|
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Термометр с функцией таймера или управления термостатом
Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Регуляторы мощности, термометры, термостабилизаторы Описания различных электронных цифровых термометров неоднократно
публиковались не страницах журнала Радио. Как правило, они содержали
преобразователь температуре-частоте и измерительную честь не дискретных
цифровых элементах, преобразующих измеренную частоту в показания температуры.
Построенный не дискретных элементах преобразователь температура-частота требует
калибровки и позволяет достичь приемлемой точности в довольно ограниченном
интервале (из-за нелинейности температурных характеристик элементов). Применение
современной элементной базы - микроконтроллеров и специальных датчиков -
значительно упрощает схемотехнику устройстве с одновременным повышением
функциональности и точности измерений.
Принципиальная схема предлагаемого термометра изображена на рис. 1.
![]()
Его основа -
популярный микроконтроллер (МК) PIC16F84A (DD1). Для измерения температуры
использован интегральный цифровой датчик (ВК1) DS18B20 фирмы MAXIM. Эта
микросхема не требует калибровки и позволяет измерять температуру окружающей
среды от -55 до +125 °С, причем в интервале -10.. .+85 °С производитель
гарантирует абсолютную погрешность измерения не хуже ±0,5 °С. Датчик DS18B20 -
наиболее совершенный из широко известного семейства DS18X2X, выпускавшихся ранее
под маркой Dallas Semiconductor. В отличие от функциональных аналогов DS1820 и
DS18S20 он перед началом измерения позволяет задать необходимую относительную
точность преобразования температуры из следующего ряда значений: 0,5; 0,25;
0,125 и 0,0625 °С, при этом время измерения равно соответственно 93.75; 187,5;
375 и 750 мс.
Принцип действия датчика DS18X2X основан на подсчете числа импульсов,
вырабатываемых генератором с низким температурным коэффициентом во временном
интервале, который формируется генератором с другим температурным коэффициентом,
при этом внутренней логикой датчика учитывается и компенсируется параболическая
зависимость частот обоих генераторов от температуры.
Обмен управляющими командами и данными между датчиком ВК1 и МК DD1, работающим
на частоте 4 МГц, осуществляется по однопроводной двунаправленной шине передачи
данных 1 - Wire. Каждый экземпляр DS18B20 имеет уникальный 48-битный номер,
записанный с помощью лазера в ПЗУ в процессе производства, что позволяет
подключать к одной шине практически любое число таких приборов. Ограничивающим
фактором является в основном только общее время, затрачиваемое на
последовательный опрос всех датчиков, подключенных к сети.
С периодом, равным 1 с, МК DD1 посылает датчику ВК1 команду на запуск процесса
измерения температуры с точностью 0,0625 °С и получает от него результат
предыдущего замера. Принятый отдатчика 12-битный код, соответствующий измеренной
температуре, преобразуется в десятичную форму, округляется до десятых долей
градуса и выводится на светодиодный индикатор HG1 в динамическом режиме. Подачей
напряжения лог. 0 на один из выходов RAO, RA1 или RA2 МК включает
соответствующий разряд индикатора, выводя при этом на выходы RBO-RB6
семиэлементный код отображаемой в данном разряде цифры. Управление точкой на
индикаторе, отделяющей целую часть отображаемой температуры от десятичной, МК
производит через выход с открытым стоком RA4. Период отображения всех трех
разрядов индикатора составляет примерно 12,3 мс (частота - 81 Гц).
Так как в приборе применен трехразрядный индикатор, в интервале от -19,9 до
+99,9 °С температура отображается с точностью до 0,1 °С, а в интервалах
-55...-20 и +100...+125 °С - с точностью до 1 °С. Кроме того, в этих интервалах
абсолютная погрешность измерения температуры возрастает до ±2 °С, поэтому
отображение температуры с точностью до десятых долей градуса теряет смысл.
В конце каждого периода отображения информации на индикаторе МК проверяет
состояние кнопок SB1 и SB2, для чего на выходах RAO-RA2 устанавливает напряжение
высокого логического уровня (это соответствует отключению всех разрядов
индикатора HG1), а на выходе RA4 - напряжение лог 0. Разряды RB5, RB6
перенастраиваются на ввод, при этом к ним подключаются внутренние
"подтягивающие" резисторы, соединенные с шиной питания +5 В. Таким образом, при
нажатии на кнопку SB1 или SB2 высокий логический уровень напряжения на RB5, RB6
сменяется низким, что и отслеживается МК. Подключенные к этим разрядам элементы
светодиодного индикатора не оказывают существенного влияния на состояние
указанных входов МК, поскольку ток в обратном направлении через них пренебрежимо
мал. Удержание кнопок в нажатом состоянии не влияет на работу индикаторов в
период отображения информации, так как ток между выходами RA4 и RB5, RB6 через
кнопки SB1, SB2 ограничен резисторами R4, R5.
Питается прибор от сети переменного тока напряжением 220 В через балластный
конденсатор C3. Благодаря диодному мосту VD1 через стабилитрон VD2 проходят обе
полуволны сетевого напряжения. В результате значительно снижаются пульсации
напряжения на конденсаторе С5 и становится возможным уменьшить емкость
конденсатора C3, от которой зависит максимальный ток, отдаваемый источником
питания в нагрузку.
Времязадающая цепь R1C4R2 формирует паузу перед запуском МК, необходимую для
того, чтобы после включения устройства в сеть напряжение на конденсаторах С5, С6
успело возрасти до уровня, обеспечивающего нормальную работу МК.
При включении звукового сигнала, когда вступает в работу каскад на транзисторе
VT1 с включенным в его коллекторную цепь звукоизлучателем НА1, потребляемый
устройством ток значительно увеличивается, поэтому в программе МК предусмотрено
отключение индикатора на время подачи сигнала. Питается этот каскад энергией,
накопленной в конденсаторе С5, что приводит к большим "просадкам" напряжения на
нем. Для поддержания стабильного напряжения питания МК и датчика температуры в
устройство введены интегральный стабилизатор напряжения DA1 и оксидный
конденсатор большой емкости С6. Если звуковая сигнализация не нужна, микросхему
DA1 и конденсатор С5 можно исключить, но в этом случае Д815Е (VD2) необходимо
заменить стабилитроном Д815А с напряжением стабилизации 5,6 В.
Коды "прошивки" ПЗУ МК для термометра с функцией таймера приведены в табл. 1.
При нажатии на кнопку SB1 подается короткий звуковой сигнал и на индикаторе
появляется значение оставшегося времени до подачи звукового сигнала или 0 (в
младшем разряде), если время в таймере не было установлено. Требуемую выдержку
времени (в пределах 1 ...99 мин; вводят нажатием на кнопку SB2 (не отпуская
SB1). При этом показания индикатора начинают автоматически увеличиваться с
частотой 2 Гц. По достижении нужного значения кнопки отпускают. Возврат к
показаниям температуры происходит через 1 с после отпускания кнопки SB1. По
окончании заданного времени устройство в течение 10 с подает прерывистый
звуковой сигнал частотой 1500 Гц.
В табл. 2 приведены коды "прошивки" МК, наделяющей описываемый прибор функцией
управления термостатом, поддерживающим заданную температуру в контролируемой
среде с точностью ±1 °С.
Просмотр и установка температуры (в интервале
-54...+124 °С) осуществляются, как и в предыдущем случае, с помощью кнопок SB1 и
SB2. Заданное значение температуры сохраняется в энергонезависимой памяти данных
МК и загружается из нее при каждом последующем включении устройства в сеть.
При работе устройства с термостатом сигнал для управления нагревателем или
компрессором холодильника снимается с выхода RA3, при этом вместо каскада на
транзисторе VT1 устанавливают оптосимисторное реле, управляющее питанием
исполнительного устройства или контактора, который, в свою очередь, подключает
нагреватель или компрессор к электросети. Схема возможного варианта такого реле
показана на рис. 2.
![]()
Приведенная в табл. 2 "прошивка" МК рассчитана на управление нагревательным
элементом. К примеру, если заданная температура в термостате равна +30 °С, то на
выходе RA3 МК появится сигнал лог. 1 (соответствует включению нагревателя) при
понижении температуры контролируемой среды ниже +29 °С, но как только
температура поднимется до +31 °С, нагреватель будет отключен. Таким образом,
гистерезис между включением и выключением нагревателя составляет 2 °С. За его
величину "отвечает" первый подчеркнутый байт (02) в табл. 2: если его заменить
на "01", гистерезис уменьшится до 1 °С, а если на "03", увеличится до 3 °С и т.
д. Чем меньше гистерезис, тем точнее будет поддерживаться заданная температура в
контролируемой среде, но чаще будут повторяться циклы включения-выключения
исполнительного устройства, и наоборот.
При управлении компрессором холодильника сигнал лог. 1 на выходе RA3, включающий
систему охлаждения, должен появляться, если температура превысит заданный
предел, и сменяться уровнем лог. 0, как только температура опустится ниже
указанного предела, опять же с учетом гистерезиса, заданного значением первого
подчеркнутого байта в табл. 2. Для реализации этого режима работы подчеркнутые
2, 3 и 4-й байты таблицы нужно заменить соответственно на "19", "15" и "11"
При программировании МК необходимо
указать: тип генератора - HS, таймеры WDT и PWRT - включены.
Все детали термометра монтируют на печатной плате из двусторонне фольгированного
стеклотекстолита (рис. 3).
![]()
Плата рассчитана на установку резисторов МЛТ,
конденсаторов КД (С1, С2), К73-17В с номинальным напряжением 400 В (C3), КМ( С7)
и К50-35 (остальные). Для уменьшения габаритов устройства детали устанавливают
на обеих сторонах платы (там, где указаны их позиционные обозначения). В
отверстия контактных площадок, помеченных на чертеже рядом стоящей точкой, при
монтаже впаивают проволочные перемычки (их функцию выполняет также вывод
конденсатора С7). Трехразрядный светодиодный индикатор HG1 собран из трех
одноразрядных LSD3212-20 (зеленого цвета свечения) и может быть заменен любым
другим с потребляемым током не более 20 мА на элемент (сегмент). Перед
установкой на место выводы 12 индикаторов обрезают в непосредственной близости
от корпуса.
Интегральный стабилизатор 78L05 (DA1) заменим любым другим с напряжением
стабилизации +5 В. Звуковой капсюль-излучатель НА1 - любой малогабаритный с
обмоткой сопротивлением 8...25 Ом (автор использовал электромагнитный излучатель
НС0903А).
Если предполагается использовать термометр в жестких климатических условиях,
оксидные конденсаторы С5 и С6 следует выбрать с расширенным температурным
диапазоном (с маркировкой на корпусе "+105°С" или выше), а МК PIC16F84A -
исполнения Е/Р, обозначающего, что данная микросхема может работать при
температуре от -40 до +125 °С. Смонтированную плату термометра в этом случае
помещают в герметичный пластмассовый корпус и заливают герметиком (например,
эпоксидной смолой). Отверстия для кнопок с внутренней стороны заклеивают куском
тонкой резины, после чего с обеих сторон получившейся резиновой мембраны, над
кнопками SB1 и SB2, наклеивают пластмассовые кружки диаметром, несколько меньшим
диаметра отверстий в корпусе. Таким образом обеспечивается полная изоляция
элементов устройства от внешней среды. При использовании устройства в обычных
условиях герметизацию можно не делать.
Размещать датчик температуры внутри корпуса термометра нельзя, так как это
приведет к увеличению погрешности измерений (из-за нагрева элементов) и
инерционности показаний термометра при изменении температуры окружающей среды.
Одно из конструктивных решений - размещение микросхемы датчика внутри стеклянной
ампулы от лекарств подходящего размера. Места выхода гибкого кабеля из ампулы и
из корпуса термометра тщательно заливают герметиком. Длина трехжильного кабеля
может быть от нескольких сантиметров до десятков метров.
Собранное из исправных деталей и без ошибок в монтаже устройство в налаживании
не нуждается.
Автор: С.Коряков, г.Шахты Ростовской обл.
журналы Elektor Electronics (годовые архивы) книга Растения без почвы. Вахмистров Д., 1965 книга Радиоуправление моделями кораблей. Бруинсма А.X., 1957 статья Я о прошлом теперь не мечтаю справочник Вхождение в режим сервиса зарубежных телевизоров. Книга №4
|