Сразу хочется отметить, что печатная плата и конструкция были разработаны с расчетом на то, чтобы сделать компактное устройство, крепящееся на стене.
Управление устройством осуществляется с помощью одной кнопки. Программа для микроконтроллера написана на Си, снабжена комментариями, и пользователи могут модифицировать ее под свои конкретные задачи, или же расширить функционал. Для управления ЖК индикатором используется готовая библиотека Peter Fleury (архив для скачивания доступен в разделе загрузок). Дополнительно, данные могут отображаться в градусах Цельсия или Фаренгейта. Имеется несколько режимов управления подсветкой индикатора.
Также стоит отметить еще один важный момент: устройство может осуществлять беспроводную передачу данных по протоколу Bluetooth посредством специального модуля (опционально).
Принципиальная схема
С точки зрения схемотехники устройство несложное, и мы рассмотрим отдельно составляющие элементы.
Источник питания термометра выполнен на базе интегрального регулятора напряжения в стандартном включении (с соответствующими фильтрующими конденсаторами). Регулятор напряжения 3.3 В AMS1117 включен в состав схемы, но применяться может в случае использования Bluetooth модуля, т.к. зачастую питание таких модулей 3.3 В.
Индикатор используемый в устройстве - это стандартный двухстрочный индикатор на контроллере HD44780 . Транзистор предназначен для управления подсветкой индикатора логическими сигналами с микроконтроллера или же ШИМ сигналом с микроконтоллера. Резистор R3 ограничивает ток через базу транзистора, резистор R1 подтягивает базу к нулевому потенциалу.
Основа термометра - микроконтроллер , работающий на частоте 8 МГц и управляющий все окружающей периферией.
Датчик DHT-11 - это недорогой датчик температуры и относительной влажности, используемый в проекте в качестве уличного датчика. Он не отличается высоким быстродействием и точностью, однако находит свое применение в радиолюбительских проектах из-за своей невысокой стоимости. DHT-11 состоит из емкостного датчика влажности и термистора. Также, датчик содержит в себе простой АЦП для преобразования аналоговых значений влажности и температуры.
Основные характеристики:
- низкая стоимость;
- напряжение питания 3 В - 5 В;
- предача данных по 1-Wire шине на расстояния до 20 м;
- определение влажности 20-80% с 5% точностью;
- максимальный потребляемый ток 2.5 мА;
- определение температуры 0…50° с точностью 2%;
- частота опроса не более 1 Гц (не более раза в 1 с);
- размеры 15.5 × 12 × 5.5 мм;
Следует отметить, что в продаже можно найти датчик DHT-22, который имеет тот же интерфейс, но лучшие характеристики.
Датчик подключается к микроконтроллеру по шине 1-Wire (на схеме кннектор JP3) с использованием подтягивающего резистора по линии данных и блокирующего конденсатора по питанию.
В качестве внутреннего датчика используется широко распространенный аналоговый датчик температуры LM35 IC5, который подключается к каналу 1 АЦП микроконтроллера.
Коннектор J1 интерфейса внутрисхемного программирования микроконтроллера позволяет быстро сменить программный код или обновить ПО. Для подключения термометра по интерфейсу UART используется коннектор JP1. Кнопка управления SW1 подключена ко входу внешнего прерывания микроконтроллера, данный вход подтянут к питанию внутренним резистором порта.
Bluetooth модуль для беспроводной передачи данных, на схеме обозначен как IC3, GP-GC021 также подключается к интерфейсу UART микроконтроллера и позволяет передавать данные на ПК, мобильный телефон или web-сервер. На печатной плате предусмотрено место для установки модуля. В разделе загрузок имеется описание модуля, процесс взаимодействия и команды.
ЖК индикатор устанавливается на лицевую часть печатной платы в коннектор, скрываяя, таким образом, установленные на основной платее компоненты, и мы получаем компактное устройство. Место для установки Bluetooth модуля находится на тыльной стороне печатной платы (см. фото платы).
Внешний вид готовой печатной платы для термометра
Рисунок печатной платы в САПР Eagle
.jpg)
Плата с установленным Bluetooth модулем
.jpg)
Загрузки
Принципиальная схема и печатная плата (Eagle), ПО (исходный код, прошивка) -
Библиотека для работы с ЖК индикатором на контроллере HD44780 -
Техническое описание на Bluetooth модуль GP-GC021 -
Или его аналоги. Приборы имеют хорошую точность, помехоустойчивость, и, по сравнению с аналоговыми решениями, значительно упрощают схему. Пределы измеряемых подобными датчиками температур, как правило, ограничены диапазоном от -55 до 125 ºС. Что же делать, если нужно измерить температуру выше 125 °С? Очевидно, нужно использовать аналоговые датчики, температурный диапазон которых может достигать +300 °С. Надо отметить, что в этом случае точность измерений снизится. Но часто при измерении больших температур знать точное значение необязательно, и погрешность в несколько градусов будет приемлемой, а при отображении на аналоговой шкале, например, на линейке светодиодов, и вовсе незаметной.
Для нормальной работы устройства в температуре 0 … 250 °С, был выбран аналоговый датчик , рабочий диапазон которого составляет -40 + 300 °С. Его параметры идеально подходят под выбранный температурный диапазон. За обработку данных отвечает микроконтроллер (МК) . Конечно, годится и любой другой, но автору этот МК представляется одним их самых доступных и популярных. Фьюз биты оставлены заводские. При решении задачи критерии точного измерения были отложены на второй план. Погрешность в пределах нескольких градусов вполне устраивала.
Цифровая индикация результатов измерений
Для цифрового отображения данных используются LCD дисплей. При желании устройство можно модернизировать, доработав код программы. Свободных портов ввода-вывода для этого достаточно. LCD дисплей подключен по 4-битной шине (Рисунок 1). Старшие разряды индикатора D4 - D7 подключены к младшим разрядам D0 - D4 микроконтроллера. Поскольку точных временных привязок в этом устройстве нет, то нет и необходимости во внешнем задающем кварцевом резонаторе. К портам PB6 и PB7 подключены управляющие выводы дисплея. Как можно видеть, все линии управления дисплея выходят с одной стороны корпуса МК, что упрощает трассировку печатной платы.
Вычисление значения температуры
Из Рисунка 1 видно, что аналоговый датчик температуры подключен прямо к входу АЦП микроконтроллера. При использовании операционного усилителя погрешность измерения была бы меньше. Напряжение на АЦП подается через делитель, образованный терморезистором и переменным резистором. Для лучшей точности настройки переменный резистор выбран многооборотным.
| Таблица 1. | Зависимость сопротивления от температуры. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Построив на основании Таблицы 1 график в Mathcad (Рисунок 2), можно увидеть зависимость сопротивления аналогового датчика от приложенной температуры. Исходные данные таблицы взяты из технического описания KTY84_130. Функция имеет практически линейный характер, лишь с небольшим отклонением на высоких температурах.
При измеряемой температуре 0 ºС сопротивление терморезистора составляет 498 Ом. Напряжение на выходе делителя равно
- U Д - напряжение на датчике температуры относительно земли,
- U ПИТ - напряжение питания,
- R Д - сопротивление датчика температуры,
- R 1 - установленное сопротивление переменного резистора.
При температуре 0 ºС напряжение на входе АЦП должно составлять 0.6 В. Для вычисления значения температуры автор использовал следующую формулу:
- АЦП - 10 разрядный цифровой код АЦП, снятый с датчика,
- U ОТС - отсекающее значение (60), равное 0.6 В при 0 ºС.
Диапазону измеряемых температур от 0 ºС до 250 ºС соответствуют поступающие с делителя входные напряжения АЦП от 0.6 до 1.8 В. Опорное напряжение АЦП составляет 5 В, поэтому при указанных значениях цифровой код будет находится в пределах от 123 до 368. Это число помещается в регистр и конвертируется в три разряда ASCII кода. Поскольку датчик KTY84_130 рассчитан на максимальную температуру 300 ºС, лучше оставить небольшой запас и ограничится 250 ºС.
На Рисунке 5 показано устройство, собранное на макетной плате. Код программы открытый, и каждый может с легкостью доработать его под собственные задачи.
Программное обеспечение МК и виртуальная модель Proteus для LCD 16×2 -
Программное обеспечение МК и виртуальная модель Proteus для LCD 8×2 -
Описание работы термометра
Назначение этого термометра всего лишь показывать температуру. Небольшие отличия от других подобных схем только в формате вывода температуры на LED индикатор, который представляет из себя 4-х разрядный сверхяркий CA04-41SRWA. В качестве датчика температуры применён DS18B20 в обычном включении с отдельным проводом питания.Схема расчитана на питание от батареек, поэтму при включении питания индикатор не показывает ничего. Программа термометра при этом проходит инициализацию и сразу уходит в спящий режим. Спящий режим микроконтроллера позволяет экономить энергию источника питания. При нажатии на кнопку, подключенную к PORTB0, включается индикация.
На индикатор выводится подсказка:
Затем на индикатор выводятся сами показания температуры.
Вид вывода показаний следущий:
Датчик температуры DS18B20 измеряет температуру с разрешением 0,0625 градусов цельсия. Термометр считывает показания из датчика и округляет их до десятых долей градуса. Десятые доли градуса выводятся на индикацию во всех режимах индикации, кроме режима температур меньших, чем -10 градусов цельсия. Это сделано для того, чтобы на показаниях отрицательных температур всегда присутствовал знак "минус".
Показания присутствуют на индикаторе в течение 30 секунд. Затем прибор снова уходит в спящий режим и индикатор выключается.
Моделирование термометра в протеусе
Модель в протеусе позволила отработать программную часть термометра не собирая сам прибор в железе. Все режимы оттестированы. Сбоев при моделировании в программе нет.
Саму модель можно загрузить по ссылке: termo_i_v2.DSN
Принципиальная схема термометра
Схема нарисована отталкиваясь от рисунка печатной платы. Сначала была сделана разводка проводников печатной платы, таким образом, чтобы длина проводников и расположениен деталей было оптимальным и только после того, как на печатной плате было получено соответствие портов микроконтроллера PIC16F628A выводам индикатора CA04-41SRWA была составлена точная принципиальная схема.
Печатная плата термометра
Доброго времени суток уважаемые читатели. Как видно из названия статьи, речь в ней пойдет о термометре собранном на PIC. Итак. Почему и как всё начиналось?!
Понадобилась мне схема простейшего термометра для подвала гаража. Начал искать подходящую схему в Интернете. Важным критерием было применение минимального количества элементов в схеме. Сразу скажу, что таких схем термометров в сети навалом. Но! Чаще всего они выполнены на AVR с которыми я к глубокому своему сожалению не дружу. Поэтому стал искать схему на PIC. Но и тут меня ожидало разочарование. Схемы термометров на PIC есть. Но там применяют, то транзисторы для индикаторов, то внешний кварц, либо еще что то, что усложняло схему и было неприемлемо в моем случае. Наконец, после долгих поисков, подходящая мне схема была найдена тут:
http://www.labkit.ru/html/show_meter?id=38
И была успешно повторена неоднократно. Всё прекрасно работает. (на сайте автора этой схемы есть и прошивка и печатная плата для повторения данного термометра). Время шло. И в одно прекрасное время во первых выяснились недочеты данной схемы и еще мне понадобилось применить индикатор с Общим Катодом (на сайте автора прошивка была только под Общий Анод). Теперь о недочете схемы в первоисточнике. Изначально в схеме автора нет резистора подтяжки у датчика температуры. Тоесть резистор на 4,7К в схеме отсутствует. Да действительно при таком исполнении схемы термометр может работать, но только при условии, если датчик температуры впаян сразу в плату, либо длина провода на котором находится датчик не должен превышать длины провода метр, полтора метра. Не более. В противном случае индикатор начинает показывать какую- то ерунду, а не температуру.
Такой поворот событий меня совсем не обрадовал. Потому как длинна провода с датчиком мне была нудна не менее 10 метров.
Эта проблема решилась очень просто и быстро, именно установкой подтягивающего резистора 4,7К на датчике. После чего датчик стал работать стабильно при любой длине провода. Но как быть, если у меня есть индикаторы только с общим катодом! А прошивка сделана под анод… Вот тут мне и помог Станислав Дмитриев. За что ему огромнейшее спасибо. Он не только написал прошивку под общий анод. Но так же и под общий катод и под разные типы датчиков температуры (DS18S20 или DS18B20). Что позволило еще более унифицировать данную схему. И рекомендовать её к повторению. Также можно применить в схеме как четырех разрядные семисегментники так и трех разрядные семисегментники. Что является не большим, но все, же плюсом.
Теперь сама схема
Как вы видите, схема не отличается от той, что представлена, была на сайте http://www.labkit.ru
Так и было задумано изначально. Единственное изменение в схеме это установка дополнительного резистора. Схему я не стал перерисовывать с нуля. Просто добавил недостающий элемент схемы. По сути если Вы хотите еще более упростить схему и у вас есть стабильный источник питания 5В, то Вы можете исключить из схемы и линейный стабилизатор. И запитать МК сразу от 5В.
Теперь поговорим немного о том, как самому настроить прошивку под нужный вам индикатор или датчик. Тут всё просто.
Загрузив файл прошивки в программатор, Вы сами: исходя из того, что вам нужно и смотря на данный скриншот, прописываете нужные вам параметры в файл прошивки в разделе EPROM. После чего можете прошивать контролер.
В моём варианте печатной платы в плате предусмотрено место не только для линейного стабилизатора, но и для диодного моста (что позволит запитывать схему напряжением от 7,5В до 12В. А так же на плате предусмотрено место для установки клемника, который позволяет не впаивать датчик температуры в плату, а зажать его зажимами. Это удобно при смене датчика, либо при установке датчика на длинный провод. Позволяет быстро сменить провод.
Рисунок платы
Как Вы можете видеть термометр собран на двух платах. На одной устанавливается семисегментный индикатор (трех или четырех разрядный). На второй плате устанавливаются все остальные элементы схемы. Платы между собой соединяются, по средствам гребенки, либо как в моем случае проводами..
В конце фото моего готового термометра.
Цифровой термометр, собранный самостоятельно с нуля, не только послужит вам по своему прямому предназначению, но, как и всё, что сделано своими руками, повысит вашу самооценку (а может быть, через несколько лет станет дорог и как память).
Без сомнения, цифровой термометр в хозяйстве - вещь полезная, но мало функциональная: кроме измерения температуры, ни на что больше не ориентирована. В этом плане термометр на микроконтроллере окажется более полезным, поскольку имеет возможность включать и выключать какую-либо нагрузку в зависимости от изменения температуры.
Однако в том случае, если вам хочется сделать что-то стоящее своими руками, то, как первый шаг, такая конструкция себя вполне оправдывает - приобретаемый вами опыт бесценен.
Итак, для начала выберем наипростейшую схему термометра, построенного на микроконтроллере PIC16F84A, цифровом датчике температуры DS18B20, обладающем точностью измерения до 0,5 градуса, и четырёхразрядном светодиодном индикаторе с общим анодом. В моём случае применён дисплей FYQ-3641BG-21E.
Достоинством схемы является её простота - из дискретных элементов нам понадобятся десяток резисторов, несколько конденсаторов и кварцевый резонатор на 4 МГц. Основной недостаток - как и все электронные устройства, терморегулятор нуждается в источнике питания.
Применение батареек делает прибор мобильным, но срок работы от одного комплекта батареек может составить всего 1-2 недели. Запитывание термометра от сетевого блока питания "привязывает" его к какой-либо розетке, что не всегда удобно.
Добавлю, что на схеме не показано подключение питания к микроконтроллеру - плюс питания подаётся на 14 вывод, а минус - на 5 вывод микросхемы.
