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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Termometro con funzione di controllo timer o termostato
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Regolatori di potenza, termometri, stabilizzatori di calore Le descrizioni di vari termometri digitali elettronici sono state ripetutamente pubblicate in varie fonti. Di norma, contenevano un convertitore temperatura-frequenza e una parte di misurazione che utilizzava elementi digitali discreti che convertivano la frequenza misurata in letture di temperatura. Un convertitore temperatura-frequenza costruito su elementi discreti richiede calibrazione e consente di ottenere una precisione accettabile entro un intervallo piuttosto limitato (a causa della non linearità delle caratteristiche di temperatura degli elementi). L'uso di moderni elementi base - microcontrollori e sensori speciali - semplifica notevolmente la progettazione del circuito del dispositivo, aumentando contemporaneamente la funzionalità e la precisione delle misurazioni. Il diagramma schematico del termometro proposto è mostrato in Fig.1. La sua base è il popolare microcontrollore (MK) PIC16F84A (DD1). Per misurare la temperatura è stato utilizzato un sensore digitale integrato (VK1) DS18B20 di MAXIM. Questo chip non richiede calibrazione e consente di misurare la temperatura ambiente da -55 a +125 °C, e nell'intervallo -10 ... +85 °C, il produttore garantisce un errore di misura assoluto non peggiore di ±0,5 °C C. Il sensore DS18B20 è il più avanzato della nota famiglia DS18X2X, precedentemente prodotta con il marchio Dallas Semiconductor. A differenza degli analoghi funzionali DS1820 e DS18S20, prima di iniziare la misurazione, consente di impostare la precisione relativa richiesta di conversione della temperatura dal seguente intervallo di valori: 0,5; 0,25; 0,125 e 0,0625 °C, mentre il tempo di misura è rispettivamente di 93,75; 187,5; 375 e 750 ms.
Il principio di funzionamento del sensore DS18X2X si basa sul conteggio del numero di impulsi generati da un generatore a basso coefficiente di temperatura nell'intervallo di tempo, che è formato da un generatore a diverso coefficiente di temperatura, mentre la logica interna del sensore prende conto e compensa la dipendenza parabolica delle frequenze di entrambi i generatori dalla temperatura. Lo scambio dei comandi e dei dati di controllo tra il sensore VK1 e MK DD1, operante ad una frequenza di 4 MHz, avviene tramite un bus dati bidirezionale unifilare 1-Wire. Ogni DS18B20 ha un numero di serie univoco a 48 bit, inciso a laser nella ROM durante la produzione, che consente di collegare virtualmente un numero qualsiasi di questi dispositivi allo stesso bus. Il fattore limitante è principalmente solo il tempo totale impiegato per interrogare in sequenza tutti i sensori collegati alla rete. Con un periodo pari a 1 s, MK DD1 invia un comando al sensore VK1 per avviare il processo di misurazione della temperatura con una precisione di 0,0625°C e da esso riceve il risultato della misurazione precedente. Il codice a 12 bit ricevuto dal mittente corrispondente alla temperatura misurata viene convertito in forma decimale, arrotondato ai decimi di grado e visualizzato sull'indicatore LED HG1 in modalità dinamica. Applicazione del registro di tensione. 0 ad una delle uscite RA0, RA1 o RA2, l'MK accende il bit corrispondente dell'indicatore, mentre emette il codice a sette elementi della cifra visualizzata in questo bit alle uscite RB0-RB6. Il controllo del punto sull'indicatore, che separa la parte intera della temperatura visualizzata da quella decimale, viene effettuato dall'MK tramite l'uscita open-drain RA4. Il periodo di visualizzazione di tutte e tre le cifre dell'indicatore è di circa 12,3 ms (frequenza - 81 Hz). Poiché il dispositivo utilizza un indicatore a tre cifre, nell'intervallo da -19,9 a +99,9 oС la temperatura viene visualizzata con una precisione di 0,1 °С e negli intervalli -55 -20 e +100 ... +125 °С - con una precisione di 1 °C. Inoltre, in questi intervalli, l'errore assoluto di misurazione della temperatura aumenta a ±2 °C, quindi la visualizzazione della temperatura con una precisione di decimi di grado perde di significato. Al termine di ogni periodo di visualizzazione delle informazioni sull'indicatore, il MK controlla lo stato dei pulsanti SB1 e SB2, per cui imposta una tensione di livello logico alto sulle uscite RA0-RA2 (questo corrisponde allo spegnimento di tutti i bit dell'indicatore Indicatore HG1) e all'uscita RA4 - una tensione logica. 0. I bit RB5, RB6 vengono riconfigurati per l'ingresso, mentre ad essi sono collegati i resistori interni "pull-up" collegati al bus di alimentazione +5 V. Pertanto, quando si preme il pulsante SB1 o SB2, il livello di tensione logica alta su RB5 , RB6 viene sostituito da uno basso, monitorato da MK. Gli elementi indicatori LED collegati a queste scariche non hanno un effetto significativo sullo stato degli ingressi MK indicati, poiché la corrente nella direzione inversa che li attraversa è trascurabile. Mantenere premuti i pulsanti non influisce sul funzionamento degli indicatori durante il periodo di visualizzazione delle informazioni, poiché la corrente tra le uscite RA4 e RB5, RB6 attraverso i pulsanti SB1, SB2 è limitata dai resistori R4, R5. Il dispositivo è alimentato da rete 220 V AC tramite un condensatore di ballast C3. Grazie al ponte a diodi VD1, entrambe le semionde della tensione di rete passano attraverso il diodo zener VD2. Di conseguenza, l'ondulazione di tensione sul condensatore C5 viene notevolmente ridotta e diventa possibile ridurre la capacità del condensatore C3, che determina la corrente massima fornita dalla sorgente di alimentazione al carico. Il circuito di temporizzazione R1C4R2 forma una pausa prima di avviare l'MC, necessaria affinché dopo l'accensione del dispositivo nella rete, la tensione sui condensatori C5, C6 abbia il tempo di aumentare a un livello che garantisca il normale funzionamento dell'MC . Quando il segnale sonoro viene attivato, quando la cascata sul transistor VT1 entra in funzione con l'emettitore di suoni HA1 incluso nel suo circuito di raccolta, la corrente consumata dal dispositivo aumenta in modo significativo, pertanto il programma MK prevede lo spegnimento dell'indicatore per la durata del segnale. Questa cascata è alimentata dall'energia accumulata nel condensatore C5, che porta a grandi cadute di tensione su di esso. Per mantenere una tensione di alimentazione stabile dell'MC e del sensore di temperatura, nel dispositivo vengono introdotti un regolatore di tensione integrato DA1 e un condensatore di ossido ad alta capacità C6. Se non è necessario un allarme sonoro, il chip DA1 e il condensatore C5 possono essere esclusi, ma in questo caso D815E (VD2) deve essere sostituito con un diodo zener D815A con una tensione di stabilizzazione di 5,6 V. I codici firmware MK ROM per un termometro con funzione timer sono riportati nella Tabella 1. Quando si preme il pulsante SB1, viene emesso un breve segnale acustico e il display mostra il valore del tempo rimanente fino all'emissione del segnale acustico o 0 (ordine basso) se il tempo nel timer non è stato impostato. La temporizzazione richiesta (entro 1 ... 99 min) viene inserita premendo il tasto SB2 (senza rilasciare SB1). Allo stesso tempo, le letture dell'indicatore iniziano ad aumentare automaticamente a una frequenza di 2 Hz. Quando viene raggiunto il valore desiderato, i pulsanti vengono rilasciati. Il ritorno alle letture della temperatura avviene 1 s dopo il rilascio del pulsante SB1. Al termine del tempo impostato, il dispositivo emette un segnale acustico intermittente con una frequenza di 10 Hz per 1500 secondi. Nella tabella 2 sono riportati i codici firmware dell'MK, che attribuisce al dispositivo descritto la funzione di controllare un termostato che mantenga una determinata temperatura in ambiente controllato con una precisione di ±1°C. La visualizzazione e l'impostazione della temperatura (nell'intervallo -54 ... + 124 ° C) si effettuano, come nel caso precedente, tramite i pulsanti SB1 e SB2. Il valore di temperatura impostato viene memorizzato nella memoria dati non volatile dell'MK e da essa caricato ad ogni successivo collegamento del dispositivo alla rete. Quando il dispositivo viene azionato con un termostato, il segnale per controllare il riscaldatore o il compressore del frigorifero viene rimosso dall'uscita RA3, mentre al posto della cascata è installato un relè optotriac sul transistor VT1, che controlla l'alimentazione dell'attuatore o contattore, che a sua volta collega il riscaldatore o il compressore alla rete. Uno schema di una possibile variante di tale relè è mostrato in Fig. 2.
Il firmware MK mostrato nella Tabella 2 è progettato per controllare l'elemento riscaldante. Ad esempio, se la temperatura impostata nel termostato è + 30 ° C, all'uscita di RA3 MK verrà visualizzato un segnale di registro. 1 (corrisponde all'accensione del riscaldatore) quando la temperatura del fluido controllato scende al di sotto di +29°C, ma non appena la temperatura sale a +31°C, il riscaldatore si spegne. Pertanto, l'isteresi tra l'accensione e lo spegnimento del riscaldatore è di 2°C. Il primo byte (02) tra parentesi nella tabella 2 è "responsabile" del suo valore: se viene sostituito da (01), l'isteresi diminuisce a 1°С, se per (03) aumenta a 3° C, ecc. Minore è l'isteresi, più accuratamente verrà mantenuta la temperatura impostata nell'ambiente controllato, ma i cicli di accensione e spegnimento dell'attuatore verranno ripetuti più spesso e viceversa. Quando si controlla il compressore del frigorifero, il segnale è log. 1 all'uscita di RA3, che include il sistema di raffreddamento, dovrebbe apparire se la temperatura supera il limite specificato ed essere sostituito da un livello log. 0 non appena la temperatura scende al di sotto del limite specificato, sempre tenendo conto dell'isteresi specificata dal valore del primo byte tra parentesi in Tabella 2. Per implementare questa modalità di funzionamento, il 2°, 3° e 4° byte della tabella presi tra parentesi devono essere sostituiti rispettivamente da (19), (15) e (11). I testi sorgente dei programmi, comprese la Tabella 1 e la Tabella 2, possono essere scaricati quindi. In fase di programmazione dell'MK, è necessario specificare: tipo di generatore - temporizzatori HS, WDT e PWRT - abilitati. Tutte le parti del termometro sono montate su un circuito stampato in fibra di vetro a doppia faccia (Fig. 3). La scheda è progettata per l'installazione di resistori MLT, condensatori KD (C1, C2), K73-17V con una tensione nominale di 400 V (C3), KM (C7) e K50-35 (il resto). Per ridurre le dimensioni del dispositivo, le parti sono installate su entrambi i lati della scheda (dove sono indicate le loro designazioni di riferimento). I ponticelli sono saldati nei fori delle piazzole di contatto, contrassegnati sul disegno con un punto vicino, durante l'installazione (la loro funzione è svolta anche dall'uscita del condensatore C7). L'indicatore LED HG1 a tre cifre è assemblato da tre LSD3212-20 a una cifra (luce verde) e può essere sostituito da qualsiasi altro con un consumo di corrente non superiore a 20 mA per elemento (segmento). Prima dell'installazione, i cavi di 12 indicatori vengono tagliati nelle immediate vicinanze dell'alloggiamento.
Possiamo sostituire lo stabilizzatore integrale 78L05 (DA1) con qualsiasi altro con una tensione di stabilizzazione di +5 V. La capsula emettitrice di suoni HA1 è una qualsiasi capsula di piccole dimensioni con un avvolgimento con una resistenza di 8 ... 25 Ohm (l'autore utilizzato l'emettitore elettromagnetico HC0903A). Se si prevede di utilizzare un termometro in condizioni climatiche difficili, è necessario selezionare i condensatori di ossido C5 e C6 con un intervallo di temperatura esteso (contrassegnato sulla custodia (+105 ° C) o superiore) e la versione MK PIC16F84A - E / P, che indica che questo microcircuito possa funzionare a temperature da -40 a + 125 °C. In questo caso, la scheda del termometro montata viene collocata in una custodia di plastica sigillata e riempita con un sigillante (ad esempio, resina epossidica). I fori per i pulsanti all'interno sono sigillati con un pezzo di gomma sottile, dopodiché, su entrambi i lati della membrana di gomma risultante, sopra i pulsanti SB1 e SB2, cerchi di plastica con un diametro leggermente inferiore al diametro dei fori in la custodia è incollata. In questo modo è garantito il completo isolamento degli elementi del dispositivo dall'ambiente esterno. Quando si utilizza il dispositivo in condizioni normali, la sigillatura può essere omessa. È impossibile posizionare il sensore di temperatura all'interno della custodia del termometro, poiché ciò comporterà un aumento dell'errore di misurazione (dovuto al riscaldamento degli elementi) e l'inerzia delle letture del termometro al variare della temperatura ambiente. Una soluzione progettuale consiste nel posizionare il chip del sensore all'interno di una fiala di vetro di dimensioni adeguate. I punti di uscita del cavo flessibile dall'ampolla e dalla custodia del termometro sono accuratamente riempiti di sigillante. La lunghezza di un cavo a tre fili può variare da alcuni centimetri a decine di metri. Assemblato da parti riparabili e senza errori di installazione, il dispositivo non ha bisogno di essere regolato. Autore: S. Koryakov, Shakhty, regione di Rostov; Pubblicazione: radioradar.net
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