corporation.

Технические параметры TEC1-12706.

 Обозначение Параметр Значение, при температуре горячей стороны
 25 °C 50 °C
 Qmax Холодопроизводительность  50 Вт 57 Вт
 Delta Tmax Разность температур  66 °C 75 °C
 Imax Максимальный ток 6.4 А 6.4 А
 Umax Максимальное напряжение 14.4 В 16.4 В
 Resistance Сопротивление 1.98 Ом 2.3 Ом
  1. Графические характеристики.
  2. Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев
  3. Габаритный чертеж модуля TEC1-12706.
Читайте также:  Насадка-культиватор для триммера. стоит ли покупать?

Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев

 Обозначение Размер
 A  40 мм
 B  40 мм
 C  3.8 мм

Рекомендации по эксплуатации.

  • Максимально – допустимая температура 138 °C.
  • Не допустимо превышение значения параметров Imax и Umax.
  • Срок службы 200 000 часов.
  • Параметр частота отказов основан на длительных испытаниях с выборкой 0.2%.
  • Производитель – HB Corporation.

Пример разработки на элементе Пельтье – холодильник для вина.

Песнь льда и пламени: элементы Пельтье

Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев

Речь пойдет об элементах Пельтье, устройствах, которые при определенных условиях могут достаточно сильно нагреваться и охлаждаться. Повышение температуры настолько сильное, что человек способен обжечь палец простым прикосновением. При охлаждении же элемент становится ледяным.

Выглядят данные устройства как небольшие квадраты с двумя проводками. Их можно спаивать друг с другом, получая комбинации. С помощью подобных комбинаций создаются даже компактные охладительные и нагревательные машины.

Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев

Перед вами элемент Пельтье. Стандартный размер приблизительно 40×40 миллиметров. Для того, чтобы объяснить, как он работает, обозначим верхнюю поверхность квадрата стороной А, а нижнюю — стороной Б.

Через элемент протекает электрический ток с напряжением около 12-16 вольт.

В первом случае ток протекает через устройство от красного провода с черному. Температура стороны А повышается, а стороны Б понижается.

Во втором случае все меняется с точностью до наоборот. Ток идет по черному проводу к красному: сторона А становится холодной, а Б горячей.

Ток — это направленное движение заряженных частиц. При изменении направления движения этих частиц (тока), холодная и горячая стороны элемента меняются местами. Данный феномен получил называние эффект Пельтье.

Температура горячей стороны приблизительно +80 градусов Цельсия, но в определенных моделях она может доходить до +150. Измерив температуру на холодной стороне, мы получим что-то в диапазоне от -9 до -20 градусов.

Еще более занимательно то, что эффект Пельтье обратим. Если одновременно начать охлаждать одну сторону квадрата и нагревать другую, то по проводам потечет ток.

Мы рассмотрели процесс на бумаге или в вакууме. Теперь поговорим о его применении на практике.

Колебания температуры от +80 до -7 огромны для квадратика 40×40 миллиметров. Если вовремя не отвести тепло, то устройство перегорит и выйдет из строя за несколько десятков секунд.

Поэтому, обычно модуль Пельтье крепится с помощью термопасты, улучшающей теплопроводность, к радиатору. Радиатором может служить обычный большой кусок металла.

Сам радиатор дополнительно соединен с вентилятором, который создает воздушный поток от металла к окружающей среде. Таким образом элемент Пельтье передает тепло радиатору, а радиатор уже выбрасывает его в воздух.

Другая сторона устройства при этом постоянно охлаждает. Вся система стабильна и выглядит следующим образом:

Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев
Система охдаждения с одним элементом Пельтье

На картинке самый простой пример с одним элементом Пельтье. Для того, чтобы улучшить охлаждение, можно спаять 12, 14 или 20 модулей в сеть и прикрепить их к крупному радиатору.

Также существуют устройства/переключатели, меняющие направление движения тока. При правильном подборе количества элементов Пельтье, размеров радиатора и подобных переключателей можно получить стабильную и компактную термокамеру.

Отличным примером подобной термокамеры являются небольшие холодильники для автомобилей.

Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев
Автомобильный холодильник

Холодильник подключается к разъему для прикуривателя. Напряжение от автомобильного прикуривателя составляет 12 вольт. Сверху таких холодильников есть переключение на режимы охлаждения или нагрева. Летом можно охладить напитки, а зимой взять еду в любимом ресторанчике и поддерживать ее горячей до приезда домой.

Еще все мы, наверное, видели офисные кулеры. В хороших моделях обычно можно выбирать температуру воды и даже набирать кипяток для чая или кофе. Охлаждение и нагревание воды в таких кулерах также происходит за счет применения эффекта Пельтье.

Если в детстве вы думали, что заклинания Гарри Поттера — это круто, хотели уметь также, а потом расстроились, что в реальном мире они не работают, то советую не удручаться. В реальном мире есть что-то и покруче заклинаний Гарри. Например, элементы Пельтье.

[источники]

https://tjournal.ru/science/152701-pesn-lda-i-plameni
Это копия статьи, находящейся по адресу https://masterokblog.ru/?p=63047.

Элемент Пельтье – как устроен и работает, как проверить и подключить

Принцип действия элемента Пельтье основан на эффекте Пельтье, который заключается в том, что при пропускании постоянного электрического тока через спай двух разнородных проводников, происходит перенос энергии от одного проводника спая — к другому, при этом в месте спая выделяется или поглощается тепло. 

Количество выделенного или поглощенного в ходе данного процесса тепла, будет пропорционально току, времени его протекания, а также коэффициенту Пельтье, характерному для данной пары спаянных проводников. Коэффициент Пельтье, в свою очередь, равен коэффициенту термо-эдс пары, умноженному на абсолютную температуру спая в текущий момент. 

И поскольку эффект Пельтье наиболее выразителен у полупроводников, то данное их свойство и используется в популярных и доступных полупроводниковых элементах Пельтье. С одной стороны элемента Пельтье тепло поглощается, с другой — выделяется. Далее мы рассмотрим это явление более внимательно.

Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев

Непосредственно физический эффект Пельтье был открыт в 1834 году французским физиком Жаном Пельтье, а спустя четыре года суть данного явления исследовал русский физик Эмилий Ленц, показавший, что если стержни из висмута и сурьмы привести в плотный контакт, на место контакта капнуть воды, а затем пропустить через спай постоянный ток определенного направления, то если при первоначальном направлении тока вода превратится в лед, значит если направление тока изменить на противоположное, то этот лед быстро растает. 

Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев

В своем эксперименте Ленц наглядно продемонстрировал, что тепло Пельтье поглощается или выделяется в зависимости от направления тока через спай. 

Ниже приведена таблица коэффициентов Пельтье для трех популярных пар металлов. Кстати, эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека (когда при нагревании или охлаждении спаев замкнутой цепи, в этой цепи возникает электрический ток).

Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев

Так почему же возникает эффект Пельтье? Причина в том, что в месте контакта двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая порождает контактное электрическое поле между ними.

Если теперь через контакт пропустить электрический ток, то это поле будет либо помогать прохождению тока, либо препятствовать ему. Поэтому, если ток направлен против вектора напряженности контактного поля, то источник прикладываемой ЭДС должен совершить работу, и энергия источника как раз выделяется в месте контакта, это приведёт к его нагреву. 

Если же ток источника будет направлен по контактному полю, то он как-бы дополнительно поддержится этим внутренним электрическим полем, и теперь поле совершит дополнительную работу по перемещению зарядов. Эта энергия отбирается теперь у вещества, что в действительности и приводит к охлаждению места спая. 

Итак, поскольку мы знаем, что в элементах Пельтье используются спаи пар полупроводников, то что за процесс реализован в полупроводниках? 

Читайте также:  Как правильно класть плитку — советы прогрессивного строителя

Все просто. Полупроводники эти отличаются уровнями энергий электронов в зоне проводимости. При прохождении электрона через место контакта данных материалов, электрон приобретает энергию, чтобы суметь перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника пары.

При поглощении электроном этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников.

При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному джоулеву теплу.

Если бы вместо полупроводников в элементах Пельтье использовались чистые металлы, то тепловой эффект оказался бы настолько мал, что омический нагрев значительно превзошел бы его.

Элементы Пельтье — охлаждение и нагрев

В реальном преобразователе Пельтье, таком например как TEC1-12706, между двумя керамическими подложками установлены несколько параллелепипедов из теллурида висмута и твердого раствора кремния и германия, спаянных между собой в последовательную цепочку. Эти пары полупроводников n- и p-типа соединены проводящими перемычками, которые и контактируют с керамическими подложками. 

Каждая пара маленьких полупроводниковых параллелепипедов образует контакт для прохождения тока от полупроводника n-типа – к полупроводнику p-типа — с одной стороны преобразователя Пельтье, и от полупроводника p-типа — к полупроводнику n-типа — с другой стороны преобразователя. 

Когда ток проходит через все эти последовательно соединенные параллелепипеды, то с одной стороны все контакты только охлаждаются, а с другой — все только нагреваются. Если полярность источника изменить, то стороны поменяются ролями. 

По такому принципу и работает элемент Пельтье или, как его еще называют, термоэлектрический преобразователь Пельтье, где тепло отбирается от одной стороны изделия, и переносится на противоположную его сторону, при этом создается разность температур с двух сторон элемента.

Можно даже дополнительно охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье при помощи радиатора с вентилятором, тогда температура холодной стороны станет ещё ниже. В широко доступных элементах Пельтье разность температур может достигать около 69 °C. 

Для того, чтобы проверить исправность элемента Пельтье, достаточно пальчиковой батарейки. Красный провод элемента присоединяется к положительной клемме источника питания, черный — к отрицательной.

 Если элемент исправен, то с одной стороны будет происходить нагрев, с другой — охлаждение, вы сможете почувствовать это пальцами рук.

Сопротивление обычного элемента Пельтье находится в районе пары-тройки Ом.

Андрей Повный, FB, ВК

Элемент Пельтье : описание, подключение, схема, характеристики | ВИКИ

Содержание

  • Обзор
  • Технические характеристики
  • Подключение к плате Arduino
  • Пример использования
  • FAQ. Часто задаваемые вопросы

Обзор элемента Пельтье

Элемент Пельтье представляет собой термоэлектрический преобразователь, выполненный в виде пластины с двумя выводами питания. Если к этим выводам приложить постоянное напряжение, то одна из сторон элемента начнёт охлаждаться, в то время как температура противоположной стороны будет расти.

Таким образом мы получим пластину с горячей и холодной стороной по оба конца элемента. Также следует отметить одну закономерность. Если принудительно отводить тепло с горячей стороны (например с помощью радиатора), то температура холодной стороны будет снижаться еще больше, вплоть до обледенения.

На рынке можно встретить много разновидностей элементов Пельтье – от бытовых до промышленных. Некоторые из них используются в узконаправленных проектах, а некоторые имеют широкий спектр применения.

В современных любительских проектах большую популярность получил элемент TEC1-12706, внешний вид которого показан на рисунке №1.

Рисунок №1 – внешний вид элемента Пельтье TEC1-12706

Как видно из рисунка, питающие провода имеют различный цвет, что говорит о наличии полярности питания, смена которой приведет к размену местами горячей и холодной сторон.

Такое явление обусловлено внутренним строением элемента, состоящего из множества групп термических пар, которые размещены между пластинами. В качестве примера на рисунке №2 показано две полупроводниковых пары.

В реальном элементе их насчитывается большое количество.

Рисунок №2 – внутреннее строение элемента Пельтье

В случае прохождения электрического тока через такую термическую пару, запускается процесс выделения тепловой энергии на переходе p-n и одновременное поглощение тепла на n-p переходе.

Вследствие этого, часть контакта, сопряженного с n-p переходом будет охлаждаться, а пластина со стороны перехода p-n начнёт изменять температуру в сторону её увеличения.

На рисунке №3 показана обобщенная модель элемента в целом.

Рисунок №3 – структура элемента Пельтье

Следует заметить, что элемент Пельтье способен на обратное преобразование. В случае подведения тепла к одной из его сторон, он начинает генерировать электрическую энергию. Это дает возможность использовать данное устройство в качестве теплового датчика, что в некоторых ситуациях может быть полезно.

Что касается маркировки, то она имеет определенную стандартизацию. Например для нашего элемента TEC1-12706 расшифровка будет следующей:

  • Первые два символа ТЕ всегда неизменны и несут информацию о том, что это изделие является термоэлементом;
  • Следующий символ отвечает за размер. Здесь могут присутствовать два варианта: С – стандартный размер; S – малый размер.
  • Крайняя цифра первой надписи (в нашем случае ТЕС1) указывает количество слоев внутри элемента;
  • Три следующие цифры после дефиса говорят о количестве термопар. Для рассматриваемого в данной статье модуля это число равно 127.
  • И наконец, последние две цифры показывают значение потребляемого тока. Для нашего модуля – это 6А.     
  •          Рассматривая элемент Пельтье TEC1-12706, можно выделить следующий ряд характеристик:
  • Величина рабочего напряжения: 12 В;
  • Максимальное напряжение питания: 15.4 В;
  • Ток потребления: 6 А;
  • Потребляемая мощность: 77 Вт;
  • Максимально возможная мощность охлаждения: 53.3 Вт;
  • Максимально возможная разница температур между противоположными сторонами: 60 оС;
  • Рабочая температура: -30 оС … +70 оС;
  • Количество термопар: 127;
  • Внутреннее сопротивление: 1,98 Ом;
  • Физические размеры: 40 x 40 x 3.82 мм;
  • Вес: 22 г;
  • Цвет: белый;

Так как элемент Пельтье – это довольно “прожорливый” модуль, то его прямое подключение к выводам Arduino строго запрещено.

Логично предположить, что в данном случае необходимо иметь промежуточный силовой коммутатор, способный управляться логическим уровнем микроконтроллера и выдерживать ток до 6А. Первое что приходит на ум – это коммутировать Пельтье при помощи релейного модуля.

Однако перед сборкой схемы следует уяснить несколько важных правил, которые помогут продлить жизнь термоэлектрического преобразователя:

  • Пульсация питающего напряжения свыше 5% снижает эффективность работы элемента Пельтье в среднем на 30-40%;
  • Крайне не рекомендуется для питания элемента Пельтье использовать релейные регуляторы, выполняющие частые циклы включения и выключения. Такая динамика приведет к ускоренной деградации полупроводниковых пар и через 1-2 месяца модуль выйдет из строя. Средний цикл старт-стопов бытовых элементов равен около 5000 переключений.
  • Некоторые умельцы регулируют температуру элементов Пельтье при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Такой подход аналогично релейным регуляторам способствует ускоренной деградации внутренних составляющих модуля.

На основании вышеизложенных фактов логичнее всего коммутировать питание элемента Пельтье при помощи полевого транзистора, способного открываться от логического уровня, например IRL540N. Он способен пропускать ток до 36А при 4.5В на затворе, что для модуля TEC1-12706 хватит с лихвой. На рисунке №4 показана соответствующая схема.

Читайте также:  Эгломизе: техника нанесения рисунка на стекло

Рисунок №4 – подключение TEC1-12706 к Arduino Nano 

Ниже приведен простой код, демонстрирующий включение и отключение элемента Пельтье с интервалом в 5 минут.

#define PIN_TEC1 6 // Пин, к которому подключен транзистор управления Пельтье
uint32_t timeOut = 0; // Переменная для отсчёта интервалов времени

void setup() {
pinMode(PIN_TEC1, OUTPUT); // Настройка на выход пина управления элементом Пельтье
digitalWrite(PIN_TEC1, HIGH); // Пельтье изначально включен
timeOut = millis() + 300000; // Задаём таймаут 5 мин (300 сек или 300000 мс)
}

void loop() {
if(millis() >= timeOut) { // Если 5 минут истекло
// Инвертируем логический уровень на управляющем выходе
digitalWrite(PIN_TEC1, !digitalRead(PIN_TEC1));
timeOut = millis() + 300000; // Обновляем таймаут
}
}

Пример использования

Найти достойное применение элементу Пельтье не составит особого труда.

Данные модули широко используются в таких устройствах, как автомобильные холодильники, портативные кондиционеры, водяные кулеры, осушители воздуха, системы охлаждения процессоров и т. п.

В рамках данной статьи, для более тесного знакомства с термопреобразователем TEC1-12706 мы создадим проект универсального охлаждающего устройства с возможностью установки пороговых температур. Структурная схема будущего проекта показана на рисунке №5.

Рисунок №5 – структурная схема охлаждающего устройства 

В роли главного элемента системы выступит плата Arduino Nano, которая будет следить за показаниями датчиков и управлять всеми процессами. В проекте планируется использовать два цифровых датчика температуры DS18B20.

Первый будет измерять температуру объекта, который необходимо охлаждать и в зависимости от настроек давать команду на включение или отключение элемента Пельтье. Второй термодатчик нужен для мониторинга степени нагрева радиатора, охлаждающего горячую сторону ТЕС1-12706.

В зависимости от его показаний Arduino Nano скорректирует скорость вентилятора для отвода лишнего тепла.

Блок управления состоит из 3-х тактовых кнопок при помощи которых пользователь сможет настраивать пороговые значения температуры срабатывания и отключения элемента Пельтье. Кнопка “ОК” предназначена для выбора регулируемого параметра, а кнопки “+” и “-” для его изменения.

Все значения будут отображены на популярном среди ардуинщиков дисплее от Nokia 5110 с контроллером PCD8544. Полная схема проекта изображена на рисунке №6.

Рисунок №6 – схема универсального охладителя 

Теперь подумаем, какую информацию необходимо отображать на экране. Было бы неплохо разделить дисплей на две части (верхнюю и нижнюю). В верхней части можно выводить данные с температурных датчиков холодной и горячей стороны элемента Пельтье, а также скорость вращения куллера.

В нижней части удобно расположить два пункта меню, с помощью которых можно настроить температуру включения и отключения термоэлемента. Переключение между настраиваемыми параметрами будет осуществляться кнопкой “ОК”. Чтобы понять какой параметр выбран в данный момент, его планируется выводить в инверсном цвете.

Нажатие кнопок “+” или “-” приведёт к изменению выбранного значения в ту или иную сторону. Ниже показан прототип будущего экрана, в котором выбран второй параметр (температура отключения Пельтье):

Th=xx.xx oC Tc=xx.xx oC FAN=x%
T_ON: xx.xx oC T_OFF:xx.xx oC     
  1. Итак, требования к проекту определены – можно начинать программировать. Но прежде необходимо установить некоторые библиотеки, а именно:
  2. Остальные библиотеки, используемые в проекте входят в стандартный набор среды разработки Arduino IDE.
  3. Ниже приведён полный код со всеми необходимыми ми:

#define PIN_FAN 9 // Пин куллера
#define PIN_TEC 10 // Пин элемента Пельтье
#define PIN_DS_HOT 6 // Пин датчика температуры горячей стороны
#define PIN_DS_COLD 7 // Пин датчика температуры холодной стороны
#define PIN_BUT_PLUS A0 // Пин кнопки “плюс”
#define PIN_BUT_MINUS A1 // Пин кнопки “минус”
#define PIN_BUT_OK A2 // Пин кнопки “ОК”

// Для работы с датчиками температуры DS18B20
#include
OneWire dsHot(PIN_DS_HOT);
OneWire dsCold(PIN_DS_COLD);

// Переменные для датчика температуры горячей стороны
byte addrHot[8];
byte dataHot[12];
float tHot;
bool flagHot = false;

// Переменные для датчика температуры холодной стороны
byte addrCold[8];
byte dataCold[12];
float tCold;
bool flagCold = false;
bool flagButton = false;

// Библиотеки для работы с дисплеем NOKIA 5110
#include
#include
#include
// SCLK, DIN, D/C, CS, RST
Adafruit_PCD8544 display = Adafruit_PCD8544(13, 11, 5, 4, 3);

uint8_t menuCursor = 1; // Переменная-курсор для навигации по меню
uint8_t fanSpeed = 0; // Скорость вентилятора 0-100%

float tOn = 40.0; // Температура включения элемента Пельтье
float tOff = 35.0; // Температура выключения элемента Пельтье

void setup() {
// Настройка пинов Arduino Nano
pinMode(PIN_FAN, OUTPUT); digitalWrite(PIN_FAN, LOW);
pinMode(PIN_TEC, OUTPUT); digitalWrite(PIN_TEC, LOW);
pinMode(PIN_BUT_PLUS, INPUT_PULLUP);
pinMode(PIN_BUT_MINUS, INPUT_PULLUP);
pinMode(PIN_BUT_OK, INPUT_PULLUP);

// Инициализация дисплея
display.begin();
display.setContrast(45);
display.clearDisplay();
display.setTextSize(1); // Мелкий шрифт
display.setTextColor(BLACK);
display.setCursor(0, 0); display.println(“Th=”);
display.setCursor(0, 8); display.println(“Tc=”);
display.setCursor(0, 16); display.println(“FAN=”);
display.drawLine(0, 25, 84, 25, BLACK);
display.setCursor(0, 30);
display.print(“T_ON:”); display.print(tOn);
display.setCursor(0, 40);
display.print(“T_OFF:”); display.print(tOff);
display.display();
}

void loop() {
while(1) {
// Обработка кнопки ОК
if(!digitalRead(PIN_BUT_OK)) {
flagButton = true;
menuCursor++;
if(menuCursor > 1) menuCursor = 0;
delay(250);
}
// Обработка кнопки +
if(!digitalRead(PIN_BUT_PLUS)) {
flagButton = true;
if(menuCursor == 0) {
tOn += 1.0;
}
else if(menuCursor == 1) {
if(tOff + 4.0 < tOn) tOff += 1.0; } delay(250); } // Обработка кнопки - if(!digitalRead(PIN_BUT_MINUS)) { flagButton = true; if(menuCursor == 0) { if(tOn - 4.0 > tOff) tOn -= 1.0;
}
else if(menuCursor == 1) {
tOff -= 1.0;
}
delay(250);
}

// Чтение температуры с датчиков
getHotTemperature();
getColdTemperature();
// Обновление экрана синхронно с чтением температуры
if((flagHot && flagCold) || flagButton) {
display.clearDisplay();
display.display();
display.setTextColor(BLACK);
display.setCursor(0, 0);
display.print(“Th=”); display.print(tHot); display.print(“oC”);
display.setCursor(0, 8);
display.print(“Tc=”); display.print(tCold); display.print(“oC”);
display.setCursor(0, 16);
display.print(“FAN=”); display.print(fanSpeed); display.print(“%”);
display.drawLine(0, 25, 84, 25, BLACK);

if(menuCursor == 0) {
display.setTextColor(WHITE);
display.fillRoundRect(0, 29, 84, 9, 0, BLACK);
}
else display.setTextColor(BLACK);
display.setCursor(0, 30);
display.print(“T_ON:”);
display.print(tOn);

if(menuCursor == 1) {
display.setTextColor(WHITE);
display.fillRoundRect(0, 39, 84, 9, 0, BLACK);
}
else display.setTextColor(BLACK);

display.setCursor(0, 40);
display.print(“T_OFF:”); display.print(tOff);
flagHot = false; flagCold = false;
flagButton = false;
display.display();
}
// Включение и отключение элемента Пельтье
if(tCold >= tOn) digitalWrite(PIN_TEC, HIGH);
if(tCold 60.0) {
digitalWrite(PIN_FAN, HIGH);
fanSpeed = 100;
}
else {
uint8_t fs = map(tHot, 35.0, 60.0, 0, 255);
analogWrite(PIN_FAN, fs);
fanSpeed = map(tHot, 35.0, 60.0, 0, 100);
}
}
}

// Функция чтения датчика температуры горячей стороны
void getHotTemperature() {
static uint8_t ghtState = 0;
static uint32_t ghtTimer = 0;
if(ghtState == 0 && !flagHot) {
if(!dsHot.search(addrHot)) {
dsHot.reset_search();
ghtTimer = millis();
ghtState = 1;
}
else ghtState = 2;
}
else if(ghtState == 1) {
if(millis() > ghtTimer + 250) ghtState = 0;
}
else if(ghtState == 2) {
dsHot.reset();
dsHot.select(addrHot);
dsHot.write(0x44);
ghtTimer = millis();
ghtState = 3;
}
else if(ghtState == 3) {
if(millis() > ghtTimer + 1000) ghtState = 4;
}
else if(ghtState == 4) {
dsHot.reset();
dsHot.select(addrHot);
dsHot.write(0xBE);
for(uint8_t i = 0; i < 9; i++) dataHot[i] = dsHot.read(); int16_t raw = (dataHot[1] gctTimer + 250) gctState = 0; } else if(gctState == 2) { dsCold.reset(); dsCold.select(addrCold); dsCold.write(0x44); gctTimer = millis(); gctState = 3; } else if(gctState == 3) { if(millis() > gctTimer + 1000) gctState = 4;
}
else if(gctState == 4) {
dsCold.reset();
dsCold.select(addrCold);
dsCold.write(0xBE);
for(uint8_t i = 0; i < 9; i++) dataCold[i] = dsCold.read(); int16_t raw = (dataCold[1]

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector