По материалам

Скачать книгу



			Бытовой цифровой термометр

		Термометры комнатные или уличные, автомобильные или офисные используются в быту каждый день. В наши дни цифровая техника вытесняет спиртовые, пружинные и ртутные термометры. Погрешность показаний и срок эксплуатации современных цифровых термометров зависит от назначения прибора и от их производителя. Основная часть цифровых термометров производится на специализированных жидкокристаллических дисплеях, недоступных радиолюбителю. Автор собрал термометр из доступных импортных и отечественных деталей. Представленное устройство имеет универсальное бытовое применение как на улице, так и в помещении. В перспективе, если реализовать питание прибора от солнечных батарей совместно с аккумуляторами, эксплуатация термометра на улице будет достаточно длительной. Термометр собран на основе микроконтроллера Tiny 15 и драйвера четырехразрядного семисегментного индикатора SAA1064 [20]. Микроконтроллер Tiny 15 оснащен четырехканальным 10-разрядным АЦП, Flash-памятью на 1 Кбайт, памятью EEPROM на 64 байт, шестью линиями ввода-вывода, встроенным RC-генератором, а также двумя таймерами/счетчиками. Драйвер SAA1064 содержит интерфейс 1²С, регистр-указатель, регистр управления, мультиплексор пар индикаторов и четыре регистра дешифратора семисегментных индикаторов [21]. Предел измерений температуры составляет -22°..+30° С. Прибор проектировался в наиболее дешевом варианте исполнения, поэтому точность измерения — в пределах последнего знака. Термометр можно использовать ночью, поскольку индикация температуры основана на све-тодиодах и потому очень яркая. Данные о температуре окружающей среды снимаются с терморезистора. Температурный датчик Терморезистор — это устройство, сопротивление которого значительно изменяется с изменением температуры. Он обладает высоким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) в широком диапазоне температур [22]. Различают терморезисторы с отрицательным



		ТКС, сопротивление которых падает с возрастанием температуры (их часто называют термисторами), и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием температуры (их называют позисторами). Терморезисторы обоих типов изготавливают из полупроводниковых материалов. Диапазон изменения их ТКС составляет -6,5°....+70°С. Наиболее распространенные терморезисторы изготавливают на основе медно-марганцевых (ММТ), кобальто-марганцевых (КМТ) и медно-ко-бальто-марганцевых (СТЗ) оксидных полупооводников. По конструктивному оформлению терморезисторы можно разделить на следующие категории (рис. 10.1): • в виде цилиндрических стержней (КМТ-1, ММТ-1, КМТ-4 ММТ-4); • в виде дисков (СТ1-17,' СТЗ-17, СТ5-1); • в виде плоских прямоугольников (СТЗ-23); • в виде миниатюрных бусинок (СТ1-18, СТ1-19) [22]. Автор выбрал терморезистор ММТ-1 сопротивлением 9,0 кОм при 25°С. У терморезисторов также есть недостатки, которые необходимо учитывать при выборе. Первый недостаток — это инерционность изменения сопротивления. Автор проделал следующий эксперимент. Терморезистор ММТ-1 на 9,0 кОм был помещен в морозильник и подключен к измерительному устройству, которое сканировало сопротивление каждые 200 мс. Данные передавались на компьютер и записывались в файл . dat, а затем были преобразованы в формат таблицы Excel (табл. 10.1), и на их основании был построен график выхода на температуру комнаты (рис. 10.2).





		При выходе на постоянные показания, что соответствует примерно 0°С (сопротивление 30,44 кОм) терморезистор быстро перемещен из морозилки в комнату с температурой 20°С (сопротивление 11,8кОм). Можно сделать вывод, что для установки точных значений температуры необходимо около двух минут. Это объясняет неверные (некорректные) показания температуры в случаях, когда термометр был помещен на открытую местность и при этом дул ветер, или термометр быстро перемещали из комнаты на кухню или в ванную, где температура значительно отличается. Показания прибора будут явно некорректны, поскольку сопротивление терморезистора изменяется очень медленно. Второй недостаток терморезисторов — это шумы. Амплитуда шумов, создаваемая терморезистором, может достигать больших значений, тогда как АЦП микроконтроллера быстро фиксирует эти данные с термодатчика. В результате показания термометра будут некорректны. Эти недостатки, а также большой разброс параметров при изготовлении терморезисторов, ограничивают их массовое применение. Однако возможности микроконтроллеров (имеется ввиду не только Тту 15) неограниченны, поскольку данные можно не только измерять, но и обрабатывать с помощью математического анализа, использовав методы интеграции и интерполяции, а в крайних случаях — коррекцию по эталону. Схема термометра Схема термометра (рис. 10.3) имеет питание +4,5 В от трех батарей 1,5 В типа А А (относительно общей "земли") и ток потребления не более 60 мА.





			Канал измерения имеет стабилизированное питание +2,6 В от цепочки R5-D1 и состоит из измерительного моста TR1/R2/R3/R4/R7/R8 и операционного усилителя IC3, выполняющего роль сумматора. Для устранения смещения нуля операционного усилителя IC3 настраивается баланс R6 и выполняется коррекция по току нуля R9. Операционный усилитель КР140УД1208 может работать при напряжении питания от +2,4 В до +18,0 В, поэтому питание ОУ не стабилизировано. В состав микроконтроллера Tiny 15 входит 10-разрядный АЦП, который коммутируется встроенным четырехканальным мультиплексором при настройке АЦП. На входе АЦП внутри микроконтроллера присутствует конденсатор, который компенсирует потери при считывании данных в АЦП, поэтому после операционного усилителя нет конденсатора, выполняющего роль компенсатора. Микроконтроллер сохраняет работоспособность при питании +2,7 В.



		Связь между драйвером SAA1064 и АЦП микроконтроллера Tiny 15 осуществляется по линии 1²С [20, 24]. Протокол 1²С в микроконтроллере реализован программно. Скорость передачи данных по шине 1С ограничивается частотой тактовых импульсов SCL, равной 125 кГц. Драйвер сохраняет работоспособность при напряжении питания +4,0 В. В случае постоянного сбоя передачи данных засвечивается или моргает светодиод "ERROR". Основной причиной сбоя является низкое напряжение питания или необходимость перезапуска микроконтроллера. Для управления семисегментными индикаторами в драйвере присутствуют дешифраторы, а также схема управления мультиплексированием по два разряда четырехразрядного индикатора. Мультиплексоры могут коммутировать ток до 110 мА, но в случае применения светодиодных матриц с ультраярким свечением и снижении питания ниже нормы драйвер может выйти из строя. По этой причине для усиления по току установлены транзисторы Ql, Q2. Ток базы транзисторов при управлении ограничен в драйвере. В драйвере реализованы команды для ступенчатой регулировки выходного тока мультиплексора, а также в него встроен собственный генератор, поэтому синхронизация необязательна. Для знака "±" выпускаются специальные индикаторные матрицы, однако, если их нет, можно использовать четыре прямоугольных светодиода. Для отключения питания существует кнопочный выключатель S1. В перспективе микроконтроллер может выполнять дополнительную функцию проверки собственного питающего напряжения, а также коррекции данных (в рассматриваемой конструкции эта идея не реализована). Очень важное значение для правильности показаний имеет канал измерения. Прежде всего, зависимость сопротивления терморезистора от температуры в идеале — линейная, хотя на практике наблюдаются отклонения в каждом экземпляре. Данные с терморезистора может снимать АЦП микроконтроллера, однако автор для измерения сопротивления терморезистора выбрал мост, а также усиление сигнала разницы, что накладывает нелинейность на напряжение с выхода операционного усилителя (т.е. на получаемые данные). Еще одной проблемой является выбор коэффициента усиления операционного усилителя (ОУ). Питание схемы ОУ имеет ограничение сверху, поскольку и_Пит = 4,5 В, и снизу, поскольку питание ОУ — од-



		нополярное. Для решения проблемы питание измерительного моста стабилизировано на уровне +2,6 В, а коэффициент усиления ОУ равен 13. Дальнейшее уменьшение коэффициента усиления приведет к искажению данных и увеличению погрешности. Если канал измерения идеально настроен, то необходимо обратить внимание на линеаризацию полученных данных после АЦП. При этом положительная ветвь температуры имеет одну формулу линеаризации, а отрицательная — другую. В качестве базисной точки автор выбрал 0°С. Результат линеаризации данных относительно этого базиса представлен на графике в файле Расчет характеристик терморезистора . х1 б 2 (идеальная прямая с углом наклона 45°). Данные после АЦП линеаризуются (заодно масштабируются) и преобразуются в десятичное значение. Погрешность показаний достигает 3° в верхнем и нижнем пределе измерения температуры, что вполне допустимо для бытового применения. Для улучшения полученных данных можно ввести корректировочные коэффициенты на разных участках температурного диапазона. При разряде батарей менее 4,0 В данные индикации температуры будут иметь погрешность, которая увеличивается с падением напряжения питания.

			Программа Код программы на ассемблере представлен в листинге 10.1, а шест-надцатеричный код — в листинге 10.2.



		I-:_I Структура программы упрощена и не имеет сложных логических переходов (это видно из блок-схемы на рис. 10.4). В начале программы настраивается конфигурация порта ввода-вывода. Затем несколько раз считываются данные из АЦП. Эти данные суммируются и делятся на количество раз считывания (вычисляется среднее арифметическое). Это необходимо для уменьшения погрешности измерения и устранения шумов терморезистора. АЦП настроен на преобразование с частотой 50 кГц. Опорное напряжение для АЦП берется от вывода питания микроконтроллера. В процессе аналого-цифрового преобразования двоичное число Ъ вычисляется по уравнению Ъ = 1024и_Вх/ияЕР,* где и_Вх при 0°С составит 0,58 В, а ииа^Усс. Для Тшу15 Ъ = 147₁₆. После получения точных данных АЦП в программе выделяется положительное и отрицательное значение температуры.



		В этом действии от данных АЦП вычитается эталонное шестнадца-теричное значение 0°С = 147i6- Получившиеся положительные данные соответствуют положительной температуре, а отрицательные — отрицательной. Положительные данные линеаризуются по формуле (константы — в шестнадцатеричном коде): Линеаризация 1 =38- 7000/илцп. Отрицательные данные линеаризуются по формуле (константы — в шестнадцатеричном коде): Линеаризация 2 = (и_Ацп - 147)/6. Детектор нуля должен быть нолем при Детектор 0 = (и_Ацп - 147) (константа — в шестнадцатеричном коде). Подпрограмма деления длится 800 мкс при тактовой частоте микроконтроллера 1,6 МГц. После линеаризации получаем соответствующий масштаб полученных данных, которые преобразуются в данные о реальной температуре в десятичном коде (с помощью таблицы hex-bed по адресу prog2). На следующем этапе данные разбиваются поразрядно. Для работы семисегментного индикатора двоично-десятичное значение преобразуется в семисегментный код с помощью таблицы в конце программы (по адресу ргодЗ). Преобразование кода выполнено по методике, описанной в [23]. Полученная цифра разряда передается по шине 1²С на драйвер семисегментных индикаторов по протоколу, описанному в [21]. Поскольку первый индикатор состоит из светодиодов, то для засветки знака "минус" передается код 01XX, а для засветки знака "плюс"— код 11XX. Драйвер SAA1064 имеет ряд особенностей. Поскольку питание схемы может снизиться до уровня меньше 4.0 В, необходимо сбросить флаг по питанию в драйвере SAA1064. Для этого следует прочитать данные из регистра состояния по адресу 77i6. Для записи байта информации в микросхему необходимо ввести адрес ведомого устройства 7616, определяющий направление записи, а затем — задать выходной ток драйвера (автор выбрал среднее значение 6 мА, код 47_J6). Далее при получении квитирования посредством логического нуля записывается субадрес каждой цифры, и пересылаются два разряда знака и два разряда значения температуры. В случае, если квитирование от SAA1064 не подтверждается (т.е. данные записываются с ошибкой), программа переходит в режим "ERROR" и засвечивается светодиод "ERROR". Выдерживается пауза в 230 мс, все данные обнуляются,



			а выполнение программы автоматически начинается сначала. В начале программы светодиод "ERROR" гаснет. Если ошибка повторяется регулярно, то светодиод "ERROR" моргает или светится, пока не будет устранена неисправность.

				Плата Монтажная схема платы представлена на рис. 10.5, а схема разводки с двух сторон — на рис. 10.6.



					Монтажная плата изготовляется из двухстороннего металлизированного текстолита. На ней установлен батарейный отсек с тремя секциями для батарей питания типа АА и элементы схемы с индикаторными матрицами (рис. 10.7). На плате присутствует кнопочный выключатель питания (на ток не более 0,2 А) и разъем PTR-500 для подсоединения датчика температуры. Примерный дизайн прибора представлен на рис. 10.8. Корпус из пластика имеет окно для индикации и отверстие для кнопочного выключателя питания и индикатора ошибки. Окно индикации изготовлено из оргстекла и снизу покрыто пленкой, выделяющей элементы индикации. К корпусу окно приклеено клеем.



		Светодиодная матрица знака "±" собрана из четырех прямоугольных светодиодов в виде отдельных сегментов знака "+". Светодиоды установлены на панельки так, чтобы общая высота совпадала с высотой индикаторов. Индикатор и микросхемы установлены на панельки, для облегчения монтажа при отбраковке элементов. Автор собрал термометр навесным монтажом, применив: • семисегментные светодиодные индикаторы НЬЕК-8512С\¥А; • операционный усилитель КР140УД1208 (или любой другой с низковольтным питанием и низким дрейфом "нуля"); • стабилитрон В1 — КС119А на напряжение стабилизации 2,6 В; • резисторы мощностью 0,125 Вт; • переменные резисторы — миниатюрные, маломощные на 22 кОм. Остальные детали — любые отечественного или зарубежного производства. Настройка Прежде всего, необходимо проверить правильность сборки устройства. Для этого в микроконтроллер записывается тестовая программа, ассемблерный код которой представлен в листинге 10.3, а шестнадцате-пичный — в листинге 10.4.



		Эта программа выводит на дисплей цифры +25, микроконтроллер устанавливается в панельку, и затем включается питание. Если тест прошел без проблем, то в микроконтроллер записывается рабочая программа (см. листинг 10.1 и листинг 10.2) (микроконтроллер в панельку не устанавливается), после чего необходимо настроить канал измерения. В этом случае правильные показания температуры настраиваются в следующей последовательности. 1. Терморезистор или термопару опустить в воду и заморозить в стакане в морозильной камере холодильника. При этом выводы термодатчика изолированы термоусадочной трубкой и не должны касаться какой-либо поверхности. 2. После заморозки необходимо подобрать резистор Я2, равный по сопротивлению замороженному датчику. 3. Установив замороженный датчик в схему и включив питание, замеряем напряжение на выводе 6 операционного усилителя. Нулевому показанию температуры должно соответствовать напряжение 0,58 В на этом выводе. В противном случае оно регулируется с помощью резисторов Я6 и 119. 4. Для установки коэффициента усиления К_у = 13 операционного усилителя, необходимо припаять навесным монтажом резистор 6 кОм от 6 вывода ОУ ІСЗ к выводу 2 ІСЗ (на схеме резистор имеет обозначение **, поскольку подбирается с высокой точностью при настройке канала измерения). Для улучшения чувствительности можно добавить положительную обратную связь. При снижении темпе-



		ратуры напряжение снижается, а при увеличении температуры — увеличивается. 5. Проверка работы. ОУ во всем диапазоне температур и регулировка с помощью R9, ПОС и ООС изменения выходного напряжения ОУ. Данные по напряжению соответствуют таблице Расчет характеристик терморезистора. xls (последний сектор). 6. Устанавливается микроконтроллер с "прошитой" рабочей программой, подается питание и проверяются осциллограммы SDA (канал В), SCL (канал А) при развертке 100 мс и 200 мс, а также показания температуры. Небольшая коррекция температуры достигается настройкой резистора R4. В случае возникновения большой погрешности на разных участках показания температуры необходима коррекция программным путем. Если при включении питания происходят сбои, то к выводам 1 и 4 микроконтроллера припаивается конденсатор на 10 нФ. При изготовлении прибора на SMD-элементах себестоимость можно снизить в два раза. Прибор является попыткой преодолеть различные проблемы путем математического моделирования с помощью современных средств. Математические преобразования выполнены на языке ассемблера из-за ограничения в ресурсах и размерах памяти микроконтроллера Tiny 15. Для дальнейшего улучшения характеристик измерения температуры необходимо реализовать два канала измерения (отдельно для положительной и отрицательной температуры) с хорошими линейными передаточными характеристиками, а также задействовать более производительный микроконтроллер.