Разработка и изготовление автомобильных двухканальных термометров

Разработка  и изготовление автомобильных двухканальных термометров

Содержание

Введение                                                                                                                   2

1. Анализ существующих конструкций (принцип действия)                       3

2. Автомобильный термометр 2-х канальный на PIC16F628 + LCD Nokia3310                                                                                                       4

3. Двухканальный термометр-термостат на Atmega8                                  10                             

4. Термометр 2-х канальный на PIC16F628 + LCD Nokia3310                   14

Библиографический список                                                                                  21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Показателем эффективности работы систем отопления и охлаждения, а также агрегатов, использующих другие термические процессы, является разность температур на входе и выходе системы. Для измерения этих параметров, а также для автоматического расчета дифференциальной температуры, служат дифференциальные цифровые контактные термометры. С помощью таких термометров можно контролировать температурные показатели одновременно по двум каналам. Как правило, при проверке и наладке тепловых и холодильных систем для получения наиболее достоверных результатов необходимо фиксировать максимальные и минимальные показания в течение определенного времени.

Цифровой Автотермометр, это универсальный  прибор, так как его можно использовать для измерения температуры воздуха  как на улице так и в салоне автомобиля, но помимо этого его можно применять для измерения температуры и дома. Для этого сам термометр устанавливается дома, а датчик выводим на улицу, например, через окно. Термометр имеет диапазон измерения от -50 до .+60 °С . На большом жидкокристаллическом дисплее крупными цифрами помимо температуры окружающей среды в салоне и на улице, отображается время, и календарь. Так же термометр оснащен функцией определения образования льда на дороге, о чем оповещает специальный символ в виде снежинки. Перед началом работы необходимо вставить батарейки либо подключить питание от прикуривателя. Затем необходимо поместить подставку, которая имеется в комплекте, в удобном месте и прикрепить к ней сам термометр. Прибор сохраняет в памяти значения максимальной и минимальной температуры. Для просмотра этих данных необходимо нажать соответствующую кнопку MAX MEM или MIN MEM. С помощью данного термометра вы всегда будете знать температуру воздуха на улице и в салоне вашего автомобиля или в квартире.

 Анализ существующих конструкций (принцип действия)

Встречается множество термометров  в которых применены датчики  температуры DS18B20 в связке с микроконтроллером. Для индикации применяются в основном семисегментные индикаторы, реже знакосинтезируюшие, совсем редко графические LCD. Есть несколько проектов с дисплеями от сотовых телефонов.

Существуют электронные цифровые термометры различного принципа действия. 
1. Термометры с традиционными температурными датчиками, встроенными в корпус прибора, либо с температурным датчиком в выносном щупе. Индикация показаний термометра в этом случае осуществляется на LCD-дисплее, установленном в корпусе прибора. Имеются комбинированные приборы (термометры/гигрометры), которые помимо измерения температуры позволяют измерять величину относительной влажности окружающего воздуха (благодаря встроенному датчику относительной влажности). 
2. Дистанционные инфракрасные термометры (пирометры). Это термометры неконтактного измерения температуры. Принцип действия инфракрасных термометров основан на измерении чувствительным элементом уровня инфракрасной энергии, излучаемой поверхностью объекта, температура которого определяется. Это позволяет определять температуру объекта намного быстрее и безопаснее, по сравнению с другими технологиями.

Автомобильный термометр 2-х канальный на PIC16F628 + LCD Nokia3310

Конструкция 2-х канального термометра на PIC16F628A и DS18B20, предназначенного для домашнего применения, заинтересовала, как простых радиолюбителей, так и тех у кого есть автомобиль. Для применения в автомобиле конструкция термометра претерпела ряд изменений, как схемотехнических, так и программных. Надпись "Дом" была заменена на "Салон", а в нижней строке дисплея теперь выводится напряжение бортовой сети автомобиля.

При реализации функции  измерения напряжения бортовой сети возникли трудности, связанные с отсутствием у примененного микроконтроллера цифро-аналогового преобразователя (АЦП). Зато в микроконтроллере имеется модуль компараторов, который и был использован для измерения бортового напряжения. С помощью модуля компараторов оказалось возможным измерять напряжение в диапазоне входных напряжений от 5,6В до 16В с дискретностью измерения 0,7В. Это самый оптимальный вариант для решения поставленной задачи без замены микроконтроллера.

Зная напряжения бортовой сети можно  оценить состояние аккумуляторной батареи. Сразу при включении устройства (с помощью замка зажигания или другим способом) выполняется измерение бортового напряжения. Если величина бортового напряжение оказалась меньше чем 10,5В автомобильный термометр-вольтметр оповестит звуковым сигналом (в течении 1,5с.) и одновременно выведет в нижней строке дисплея сообщение "Аккум - разряжен" примерно на 3...4с. Далее в нижней строке будет отображаться текущее значение бортового напряжения. Если величина напряжения будет меньше 5,6В на индикаторе будет отображаться сообщение "Напряжение <6B", а если больше 16В - "Напряжение >16B".

В качестве управляющего контроллера D1 используется микроконтроллер  фирмы Microchip PIC16F628A, работающий в данном устройстве от внутреннего тактового генератора (4МГц).

Вывод информации о величине измеренных температур и напряжении бортовой сети автомобиля микроконтроллер  осуществляет на LCD индикатор E1 от мобильного телефона Nokia3310. Передача данной информации осуществляется по последовательному интерфейсному каналу типа SPI. Обмен информации между микроконтроллером и дисплеем односторонний, данные передаются только от микроконтроллера к индикатору.

Резисторы R11...R15, совместно  с входными встроенными защитными цепями индикатора, обеспечивают согласование уровней сигналов управления, поступающих на индикатор.

Питание индикатора осуществляется от параметрического стабилизатора  напряжения, обеспечивающего значение напряжения питания индикатора около +3,3В. Стабилизатор напряжения выполнен на стабилитроне V5, резисторе R10 и конденсаторе фильтра С8. Питание на стабилизатор поступает от источника стабилизированного напряжения +5В.

Измерение температур осуществляется цифровыми датчиками температуры U1 и U2 фирмы Maxim DS18B20. Эти датчики имеют заводскую калибровку и позволяют измерять температуру окружающей среды от -55 до +125°С, причем в интервале -10...+85°С производитель гарантирует абсолютную погрешность измерения не хуже ±0,5°С. На границах диапазона измеряемых температур точность ухудшается до ±2°С.Индикация показаний термометра во всем диапазоне измеряемых температур выполняется с дискретностью ±0.1°C.

Обмен данными и командами  между микроконтроллером D1 и датчиками  температуры U1 и U2 осуществляется с помощью последовательного интерфейсного канала 1-Wire. Для упрощения программного обеспечения датчики подключены на отдельные входы микроконтроллера. Протокол обмена при этом по шине 1-Wire упрощается : не требуется адресация датчиков и их предварительная инициализация.

Резисторы R4, R6 являются нагрузочными резисторами для линий  интерфейса 1-Wire. Резисторы R5, R7 выполняют  функцию защиты внутреннего источника  питания термометра при коротком замыкании цепей питания датчиков.

Разъем Х3 используется для внутрисхемного программирования микроконтроллера D1. Его необходимо устанавливать в случае использования микроконтроллера в SMD исполнении или когда микроконтроллер в DIP корпусе непосредственно впаивается в плату, а не устанавливается в панельку. Разъем Х3 обеспечивает непосредственное подключение программатора PICKIT2 к термометру.

Пъезоизлучатель SP1 обеспечивает вывод звуковых сигналов, оповещающих  о разрядке аккумуляторной батареи.

Внутренняя схема питания  автомобильного термометра реализована  следующим образом:

- с разъема Х4 бортовое  напряжение поступает через диод V1 и резистор R3 на микросхему интегрального  стабилизатора напряжения U3 типа 7805. Данная микросхема из напряжения  бортовой сети формирует стабилизированное  напряжение +5В для питания микроконтроллера, параметрического стабилизатора индикатора и цифровых датчиков температуры; 
- диод V1 препятствует прохождению импульсных помех отрицательного напряжения в цепи питания термометра, защищает устройство при неправильной подачи питания на устройство (переполюсовка питания), а также совместно с конденсатором С1 препятствует перезапуску микроконтроллера устройства при провалах напряжения бортовой сети при включении стартера автомобиля или других энергоемких потребителей электроэнергии автомобиля;

- Резистор R3 совместно с ограничительным диодом (супрессором) V2 защищает внутренние цепи термометра от перенапряжений, возникающих от влияния импульсных помех.

Узел формирования аналогового  сигнала, необходимого для измерения  напряжения бортовой сети, собран на резистивном делителе напряжения R1,R2, конденсаторе C2 помехоподавляющего фильтра (R1, C2), и диодах V3, V4, защищающих совместно с резистором R1 аналоговый вход микроконтроллера от перенапряжений.

Желательно для повышения точности измерения напряжения резисторы R1 и R2 использовать с 1% точностью, но так, как дискретность измерения очень большая (0,7В) - это условие не обязательно.

Мощность резистора R3 должна быть не менее 0,5Вт, а мощность стальных резисторов может быть 0,125Вт для выводных и 0,1Вт для SMD резисторов.

Опытный образец автомобильного термометра был собран на односторонней  печатной плате:

при этом внешний вид платы термометра с установленными элементами со стороны установки элементов:

и со стороны печатных проводников:

Двухканальный термометр-термостат на Atmega8

Двухканальный термометр - термостат выполнен на микроконтроллере ATmega8 и цифровых датчиках температуры DS18B20. Два датчика DS18B20 подключают к разъемам Х1 и Х2, причем номера гнезд соответствуют номерам их выводов. Использована трехпроводная схема подключения. Уже много раз я убеждался в том, что только так можно добиться максимальной длины соединительных проводов, и везде, где это возможно, стараюсь избегать паразитного питания датчиков. При медных проводах сечением 0,5 мм2 устойчивую связь удавалось обеспечить на расстоянии до 40 м.

Показания датчиков выводятся  на HG1 — трехразрядный светодиодный индикатор с общими анодами светодиодов  каждого разряда. Двухцветные светодиоды HL1 и HL2 отображают состояние каждого  из каналов.

Сигналы управления нагревателями  в режиме термостата формируются  на выходах микроконтроллера РВ6 (первый канал) и РВ7 (второй канал). Управление двухпозиционное: нагреватель включен  или выключен. Для гальванической развязки прибора от исполнительных устройств установлены оптроны U1 и U2. В моем варианте к разъемам Х4 и Х5 подключены цепи управления двух симисторов ВТ139, коммутирующих нагревательные элементы. При необходимости оптроны можно заменить транзисторами, включив в их коллекторные цепи обмотки электромагнитных реле.

В течение 4...5 с после  подачи на прибор питания происходит инициализация датчиков и начальный  сбор их показаний. В это время  поочередно мигают все элементы индикатора HG1. Далее устанавливается режим измерения и отображения температуры. В этом режиме нагреватели выключены.

Показания датчиков на индикаторе чередуются с периодом 5 с. Если температура  измерена датчиком, подключенным к  разъему Х1, светится светодиод HL1, а  подключенным к разъему Х2 — HL2. При этом, если соответствующий канал сконфигурирован как термометр, цвет свечения желтый, если как термостат, то при поданной команде на включение нагревателя он красный, а при ее отсутствии — зеленый.

После нажатия на кнопку SB2 отображаются показания только первого датчика, а после нажатия на SB3 -только второго. Если какой-либо датчик не подключен, в его цепи произошел обрыв, замыкание или температура вышла за пределы 0,1...99,9 °С, на индикатор вместо значения температуры выводится надпись "Err", а соответствующий нагреватель выключается.

Если во время отображения  температуры, измеренной, например, первым датчиком, несколько раз нажимать на кнопку SB2, то с каждым нажатием соответствующий  канал будет переходить из режима термостата в режим термометра и обратно.

При кратковременном  нажатии на кнопку SB1 восстанавливается  режим поочередного отображения  температуры в двух каналах. Но если удерживать кнопку SB1 нажатой длительное время, термометр-термостат войдет в режим настройки того канала, во время отображения температуры которого была нажата кнопка.

В этом режиме кнопками SB2 и SB3 выбирают необходимый параметр: 
 
ut1 (ut2) — установка температуры выключения нагревателя в канале 1 (2); 
dt1 (dt2) — установка разности температуры(гистерезиса) выключения и включения нагревателя в канале 1 (2).

Например, при установке  температуры выключения водонагревателя 35°С и разности 1,5 °С нагревание произойдет до температуры 35 °С, по ее достижении нагреватель будет выключен и вновь включен, когда температура понизится до 33,5 °С. Оптимальным выбором разности достигают компромисса между точностью поддержания температуры и частотой включений нагревателя.