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.