Экономичный цифровой термометр

В последнее время конструирование цифровых термометров очень популярно. Применение микроконтроллеров (МК) и современных датчиков температуры позволяет упростить подобные устройства до предела. Однако цифровые термометры с питанием от сети — явно не лучший вариант для портативного прибора, которым пользуются всего несколько раз в сутки.
Для отображения показаний радиолюбители применяют в термометрах либо светодиодные индикаторы, потребляющие довольно большой ток и, следовательно, неоптимальные при батарейном питании, либо дорогостоящие ЖКИ со встроенным контроллером. Между тем существуют дешевые ЖКИ без контроллера, например ИЖЦ5-4/8. При правильном подходе к разработке схемы их использование лишь немного ее усложняет. Уменьшить габариты экономичного прибора можно за счет питания от одного гальванического элемента.
Имеет значение и выбор датчика температуры. Использовать p-n переход полупроводникового прибора, терморезистор или прецизионный аналоговый датчик, дающий пропорциональное температуре напряжение, нерационально, так как требуется аналого-цифровое преобразование. Из датчиков с цифровым выходом распространены приборы серии DS18Х2Х с однопроводным интерфейсом 1-Wire. Они компактны и в принципе допускают параллельное подключение неограниченного числа датчиков к одному проводу (точнее к двум, считая общий). Однако программная реализация однопроводного интерфейса довольно сложна.
Для измерения температуры в быту лучше использовать датчики с интерфейсом I2C. Они не менее компактны, а многие можно соединять до восьми в параллель. Программно интерфейс I2С гораздо проще однопроводного.
В предлагаемом термометре реализованы все изложенные идеи.

Как видно из приведенной на рис. 1 схемы, применен микроконтроллер PIC16F628 — более совершенный, чем PIC16F84A, и дешевле последнего. Датчик температуры — DS1631 с интерфейсом I2С. Его погрешность ±0,5 °С в интервале температуры 0...+70 °С. В остальных участках интервала -55...+125 СС она не превышает ±1°С.
Помимо прямого назначения, датчик DS1631 может служить узлом управления термостатом с программируемыми значениями температуры включения и выключения нагревателя, причем сделанные установки хранятся в энергонезависимой памяти датчика. Точность преобразования "температура—число" можно программно изменять от 9 до 12 двоичных разрядов. В зависимости от заданной точности длительность измерительного цикла составит 93,75.. .750 мс. Завершив его, датчик DS1631 автоматически переходит в режим пониженного энергопотребления, из которого его выводит только очередная команда, полученная по интерфейсу I2С.
С помощью стабилизированного преобразователя постоянного напряжения в постоянное (DC/DC) МАХ1674 напряжение гальванического элемента G1 (1,5 В) повышается до 3,3 В. Эта очень интересная микросхема способна работать с КПД до 94 % при входном напряжении 0,7...5,5 В, отдавая в нагрузку ток, достигающий 1 А. Если ее вывод 1 (FB) соединить не с выходом (вывод 8. OUT), как на схеме, а с общим проводом (вывод 6, GND), выходное стабилизированное напряжение возрастет до 5 В. Подключая между указанными выводами резисторы, выходное напряжение можно регулировать.
В МАХ1674 предусмотрен встроенный компаратор. На вывод 2 (LBI) — его не инвертирующий вход — подано входное напряжение. На инвертирующем входе компаратора — образцовое напряжение 1,3 В от внутреннего стабилизатора, его можно измерить, на выводе 4 (REF). С помощью дополнительных внешних резисторов порог срабатывания компаратора можно изменить. В предлагаемом устройстве к выходу компаратора (вывод 3. LBO) подключен светодиод HL1. Его свечение предупреждает о необходимости заменить элемент G1.

В термометре установлен индикатор на жидких кристаллах ИЖЦ5-4/8 (MG1). Так как управлять им динамически невозможно, пришлось ввести микросхемы DD2 и DD3 — широко известные КМОП счетчики К176ИЕ4 с встроенными преобразователями кода. Выводя результат измерения температуры на индикатор, микроконтроллер DD1, прежде всего, посылает сигнал сброса на входы R счетчиков. Затем подает на входы С каждого из них импульсы, числом, соответствующим выводимым цифрам.
Входы 5 счетчиков, отвечающие за полярность их выходных сигналов, соединены с подложкой индикатора, на которую с вывода 18 микроконтроллера поступают прямоугольные импульсы. В итоге напряжение на элементах индикатора тоже импульсное, причем на тех, которые не должны быть видны, оно синфазно напряжению на подложке, а на видимых — противофазно ему.
Выводы элементов ж1 (знак "минус"), б2 и в2 (цифра 1 в разряде сотен градусов) подключены к микроконтроллеру напрямую. Он программно формирует сигналы нужной для управления ими формы.
Если температуру проверяют лишь несколько раз в сутки, нет смысла держать термометр включенным Для повышения экономичности предусмотрено управление его питанием с помощью ключа на транзисторе VT1. Кратковременное замыкание контактов кнопки SB1, подключенной параллельно участку эмиттер—коллектор транзистора, дает микроконтроллеру DD1 достаточно времени для запуска тактового генератора и выполнения процедуры инициализации, которая, в частности, устанавливает низкий уровень на выходе RB6. Это удерживает транзистор открытым, а термометр — включенным после отпускания кнопки.
Завершив инициализацию, микроконтроллер обращается к датчику температуры, переводя его в режим девятиразрядного преобразования, затем посыпает датчику команду начать измерение. Через 100 мс микроконтроллер считывает результат и преобразует полученное значение в вид, пригодный для вывода на индикатор. Если датчик не подключен или неисправен, будут выведены два нуля со знаком "минус".
По завершении загрузки цифр результата в счетчики DD2 и DD3 на выводе 18 микроконтроллера появится напряжение возбуждения индикатора. Еще через 3 с программа завершит работу, предварительно установив высокий уровень на выводе 12 микроконтроллера. Транзистор VT1 будет закрыт, питание прибора выключено.
Таким образом, нажатие на кнопку SB1 приводит к однократному измерению температуры и трехсекундному отображению результата на индикаторе. Этим обеспечена высокая экономичность прибора.
В слове конфигурации необходимо указать, что тактовый генератор — INTRC (RA6 и RA7 — линии ввода-вывода), сторожевой таймер выключен, включены таймер задержки запуска при включении питания и узел сброса при снижении напряжения питания. Состояние разрядов, отвечающих за режим низковольтного программирования и работу вывода MCLR/RA5, в данном случае безразличны.

При разработке печатной платы, которая изображена на рис. 2, ставилась цель добиться минимальных габаритов прибора. Это удалось сделать благодаря использованию пассивных элементов типоразмера 0805 для поверхностного монтажа и установке микросхем DD2, DD3 под индикатором HG1. Микроконтроллер DD1 в малогабаритном корпусе SO.
Катушка L1 намотана на высокоомном (более 2 МОм) резисторе МЛТ-0,125 обмоточным проводом диаметром 0,4 мм. Число витков — 17. Ее можно заменить унифицированной индуктивностью 10...47 мкГн, рассчитанной на ток не менее 1 А.
Рекомендуется элементы преобразователя напряжения устанавливать на плату первыми. К сожалению, микросхему МАХ1674 выпускают только в малогабаритном корпусе с шагом выводов 0,5 мм. Паять их следует маломощным паяльником с тонким заостренным жалом, набирая минимальное количество припоя.
Лишь убедившись, что преобразователь работоспособен и его выходное напряжение не отличается от номинального (3,3 В) более чем на 5 %, можно продолжать монтаж. Установив запрограммированный микроконтроллер, проверяют работу автоматического выключателя питания на транзисторе VT1 и наличие импульсных сигналов на выводах 10,11 и 18 микроконтроллера.
После этого можно монтировать микросхемы DD2, DD3 и в последнюю очередь — индикатор HG1. Выводы датчика ВК1 могут быть соединены с соответствующими контактными площадками на плате жгутом проводов длиной до нескольких метров


Автор: А. ВАКУЛЕНКО Журнал Радио №3 2005г.

Связь с автором: Нет данных

Веб сайт автора: Нет данных

Прислал: Нет данных

Источник: http://eldigi.ru