Имитатор сигналов преобразователей термоэлектрических (Arduino)

Имитатор сигналов преобразователей термоэлектрических предназначен для проверки и настройки теплотехнических приборов (регистраторы и регуляторы температуры) у которых в качестве датчика температуры используется термопара. Напряжение выхода имитатора от -75 мВ до +75 мВ. Имитатор выдает напряжение соответствующее номинальной статической характеристики преобразования для термопар типа ТХА и ТХК (ГОСТ Р 8.585-2001).

Имитатор сигналов в своем составе содержит несколько недорогих элементов (модулей):

• Плата Arduino Nano (Atmega328)
• ЦАП на MCP4725 (модуль)
• АЦП на MCP3421 (модуль)
• Индикатор LCD1602
• Энкодер — ky-040 (модуль)

На LCD1602 выводится напряжение выхода имитатора, температура окружающей среды, показания температуры для соответствующего типа номинальной статической характеристики (с учетом окружающей среды) и тип номинальной статической характеристики преобразования.

Напряжение выхода имитатора изменяется при помощи поворота энкодера для точной регулировки, а нажатие и удержании кнопки c последующим поворотом ручки энкодера для грубого увеличения или уменьшения напряжения выхода.

Дополнительно для изменения параметров используются три кнопки:

• SET — изменение типа номинальной статической характеристики:
  • Н_ТХК — для ТХК от -75 до 75 мВ
  • L_ТХК — для ТХК от -35 до 35 мВ
  • Н_ТХA — для ТХA от -75 до 75 мВ
  • L_ТХA — для ТХA от -35 до 35 мВ
• 0 — кнопка установки нуля, при нажатии выходное напряжение имитатора равно 0 мВ, при повторном нажатии устанавливается ранее установленное напряжение.
• «-» — кнопка инверсии выхода, при нажатии кнопки появляется возможность получить на выходе отрицательное напряжение.
• Кнопка энкодера (нажать первой) + SET — включения и выключения режима регулировки датчика окружающей среды
• Кнопка энкодера (нажать первой) + 0 — отключение датчика окружающей среды, показания температуры для соответствующего типа номинальной статической характеристики будут выводится без поправки на окружающую среду.
• Кнопка энкодера (нажать первой) + «-» — вывод на экран выходного напряжения + напряжение переведенное из температуры датчика окружающей среды.

Типы характеристик L_ТХК и L_ТХA (режим L) имеют в 2 раза меньший диапазон выходного напряжения чем типы Н_ТХК и Н_ТХA, они предназначены для проверки приборов с диапазоном до 400 °С для ТХK и 800 °С для ТХА, их применение дает повышенную точность воспроизведения выходного напряжения, шаг регулировки для L режима — 0,008 мВ, что соответствует шагу от 0,09 °C до 0,18° С в диапазоне от 0 до 400 ° для ТХК и 0,2 °С для ТХА в диапазоне от 0 до 800 ° С.

Основной узел имитатора сигналов термопар состоит из ЦАП 12 бит и АЦП 18 бит. ЦАП воспроизводит напряжение, а АЦП с высокой точностью измеряет его. Резистор 10 Ом подключенный к выводу D8 Arduino образует делитель выходного напряжения для режима L. Так же в схеме используются два реле, первое используется для инвертирования выходного напряжения выхода имитатора, а второе для получения нулевого напряжения в режиме установки нуля, этот режим необходим для проверки температуры окружающей среды (имитация КЗ на входе проверяемого прибора). Цепь резисторов 10 Ом и 710 Ом представляет собой делитель напряжения ЦАП, уменьшает выходное напряжения с 5 В до 75 мВ.

Второй блок имитатора содержит плату Arduino, энкодер, дисплей и цифровой датчик температуры DS1624 (12 бит).

#define ADDR      0b1001000  // 0x48 MCP4725
#define ENC_SW    12         // encoder SW
#define ENC_CLK   10         // encoder CLK
#define ENC_DT    11         // encoder DT
#define SET        9         // BUTTON set tepmopara
#define INVERT    A0         // BUTTON INVERT
#define T_NULL    A3         // BUTTON NULL
#define OUT_NULL  A2         // OUT NULL
#define DEL        8         // OUT DEL1
#define OUT_RELE  A1         // OUT RELE_INVERT
 
#include <Wire.h>
#include <MCP3421.h> // MCP3421-master.zip
#include <LiquidCrystal.h>
#include <Encoder.h> // Encoder.zip
#include <EEPROM.h>
#include <MsTimer2.h> // MsTimer2.zip
 
  MCP3421 mcp;
  LiquidCrystal lcd(7, 6, 2, 3, 4, 5);// RS,E,D4,D5,D6,D7 подключение LCD
  Encoder myEnc(ENC_CLK, ENC_DT);
  byte x1[8] = {0b11000,0b11000,0b00111,0b01000,0b01000,0b01000,0b00111,0b00000};
  const float u_kall = 1.00223; //  калибровка АЦП
  long dig,newPosition,oldPosition=-999;
  float u,t,u_sum,u0,t_iz,u_iz,tt;
  int i,out,w,set_t,del,w1,inv=0,out_old,t0,rej,reg_t,t_ok;
 // XA K
  const float a[]{0,2.5173462*10,-1.1662878,-1.08336338,-8.9773540/10,-3.7342377/10,-8.6632643/100,-1.0450598/100,-5.1920577/10000};
  const float a1[]{0,2.508355*10,7.860106/100,-2.503131/10,8.315270/100,-1.228034/100,9.804036/10000,-4.413030/100000,1.057734/1000000,-1.052755*pow(10,-8)};
  const float a2[]{-1.318058*100,4.830222*10,-1.646031,5.464731/100,-9.6550715/10000,8.802193/1000000,-3.110810/100000000};
 // XK L
  const float b[]{1.1573067/10000,1.5884573*10,4.0458554/100,0.3170064,0.1666128,5.146958/100,9.5288883/1000,1.0301283/1000,6.0654431/100000,1.5131878/1000000};
  const float b1[]{7.2069422/1000,1.5775525*10,-0.2261183,9.4286756/1000,-3.5394655/10000,1.0050886/100000,-1.9323678/10000000,2.3816891/1000000000,-1.7130654*pow(10,-11),5.4857331*pow(10,-14)};
 
 
void setup(){ 
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();lcd.begin(16, 2);conf_ds1624();mcp.setConfig(3,3);lcd.createChar(0,x1); 
  pinMode(ENC_SW,INPUT);
  pinMode(SET,INPUT_PULLUP); 
  pinMode(T_NULL,INPUT_PULLUP);
  pinMode(INVERT,INPUT_PULLUP); 
  pinMode(OUT_RELE,OUTPUT); 
  pinMode(OUT_NULL,OUTPUT); 
  MsTimer2::set(1, to_Timer);MsTimer2::start();
  lcd.setCursor(0,0);lcd.print("Calibrator");lcd.setCursor(0,1);lcd.print("temperature");
  set_t=EEPROM.read(0);rej=EEPROM.read(1);t0=EEPROM.read(2);t_ok=EEPROM.read(3);
  if(rej>1){rej=0;}if(t0>1){t0=0;}
  digitalWrite(OUT_RELE,LOW);out=0;MCP4725(out);delay(1000);lcd.clear();
}
 
 
void loop(){
 
/////////// SET TERMOPARA  
  if(digitalRead(SET)==LOW&&digitalRead(ENC_SW)==HIGH){set_t++;if(set_t>3){set_t=0;}delay(200);w1=1;EEPROM.update(0,set_t);} 
  if(set_t==0){txa();del=0;}
  if(set_t==1){txa();del=1;}
  if(set_t==2){txk();del=0;}
  if(set_t==3){txk();del=1;} 
  if(w1==1){w1=0;
  if(del==1){pinMode(DEL,OUTPUT);digitalWrite(8,LOW);}
  if(del==0){pinMode(DEL,INPUT);}}
 
///////////// rej
  if(digitalRead(INVERT)==LOW&&digitalRead(ENC_SW)==LOW&&rej==0){rej=1;delay(200);EEPROM.update(1,rej);}  
  if(digitalRead(INVERT)==LOW&&digitalRead(ENC_SW)==LOW&&rej==1){rej=0;delay(200);EEPROM.update(1,rej);} 
 
//////////// T_NULL
  if(digitalRead(T_NULL)==LOW&&tt==0&&digitalRead(ENC_SW)==HIGH){tt=1;out_old=out;out=0;MCP4725(out);delay(200);} 
  if(digitalRead(T_NULL)==LOW&&tt==1&&digitalRead(ENC_SW)==HIGH){tt=0;out=out_old;MCP4725(out);delay(200);} 
 
  if(out==0){digitalWrite(OUT_NULL,HIGH);}else{digitalWrite(OUT_NULL,LOW);}
 
//////////// delete temp
  if(digitalRead(T_NULL)==LOW&&digitalRead(ENC_SW)==LOW&&t0==0){t0=1;delay(200);EEPROM.update(2,t0);}  
  if(digitalRead(T_NULL)==LOW&&digitalRead(ENC_SW)==LOW&&t0==1){t0=0;delay(200);EEPROM.update(2,t0);}  
 
  //////////// okr temp
  if(digitalRead(SET)==LOW&&digitalRead(ENC_SW)==LOW&&reg_t==0){reg_t=1;delay(200);}  
  if(digitalRead(SET)==LOW&&digitalRead(ENC_SW)==LOW&&reg_t==1){reg_t=0;delay(200);}  
 
//////////// INVERT
  if(digitalRead(INVERT)==LOW&&inv==1&&digitalRead(ENC_SW)==HIGH){inv=0;digitalWrite(OUT_RELE,LOW);out=0;MCP4725(out);delay(200);}    
  if(digitalRead(INVERT)==LOW&&inv==0&&digitalRead(ENC_SW)==HIGH){inv=1;digitalWrite(OUT_RELE,HIGH);out=0;MCP4725(out);delay(200);} 
 
/////////// READ T
  i++;
  dig = mcp.readWire();u_iz = dig * 0.256 /131071*u_kall;u_sum=u_sum+u_iz;
  if(i>=10){i=0;u=u_sum/10;u_sum=0;i=0;if(inv==1){u=u-2*u;}}
  Serial.println(t_ok);
  if(t0==0){t=ds1624_Read()+(t_ok-50)/10.00;}else{t=0;}
 
 
/////////// LCD
  lcd.setCursor(0,0);
  if(t_iz==10000){lcd.print("HIGH    ");}
  else if(t_iz==-1000){lcd.print("LOW     ");}
  else{lcd.print(t_iz,1);lcd.write((uint8_t)0);lcd.print("   ");
  lcd.setCursor(7,0);if(tt==1){lcd.print("!");}else{lcd.print(" ");}
  lcd.setCursor(8,0);if(inv==1){lcd.print("*");}else{lcd.print(" ");}}
  lcd.setCursor(10,0);lcd.print(t,1);lcd.write((uint8_t)0);if(reg_t==1){lcd.print("*  ");}else{lcd.print("   ");}
  lcd.setCursor(0,1);
  if(rej==0){lcd.print(u*1000,3);lcd.print("mV  ");}
  if(rej==1&&(set_t==0||set_t==1)){lcd.print(u*1000+t*0.0400,3);lcd.print("mV+ ");}
  if(rej==1&&(set_t==2||set_t==3)){lcd.print(u*1000+t*0.0655,3);lcd.print("mV+ ");}
 
  lcd.setCursor(10,1);if(del==0){lcd.print("H");}else{lcd.print("L");}
  if(set_t==0||set_t==1){lcd.print("-TXA");}
  if(set_t==2||set_t==3){lcd.print("-TXK");}
 
/////////// DAC  
if(tt==0&&reg_t==0){
  if (newPosition != oldPosition && digitalRead(ENC_SW)==HIGH){oldPosition = newPosition;
     out=out+newPosition;myEnc.write(0);newPosition=0;w=1;
     if(out<0){out=0;}if(out>4095){out=4095;}MCP4725(out);}
 
  if (newPosition != oldPosition && digitalRead(ENC_SW)==LOW){oldPosition = newPosition;
     out=out+newPosition*30;myEnc.write(0);newPosition=0;w=1;
     if(out<0){out=0;}if(out>4095){out=4095;}MCP4725(out);}   
}
// MCP4725(4000);
 
if(reg_t==1){
  if (newPosition != oldPosition && digitalRead(ENC_SW)==HIGH){oldPosition = newPosition;
     t_ok=t_ok+newPosition;myEnc.write(0);newPosition=0;w=1;EEPROM.update(3,t_ok);
     if(t_ok<0){t_ok=0;}if(t_ok>100){t_ok=100;}}}
 
  delay(100);
}// loop
 
 
void txa(){u0=u*1000+t*0.0400;// окружающая температура 0.0400 мВ на 1 гр.Цельсия от 0 до 40 гр.Цельсия для TXA(K)
if(u0<0){t_iz=(a[0]*pow(u0,0))+(a[1]*pow(u0,1))+(a[2]*pow(u0,2))+(a[3]*pow(u0,3))+(a[4]*pow(u0,4))+(a[5]*pow(u0,5))+(a[6]*pow(u0,6))+(a[7]*pow(u0,7))+(a[8]*pow(u0,8));}
if(u0>=0&&u0<=20.64){t_iz=(a1[0]*pow(u0,0))+(a1[1]*pow(u0,1))+(a1[2]*pow(u0,2))+(a1[3]*pow(u0,3))+(a1[4]*pow(u0,4))+(a1[5]*pow(u0,5))+(a1[6]*pow(u0,6))+(a1[7]*pow(u0,7))+(a1[8]*pow(u0,8))+(a1[9]*pow(u0,9));}
if(u0>20.64){t_iz=(a2[0]*pow(u0,0))+(a2[1]*pow(u0,1))+(a2[2]*pow(u0,2))+(a2[3]*pow(u0,3))+(a2[4]*pow(u0,4))+(a2[5]*pow(u0,5))+(a2[6]*pow(u0,6));}
if(u*1000<-6.35){t_iz=-1000;} if(u*1000>54.9){t_iz=10000;}}
 
void txk(){u0=u*1000+t*0.0655;// окружающая температура 0.06476 мВ на 1 гр.Цельсия от 0 до 40 гр.Цельсия для TXK(L)
if(u0<0){t_iz=(b[0]*pow(u0,0))+(b[1]*pow(u0,1))+(b[2]*pow(u0,2))+(b[3]*pow(u0,3))+(b[4]*pow(u0,4))+(b[5]*pow(u0,5))+(b[6]*pow(u0,6))+(b[7]*pow(u0,7))+(b[8]*pow(u0,8))+(b[9]*pow(u0,9));}
if(u0>=0){t_iz=(b1[0]*pow(u0,0))+(b1[1]*pow(u0,1))+(b1[2]*pow(u0,2))+(b1[3]*pow(u0,3))+(b1[4]*pow(u0,4))+(b1[5]*pow(u0,5))+(b1[6]*pow(u0,6))+(b1[7]*pow(u0,7))+(b1[8]*pow(u0,8))+(b1[9]*pow(u0,9));}
if(u*1000<-9.49){t_iz=-1000;} if(u*1000>66.47){t_iz=10000;}
}
 
void to_Timer(){newPosition = myEnc.read()/4;}
 
float ds1624_Read(){
  Wire.beginTransmission(ADDR);
  Wire.write(0xAA);
  Wire.requestFrom(ADDR,2);
  while(Wire.available()<2);
  float value = Wire.read() + float(Wire.read()>>4)*0.0625;
  Wire.endTransmission();
  return value;
  }
 
void conf_ds1624(){  
  Wire.beginTransmission(ADDR);
  Wire.write(0xAC);
  Wire.write(0x00);
  Wire.endTransmission();
  delay(100);
  Wire.beginTransmission(ADDR);
  Wire.write(0xEE);
  Wire.endTransmission();
  delay(50);
  }  
 
void MCP4725(int data){  
  byte buffer[3];
  buffer[0] = 0b01000000;
  // data=0;
  // buffer[0] = 0b01100000; // запись в память ЦАП 0 В 
  buffer[1] = data >> 4;              
  buffer[2] = data << 4;
  Wire.beginTransmission(0x60);
  Wire.write(buffer[0]);
  Wire.write(buffer[1]);
  Wire.write(buffer[2]);
  Wire.endTransmission();
  }

Настройка прибора достаточна простая, необходимо провести ряд измерений выходного напряжения на уровне 75 мВ вольтметром класс точности которого не хуже 0,05 %, для калибровки АЦП. Меняя поправочный коэффициент необходимо добиться точности показаний выходного напряжения имитатора не хуже ± 10 мкВ.

const float u_kall = 1.00223; // калибровка АЦП

Форум — http://forum.rcl-radio.ru/viewtopic.php?pid=3060#p3060

Примечание:

• На выходе имитатора сигналов установить конденсатор 2,2 мкФ (не полярный)