Чтобы собрать устройство необходимо иметь: температурный сенсор, например цифровой DS18B20 , мощное релейное устройство , с током коммутации от 10 А и выше , блок питания на 5 или 12 В постоянного тока , плюс плату с микроконтроллером , типа Arduino Nano, либо специализированный модуль на базе операционного усилителя LM311 .
Сердце системы – измерительный датчик , который следует установить в зоне нахождения эмбрионов в лотке , минимум в 10 см от нагревательных пластин или ламп накаливания . Для повышения точности показаний датчик следует экранировать от прямого излучения тепла , применяя жаропрочный корпус , но без создания полной теплоизоляции , для сохранения быстродействия .
Коммутационный узел строится на реле , контактная группа которого должна выдерживать на подключение ТЭНа. Для типового ТЭНа на 100 Вт достаточно реле на 10 А при 220 В переменного тока . Обязательно защитите цепь управления диодом, включенным в обратном направлении, к примеру, диодом 1N4007, установленным параллельно катушке реле, что защитит от ЭДС самоиндукции . Подсоединяйте нагрузку через специальную клеммную колодку, соблюдая правила электробезопасности .
Настройка собранного устройства выполняется с помощью образцового термометра непосредственно в камере. Погрешность выставления уставки в случае с куриными эмбрионами должна быть в пределах ±0.2°C в диапазоне 37.5–38.0°C . Корректировка зоны нечувствительности, как правило, в диапазоне 0.3–0.5°C , даст возможность избежать частых включений/выключений исполнительного механизма и продлит ресурс реле .
Выбор подходящей схемы терморегулятора для инкубатора
Наилучшим вариантом для создания признана схема, использующая ОУ, такого как LM311 либо LM358 . Это решение дает высокую точность терморегулирования около ±0.1°C , что критично для эмбрионов .
Датчиком может служить готовый цифровой модуль, как DS18B20 либо терморезистор NTC номиналом 10 кОм . DS18B20 передает показания в цифровой форме и упрощает конструкцию , второй требует настройки аналоговой цепи применяя триммеры.
Чтобы управлять нагревателем с мощностью в пределах 150 Вт рекомендуется использовать MOSFET-транзистор, такой как IRFZ44N , с установленным радиатором. При работе с нагрузками свыше 200 Вт следует установить SSR-модуль, что исключит опасную нагрузку на монтажную плату .
Питание всей сборки организуйте используя стабилизированный БП 12 В. Схему измерения запитайте от прецизионного источника опорного напряжения, например, TL431 , чтобы избежать колебаний из-за нестабильности питания .
Во время сборки обязательно уделите внимание защите сигнальных проводов экраном от датчика и их удалению от силовых цепей . Это исключит помехи и сбои в работе компаратора.
Компоненты и инструменты, необходимые для сборки
Соберите следующий набор деталей для монтажа контролирующего температуру модуля .
Микроконтроллер: Контроллер типа Arduino Nano/Uno, или же готовый управляющий модуль использующий чипы LM311, K561ЛА7. Датчик температуры : Цифровой датчик DS18B20 , с защитой от влаги . Блок питания : Источник питания 12 В DC , мощностью от 50 Вт и выше . ТЭН: Нагревательный резистор (керамика) 25-40 Вт либо ИК-лампа . Коммутирующий элемент : Твердотельное реле типа SSR-40DA для коммутации нагрузки . Дисплей: ЖК-дисплей 1602A с интерфейсом I2C . Корпус : Электрическая коробка где будет смонтирована плата с клеммами. Элементы для соединения:
Макетная плата либо печатная плата для пайки . Провода с коннекторами "папа-папа"/"папа-мама". Винтовые клеммники .
Чтобы собрать устройство, нужны следующие инструменты :
Паяльник, припой, флюс. Мультиметр для проверки цепей . Кусачки и стриппер для зачистки изоляции . Отвертки крестовые и шлицевые .
Используйте термоусадку для изоляции токоведущих частей. Обязательно проверьте номиналы всех радиодеталей перед монтажом . Для программирования микроконтроллера необходим кабель USB-A – USB-B .
Монтаж и пайка элементов на плате
Приступайте к сборке с установки компонентов с малой высотой: разъемов, резисторов и диодов. Используйте для фиксации перед процессом пайки каплю специального клея или клейкую ленту.
Контроллер и датчик устанавливайте на финальном этапе, удостоверившись заранее в правильном положении ключевой метки на корпусе чипа и на посадочном месте. Предотвращайте статическое электричество, применяйте паяльное оборудование с заземлением и браслетом от статики.
Вид компонента Сила паяльного инструмента Тип припоя Важный совет
Постоянные резисторы, керамика 40 Ватт максимум POS-61 с канифольным флюсом Избегать перегрева компонентов
Транзисторы в корпусе ТО-220, электролиты От 40 до 60 Ватт Такой же припой, толще Соблюдайте полярность, не допускайте перегрева.
Интегральные схемы DIP/SOIC 25 Вт с тонким жалом Припой малого диаметра 0.5-0.7 Быстрая пайка, хороший флюс
По завершении монтажа смойте излишки флюса кисточкой, смоченной в изопропиловом спирте. Проведите визуальный контроль на пропущенные пайки, перемычек из припоя между дорожками и корректность расположения элементов по монтажной схеме.
Сборка термодатчика и ТЭНа
Разместите чувствительный элемент датчика внутри корпуса аппарата, вдали от непосредственного влияния нагревателей или ламп, на уровне размещения изделий. Для цифрового датчика, такого как DS18B20, соблюдайте полярность подключения: вывод DATA (желтый/белый) впаяйте в цифровой порт, красный (VCC) – к питанию +5В, а черный (GND) – к общему проводу. Аналоговый датчик, типа NTC-термистора, монтируйте в делитель напряжения, а средний вывод соединяйте с аналоговым портом (A0-A1) модуля.
Для изоляции от сырости и поломок, спрячьте измеритель в термоусадку или гильзу из меди, заполненную термопастой.
Толщина проводников к нагревательному элементу должно быть не менее 0.75 мм² при мощности нагревателя до 500 Ватт. Все соединения тщательно пропаивайте и защищайте изоляцией.
Регулировка заданной температуры
Немедленно после установки датчика поместите проверочный термометр около измерителя в рабочей зоне, минимизируя контакт с нагревателями и корпусом.
Подключите устройство к питанию и установите на панели управления требуемую температуру, скажем, 37.5°C. Дождитесь стабилизации работы и прекращения циклических включений ТЭНа.
Сверите показания контрольного прибора с данными на табло контроллера. Погрешность 0.3-0.5°C нормальна для самодельных устройств.
Если расхождение больше 0.5°C, проведите калибровку. Отыщите на управляющей плате подстроечный резистор, маркированный «TEMP»/«CAL». Меняйте его положение постепенно, с помощью отвертки, до совпадения показаний.
Для тонкой настройки установите внутрь контейнеры с водой на две трети – это стабилизирует температуру. Проводите замеры через каждые 2 часа после полного прогрева системы.
Оцените разницу включения/выключения: установите значение на 0.2°C ниже целевого, запомните время отключения ТЭНа, затем увеличьте на 0.2°C – зафиксируйте старт нагрева. Нормальная разница между порогами составляет 0.1-0.3°C.
По окончании регулировок установите измеритель в середине на нужной высоте для объектов. Обезопасьте провод от тряски и прямого потока тепла.
Проверка схемы на стабильность
Включите собранный управляющий модуль и установите измеритель возле контрольного устройства, например, ртутным термометром. Нагревайте чувствительный элемент феном или окунайте в воду, контролируя активацию реле.
Проконтролируйте гистерезис: разницу порогов срабатывания нагревательного прибора. Чаще всего хорошим показателем считается 0.3-0.5°C. Измените настройки, если это предусмотрено.
Протестируйте работу в нагруженном режиме. Подключите лампу накаливания мощностью 40-60 Вт вместо ТЭНа и проведите тест в течение 6-8 часов. Контролируйте напряжение на ключевом элементе (транзисторе или реле) – оно не должно расти, и силовая деталь не должна быть горячее 70°C.
Поместите весь блок в камеру с температурой, где установлен режим от 36 до 39°C для имитации реальных условий. Фиксируйте показания каждые 30 минут в течение полусуток. Допустимое отклонение от требуемого параметра – не более ±0.3°C. При превышении этого порога потребуется настройку сенсора или нормализацию вольтажа опоры.
Проверьте отклик на броски напряжения в сети. Используйте ЛАТР или автотрансформатор, варьируя входящий вольтаж от двухсот до двухсот сорока вольт. Настроенное устройство должна поддерживать теплозамена электропроводки в квартиреой баланс исключая ошибочные активации.
Убедитесь в неимении электпомех. Разместите активное устройство рядом с пусковым реле мотора. Все нарушения функционирования говорят о надобности установки дополнительных фильтров питания или экранирования проводов датчика.