Описи різних електронних цифрових термометрів неодноразово публікувалися не сторінках журналу Радіо. Як правило, вони містили перетворювач температурі-частоті і вимірювальну честь не дискретних цифрових елементах, що перетворюють вимірювану частоту показання температури. Побудований не дискретних елементах перетворювач температура-частота вимагає калібрування і дозволяє досягти прийнятної точності в досить обмеженому інтервалі (із-за нелінійності температурних характеристик елементів). Застосування сучасної елементної бази - мікроконтролерів та спеціальних датчиків - значно спрощує схемотехніку пристрої з одночасним підвищенням функціональності і точності вимірювань.
Принципова схема пропонованого термометра зображена на рис. 1.
Його основа - популярний мікроконтролер (МК) PIC16F84A (DD1). Для вимірювання температури використаний інтегральний цифровий датчик (ВК 1) DS18B20 фірми MAXIM. Ця мікросхема не вимагає калібрування і дозволяє вимірювати температуру навколишнього середовища від -55 до +125 °С, причому в інтервалі -10.. .+85 °С виробник гарантує абсолютну похибку вимірювання не гірше ніж ±0,5 °С. Датчик DS18B20 - найбільш досконалий з широко відомого сімейства DS18X2X, що випускалися раніше під маркою Dallas Semiconductor. На відміну від функціональних аналогів і DS1820 DS18S20 він перед початком вимірювання дозволяє задати необхідну відносну точність перетворення температури з наступного ряду значень: 0,5; 0,25; 0,125 і 0,0625 °С, при цьому час вимірювання дорівнює відповідно 93.75; 187,5; 375 і 750 мс.
Принцип дії датчика DS18X2X заснований на підрахунку числа імпульсів, виробляються генератором з низьким температурним коефіцієнтом у тимчасовому інтервалі, який формується генератором з іншим температурним коефіцієнтом, при цьому внутрішньою логікою датчика обліковується і компенсується параболічна залежність частот обох генераторів від температури.
Обмін керуючими командами і даними між датчиком ВК 1 і МК DD1, працюючим на частоті 4 МГц, здійснюється по однопровідній двобічної шині передачі даних 1 - Wire. Кожен примірник DS18B20 має унікальний 48-бітний номер, записаний з допомогою лазера в ПЗУ в процесі виробництва, що дозволяє підключати до однієї шині практично будь-яке число таких приладів. Обмежуючим чинником є в основному тільки загальний час, що витрачається на послідовний опитування всіх датчиків, підключених до мережі.
З періодом, рівним 1, МК DD1 посилає датчику ВК 1 команду на запуск процесу вимірювання температури з точністю 0,0625 °С і отримує від нього результат попереднього виміру. Прийнятий відатчик 12-бітний код, відповідний виміряної температурі перетворюється в десяткову форму, округляється до десятих часток градуси і виводиться на світлодіодний індикатор HG1 в динамічному режимі. Подачею напруги лог. 0 на один з виходів RAO, RA1 або RA2 МК включає відповідний розряд індикатора, виводячи при цьому на виходи RBO-RB6 семиэлементный код відображається у даному розряді цифри. Управління точкою на індикаторі, що відокремлює цілу частину поточної температури від десяткової, МК виробляє через вихід з відкритим стоком RA4. Період відображення всіх трьох розрядів індикатора складає приблизно 12,3 мс (частота - 81 Гц).
Так як в приладі застосований трехразрядного індикатор, в інтервалі від до -19,9 +99,9 °С температура відображається з точністю до 0,1 °С, а в інтервалах -55...-20 +100...+125 °С - з точністю до 1 °С. Крім того, в цих інтервалах абсолютна похибка вимірювання температури зростає до ±2 °С, тому відображення температури з точністю до десятих часток градуса втрачає сенс.
В кінці кожного періоду відображення інформації на індикаторі МК перевіряє стан кнопок SB1 та SB2, для чого на виходах RAO-RA2 встановлює напруга високого логічного рівня (це відповідає відключення всіх розрядів індикатора HG1), а на виході RA4 - напруга лог 0. Розряди RB5, RB6 переналаштовуються на введення, при цьому до них підключаються внутрішні "підтягують" резистори, з'єднані з шиною живлення +5 Ст. Таким чином, при натисканні на кнопку SB1 або SB2 високий логічний рівень напруги на RB5, RB6 змінюється низьким, що і відстежується МК. Підключені до цих розрядів елементи світлодіодного індикатора не роблять істотного впливу на стан зазначених входів МК, оскільки струм у зворотному напрямку через них пренебрежимо малий. Утримання кнопки в натиснутому стані не впливає на роботу індикаторів в період відображення інформації, так як струм між виходами RA4 і RB5, RB6 через кнопки SB1, SB2 обмежений резисторами R4, R5.
Живиться прилад від мережі змінного струму напругою 220 В через баластний конденсатор C3. Завдяки диодному мосту через стабілітрон VD1 VD2 проходять обидві напівхвилі напруги. В результаті значно знижуються пульсації напруги на конденсаторі С5 і стає можливим зменшити ємність конденсатора C3, від якої залежить максимальний струм, що віддається джерелом живлення в навантаження.
Времязадающая ланцюг R1C4R2 формує паузу перед запуском МК, необхідну для того, щоб після включення пристрою в мережу напруга на конденсаторах С5, С6 встигло зрости до рівня, що забезпечує нормальну роботу МК.
При включенні звукового сигналу, коли вступає в роботу каскад на транзисторі VT1 з включеним в його колекторних ланцюг звукоизлучателем НА1, споживаний пристроєм струм значно збільшується, тому в програмі МК передбачено відключення індикатора на час подачі сигналу. Харчується цей каскад енергією, накопиченої в конденсаторі С5, що призводить до великим "осіданням" напруги на ньому. Для підтримання стабільного напруги живлення МК і датчика температури в пристрій введені інтегральний стабілізатор напруги DA1 і оксидний конденсатор великої ємності С6. Якщо звукова сигналізація не потрібна, мікросхему DA1 і конденсатор С5 можна виключити, але в цьому випадку Д815Е (VD2) необхідно замінити стабілітронів Д815А з напругою стабілізації 5,6 В.
Коди "прошивки" ПЗП МК для термометра з функцією таймера наведено в табл. 1.
(натисніть для збільшення)
При натисканні на кнопку SB1 подається короткий звуковий сигнал і на індикаторі з'являється значення часу, що залишився до подачі звукового сигналу або 0 (у молодшому розряді), якщо час на таймері не було встановлено. Необхідну витримку часу (в межах 1 ...99 хв; вводять натисненням на кнопку SB2 (не відпускаючи SB1). При цьому показання індикатора починають автоматично збільшуватися з частотою 2 Гц. По досягненні потрібного значення кнопки відпускають. Повернення до показаннями температури відбувається через 1 с після відпускання кнопки SB1. За закінчення заданого часу пристрій протягом 10 подає переривчастий звуковий сигнал частотою 1500 Гц.
В табл. 2 наведені коди "прошивки" МК, наділяє описуваний прилад функцією управління термостатом, що підтримує задану температуру в контрольованій середовищі з точністю ±1 °С.
(натисніть для збільшення)
Перегляд і встановлення температури (в інтервалі -54...+124 °С) здійснюються, як і в попередньому випадку, з допомогою кнопок SB1 та SB2. Задане значення температури зберігається в енергонезалежній пам'яті даних МК і завантажується з неї при кожному наступному включенні пристрою в мережу.
При роботі пристрою з термостатом сигнал для керування нагрівачем або компресором холодильника знімається з виходу RA3, при цьому замість каскаду на транзисторі VT1 встановлюють оптосимисторное реле, керуючу харчуванням виконавчого пристрою або контактора, який, у свою чергу, підключає нагрівач або компресор до електромережі. Схема можливого варіанту такого реле показана на рис. 2.
Наведена в табл. 2 "прошивка" МК розрахована на управління нагрівальним елементом. Наприклад, якщо задана температура в термостаті дорівнює +30 °С, то на вихід RA3 МК з'явиться сигнал лог. 1 (відповідає включенню нагрівача) при зниження температури контрольованого середовища нижче +29 °С, але як тільки температура підніметься до +31 °С, нагрівач буде відключений. Таким чином, гістерезис між включенням і вимиканням нагрівача становить 2 °С. За його величину "відповідає" перший підкреслений байт (02) в табл. 2: якщо його замінити на "01", гістерезис зменшиться до 1 °С, а якщо на "03", збільшиться до 3 °С і т. д. Чим менше гістерезис, тим точніше буде підтримуватися задана температура в контрольованому середовищі, але частіше будуть повторюватися циклів включення-виключення виконавчого пристрою, і навпаки.
При управлінні компресором холодильника сигнал лог. 1 на виході RA3, що включає систему охолодження, повинен з'являтися, якщо температура перевищить заданий межа, і змінюватися рівнем лог. 0, як тільки температура опуститься нижче зазначеного межі, знову ж таки з урахуванням гістерезису, заданого значенням першого підкресленого байта в табл. 2. Для реалізації цього режиму роботи підкреслені 2, 3 і 4-ї байти таблиці потрібно замінити відповідно на "19", "15" і "11"
Вихідні тексти програм
При програмуванні МК необхідно вказати: тип генератора - HS, таймер WDT і PWRT - включені.
Всі деталі термометра монтують на друкованій платі з двосторонньо фольгованого склотекстоліту (рис. 3).
Плата розрахована на установку резисторів МЛТ, конденсаторів КД (С1, С2), К73-17В з номінальною напругою 400 В (C3), КМ( С7) і К50-35 (решта). Для зменшення габаритів пристрою встановлюють деталі на обох сторонах плати (там, де вказані їх позиційні позначення). В отвори контактних майданчиків, позначені на кресленні поруч стоїть точкою, при монтажі впаюють дротяні перемички (їх функцію виконує також висновок конденсатора С7). Трехразрядного світлодіодний індикатор HG1 зібраний з трьох одноразрядных LSD3212-20 (зеленого кольору світіння) і може бути замінений будь-яким іншим з споживаним струмом не більше 20 мА на елемент (сегмент). Перед установкою на місце висновки 12 індикаторів обрізають в безпосередній близькості від корпусу.
Інтегральний стабілізатор 78L05 (DA1) замінимо будь-яким іншим з напругою стабілізації +5 Ст. Звуковий капсуль-випромінювач НА1 - будь-який малогабаритний з обмоткою опором 8...25 Ом (автор використовував електромагнітний випромінювач НС0903А).
Якщо передбачається використовувати термометр в жорстких кліматичних умовах, оксидні конденсатори С5 і С6 слід вибрати з розширеним температурним діапазоном (з маркуванням на корпусі "+105°С або вище), а МК PIC16F84A - виконання Е/Р, що позначає, що дана мікросхема може працювати при температурі від -40 до +125 °С. Змонтовану плату термометра в цьому випадку поміщають в пластмасовий корпус герметичний і заливають герметиком (наприклад, епоксидною смолою). Отвори для кнопок з внутрішньої сторони заклеюють шматком тонкої гуми, після чого з обох сторін вийшла гумової мембрани, над кнопками SB1 і SB2, наклеюють пластмасові кружки діаметром, дещо меншим діаметра отворів у корпусі. Таким чином забезпечується повна ізоляція елементів пристрою від зовнішнього середовища. При використанні пристрою в звичайних умовах герметизацію можна не робити.
Розміщувати датчик температури всередині корпусу термометра не можна, так як це призведе до збільшення похибки вимірів (із-за нагріву елементів) і інерційності показань термометра при зміні температури навколишнього середовища. Одне з конструктивних рішень - розміщення мікросхеми датчика всередині скляної ампули від ліків відповідного розміру. Місця виходу гнучкого кабелю з ампули і з корпусу термометра ретельно заливають герметиком. Довжина трижильного кабелю може бути від декількох сантиметрів до десятків метрів.
Зібраний з справних деталей і без помилок в монтажі пристрій у налагодженні не потребує.
Автор: С. Коряков, р. Шахти Ростовської обл.