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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Termômetro com temporizador ou função de controle do termostato. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Reguladores de potência, termômetros, estabilizadores de calor Descrições de vários termômetros digitais eletrônicos foram publicadas repetidamente nas páginas da revista Radio. Via de regra, eles continham um conversor de temperatura-frequência e elementos de medição digitais não discretos que convertiam a frequência medida em leituras de temperatura. Um conversor de temperatura-frequência construído com elementos não discretos requer calibração e permite alcançar uma precisão aceitável dentro de uma faixa bastante limitada (devido à não linearidade das características de temperatura dos elementos). O uso de elementos básicos modernos - microcontroladores e sensores especiais - simplifica significativamente o projeto do circuito do dispositivo e, ao mesmo tempo, aumenta a funcionalidade e a precisão das medições. O diagrama esquemático do termômetro proposto é mostrado na fig. 1.
Sua base é o popular microcontrolador (MCU) PIC16F84A (DD1). Para medir a temperatura foi utilizado um sensor digital integrado (BK1) DS18B20 da MAXIM. Este microcircuito não requer calibração e permite medir temperaturas ambientes de -55 a +125 °C, e na faixa de -10...+85 °C o fabricante garante um erro de medição absoluto não pior que ±0,5 °C . O sensor DS18B20 é o mais avançado da conhecida família DS18X2X, anteriormente produzido sob a marca Dallas Semiconductor. Ao contrário dos análogos funcionais DS1820 e DS18S20, antes de iniciar a medição, permite definir a precisão relativa necessária da conversão de temperatura a partir da seguinte faixa de valores: 0,5; 0,25; 0,125 e 0,0625 °C, enquanto o tempo de medição é 93.75, respectivamente; 187,5; 375 e 750 ms. O princípio de funcionamento do sensor DS18X2X é baseado na contagem do número de pulsos gerados por um gerador com baixo coeficiente de temperatura no intervalo de tempo, que é formado por um gerador com coeficiente de temperatura diferente, enquanto a lógica interna do sensor leva em conta e compensa a dependência parabólica das frequências de ambos os geradores em relação à temperatura. A troca de comandos de controle e dados entre o sensor VK1 e o microcontrolador DD1, operando na frequência de 4 MHz, é realizada por meio de um barramento de transmissão de dados bidirecional de 1 fio monofilar. Cada DS18B20 possui um número exclusivo de 48 bits, gravado a laser na ROM durante a produção, permitindo que praticamente qualquer número de dispositivos seja conectado ao mesmo barramento. O fator limitante é principalmente o tempo total gasto pesquisando sequencialmente todos os sensores conectados à rede. Com um período de 1 s, o MK DD1 envia um comando ao sensor BK1 para iniciar o processo de medição de temperatura com precisão de 0,0625 °C e recebe dele o resultado da medição anterior. O código de 12 bits recebido pelo remetente, correspondente à temperatura medida, é convertido em formato decimal, arredondado para décimos de grau e exibido no indicador LED HG1 em modo dinâmico. Aplicando registro de tensão. 0 para uma das saídas RAO, RA1 ou RA2, o MK liga o dígito correspondente do indicador, enquanto emite o código de sete elementos do dígito exibido neste dígito para as saídas RBO-RB6. O ponto do indicador que separa toda a temperatura exibida da temperatura decimal é controlado pelo MK através da saída de dreno aberto RA4. O período de exibição de todos os três dígitos do indicador é de aproximadamente 12,3 ms (frequência - 81 Hz). Como o dispositivo utiliza um indicador de três dígitos, na faixa de -19,9 a +99,9 °C a temperatura é exibida com uma precisão de 0,1 °C, e nas faixas -55...-20 e +100... + 125 °C - precisão de 1 °C. Além disso, nestes intervalos o erro absoluto na medição da temperatura aumenta para ±2 °C, pelo que a visualização da temperatura com uma precisão de décimos de grau torna-se sem sentido. Ao final de cada período de exibição das informações do indicador, o MK verifica o estado dos botões SB1 e SB2, para o qual coloca a tensão em nível lógico alto nas saídas RAO-RA2 (isso corresponde a desligar todos os bits do indicador HG1), e na saída RA4 - a tensão é log 0. Os bits RB5, RB6 são reconfigurados para entrada e resistores “pull-up” internos conectados ao barramento de potência de +5 V são conectados a eles. , ao pressionar o botão SB1 ou SB2, o nível de tensão lógica alta em RB5, RB6 é substituído por um nível baixo, que é monitorado pelo MK. Os elementos indicadores LED conectados a essas descargas não têm efeito significativo no estado das entradas MK indicadas, uma vez que a corrente no sentido reverso através delas é insignificante. Manter os botões pressionados não afeta o funcionamento dos indicadores durante o período de exibição das informações, pois a corrente entre as saídas RA4 e RB5, RB6 através dos botões SB1, SB2 é limitada pelos resistores R4, R5. O dispositivo é alimentado por rede elétrica de 220 V CA através de um capacitor de lastro C3. Graças à ponte de diodos VD1, ambas as meias-ondas da tensão de rede passam pelo diodo zener VD2. Como resultado, a ondulação de tensão no capacitor C5 é significativamente reduzida e torna-se possível reduzir a capacitância do capacitor C3, que determina a corrente máxima fornecida pela fonte de alimentação à carga. O circuito de temporização R1C4R2 forma uma pausa antes de iniciar o MC, o que é necessário para que após o dispositivo ser ligado na rede, a tensão nos capacitores C5, C6 tenha tempo de aumentar para um nível que garanta o funcionamento normal do MC . Quando o sinal sonoro é ligado, quando a cascata do transistor VT1 com o emissor sonoro HA1 conectado ao seu circuito coletor entra em operação, a corrente consumida pelo dispositivo aumenta significativamente, portanto o programa MK prevê o desligamento do indicador para o duração do sinal. Esta cascata é alimentada pela energia acumulada no capacitor C5, o que provoca grandes quedas de tensão nele. Para manter uma tensão de alimentação estável para o MK e o sensor de temperatura, um estabilizador de tensão integrado DA1 e um capacitor de óxido de alta capacidade C6 são introduzidos no dispositivo. Caso não seja necessário alarme sonoro, o microcircuito DA1 e o capacitor C5 podem ser eliminados, mas neste caso o D815E (VD2) deve ser substituído por um diodo zener D815A com tensão de estabilização de 5,6 V. Os códigos "firmware" ROM MK para um termômetro com função timer são mostrados na Tabela. 1.
Ao pressionar o botão SB1, um bipe curto soa e o indicador mostra o valor do tempo restante antes do sinal do bipe ou 0 (no dígito menos significativo) se o tempo não tiver sido ajustado no temporizador. O atraso de tempo necessário (dentro de 1 ... 99 min; insira pressionando o botão SB2 (sem liberar SB1). Neste caso, as leituras do indicador começam a aumentar automaticamente a uma frequência de 2 Hz. Quando o valor desejado é alcançado, os botões são liberados. As leituras de temperatura retornam após 1 s após a liberação do botão SB1. Ao final do tempo especificado, o dispositivo emite um sinal sonoro intermitente com frequência de 10 Hz por 1500 s. Na tabela A Figura 2 mostra os códigos de “firmware” MK, que dotam o dispositivo descrito com a função de controlar um termostato que mantém uma determinada temperatura em um ambiente controlado com precisão de ±1 °C.
A visualização e configuração da temperatura (na faixa -54...+124 °C) é realizada, como no caso anterior, através dos botões SB1 e SB2. O valor da temperatura definida é armazenado na memória de dados não volátil do MK e carregado a partir dela sempre que o dispositivo é conectado à rede. Quando um dispositivo com termostato está funcionando, o sinal para controlar o aquecedor ou compressor do refrigerador é retirado da saída RA3, e em vez de uma cascata, um relé optossimistor é instalado no transistor VT1, que controla a potência do atuador ou contator , que, por sua vez, conecta o aquecedor ou compressor à rede elétrica. Um diagrama de uma possível versão de tal relé é mostrado na Fig. 2.
Dado na tabela. 2 "firmware" do MK foi projetado para controlar o elemento de aquecimento. Por exemplo, se a temperatura definida no termostato for +30 °C, um sinal de registro aparecerá na saída RA3 do MK. 1 (corresponde ao acendimento do aquecedor) quando a temperatura do ambiente controlado cair abaixo de +29 °C, mas assim que a temperatura subir para +31 °C, o aquecedor será desligado. Assim, a histerese entre ligar e desligar o aquecedor é de 2 °C. O primeiro byte sublinhado (02) da tabela é “responsável” pelo seu valor. 2: se for substituído por “01”, a histerese diminuirá para 1 °C, e se for substituído por “03”, aumentará para 3 °C, etc. a temperatura será mantida em um ambiente controlado, mas mais frequentemente os ciclos liga-desliga do atuador serão repetidos e vice-versa. Ao controlar o compressor do refrigerador, o sinal é log. 1 na saída RA3, que liga o sistema de refrigeração, deverá aparecer se a temperatura ultrapassar o limite especificado e passar para um nível log. 0 assim que a temperatura cair abaixo do limite especificado, novamente levando em consideração a histerese especificada pelo valor do primeiro byte sublinhado na tabela. 2. Para implementar este modo de operação, o 2º, 3º e 4º bytes sublinhados da tabela devem ser substituídos por “19”, “15” e “11” respectivamente Ao programar o MK, deve-se especificar: tipo de gerador - temporizadores HS, WDT e PWRT - habilitados. Todas as partes do termômetro são montadas em uma placa de circuito impresso feita de fibra de vidro dupla-face (Fig. 3).
A placa foi projetada para instalação de resistores MLT, capacitores KD (C1, C2), K73-17V com tensão nominal de 400 V (C3), KM (C7) e K50-35 (outros). Para reduzir as dimensões do dispositivo, as peças são instaladas em ambos os lados da placa (onde estão indicadas suas designações de posição). Os jumpers de fio são soldados nos orifícios das placas de contato, marcados no desenho com um ponto próximo, durante a instalação (sua função também é desempenhada pela saída do capacitor C7). O indicador LED de três dígitos HG1 é montado a partir de três LSD3212-20 de um dígito (cor verde) e pode ser substituído por qualquer outro com consumo de corrente não superior a 20 mA por elemento (segmento). Antes da instalação no local, os cabos de 12 indicadores são cortados nas imediações da caixa. Podemos substituir o estabilizador integrado 78L05 (DA1) por qualquer outro com tensão de estabilização de +5 V. O emissor de cápsula sonora HA1 é qualquer um de pequeno porte com resistência de enrolamento de 8...25 Ohms (o autor usou um emissor eletromagnético NS0903A). Se você pretende usar o termômetro em condições climáticas adversas, os capacitores de óxido C5 e C6 devem ser selecionados com uma faixa de temperatura estendida (marcados na caixa “+105 ° C” ou superior), e o PIC16F84A MK deve ser do tipo E/ Versão P, indicando que este chip pode funcionar em temperaturas de -40 a +125 °C. Neste caso, a placa do termômetro montada é colocada em uma caixa plástica selada e preenchida com selante (por exemplo, resina epóxi). Os furos dos botões são selados internamente com um pedaço de borracha fina, após o que círculos de plástico com diâmetro um pouco menor que o diâmetro dos furos da caixa são colados em ambos os lados da membrana de borracha resultante, acima dos botões SB1 e SB2. Isto garante o isolamento completo dos elementos do dispositivo do ambiente externo. Ao usar o dispositivo em condições normais, a vedação não precisa ser feita. É impossível colocar o sensor de temperatura dentro da caixa do termômetro, pois isso levará a um aumento no erro de medição (devido ao aquecimento dos elementos) e na inércia das leituras do termômetro quando a temperatura ambiente mudar. Uma solução de projeto é colocar o chip sensor dentro de uma ampola de medicamento de vidro de tamanho adequado. Os pontos de saída do cabo flexível da ampola e da caixa do termômetro são cuidadosamente preenchidos com selante. O comprimento de um cabo de três núcleos pode ser de vários centímetros a dezenas de metros. Montado a partir de peças reparáveis e sem erros de instalação, o dispositivo não precisa ser ajustado. Autor: S.Koryakov, Shakhty, região de Rostov
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