Diplomsko delo
Diplomsko delo
Mehatronika
Mentorica FERI: doc. dr. Suzana Uran, univ. dipl. in. el
Mentor FS:
Nina Skube, prof. slov.
Suzani Uran za pomo z nasveti, predlogi in usmeritvami pri
opravljanju diplomskega dela.
Posebna zahvala velja moji druini, ki mi je stala ob strani in
me podpirala pri študiju.
Kljune besede: Avtomatizacija peke, regulacija temperature, krmilnik, Arduino, Weber ar,
uporovni merilnik z negativnim temperaturnim koeficientom (NTK)
UDK: 681.536.5(043.2)
Povzetek
V diplomski nalogi se obravnava konkreten primer izdelave krmilnika, ki regulira temperaturo
v pokritem aru Weber. Krmilnik deluje na mikrokrmilni platformi Arduino Nano. Po opravljenih
testiranjih sta se za najustreznejši temperaturni tipali za merjenje temperature v aru in sredici
mesa izbrala dva razlina uporovna merilnika NTK. Rezultati primerjave med ronim
krmiljenjem temperature in samodejnim reguliranjem temperature so pokazali, da je slednja
zmona znatno natanneje vzdrevati eleno temperaturo, z veliko manjšim odstopanjem
dejanske temperature od elene. V diplomskem delu prikazana razvita oprema se uporablja
kot pripomoek pri peki v zaprtem aru. Prvotni namen izdelka je razbremenitev uporabnika
oziroma dvig njegove produktivnosti.
Key words: Automation of baking, regulation of temperature, controller, Arduino, Weber
grill, resistors with a negative temperature coefficient (NTC)
UDC: 681.536.5(043.2)
Abstract
Graduation thesis discusses an actual example of production of the controller that
regulates a temperature in the Weber covered grill. Controller works at the microcontrollers’
Arduino Nano platform. After I had finished testing, I chose two different NTC resistor meters
for the most adequate temperature sensors for measuring the temperature in the grill and
meat core. The results of the comparison between manual steering of the temperature and
automatic regulation indicated that the last one was able to maintain the desired temperature
significantly more thoroughly with much smaller deviation of the actual temperature from the
desired. The developed equipment shown in the thesis is used as an accessory in a closed grill.
The primary purpose of this product is to relieve the user and increase their productivity.
IV
KAZALO
2.1 Krmiljenje in reguliranje temperature ......................................................................... 5
3 REGULACIJSKI DEL ............................................................................................................... 7
4 STROJNI DEL ........................................................................................................................ 9
4.1 Blokovna shema .............................................................................................................. 12
Arduino Nano .................................................................................................................... 16
Turbinski ventilator ........................................................................................................... 18
Enkoder s tipko za nastavitev elene temperature in asa .............................................. 19
Konno stikalo ................................................................................................................... 19
5.2 Programska koda ............................................................................................................ 27
6 EKSPERIMENTALNI DEL ..................................................................................................... 44
- Termolen K-tip s pretvornikom MAX6675 .................................................................... 47
- Uporovni merilnik NTK 1000K ......................................................................................... 50
- Mesni kuhinjski termometer (uporovni merilnik) .......................................................... 52
7 TESTIRANJE IN REZULTATI ................................................................................................. 56
Roni nain krmiljenja temperature: .................................................................................... 56
Avtomatiziran nain peke: .................................................................................................... 57
V
KAZALO SLIK
Slika 2.1: ar na oglje Weber s sestavnimi deli osnovnega modela ara [22]. .......................... 3
Slika 2.2: Prikaz direktnega (levo) in indirektnega (desno) naina peke [23]. ........................... 4
Slika 2.3: Zgornja loputa za rono krmiljenje temperature. ...................................................... 6
Slika 2.4: Spodnja loputa za rono krmiljenje temperature. ...................................................... 6
Slika 3.1: Regulacijska blokovna shema. .................................................................................... 7
Slika 4.1: Pred vgradnjo ventilatorja in krmilnika je bilo treba izmeriti temperaturo okolice... 9
Slika 4.2: Montaa turbinskega ventilatorja in nosilca za krmilnik. ........................................ 10
Slika 4.3: Izdelan šit za oglje, ki slui tudi kot usmernik zraka. ............................................... 11
Slika 4.4: Vgradnja šita in priprava ariša s posodo z vodo. ................................................. 12
Slika 4.5: Blokovna shema uporabljenih elementov. ............................................................... 13
Slika 4.6: Povezovalni nart. ..................................................................................................... 14
Slika 4.7: Vezje v mikrokrmilniku.............................................................................................. 15
Slika 4.9: Zadnja stran štirivrstinega LCD zaslona ................................................................... 18
Slika 4.10: Turbinski ventilator. ................................................................................................ 18
Slika 4.11: Enkoder s tipko. ...................................................................................................... 19
Slika 4.12: Konno stikalo. ........................................................................................................ 20
Slika 4.13: Tipki za zagon in ustavitev delovanja krmilnika. ..................................................... 20
Slika 4.14: 12 V usmernik. ........................................................................................................ 21
Slika 4.15: Tranzistor IRLZ44N. ................................................................................................. 21
Slika 4.16: Komponente krmilnika............................................................................................ 22
Slika 5.1: Zaglavna datoteka 'enkoder.h' [25]. ......................................................................... 28
Slika 5.2: Zaglavna datoteka 'enkoder.h' – funkcija 'setupEnkoder'. ....................................... 29
Slika 5.3: Zaglavna datoteka 'lcd.h' [19]. .................................................................................. 29
Slika 5.4: Globalne spremenljivke v zaglavni funkciji 'lcd.h'. .................................................... 30
Slika 5.5: Meni glavnega statusa. ............................................................................................. 31
Slika 5.6: Meni za nastavljanje elene temperature. ............................................................... 31
Slika 5.7: Meni za nastavljanje asa peenja. ........................................................................... 31
Slika 5.8: Meni glavnega statusa z nastavljenimi novimi vrednostmi. ..................................... 31
Slika 5.9: Faza peenja – odštevanje asa in zaetek priblievanja eleni temperaturi. ......... 31
Slika 5.10: Zaglavna datoteka 'termistor.h' [7, 20]. ................................................................. 32
Slika 5.11: Zaglavna datoteka 'termistor.h' s funkcijama getT2() in getT2_prvic(). ................. 33
Slika 5.12: Pet glavnih zank v glavnem programu. ................................................................... 34
Slika 5.13: Prikaz zanke 'izmeriVrednost'. ................................................................................ 35
Slika 5.14: Prikaz zanke 'preveriStanjeDelovanja'. ................................................................... 36
Slika 5.15: asovni intervali vklopa in izklopa delovanja turbinskega ventilatorja. ................. 37
Slika 5.16: Preklopni regulator (prvi del). ................................................................................. 39
Slika 5.17: Preklopni regulator (drugi del)................................................................................ 39
Slika 6.1: Prikaz razarevanja oglja. .......................................................................................... 44
Slika 6.2: Umerjanje in preskus lastnosti temperaturnih senzorjev. ....................................... 47
Slika 6.3: Termolen tipa K s pretvornikom MAX6675, povezan na prototipni ploši. ............ 48
Slika 6.4: Uporovni merilnik NTK 1000K. .................................................................................. 51
Slika 6.5: Mesni kuhinjski termometer (uporovni merilnik). ................................................... 52
Slika 7.1: Konan izdelek v uporabi. ......................................................................................... 59
VII
Tabela 4.1: Povezava elementov s pini na Arduino Nano. ....................................................... 15
Tabela 4.2: Tehnine podrobnosti Arduino Nano. ................................................................... 17
Tabela 5.1: Opis asovnega delovanja v posameznih fazah..................................................... 38
Tabela 6.1: Specifikacije termolena tipa K. ............................................................................ 48
VIII
KAZALO GRAFOV
Graf 6.1: Odziv referenne in regulirane vrednosti v odvisnosti od asa. .............................. 45
Graf 6.2: Merjenje odzivnosti termolena tipa K. ................................................................... 49
Graf 6.3: Merjenje odzivnosti uporovnega merilnika NTK 1000K. .......................................... 51
Graf 6.4: Merjenje odzivnosti mesnega kuhinjskega termometra (uporovni merilnik). ........ 53
Graf 6.5: Primerjava odzivnosti obeh uporovnih merilnikov. ................................................. 54
Graf 7.1: Roni nain krmiljenja temperature – najvišja vrednost. ........................................ 56
Graf 7.2: Roni nain krmiljenja temperature – najnija vrednost. ........................................ 57
Graf 7.3: Avtomatiziran nain peke. ........................................................................................ 58
1
1 UVOD
Dandanes ivimo v dobi, kjer nas avtomatizacija spremlja skorajda na vsakem koraku, še
zlasti v proizvodnih procesih in osebni uporabi. Avtomatizacija je oblika samodejne
tehnologije, kjer prisotnost loveka ni potrebna. Vsako delo, ki je avtomatizirano,
razbremeni loveka, kadar je delo brez avtomatizacije preve nevarno ali fizino naporno.
Razlog je lahko tudi znianje cene izdelka ali pa preprosto elja, da bo imel uporabnik ve
prostega asa in eli, da doloena naprava prevzame izvrševalno funkcijo namesto njega.
Prav ta zadnji razlog je bil povod za idejo diplomskega dela.
eleli smo izdelati avtomatizirano napravo, ki bi nadzorovano vzdrevala temperaturo pri
pokritem aru na oglje. S tem bi si olajšali dolgotrajna 'low and slow' peenja. Kot nam e
izraz pove, gre pri 'low and slow' peki za peenje na niji temperaturi. Posledica nije
temperature je daljši as peenja. V praksi veina takšnih nainov peke traja od 3 do 14
ur, lahko pa tudi do 24 ur. Dandanes, v tem hitrem tempu ivljenja, si skoraj ne moramo
vzeti toliko asa za pripravo jedi. Prisotnost uporabnika je nujno potrebna, saj moramo
temperaturo nadzorovati in jo vzdrevati na zahtevani ravni, da doseemo, kar se da
kakovostno peen kos mesa. Vzdrevanje temperature se mora vršiti s im manjšim
odstopanjem od elene temperature. Pri ronem nastavljanju dovoda zraka, ki ga oglje
potrebuje za gorenje na zahtevani temperaturi, lahko pride kljub rednemu spremljanju
temperature do velikih odstopanj dejanske temperature od idealne oz. elene
temperature, kar na koncu zelo vpliva na kakovost peenega mesa.
Ideja, ki smo jo eleli realizirati, je bila, da bi ves zrak, ki ga oglje potrebuje za arjenje na
eleni temperaturi, dovajali s pomojo ventilatorja. Ventilator bi torej opravljal funkcijo
izvršnega lena. Za logiko delovanja smo izdelali krmilnik, katerega jedro je Arduino Nano.
Za merjenje temperature smo uporabili dva temperaturna senzorja, ki bosta krmilniku
pošiljala analogne vrednosti temperature v aru in sredici mesa. Krmilnik nato glede na
temperaturo v aru ustrezno 'reagira' in s tem sproi ustrezen interval vpihovanja oz.
dovoda zraka do oglja.
Ker je avtomatizacija namenjena prehrani, smo morali preveriti tudi zahtevane standarde.
Eden izmed glavnih standardov na tem podroju je standard HACCP [1] (ang. Hazard
Analysis Critical Control Point, kar pomeni analiza tveganja in ugotavljanja kritinih
kontrolnih tok). Ta standard je mednarodna metoda zagotavljanja varne prehrane, ki jo
uvedejo na osnovi narta v štirinajstih korakih. Zraven tega vkljuuje tudi sedem osnovnih
nael. Standard smo preuili in celotno diplomsko delo nartovali tako, da ne bo prišlo do
poveanja tveganja.
2 POKRITI WEBER AR
Weber ari [6] so narejeni iz kvalitetnega ameriškega jekla, ki ga pri 870 °C s posebnim
postopkom prekrijejo s plastjo porcelana, kar mu daje odpornost pred rjo in omogoa
veliko boljši izkoristek toplote. Premer rešetke, ki je površina za peko, znaša 57 cm. Ostale
dimenzije ara so: 99 cm, 57 cm, 65 cm (višina, širina, globina). Med tehnine podrobnosti
ara lahko navedemo tudi e vgrajen termometer na pokrovu.
Slika 2.1: ar na oglje Weber s sestavnimi deli osnovnega modela ara [22].
ar je izdelan tako, da hrano pee pri zaprtem pokrovu, s tem doseemo kroenje vroine.
Posledica tega je enakomerna peka brez plamenov. To pa še zdale ni zagotovilo za dobro
peen kos mesa. Med najpomembnejše informacije pri peki s pokritim arom spadata
temperatura nad rešetko in temperatura v sredici mesa (notranja temperatura), ki daje
podatek o stopnji peenosti.
4
Poznamo dve vrsti peke na aru [2], direktno in indirektno peko. Pri direktni peki je oglje
direktno pod hrano, ki se pee na rešetki. Hrana se pripravlja na hitro, pri visoki
temperaturi. Pri indirektni peki lei aree oglje le na eni strani ali na obeh zunanjih
straneh rešetke, hrana pa lei na predelu rešetke, kjer pod njo ni erjavice. Pri takšnem
nainu peke na aru se meso pee s pomojo vroega zraka, ki nastaja pri gorenju, im dlje
od neposrednega vira toplote. V grobem lahko reemo, da je direktna vroina primernejša
za manjše kose mesa, ki so hitro peeni. Indirektna vroina pa se uporablja za veje kose
mesa, ki se peejo poasi (peenke, pišanec …). Takšne kose lahko peemo tudi do 14 ur.
Prav iz tega razloga smo se odloili, da bomo avtomatizirali peenje, saj lahko temperatura
pri tako dolgi peki in nestalni prisotnosti loveka »pobegne« v nevarno obmoje in s tem
zelo vpliva na kakovost peenega kosa mesa.
Slika 2.2: Prikaz direktnega (levo) in indirektnega (desno) naina peke [23].
V nadaljevanju diplomskega dela bomo za indirektno peko uporabljali izraz poasna peka,
za direktno peko pa izraz hitra peka.
5
Rono krmiljenje temperature zahteva intervalno prisotnost loveka. V primeru, da elimo
temperaturo vzdrevati na doloeni temperaturi z manjšim odstopanjem, moramo biti ob
aru skoraj ves as. Pri daljšem peenju (3–14 ur) je to skoraj nemogoe. Prisotnost
loveka ni dovolj za natanno vzdrevanje temperature, treba je razumeti celoten
postopek od dovoda zraka do tega, kako vpliva zrak na oglje oziramo, kako se oglje odzove
ob prisotnosti zraka.
Pri Webrovih pokritih arih temperaturo krmilimo z dovodom zraka skozi zranike na dnu
in na pokrovu ara. Bolj kot sta zranika odprta, ve zraka pride v ar, vejo temperaturo
lahko erjavica dosee. V primeru, da elimo temperaturo zmanjšati, zapremo zgornjo
loputo. Kadar z ronim krmiljenjem doseemo eleno temperaturo, ki se nam v
opazovanem obdobju npr. 30 min zdi konstantna, se ta ne bo dolgo obdrala. S asoma
bo temperatura zaela padati, saj se oglje z oddajanjem temperature obrablja in s tem
izgublja svojo energijo. Da to nekako prepreimo, dodamo na vsake 3–4 ure nekaj novih
briketov.
Spodnje lopute ne smemo nikoli zapreti za dlje asa, saj bi s tem zadušili oglje. To tehniko
uporabimo samo po koncu peke. S tem, ko zadušimo oglje, ga ohranimo v stanju, kot je
bilo pred vigom in ga lahko uporabimo še za naslednjo peko, e nam oglje e ni oddalo
vse svoje toplotne energije.
e elimo temperaturo poveati, odpremo zgornjo loputo na pokrovu, s tem poveamo
pretok zraka skozi komoro, kjer je oglje. V tem primeru oglje dobi ve zraka, posledino
zane temperatura narašati.
Slika 2.3: Zgornja loputa za rono krmiljenje temperature.
Slika 2.4: Spodnja loputa za rono krmiljenje temperature.
Ideja pri avtomatski regulaciji temperature je bila, da bi bil spodnji zranik na aru
popolnoma zaprt. Ves zrak, ki je potreben za kar se da natanno vzdrevanje temperature,
bi dovajali z ventilatorjem. Glavna izvršilna komponenta avtomatizirane naprave bi bil
ventilator. Predvidevali smo, da bi bil najustreznejši turbinski ventilator, saj ima dovolj
majhno izhodno odprtino, s katero bi bilo mono dovolj natanno nadzirati pretok zraka.
Izbrali smo turbinski ventilator znamke Fugetek, ki za delovanje potrebuje 12 V.
7
3 REGULACIJSKI DEL
Sistem, ki smo ga izdelali, je reguliran. Regulirati elimo eno spremenljivko, takšne procese
imenujemo univariabilni procesi [15]. Pri regulaciji regulirano veliino primerjamo z
eleno, nato pa glede na razliko med eleno in regulirano veliino tvorimo regulirano
veliino tako, da se ta pribliuje eleni vrednosti. Tak sistem tvori zaprto zanko. Pri
zaprtozannih sistemih lahko pride do vnosa razlinih šumov, tako da regulacija nikoli ne
more biti tako tona, kot je meritev. Za zaprtozanne sisteme je znailna relativno hitra
odzivnost sistema, pri tem pa se moramo zavedati, da med vsako meritvijo med dejansko
vrednostjo regulirane veliine in reakcijo glede na eleno vrednost pretee nekaj asa, saj
mora najprej priti do razlike, šele nato se ta razlika lahko popravi. Osnovni sestavni deli
regulacijske zanke so regulator, merilni sistem in izvršni sistem. Regulacijsko zanko si
najlaje predstavljamo s spodaj prikazano regulacijsko blokovno shemo (slika 3.1.).
Slika 3.1: Regulacijska blokovna shema.
eleno temperaturo podamo regulatorju, ki jo vstavi v regulacijski algoritem. Glede na
informacijo povratne zanke regulator pošlje ustrezno izhodno napetost naslednjemu
gradniku regulacijske zanke – izvršnemu lenu.
8
Izvršni len je turbinski ventilator, ki ga s pomojo napetosti vklapljamo in izklapljamo.
Turbinski ventilator je vklopljen in se vrti s konstantno hitrostjo 3500 obr/min, ko je nanj
priklopljena napetost 12 V in skozi ventilator tee nazivni tok 0,30 A. Kadar na turbinski
ventilator ni priklopljena napetost, tedaj se ventilator ne vrti, temve miruje. Vrtenje
ventilatorja ustvarja pretok zraka, ki ga merimo v m3/s, skozi zaree oglje. Pretok zraka iz
turbinskega ventilatorja do areega oglja je zaetek procesa. Z dovodom zraka se oglje
razari. Ve kot pride zraka do oglja, višjo temperaturo bo oglje doseglo in obratno. V
primeru, da komora dlje asa ne dobi zraka, se bo oglje zaelo dušiti. Temperaturo merimo
v aru in v sredici mesa. V aru je temperaturna sonda locirana 1–3 cm nad rešetko.
Temperaturi zraka in mesa v regulacijski zanki predstavljata len 1. reda. Pri procesu v
regulacijski zanki lahko pride do motenj. Pri oglju motnjo predstavljata obraba in koliina
oglja. Z veliko briketi lahko doseemo vejo temperaturo kot z manj briketi. Zaznavanje
koliine oglja ni avtomatizirano, tako da je treba rono dodajati brikete na vsake 3–4 ure.
Velik vpliv na notranjo temperaturo ara ima zunanja temperatura, de, sneg itd. Zgolj za
informacijo se na LCD zaslonu prikazujeta elena temperatura in temperatura mesa.
Informacija o dejanski temperaturi, ki jo izmeri NTK uporovno merilno tipalo, potuje po
povratni zanki do sumacijske toke, ki odšteje dobljeno vrednost. Informacija je podvrena
motnjam na poti do sumacijske toke, takšnim motnjam pravimo motnje v merilnem
sistemu. Sumacijska toka sešteva signal elene temperature in odšteva signal dejanske
temperature. Na tak nain dobimo razliko med eleno in regulirano temperaturo, na
katero regulator ponovno ustrezno, po navodilu programa reagira.
9
Pri izbiri elementov za sestavo krmilnika, senzorjev temperature in izvršnega lena, v
svojem primeru ventilatorja, smo morali biti pozorni na temperaturo okolice, saj je prav
previsoka temperatura lahko tista, ki bi škodovala kateremu elektronskemu elementu. Iz
tega razloga smo pred izbiro elementov izmerili, temperaturo v bliini ara na mestih, kjer
smo si zamislili vgradnjo ventilatorja in poloaj krmilnika. Izmerjeno temperaturo na
izbranih mestih ob notranji temperaturi ara 330 °C po eni uri peke prikazuje naslednja
slika.
Slika 4.1: Pred vgradnjo ventilatorja in krmilnika je bilo treba izmeriti temperaturo
okolice.
Na tem mestu je bila predvidena vgradnja ventilatorja. Temperaturo je bilo treba izmeriti,
saj je ventilator izdelan iz plastike in bi ga lahko previsoka temperatura zaela topiti.
10
Merilna toka T1 je bila na neposredni bliini kotla ara, torej merilec temperature smo
naslonili na kotel. Izmerjena temperatura je znašala 62 °C. Nizka temperatura na merilni
toki T1 je posledica višine merjenja, saj je omenjena temperatura bila merjena pod
arišem, spodaj, kjer se zadruje hladnejši zrak.
Merilna toka T2 je od kotla oddaljena 10 cm in je 30 cm višje kot merilna toka T1. Na
tem mestu je predviden krmilnik. Izmerjena temperatura je znašala 76 °C, kar plastino
ohišje krmilnika prenese brez posledic. Ta meritev nam je dala zelo pomemben podatek o
temperaturi okolice ara, saj smo si predstavljali, da je v okolici ara pri visoki temperaturi
ara višja temperatura, kot se je dejansko izkazalo. S tem smo si olajšali izbiro elementov,
saj skoraj vsi elementi prenesejo najvišjo izmerjeno temperaturo 76 °C. Po pridobljenih
informacijah o temperaturi smo na eleno mesto lahko vgradili ventilator in nosilec za
krmilnik.
11
Ker je avtomatizirana peka primerna za daljše (indirektne) peke, smo morali ar tudi
ustrezno nadgraditi. Pri poasni peki se meso ne pee nad ogljem, ampak zraven oglja.
Znailnost poasne peke je posoda z vodo, ki nam omogoa kuhanje in peenje mesa v
enem. Posoda z vodo in oglje morata biti fizino loena, saj visoka temperatura poškoduje
posodo. Izdelali smo šit iz 2 mm debele ploevine. Šit sega 4 cm ez sredino, kjer je 5 cm
zarobljen navzgor, da se oglje obdri na elenem obmoju in da temperatura ne udarja
neposredno v posodo.
Slika 4.3: Izdelan šit za oglje, ki slui tudi kot usmernik zraka.
Izkazalo se je, da ima šit zraven zašite posode pred visoko temperaturo in obmone
omejitve oglja še eno dobro lastnost. S tem ko pokrijemo ve kot polovico ariša, smo
zmanjšali prostor za uhajanje zraka, tako da gre skoraj ves zrak skozi oglje. Pri ventilatorju
se je hitro izkazalo, da se s pomojo šita laje nadzoruje elen dovod zraka in s tem
posledino eleno spreminjanje temperature, saj ne pride do nenadzorovanega uhajanja
zraka mimo oglja, ki nam ne da elenega uinka.
12
Slika 4.4: Vgradnja šita in priprava ariša s posodo z vodo.
4.1 Blokovna shema
Sistem, ki smo ga teoretino predstavili in izdelali, si najpreglednejše predstavljamo z
blokovno shemo, ki ponazarja celoten funkcionalni pristop brez detajlov krmilnega
sistema. Blokovno shemo smo izdelali v programu yEd Graph Editor.
13
Slika 4.5: Blokovna shema uporabljenih elementov.
Osnova krmilnika je Arduino Nano, ki sprejema in oddaja mnogo signalov bodisi
informacijskih ali elektrinih. Analogna signala, ki ju prejme od temperaturnih senzorjev,
sta prek merilnega pretvornika povezana v mikrokrmilnik. Za merilni pretvornik smo pri
NTK uporovnih merilnih tipalih uporabili proti-upor. V krmilniku imamo še štirivrstini LCD
prikazovalnik, ki nam prikazuje vrednosti izmerjenih in elenih temperatur. eleno
temperaturo in as peke nastavljamo z enkoderjem, s tipko na enkoderju pa izbiramo med
programskimi meniji. Zraven tipke na enkoderju smo uporabili še dve tipki. Za zaetek
peke pritisnemo tipko START. S pritiskom na to tipko se zane odštevati nastavljen as
peke in program zane regulirati nastavljeno temperaturo. Delovanje procesa lahko
ustavimo s tipko 'STOP'. Uporabili smo tudi konno stikalo za zaznavanje odprtosti oz.
zaprtosti pokrova. Ta podatek je pri peki zelo pomemben, saj se dovod zraka v omenjenih
stanjih razlino regulira. Vse informacije, ki jih mikrokrmilnik z omenjenimi elektronskimi
komponentami sprejme in obdela, uporabi za pošiljanje ustreznega signala turbinskemu
ventilatorju, ki vrši nalogo dovoda zraka in s tem spreminjanja temperature.
14
Za napajanje vseh elektrinih porabnikov poskrbi 12 V usmernik. Arduino Nano ima e
tovarniško vgrajen linearni pretvornik za napetost, saj sam za delovanje potrebuje 5 V.
4.2 Izdelava tiskanega vezja
Shemo za vezje smo nartovali v programu CircuitMaker. Ta program je brezplaen in je
namenjen za oblikovanje tiskanih vezij. Imamo tudi monost tridimenzionalnega pogleda
tiskanega vezja.
ELEMENT VHODNI/IZHODNI PIN NA
Turbinski ventilator D6
Tipka stop D7
Tipka start D10
Konno stikalo D8
Tabela 4.1 prikazuje na kateri pin mikrokrmilnika je doloen element priklopljen. Pri tem
'D' pomeni digitalni vhod/izhod, 'A' pa analogni vhod/izhod.
Na podlagi vezja, izdelanega v programu CircuitMaker, smo se lotili fizine izdelave vezja.
Vezje smo izdelali na testnem vezju. To vezje je velikosti 60 x 80 mm in ima obojestransko
monost spajkanja stinih spojev. Na vezju smo za priklop napajanja, turbinskega
ventilatorja, temperaturnih sond, konnega stikala in obeh tipk uporabili PCB vijane
terminal bloke. Izbrali smo vijano prikljuno sponko znamke Phoenix Contact. Na ohišje
krmilnika smo za zgoraj omenjene prikljuke vgradili vgradne konektorje in jih znotraj
krmilnika ustrezno povezali z vijanimi prikljunimi sponkami.
Slika 4.7: Vezje v mikrokrmilniku.
16
4.3 Opis posameznih elektronskih komponent
Vsak element v krmilniku ima tono doloeno funkcijo. Pri izbiri elementov smo bili zelo
pozorni na tehnine lastnosti elementov. Komponente, ki smo jih uporabili na testnem
vezju, so opisane v nadaljevanju:
Arduino Nano
Arduino Nano [8] je elektronsko vezje, ki modularno povezuje Atmelov 8-bitni
mikrokrmilnik z univerzalnim podnojem, USB vmesnikom in linearnim regulatorjem
napetosti. Primeren je za manjše projekte.
Slika 4.8: Arduino Nano.
17
Mikrokrmilnik ATmega328
Arhitektura AVR
Vhodna napetost 7–12 V
Digitalni vhodi/izhodi 22
PŠM izhodi 6
Tea 7 g
LCD I2C 20 x 4 prikazovalnik
Vrednosti elene in dejanske temperature ara in mesa so prikazane na LCD
prikazovalniku. Prenos podatkov se izvaja s pomojo vmesnika komunikacije I2C, ki je
izvedena z namensko Arduino knjinico. Komunikacija poteka po štirih icah, od tega sta
dve ici napajalni, dve pa se uporabljata za povezavo podatkovnih prikljukov SDA in SCL.
Napetost, ki jo potrebuje LCD zaslon za delovanje, je 5 V.
18
Turbinski ventilator
Za izbran turbinski ventilator smo iz izkušenj ocenili, da je najprimernejši med vsemi
oblikami ventilatorjev. Tipina tehniška specifikacija turbinskega ventilatorja [14] je
hitrost vrtenja, pri Fugetek-ovem 12 V DC motorju pri nazivnem toku 0,30 A znaša 3500
obr./min, pri nazivnem toku 0,16 A ima 3000 obr./min, pri nazivnem toku 0,12 A pa dosee
2500 obr./min. Zunanje dimenzije turbinskega ventilatorja so 75 x 75 x 30 mm (dolina,
višina, širina).
Mehanski inkrementalni dajalnik s tipko je elektro-mehanski element, s katerim beremo
smer in korak pozicije, kamor smo zavrteli sam enkoder. Deluje na principu 90
stopinjskega faznega zamika med izhodom A in B, ki imata dvostopenjski stopnini odziv.
Element deluje z napajalno napetostjo 5 V. Izhoda A in B sta digitalna med 0 in 5 V.
Enkoder ima tudi vgrajeno tipko, ki je neodvisno vezana od A in B izhoda. Tipka nam
skelene oz. razklene svojo lastno signalno vejo. Z enkoderjem izbiramo vrednosti v drugem
in tretjem programskem meniju, s tipko na enkoderju pa potrdimo nastavljeno vrednost
in preklapljamo med programskimi meniji.
Slika 4.11: Enkoder s tipko.
Konno stikalo
Za zaznavanje odpiranja pokrova na aru smo uporabili Omron-ovo mikro konno stikalo.
Stikalo je namenjeno za visoke napetosti in tokove v industrijskem okolju, tako da ve kot
zadoša za moje potrebe. Maksimalna obremenitev mikro stikala je 230 V/10,1 A.
Zaznavanje odprtosti pokrova je zelo pomemben faktor pri peki, saj v trenutku brez
pokrova temperatura v aru znatno pade, kar temperaturni senzorji hitro zaznajo in to
informacijo pošljejo regulatorju. Turbinski ventilator zane posledino na polno pihati, s
tem oglje preve razgori in temperatura preve naraste.
20
Tipka
Tipki smo uporabili za zagon in zaustavitev delovanja programa peenja. Narejeni sta iz
nerjaveega materiala, kar je zelo pomembno glede na okolišine delovanja.
Slika 4.13: Tipki za zagon in ustavitev delovanja krmilnika.
Usmernik
Za napajanje turbinskega ventilatorja in vezja smo uporabili 12 V usmernik z maksimalno
tokovno obremenitvijo 10 A.
Tranzistor
Uporabljeni tranzistor IRLZ44N [12] se uporablja za vklop in izklop delovanja turbinskega
ventilatorja. Uporabili smo ga zaradi izpolnjevanja vseh zahtev. Najveja dovoljena
napetost porabnika, ki je priklopljen na tranzistor, znaša 55 V (vezan na D – drain).
Notranja upornost tranzistorja je zanemarljiva, saj znaša komaj 0,022 Ω. Tok skozi
porabnik Drain in Source je 47 A, kar je v primerjavi z našim tokom skozi ventilator veliko
ve. Vklopna napetost skozi G – Gate pri omenjenem tranzistorju je namensko zelo nizka,
namenjena posebej za izhodne napetosti na mikrokrmilnikih.
Slika 4.15: Tranzistor IRLZ44N.
4.4 Izdelava krmilnika
Krmilnik je sestavljen iz zgoraj opisanih elektronskih elementov. Kako so med seboj
povezani in razporejeni v krmilniku, prikazuje naslednja fotografija.
Slika 4.16: Komponente krmilnika.
Elektronske komponente smo logino razporedili po krmilniku. Na spodnjem delu ohišja
za krmilnik smo z navojno palico fiksirali vezje. Ob straneh pa pritrdili vgradne konektorje
za temperaturni tipali, konno stikalo, napajanje in turbinski ventilator. Pri zgornjem delu
ohišja krmilnika smo imeli nekoliko ve dela, saj smo morali z vbodno ago natanno
izrezati odprtino za LCD zaslon in zvrtati luknje za dve tipki ter enkoder. Za povezavo med
elektronskimi komponentami smo uporabili tanke telefonske ike in 'jumper' ice, razen
v primeru priklopa turbinskega ventilatorja in priklopa napajanja, kjer smo uporabili
bakreno ico 0,75 mm2.
Slika 4.17: Krmilnik.
Krmilnik ni primeren za uporabo, kjer je prisotna vlaga ali voda, saj ima ohišje ob straneh
ree. Na mestu, kjer je nosilec za krmilnik, voda in vlaga ne bi smeli biti prisotni, razen v
primeru, da nas 'preseneti' vreme z dejem. V tem primeru moramo krmilnik prekriti npr.
s folijo.
25
5.1 Osnovne funkcije in konstante
Funkcije in konstante, ki smo jih uporabili pri programiranju ukazov in funkcij, so na kratko
opisane v nadaljevanju.
HIGH: [13] predstavlja maksimalno vrednost napetosti na digitalnem prikljuku. Pri branju
napetosti zavzame to vrednost, kadar je prikljuek pod napetostjo 3 V ali ve. e
nastavimo to konstanto kot vrednost izhoda na digitalnem prikljuku, pa bo ta oddajal
maksimalno napetost, na primer 5 V.
LOW: [13] predstavlja nielno vrednost napetosti na digitalnem prikljuku. Pri branju
napetosti vrne to vrednost, kadar je napetost prikljuka na 1,5 V ali manj. Kadar je
prikljuek nastavljen kot izhod in mu nastavimo vrednost LOW, bo ta deloval pri napetosti
0 V.
INPUT_PULLUP: predstavlja nain delovanja vhodno-izhodnega prikljuka. e mu pri
konfiguraciji doloimo to vrednost, bo imel vkljuen interni upor za dvig nivoja.
Osnovne funkcije, ki smo jih uporabili[4]:
PinMode: sprejme dva parametra – številko prikljuka ter nain delovanja. Namenjen je
konfiguraciji prikljukov, da definiramo, kako bo doloen prikljuek deloval. Deluje lahko
kot vhod (INPUT), izhod (OUTPUT) ali kot upor za dvig nivoja (INPUT_PULLUP).
DigitalWrite: sprejme dva parametra – številko prikljuka in booleanovo vrednost (0,1), ki
jo elimo nastaviti na izhod. Nastavimo lahko dve vrednosti – maksimalno napetost (HIGH)
in nielno napetost (LOW).
DigitalRead: sprejme booleanovo vrednost (0,1) za številko prikljuka. Prebere vrednost
napetosti prikljuka ter vrne vrednost LOW ali HIGH glede na jakost napetosti.
AnalogRead: sprejme parameter za številko prikljuka. Prebere vrednost napetosti
analognega prikljuka. Vrednost, ki jo vrne, je 10 bitna in predstavlja interval od 0 do 1023.
Pri emer 0 pomeni 0 V in 1023 maksimalno napetost 5 V. Ta interval je treba pretvoriti v
napetost, kar najlaje storimo z uporabo funkcije map.
Millis: vrne število milisekund od takrat, ko smo Arduino modul vkljuili ali ga resetirali.
Vrednost se bo vrnila nazaj na nilo po priblino 50 dnevih neprekinjenega delovanja.
Delay: sprejme parameter za število milisekund. Pavzira delovanje programa glede na to
vrednost in se šele nato prine izvajati naslednja vrstica programa.
Map [21]: sprejme pet parametrov – vrednost, minimalna vrednost, maksimalna
vrednost, eleni zaetek intervala, eleni konec intervala. Namenjena je pretvarjanju
vrednosti iz enega intervala v drugega. Na primer, e elimo vrednost iz intervala [0, 1023]
pretvoriti v vrednost znotraj intervala.
27
5.2 Programska koda
Pred zaetkom programa vkljuimo zaglavne datoteke (s konnico '.h'). V teh imamo
vkljuene knjinice, spremenljivke in funkcije, ki jih bomo kasneje klicali z glavnega
programa.
Pri zaglavni datoteki 'enkoder.h' [25] imamo definirana A in B vhoda mehanskega
inkrementalnega enkoderja ter njegovo tipko, ki se sproi s pritiskom na enkoder.
Shranjene imamo spremenljivke za beleenje stanj vhodov enkoderja in pozicijo števca
enkoderja. Tukaj imamo funkcijo 'ISR_ENC', ki je prekinitvena rutina, ki se klie ob tono
doloenih pogojih. V njej se prebereta oba vhoda z enkoderja in prerauna se smer
premika števca pozicije enkoderja.
Slika 5.1: Zaglavna datoteka 'enkoder.h' [25].
Nije v zaglavni datoteki imamo funkcijo 'setupEnkoder', s katero v glavnem programu
kliemo inicializacijo vhodov, vezanje prekinitve pina 'ENC_1' na funkcijo 'ISR_ENC' (da se
ob spremembi stanja (ON/OFF) omenjenega pina zaene prekinitvena funkcija) ter
beleenje prvotnega stanja obeh vhodov ob prvem zagonu.
29
Slika 5.2: Zaglavna datoteka 'enkoder.h' – funkcija 'setupEnkoder'.
Pri zaglavni datoteki 'lcd.h', ki nam vkljui knjinico za naš LCD zaslon [19], nastavimo
parametre LCD zaslona in vkljuimo 'Wire.h' knjinico za I2 C komunikacijo. Ta knjinica se
uporablja za pošiljanje podatkov za izpis na LCD. Takoj za vkljuitvijo knjinic imamo
inicializacijo spremenljivke, ki nam ustvari znak za stopinje '°'. Nije imamo funkcijo
'setupLCD', s katero v glavnem programu kliemo inicializacijo LCD zaslona in njegovih
parametrov.
Slika 5.3: Zaglavna datoteka 'lcd.h' [19].
Pod tem imamo globalne spremenljivke, ki jih bomo v veini uporabljali za shranjevanje
vrednosti, preraune, shranjevanje stanj, tekstovnih zapisov asa (npr. '00:00:00') in za
shranjevanje asov za naše asovnike, s katerimi sinhroniziramo pravilno posodabljanje
vrednosti/prikazov/funkcij.
30
Slika 5.4: Globalne spremenljivke v zaglavni funkciji 'lcd.h'.
Sledi funkcija 'printLCD', ki zahteva osnovna stanja in vrednosti z glavnega programa, do
katerega zaglavna datoteka ne more dostopati. S to funkcijo doloamo, kaj in kdaj se izpiše
na LCD zaslonu. V našem primeru se LCD zaslon posodobi na vsako sekundo ali na klik
enkoderja ali na zaznano spremembo števca enkoderja (zazna vrtenje), kar nam omogoa
bolj gladek odziv za uporabnika. Vsaki, ko je katerikoli od teh pogojev aktiven, se nastavi
trenutni as (v ms) na enak as, kot je bil nazadnje zabeleen (po zadnji posodobitvi). Ko
se izvede posodobitev LCD zaslona, preverimo, v katerem meniju smo. Med meniji
izbiramo s kliki na enkoder. Odvisno od izbranega menija se nam nastavi monost
spremembe vrednosti v danem meniju. Meniji so trije: meni glavnega statusa, meni za
nastavljanje elene temperature peenja in meni za nastavljanje asa peenja. Vrednosti
se nastavljajo z vrtenjem enkoderja in se ob pritisku tipke na enkoderju nastavijo.
Istoasno nas program prestavi v naslednji meni.
31
Slika 5.6: Meni za nastavljanje elene temperature.
Slika 5.7: Meni za nastavljanje asa peenja.
Slika 5.8: Meni glavnega statusa z nastavljenimi novimi vrednostmi.
Slika 5.9: Faza peenja – odštevanje asa in zaetek priblievanja eleni temperaturi.
32
Zadnja zaglavna datoteka je 'termistor.h'. Na zaetku so definirani vhodni analogni pini za
T1 in T2, vrednosti eksponentnih filtrov [20] za vsako temperaturno sondo ter parametri,
ki so zahtevani, da preraunamo temperaturo temperaturnih tipal s Steinhartovo
pretvorbo [24]. Imamo dve glavni razlini funkciji: 'getTx', kjer se prebere analogna
vrednost in se nato po Steinhartovi metodi [7] prerauna v °C, ter 'getTx_prvic', kjer se
prebere analogna vrednost in se pretvori in shrani v obstojeo spremenljivko kot dodatek
z eksponentnim filtrom. Ta filter nam omogoa bolj gladke odzive. S parametrom 0.02
nam to predstavlja 2 % nove vrednosti in 98 % stare vrednosti, tako, da se gledano na en
cikel spremeni zelo malo. Cikli za merjenje temperature se zelo pogosto ponavljajo (ve
100 x na sekundo), tako, da je zakasnitev pri odzivih zanemarljiva.
Slika 5.10: Zaglavna datoteka 'termistor.h' [7, 20].
33
V glavnem programu naprej vkljuimo vse zaglavne datoteke, nato nastavimo globalne
spremenljivke (stanja, števci, asovniki) in definiramo vhode ter izhode. Za vhode in
izhode še definiramo funkcije, ki nam kasneje poenostavijo branje in nastavljanje
vrednosti. V 'setup' zanki se ob zagonu enkrat pred 'loop' zanko inicializira komunikacija
za raunalnikom (USB serial 9600 bitov na sekundo hitrosti), nastavimo vhode/izhode,
kliemo funkcije iz zaglavnih datotek za inicializacijo parametrov in funkcij ter prvi
oditamo vrednosti temperatur z 'getTx_prvic'. V glavnem programu 'loop', ki se
neskonno ponavlja, kliemo 5 glavnih zank:
34
- 'IzmeriVrednost' – zajamemo vse glavne vrednosti, kot so pozicija enkoderja v trenutni
zanki, posodabljanje nove vrednosti temperatur (z eksponentnim filtrom), raunanje
razlike med dejansko in eleno vrednostjo, beleenje nastavljenega asa peenja,
preverjanje stanja peenja in klika enkoderja.
35
- 'PreveriStanjeDelovanja' – preveri, e se trenutno pee. V primeru, da peemo,
preverimo, kakšna je razlika temperature med dejansko in eleno temperaturo. Odvisno
od razlike temperature nastavimo pravilno fazo delovanja krmiljenja temperature.
36
- 'NastavljanjeIzhodov' – funkcija 'nastavljanje izhodov' predstavlja izvedbo preklopnega
regulatorja temperature oz. peenja. Dolina peenja je doloena s asom peenja. as
peenja se zmanjša za eno sekundo po vsaki preteeni sekundi peenja. Ko se nastavljen
as peenja iztee ali se rono proi tipka 'STOP', se delovanje oz. peenje izklopi. Med
peenjem preklopni regulator regulira temperaturo peenja v odvisnosti od razlike med
eleno in dejansko temperaturo, tako da vklaplja in izklaplja delovanje turbinskega
ventilatorja v doloenih asovnih intervalih (glej sliko 5.15).
37
Slika 5.15: asovni intervali vklopa in izklopa delovanja turbinskega ventilatorja.
asa vklopa in izklopa turbinskega ventilatorja sta doloena s fazo peenja, kot je opisano
v nadaljevanju.
Faze peenja so doloene glede na trenutno razliko temperature. Glede na razliko
temperature se z loginimi opravili doloi, kako dolgi so cikli delovanja in akanja
turbinskega ventilatorja pri izklopljenem stanju. e je temperatura prenizka, nam bo
turbinski ventilator deloval neprestano (v primeru peenja). V kolikor je dejanska
temperatura višja od elene temperature, se bo ventilator izklopil in poakal, da pade
temperatura za toliko, da proi prehod na nijo fazo. Pomembno vlogo igrajo vmesne 3
faze. Glede na to, kako blizu elene vrednosti smo, se doloi višina stopnje faze, kar v
našem primeru vpliva na as vklopa in izklopa delovanja. Bolj, kot je temperatura blije
eleni, tem krajši in hitrejši so intervali vpihovanja zraka, saj bi v nasprotnem primeru
presegli eleno temperaturo. asovni prikaz vklopov in izklopov turbinskega ventilatorja
nazorno prikazuje tabela 5.1.
ŠT. FAZE POGOJ AS VKLOPA
VENTILATORJA
50 °C
/
< 20 °C
< 3 °C
< 3 °C
vsaj 3 °C ali ve od elene
/ Dokler se temp.
ne priblia na
elene
39
40
Slika 5.18: Preklopni regulator (tretji del).
- 'SerialIzpis' – po serijskem monitorju lahko beremo podatke, ki jih Arduino modul pošlje
s serijsko povezavo prek USB prikljuka, tako lahko na dan interval izpisujemo podatke na
raunalnik.
- 'PrintLCD' – kliemo zaglavno funkcijo z vnesenimi vhodnimi vrednostmi funkcije.
Vhodne vrednosti v funkciji so stanja delovanja in izmerjene temperature ter asi. Funkcija
za izpis vrednosti je bila dana v zaglavno datoteko, saj smo pri tem naredili veliko bolj
pregledno glavno okno, kjer se naš program izvaja in dela odloitve. Ker je naša funkcija
definirana v zaglavni funkciji, ji moramo podati vhodne vrednosti pri klicu, saj v funkciji
nimamo monosti dostopa do naših glavnih spremenljivk. V funkciji sprva preverimo, e
je as, da se vrednosti na LCD prikazovalniku posodobijo. as nazadnje klicanega intervala
se zaasno sešteje z našo vrednostjo intervala in primerja s trenutnim asom 'millis()' [18]
ter preveri, e je trenutni as presegel elen as naslednjega proenja. V sami funkciji
vhodne podatke shranimo v globalne spremenljivke svoje zaglavne datoteke, za kasnejše
potrebe. Glede na dane vhodne podatke se doloi, kateri meni je izbran, kakšne so
vrednosti spremenljivk temperatur in asov ter jih ustrezno prikae na danem meniju.
41
Poleg prikazovanja se še v tej funkciji preverja, za koliko smo zavrteli enkoder, e smo pri
izbiri novih elenih vrednosti. Zaradi monosti, ki nam jo da programski jezik, lahko z
glavnega programa dostopamo do globalnih spremenljivk, ki so definirane v zunanji
zaglavni datoteki. S tem lahko preverjamo novo nastavljene elene vrednosti v glavnem
programu. Te vrednosti nastavljamo z enkoderjem v LCD menijih.
42
43
44
6 EKSPERIMENTALNI DEL
Pri eksperimentalnem delu smo merili zaetni odziv dejanske temperature glede na
eleno temperaturo, testirali temperaturne senzorje, jih umerjali ter preskušali zahtevane
lastnosti.
Za razumevanje zaetnega odziva dejanske temperature glede na eleno temperaturo
moramo poznati nain razarevanja oglja. Postopek razarevanja oglja se zane tako, da
nasujemo primerno koliino oglja v poseben tulec, nato v aru na rešetko za oglje
zakurimo hitro gorljivo kocko in na njo poloimo tulec z ogljem. Po 15–20 min oglje razari,
tako da ga iz tulca lociramo na spodnjo rešetko v aru.
Slika 6.1: Prikaz razarevanja oglja.
Za tem se zane reguliranje temperature, ki v veini primerov na zaetku dosee višjo
temperaturo od elene, tako, da je treba oglje dušiti.
45
Zaetni odziv referenne vrednosti, kar v našem primeru predstavlja elena temperatura,
in regulirane vrednosti, ki jo predstavlja dejanska temperatura, nazorno prikazuje graf 6.1.
Graf 6.1: Odziv referenne in regulirane vrednosti v odvisnosti od asa.
V nadaljevanju je bilo najve testiranja pri temperaturnih senzorjih. Primerjali smo tri
razline senzorje, da bi ugotovili, kateri je najustreznejši z ozirom na okolišine (vroina,
vlaga, natannost, ponovljivost, hitrost padanja in narašanja temperature). Obstaja
veliko temperaturnih senzorjev, a pri nas nismo uspeli najti nizkocenovnih temperaturnih
senzorjev, ki bi jih lahko uporabili za potrebe diplomske naloge, zato smo jih nabavili prek
ebaya.com. Senzorji, ki smo jih primerjali, so bili:
- termolen K-tip s pretvornikom MAX6675,
- uporovni merilnik NTK 1000K,
46
Termoelementi oz. termoleni [3] so eni izmed najbolj razširjenih senzorjev za merjenje
temperature. Temeljijo na Seebeckovem pojavu, torej je izmerjena napetost na
termolenu sorazmerna z razliko temperature med merilnim in primerjalnim mestom. Za
doloitev temperature na merilnem mestu moramo poznati temperaturo primerjalnega
mesta. Za testiranje smo med drugimi uporabili tudi standarden termolen tipa K. Tak
termolen sestavljata prevodnika iz zlitine kroma in niklja v tono predpisanem razmerju,
drugi prevodnik pa je isti nikelj. Termolen tipa K omogoa tona in stabilna merjenja.
Obutljivost je nekoliko manjša kot pri termolenih iz neplemenitih kovin. Karakteristika
ima zadovoljiv linearen potek, tako da linearizacija v mnogih primerih ni potrebna.
Uporaba standardnih termolenov je preprosta, saj je pri njih natanko doloena statina
karakteristika termolena. Standardne termolene lahko med seboj tudi izmenjamo,
neodvisno od proizvajalca. Kalibracija pri standardnih termolenih ni potrebna, razen v
primeru zelo natanne izvedbe ali dodatnih prilagoditev. Temperaturno podroje
termolena tipa K je od 270 °C do 1370 °C, kar ga glede na velikost merilnega obmoja
uvrša na prvo mesto med vsemi termoleni iz neplemenitih kovin. Za termolen, ki smo
ga uporabili, ni bilo treba izdelovati ali raunati prilagoditvenega vezja, saj je bilo e rešeno
s pretvornikom MAX6675, ki je imel vgrajen ojaevalnik in poskrbel za linearizacijo
izhodne vrednosti.
Preostala dva temperaturna senzorja, ki smo ju testirali sta spadala v skupino
polprevodniških uporovnih tipal iz materiala z negativnim temperaturnim koeficientom
(NTK). Temperaturno podroje uporovnih tipal NTK [3] je od 100 °C do 400 °C.
Najpogosteje jih uporabljamo v temperaturnem podroju do 250 °C. Majhna sprememba
temperature ima tako velik vpliv na lastno upornost, da ne potrebujemo dodatnega
ojaevalnika. Karakteristika uporovnih tipal NTK je mono nelinearna. e elimo
karakteristiko nekoliko bolj linearizirati, moramo zaporedno z uporom NTK vezati
temperaturno neodvisen upor. S tem doseemo nekoliko vejo linearizacijo karakteristike
v ojem ali celo širšem temperaturnem podroju. Karakteristiko lahko popolnoma
lineariziramo s pomojo Steinhartove enabe, pod pogojem, da imamo tono izmerjene
vrednosti komponent (proti-upor, tipalo NTK in vir napetosti). Posledica linearizacije
karakteristike je izguba obutljivosti. Tipala NTK umetno staramo, s tem doseemo
asovno stabilizacijo, kar nam omogoa zamenljivost tipal NTK.
47
6.1 Umerjanje in preskus zahtevanih lastnosti temperaturnih senzorjev
e smo eleli zagotoviti ustrezen temperaturni senzor, smo morali vedeti, kakšni so pogoji,
kjer jih bomo uporabljali. Izposodili smo si profesionalno temperaturno merilno napravo
Maverick ET-733, s katero smo izmerili, da temperature v pokritem aru v asu
nastavljanja temperature in v asu peke doseejo najve do 350 °C. Lahko doseejo tudi
višjo temperaturo, a to pri kontrolirani peki ni v praksi. S tem smo dobili prvo zahtevo –
temperaturni senzor mora prenesti temperaturo vsaj do 350 °C. Povpreen temperaturni
razpon v aru pri dolgem poasnem nainu peke je 75–180 °C. Zaradi pokritega sistema in
posode z vodo pri poasni peki je v peni komori precej vlage, na katero mora biti senzor
odporen. Natannost bi zadostovala e v obmoju ± 2 °C. Veliko bolj pomembni lastnosti
temperaturnega senzorja sta dobra ponovljivost in hitrost padanja oz. narašanja
temperature. Prevelika zakasnitev za dejansko temperaturo ne pride v poštev.
Slika 6.2: Umerjanje in preskus lastnosti temperaturnih senzorjev.
- Termolen K-tip s pretvornikom MAX6675
MAX6675 [9] [10] je analogno-digitalni pretvornik za termolene tipa K s kompenzacijo
hladnega spoja. Analogno vrednost oditava oz. pretvarja z 12-bitno resolucijo prek SPITM
komunikacije. Obmoje merjenja je 0–1024 °C, z natannostjo merjenja temperature ±
0,25 °C.
Napajalna napetost 3,3 do 5 V DC
Obratovalni tok Okoli 50mA
Natannost merjenja ± 0,25 °C
Slika 6.3: Termolen tipa K s pretvornikom MAX6675, povezan na prototipni ploši.
Kot smo predhodno omenili, je termolen tipa K s pretvornikom MAX6675 e imel rešeno
pretvorbo na krmilniku s pomojo knjinice v Arduino programskem okolju z imenom
'MAX6675 library' [11]. Po konanem povezovanju elektrinega in programskega dela je
sledilo merjenje asovnega odziva.
49
Potreba po odzivnosti je bila relativno velika, saj se med peko dogajajo hitre spremembe
temperature, ki jih temperaturno tipalo mora imprej zaznati (odpiranje pokrova).
Pri eksperimentalnem delu smo temperaturno tipalo zagreli vsaj na 300 °C in merili as, ki
ga je temperaturno tipalo potrebovalo, da se je ohladilo na 100 °C in 60 °C. V Arduino
programu smo napisali programsko kodo, ki je na programski monitor izrisovala graf
padanja temperature v odvisnosti od asa.
Rezultati prve meritve so naslednji:
- as, potreben za padec temperature iz 300 °C na 100 °C, je 4 minute in 15 sekund. Medij
ohlajanja je zrak sobne temperature.
- as, potreben za padec temperature iz 100 °C na 60 °C, je 5 minut in 24 sekund. Medij
ohlajanja je zrak sobne temperature.
Graf 6.2: Merjenje odzivnosti termolena tipa K.
50
Ugotovili smo, da je termolen tipa K s pretvornikom MAX6675 zelo natanen. Z njim lahko
merimo celotno obmoje, ki ga doseemo z arom, vendar se je temperaturna sonda s
testi na temperaturne spremembe izkazala kot zelo neodzivna. Da je temperatura padla
iz 300 °C na 60 °C pri sobni temperaturi 26 °C, je termolen tipa K potreboval 9 min in 39
sekund, kar je bistveno predolgo. Menimo, da se razlog skriva v konstrukciji senzorja, saj
gre za debelejšo kovino in ko se ta kovina zagreje, potrebuje zelo dolgo, da se ohladi. Tak
senzor ne pride v poštev, saj potrebuje preve asa, da se prilagodi okolici.
- Uporovni merilnik NTK 1000K
Pri obeh termistorjih oz. polprevodniških uporovnih merilnikih NTK je bila potrebna
kalibracija, ki smo jo fizino opravili s pravilno izbiro proti-upora, nato smi jo še
programsko linearizirali s pomojo Steinhartovih enab. Pri programskem delu smo za
pretvorbo Steinhartove metode uporabili primer rešene programske kode [7].
Kalibracijska upornost v vodi je pri 26 °C znašala 1 MΩ. Za doloitev velikost proti-upora
smo merilno tipalo segreli na 130 °C in izmerili upornost skozi merilno tipalo. Pri tej
temperaturi smo izmerili priblino 68 kΩ, kar je bila referenca za proti-upor. Temperatura
130 °C je priblino na sredini temperaturnega obmoja peke na aru, zato smo na tej
temperaturi doloili vrednost proti-upora, saj smo s tem dosegli najboljšo resolucijo v tem
ojem temperaturnem obmoju. S takšnim proti-uporom naša analogna vrednost med 0
in 1023 (10-bitni analogni vhod) dosee enakomerno razporeditev v obmoju 130 °C. Za
umerjanje smo uporabili profesionalni merilni inštrument Maverick ET-733 za merjenje
temperature. Kalibracija je potekala v vodi, tako da je bila temperaturna razlika med
tipaloma im manjša.
Slika 6.4: Uporovni merilnik NTK 1000K.
Tudi pri tem temperaturnem tipalu smo izmerili odzivnost. Rezultati meritve so naslednji:
- as, potreben za padec temperature iz 300 °C na 100 °C, je 1 minuta in 6 sekund. Medij
ohlajanja je zrak sobne temperature.
- as, potreben za padec temperature iz 100 °C na 60 °C, je 52 sekund. Medij ohlajanja je
zrak sobne temperature.
52
Graf 6.3 prikazuje padanje temperature uporovnega merilnika NTK 1000K iz 300 °C na 60
°C. as, ki ga je temperaturno tipalo potrebovalo za spust 240 °C, je znašal 1 minuto in 58
sekund. Takšna odzivnost e zadostuje našim potrebam peke na aru. Ugotovili smo, da
ima boljšo odzivnost kot termolen tipa K. Z njim lahko merimo celotno obmoje
temperature, ki jo lahko doseemo v aru.
- Mesni kuhinjski termometer (uporovni merilnik)
Tudi mesni kuhinjski termometer je uporovni merilnik, zato je umerjanje potekalo na enak
nain kot pri uporovnem merilniku NTK 1000K. Ponovili smo torej postopek z enakimi
pogoji. Upornost pri 130 °C je znašala 800 kΩ, kar je bila tudi vrednost proti-upora.
Slika 6.5: Mesni kuhinjski termometer (uporovni merilnik).
Pri merjenju odzivnosti smo dobili naslednje podatke:
- as, potreben za padec temperature iz 300 °C na 100 °C, je 38 sekund. Medij ohlajanja
je zrak sobne temperature.
- as, potreben za padec temperature iz 100 °C na 60 °C, je 3 minute in 7 sekund. Medij
ohlajanja je zrak sobne temperature.
53
Graf 6.4: Merjenje odzivnosti mesnega kuhinjskega termometra (uporovni merilnik).
Podatek, da je temperatura padla iz 300 °C na 100 °C v zgolj 38-ih sekundah, nam pove,
da je ta senzor zelo odziven. Takšna odzivnost je ve kot dovolj primerna za naše potrebe.
Tudi s tem temperaturnim senzorjem lahko merimo celotno temperaturno obmoje, ki ga
doseemo z arom.
Preizkušali smo torej tri razline senzorje za merjenje temperature in izbrali dva, ki sta se
po ve razlinih testiranjih izkazala kot najbolj zanesljiva in sta hkrati zagotavljala najboljšo
ponovljivost meritev. Oba izbrana senzorja sta polprevodniški uporovni merilni tipali NTK
(termistorja).
Pri preskusu hitrosti narašanja temperature smo postopek izvedli tako, da smo skupaj
sklenili obe izbrani temperaturni sondi in referenni merilni inštrument Maverick ET-733
za merjenje temperature. Segrevali smo jih tako dolgo, dokler referenni merilni
inštrument ni pokazal vrednosti 325 °C. Mesni kuhinjski termometer je pokazal 2 °C manj,
medtem ko se je tipalo NTK 1000K ustavilo pri 213 °C.
54
Graf 6.5: Primerjava odzivnosti obeh uporovnih merilnikov.
Zgornji graf prikazuje segrevanje in ohlajanje tipal NTK s plinskim vigalnikom od 26 °C do
325 °C in ohlajanja do sobne temperature. Medij ohlajanja je bil zrak. Glede na okolišine
testiranja meritev odzivov sta oba temperaturna senzorja sprejemljiva, saj smo tipali
ogrevali le nekaj sekund. Pri tem lahko upoštevamo pogrešek loveškega faktorja zaradi
ronega segrevanja tipal. NTK 1000K v tem kratkem asu ni doseglo podobne najvišje
temperature, kot sta jo zaznala referenni temperaturni inštrument Maverick ET-733 in
mesna uporovna temperaturna sonda.
Iz eksperimentalnega dela temperaturnih senzorjev lahko ugotovimo:
- vsi senzorji dosegajo zahtevano natannost (+- 2 °C);
- asovna konstanta termistorjev NTK je manjša kot pri termolenu K-tip (odzivnost
termistorjev NTK je boljša);
- cena senzorja vpliva na obmoje merjenja, natannost, odzivnost in odpornost …
a v našem primeru zadostujejo e senzorji temperature iz nijega cenovnega
razreda.
56
Da smo lahko pridobili podatke odstopanja dejanske temperature od elene temperature
v obeh nainih reguliranja, rono in avtomatsko, smo v Arduino programskem okolju
sprogramirali temperaturni senzor s prikazom dejanske in elene vrednosti na LCD
zaslonu. Na raunalniku smo lahko spremljali tudi graf omenjenih veliin. Zaslonski
posnetki grafov so predstavljeni spodaj.
Roni nain krmiljenja temperature:
57
Grafa (7.1 in 7.2) prikazujeta spreminjanje dejanske temperature, ki jo predstavlja modra
rta, glede na eleno temperaturo pri ronem nainu regulacije temperature. elena
temperatura v našem primeru znaša 200 °C in jo na grafu prikazuje rdea rta. Odstopanje
dejanske temperature od elene je preveliko za kakovostno peen kos mesa, saj naj bi tam
maksimalno odstopanje znašalo ± 10 °C, pri nekaterih zahtevnejših receptih pa ± 5 °C.
Spremljali smo graf, ki ga je izrisoval Arduinov monitor. Program je v asu 4-urne peke v
nekem trenutku zabeleil najvišjo temperaturo 220 °C. Najnija temperatura je bila 182
°C. Temperatura peenja se je torej gibala med 220 in 182 °C. Temperaturna razlika med
najvišjo in najnijo temperaturo je znašala 38 °C.
Avtomatiziran nain peke:
Povsem drugae sta grafa izgledala pri avtomatiziranem nainu reguliranja temperature.
Dejanska temperatura se je gibala povsem blizu elene temperature, ki je znašala 200 °C.
Najvišja temperatura, ki smo jo izmerili med 4-urno peko je bila 205 °C, medtem ko je bila
najnija izmerjena temperatura 197 °C.
58
Temperaturna razlika med najvišjo in najnijo temperaturo je torej bila 8 °C. Pri najniji
izmerjeni temperaturi smo izvzeli prvi upad pod 200 °C, ko se je oglje prvi ohlajalo na
eleno temperaturo, saj je bilo takrat oglje veliko asa brez zraka in je na zaetku
potrebovalo nekaj ve asa, da je ponovno zagorelo na ustrezno temperaturo. Ta prvi
izstopajoi upad temperature se je zgodil pri vseh meritvah, tako, da ga ni smiselno
upoštevati pri najniji izmerjeni temperaturi, saj ne prikazuje realnega stanja.
Graf 7.3: Avtomatiziran nain peke.
Glede na to, da na temperaturo ara lahko vpliva veliko dejavnikov, menimo, da je to, kar
nam prikazuje graf pri avtomatiziranem nainu peke, zelo dober rezultat. e v osnovi ni
temperature oglja tako preprosto regulirati kot npr. plinskega gorilnika. Upoštevati
moramo, da ima na nain vzdrevanja temperature velik vpliv tudi oglje, ki se od
proizvajalca do proizvajalca razlikuje. Sami uporabljamo Webrovo oglje. Velik vpliv na
notranjo temperaturo ara ima tudi vreme (de, sneg, vroina …).
e primerjamo grafa rone in avtomatizirane regulacije temperature ara, opazimo oitne
razlike. Pri ronem reguliranju temperature je imelo nihanje nenadzorovano spreminjanje
in zelo veliko odstopanje ob elene temperature. Pri avtomatskem reguliranju
temperature smo lahko graf naprej predvideli, saj se je nihanje temperature ponavljalo.
59
Razlika pri peki na omenjena naina pa ni samo pri kontrolirani oz. nekontrolirani
spremembi temperature. Avtomatizirana peka je uporabniku veliko prijaznejša, saj ne
zahteva prisotnosti uporabnika, medtem ko smo pri roni peki bili intervalno prisotni
nekje na vsakih 10 min, rezultati pa so bili oitno slabši kot pri avtomatizirani peki.
Slika 7.1: Konan izdelek v uporabi.
60
Z avtomatizirano peko pri pokritem aru smo dvignili produktivnost uporabnika, tako, kot
smo predvidevali. Zraven dviga produktivnosti smo z rezultati primerjave med obema
nainoma peke (roni in avtomatiziran) ugotovili, da se je dvignila tudi natannost peke
na eleni temperaturi. Posledino se je dvignila tudi kakovost peenega mesa, saj je pri
peki mesa zelo pomembno natanno vzdrevanje temperature.
Po realizaciji ideje o zastavljeni nalogi smo po nekaj dneh praktine uporabe ugotovili
razne monosti izboljšav. V prihodnje nameravamo izdelek nadgraditi s povezavo na
mobilni telefon preko wi-fi modula. Izdelati elimo torej aplikacijo za mobilni telefon, ki bi
prikazovala as peke, dejansko temperaturo, eleno temperaturo in temperaturo mesa.
Aplikacija bi imela monost izrisa grafa s prikazom dejanske in elene temperature v
odvisnosti od asa. S pomojo telefona bi imeli monost spreminjanja elene temperature.
Nekaj minut pred koncem peke bi nas program opozoril, da se peenje blia h koncu. Ob
koncu peke bi se sproil alarm na aru in aplikaciji. Izboljšave so mone tudi pri programski
kodi, saj smo mnenja, da je nihanje temperature mono s programskimi popravki še
zmanjšati. Morda bi bilo smotrno za tak problem uporabiti PID regulator.
Kot slabost se je izkazalo pomanjkanje informacij o stanju pepela in oglja. V posodi za
pepel se lahko nabere toliko pepela, da bi ga turbinski ventilator pri pihanju lahko zajel in
razpihal po prostoru, kjer se pee. Naslednja slabost, ki smo jo opazili, je obraba oglja, kar
ima za posledico izgubo temperaturne energije. To slabost moramo še zmeraj odpravljati
rono, tako, da na vsake 3–4 ure dodamo nekaj briketov. V prihodnje elimo ti dve
pomanjkljivosti odpraviti.
umerjanje temperaturnih senzorjev, programiranje v Arduino programskem okolju ter
izdelavo krmilnika.
Diplomsko delo je temeljilo na testiranju temperaturnih senzorjev in razvoju krmilnika, ki
bo zagotavljal ustrezne pogoje peke. Razdeljeno je na sedem poglavij. V prvem poglavju
je predstavljen uvod v diplomsko delo in posplošen pristop k realizaciji izdelave
avtomatizirane naprave. Drugo poglavje predstavlja ar, naine peke, naine ronega
krmiljenja temperature ter predstavljena je ideja o avtomatskem reguliranju temperature.
Sledi predstavitev diplomskega dela na osnovi regulacijske zanke. etrto poglavje zajema
strojni del diplomskega dela z opisom posameznih elektronskih komponent, postopkov
izdelave vezja in priloeno shemo za lajo vizualno predstavo avtomatiziranega sistema.
Eksperimentalni del je predstavljen v petem poglavju. Najve testiranja je bilo pri
umerjanju in preskušanju temperaturnih senzorjev. V šestem poglavju sledi programski
del s programsko kodo in na koncu, v sedmem poglavju, povzetek rezultatov in testiranj,
ki smo jih dobili s konnim izdelkom.
Na podlagi rezultatov, ki smo jih pridobili pri preizkušanjih, lahko reemo, da nam je
uspelo izdelati avtomatiziran pokrit ar, ki zadovolji skoraj vsem zahtevam
nadpovprenega ljubitelja peke. Pri izvedbi diplomskega dela smo potrebovali veliko
delovnih izkušenj, znanj in vloenega asa. Vse izkušnje, ki smo jih pridobili, nam bodo v
prihodnosti zagotovo pomagale pri nadaljnji karieri.
62
[1] HACCP. 2018. Dostopno na: https://sl.wikipedia.org/wiki/HACCP [27. 8. 2018].
[2] Purviance J., Weber: Velika knjiga peke na aru. Ljubljana: Totaliteta, 2016.
[3] D. onlagi, Senzorska tehnika I, zapiski predavanj, Maribor.
[4] Arduino. 2018. Dostopno na: https://www.arduino.cc/ [24. 8. 2018].
[5] Vmesnik za namensko programiranje. 2018. Dostopno na:
https://sl.wikipedia.org/wiki/Vmesnik_za_namensko_programiranje [6. 8. 2018].
[6] ar na oglje Weber Original Kettle, 57 cm. 2018. Dostopno na:
https://www.drva.info/sl/izdelek/zar-na-oglje-weber-original-kettle-57-cm-
[7] Measuring temperature with NTC, The Steinhart-Hart Formula. 2018. Dostopno
na: https://arduinodiy.wordpress.com/2015/11/10/measuring-temperature-
[11. 8. 2018].
°C). 2014. Dostopno na:
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX6675.pdf [10. 8. 2018].
[10] Max6675 temp module, arduino manual and tutorial. 2016. Dostopno na:
http://henrysbench.capnfatz.com/henrys-bench/arduino-temperature-
www.ladyada.net/learn/sensors/thermocouple [11. 8. 2018].
info/datasheets/data/irlz44n.pdf [10. 8. 2018].
[15. 8. 2018].
[14] Fugetek 12V DC Brushless Blower Cooling Fan, HT-07530D12, 75x75x30mm, 2pin,
Dual Ball Bearing, Computer Fan, Multi Use, Black, US Support. 2018. Dostopno
na: https://www.amazon.com/Fugetek-Brushless-HT-07530D12-75x75x30mm-
[15] Regulacijska zanka. 2014. Dostopno na:
http://studentski.net/gradivo/vis_scv_ele_izs_sno_regulacijska_zanka_01?r=1
lj.si/~zgonik/ModernaFizika/SEMINARJI/VETRNE%20TURBINE.doc [4. 9. 2018].
[17] S. Uran, Regulacijska tehnika 1, zapiski predavanj, Maribor.
[18] Using millis for timing. 2018. Dostopno na: https://learn.adafruit.com/multi-
tasking-the-arduino-part-1/using-millis-for-timing [12. 8. 2018].
[19] How to use I2C serial LCD 20x4 (Yellow backlight). 2018. Dostopno na:
https://www.instructables.com/id/How-to-Use-I2C-Serial-LCD-20X4-Yellow-
https://hackaday.com/2016/08/28/filtering-noisy-data-with-an-arduino/ [12. 8.
2018].
[21] Explanation of the formula of the map function. 2018. Dostopno na:
https://arduino.stackexchange.com/questions/32148/explanation-of-the-
https://www.google.si/search?q=weber+kettle+57&source=lnms&tbm=isch&sa=
X&ved=0ahUKEwjatuW44I_dAhUPDOwKHfCKDgcQ_AUICigB&biw=1534&bih=754
#imgrc=goD07FIrVpRz0M: [20. 8. 2018].
[23] Peka na aru z direktno ali indirektno toploto, 2018. Dostopno na:
https://www.merkur.si/peka-na-zaru-z-direktno-ali-indirektno-toploto [4. 9.
[24] Measuring Temperature with an NTC Thermistor. 2018. Dostopno na:
https://www.allaboutcircuits.com/projects/measuring-temperature-with-an-ntc-
https://www.arduinolibraries.info/libraries/encoder [13. 8. 2018].