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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Termómetro con función de control de temporizador o termostato
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Reguladores de potencia, termómetros, estabilizadores de calor Las descripciones de varios termómetros digitales electrónicos se han publicado repetidamente en varias fuentes. Por regla general, contenían un convertidor de temperatura-frecuencia y una parte de medición basada en elementos digitales discretos que convierten la frecuencia medida en lecturas de temperatura. Un convertidor de temperatura-frecuencia construido sobre elementos discretos requiere calibración y permite lograr una precisión aceptable en un rango bastante limitado (debido a la no linealidad de las características de temperatura de los elementos). El uso de la base de elementos modernos (microcontroladores y sensores especiales) simplifica enormemente el circuito del dispositivo con un aumento simultáneo de la funcionalidad y la precisión de la medición. El diagrama esquemático del termómetro propuesto se muestra en la Fig.1. Su base es el popular microcontrolador (MK) PIC16F84A (DD1). Para medir la temperatura se utilizó un sensor digital integrado (VK1) DS18B20 de MAXIM. Este chip no requiere calibración y le permite medir la temperatura ambiente de -55 a +125 °C, y en el rango -10 ... +85 °C, el fabricante garantiza un error de medición absoluto no peor que ±0,5 ° C. El sensor DS18B20 es el más avanzado de la conocida familia DS18X2X, producido anteriormente bajo la marca Dallas Semiconductor. A diferencia de los análogos funcionales DS1820 y DS18S20, antes de comenzar la medición, le permite establecer la precisión relativa requerida de conversión de temperatura del siguiente rango de valores: 0,5; 0,25; 0,125 y 0,0625 °C, mientras que el tiempo de medición es de 93,75, respectivamente; 187,5; 375 y 750 ms.
El principio de funcionamiento del sensor DS18X2X se basa en contar la cantidad de pulsos generados por un generador con un coeficiente de temperatura bajo en el intervalo de tiempo, que está formado por un generador con un coeficiente de temperatura diferente, mientras que la lógica interna del sensor toma en cuenta y compensa la dependencia parabólica de las frecuencias de ambos generadores con la temperatura. El intercambio de comandos de control y datos entre el sensor VK1 y MK DD1, que opera a una frecuencia de 4 MHz, se realiza a través de un bus de datos bidireccional de un solo cable 1-Wire. Cada DS18B20 tiene un número de serie único de 48 bits, grabado con láser en la ROM durante la fabricación, lo que permite conectar prácticamente cualquier número de estos dispositivos al mismo bus. El factor limitante es principalmente el tiempo total dedicado a sondear secuencialmente todos los sensores conectados a la red. Con un período igual a 1 s, MK DD1 envía un comando al sensor VK1 para iniciar el proceso de medición de temperatura con una precisión de 0,0625 ° C y recibe de él el resultado de la medición anterior. El código de 12 bits recibido por el transmisor, correspondiente a la temperatura medida, se convierte a forma decimal, se redondea a décimas de grado y se muestra en el indicador LED HG1 en modo dinámico. Aplicación de registro de tensión. 0 a una de las salidas RA0, RA1 o RA2, el MK enciende el bit correspondiente del indicador, mientras envía el código de siete elementos del dígito que se muestra en este bit a las salidas RB0-RB6. El control del punto del indicador, que separa la parte entera de la temperatura visualizada de la decimal, lo realiza el MK a través de la salida de drenaje abierto RA4. El período de visualización de los tres dígitos del indicador es de aproximadamente 12,3 ms (frecuencia - 81 Hz). Dado que el dispositivo utiliza un indicador de tres dígitos, en el rango de -19,9 a +99,9 oС, la temperatura se muestra con una precisión de 0,1 °С, y en los intervalos -55 -20 y +100 ... +125 °С - con una precisión de 1 °C. Además, en estos intervalos, el error absoluto de la medición de la temperatura aumenta a ±2 °C, por lo que la visualización de la temperatura con una precisión de décimas de grado pierde su significado. Al final de cada período de visualización de información en el indicador, el MK verifica el estado de los botones SB1 y SB2, para lo cual establece el voltaje en un nivel lógico alto en las salidas RA0-RA2 (esto corresponde a apagar todos los bits del indicador HG1), y en la salida RA4: el voltaje es logarítmico. 0. Los bits RB5, RB6 se reconfiguran a la entrada, mientras que se les conectan las resistencias internas de "pull-up" conectadas al bus de alimentación de +5 V. Por lo tanto, cuando presiona el botón SB1 o SB2, el nivel de voltaje lógico alto en RB5 , RB6 se reemplaza por uno bajo, que es monitoreado por MK. Los elementos del indicador LED conectados a estos bits no tienen un efecto significativo en el estado de las entradas indicadas de la MC, ya que la corriente en la dirección opuesta a través de ellos es despreciable. Mantener los botones presionados no afecta el funcionamiento de los indicadores durante la visualización de la información, ya que la corriente entre las salidas RA4 y RB5, RB6 a través de los botones SB1, SB2 está limitada por las resistencias R4, R5. El dispositivo se alimenta de una red de 220 V CA a través de un condensador de balasto C3. Gracias al puente de diodos VD1, ambas semiondas de la tensión de red pasan por el diodo zener VD2. Como resultado, la ondulación de voltaje en el capacitor C5 se reduce significativamente y es posible reducir la capacitancia del capacitor C3, que determina la corriente máxima suministrada por la fuente de alimentación a la carga. El circuito de temporización R1C4R2 forma una pausa antes de iniciar el MC, lo cual es necesario para que, después de encender el dispositivo en la red, el voltaje en los capacitores C5, C6 tenga tiempo de aumentar a un nivel que garantice el funcionamiento normal del MC. . Cuando se enciende la señal de sonido, cuando la cascada en el transistor VT1 entra en funcionamiento con el emisor de sonido HA1 incluido en su circuito colector, la corriente consumida por el dispositivo aumenta significativamente, por lo tanto, el programa MK prevé apagar el indicador para la duración de la señal. Esta cascada se alimenta de la energía acumulada en el condensador C5, lo que provoca grandes caídas de tensión en el mismo. Para mantener un voltaje de suministro estable del MC y el sensor de temperatura, se introducen en el dispositivo un regulador de voltaje integral DA1 y un capacitor de óxido de alta capacidad C6. Si no se necesita una alarma audible, el chip DA1 y el capacitor C5 pueden excluirse, pero en este caso D815E (VD2) debe reemplazarse con un diodo zener D815A con un voltaje de estabilización de 5,6 V. Los códigos de firmware MK ROM para un termómetro con función de temporizador se dan en la Tabla 1. Cuando presiona el botón SB1, suena un pitido corto y la pantalla muestra el valor del tiempo restante hasta que suene la señal de sonido o 0 (orden bajo) si no se ha configurado el tiempo en el temporizador. El retardo de tiempo requerido (dentro de 1 ... 99 min) se ingresa presionando el botón SB2 (sin soltar SB1). Al mismo tiempo, las lecturas del indicador comienzan a aumentar automáticamente a una frecuencia de 2 Hz. Cuando se alcanza el valor deseado, se sueltan los botones. El retorno a las lecturas de temperatura ocurre 1 s después de soltar el botón SB1. Al final del tiempo establecido, el dispositivo emite una señal de sonido intermitente con una frecuencia de 10 Hz durante 1500 segundos. La Tabla 2 muestra los códigos de firmware del MK, que dota al dispositivo descrito con la función de controlar un termostato que mantiene una determinada temperatura en un ambiente controlado con una precisión de ±1°C. La visualización y el ajuste de la temperatura (en el rango de -54 ... + 124 ° C) se realizan, como en el caso anterior, utilizando los botones SB1 y SB2. El valor de temperatura establecido se almacena en la memoria de datos no volátil del MK y se carga con cada conexión posterior del dispositivo a la red. Cuando el dispositivo funciona con un termostato, la señal para controlar el calentador o el compresor del refrigerador se elimina de la salida RA3, mientras que en lugar de la cascada, se instala un relé optotriac en el transistor VT1, que controla la fuente de alimentación del actuador o contactor, que, a su vez, conecta el calentador o el compresor a la red eléctrica. En la Fig. 2 se muestra un diagrama de una posible variante de dicho relé.
El firmware MK que se muestra en la Tabla 2 está diseñado para controlar el elemento calefactor. Por ejemplo, si la temperatura establecida en el termostato es de + 30 ° C, aparecerá una señal de registro en la salida de RA3 MK. 1 (corresponde a encender el calentador) cuando la temperatura del medio controlado cae por debajo de +29°C, pero tan pronto como la temperatura sube a +31°C, el calentador se apagará. Por lo tanto, la histéresis entre el encendido y el apagado del calentador es de 2°C. El primer byte (02) entre paréntesis en la Tabla 2 es "responsable" de su valor: si se reemplaza por (01), la histéresis disminuirá a 1°С, y si por (03), aumentará a 3° C, etc. Cuanto menor sea la histéresis, con mayor precisión se mantendrá la temperatura establecida en el entorno controlado, pero los ciclos de encendido y apagado del actuador se repetirán con más frecuencia y viceversa. Al controlar el compresor del refrigerador, la señal es logarítmica. 1 a la salida de RA3, que incluye el sistema de enfriamiento, debe aparecer si la temperatura excede el límite especificado y ser reemplazado por un nivel de registro. 0 tan pronto como la temperatura caiga por debajo del límite especificado, nuevamente teniendo en cuenta la histéresis especificada por el valor del primer byte entre paréntesis en la Tabla 2. Para implementar este modo de operación, los bytes 2, 3 y 4 de la tabla tomados entre paréntesis deben ser reemplazados por (19), (15) y (11), respectivamente. Los textos fuente de los programas, incluidas la Tabla 1 y la Tabla 2, se pueden descargar por lo tanto. Al programar el MK, debe especificar: tipo de generador - temporizadores HS, WDT y PWRT - habilitados. Todas las partes del termómetro están montadas en una placa de circuito impreso hecha de fibra de vidrio de lámina de doble cara (Fig. 3). La placa está diseñada para la instalación de resistencias MLT, condensadores KD (C1, C2), K73-17V con una tensión nominal de 400 V (C3), KM (C7) y K50-35 (el resto). Para reducir las dimensiones del dispositivo, las piezas se instalan en ambos lados del tablero (donde se indican sus designaciones de referencia). Los puentes de alambre se sueldan en los orificios de las almohadillas de contacto, marcados en el dibujo con un punto cercano, durante la instalación (su función también la realiza la salida del capacitor C7). El indicador LED HG1 de tres dígitos se ensambla a partir de tres LSD3212-20 de un solo dígito (resplandor verde) y se puede reemplazar por cualquier otro con un consumo de corriente de no más de 20 mA por elemento (segmento). Antes de la instalación en su lugar, los cables de 12 indicadores se cortan en las inmediaciones de la carcasa.
Podemos sustituir el estabilizador integral 78L05 (DA1) por cualquier otro con una tensión de estabilización de +5 V. La cápsula emisora de sonido HA1 es cualquiera de pequeño tamaño con un devanado con una resistencia de 8 ... 25 Ohm (el autor utilizó el emisor electromagnético HC0903A). Si planea usar un termómetro en condiciones climáticas adversas, los condensadores de óxido C5 y C6 deben seleccionarse con un rango de temperatura extendido (marcado en la caja (+105 ° C) o superior), y la versión MK PIC16F84A - E / P, indicando que este microcircuito puede trabajar a temperaturas de -40 a + 125 °C. En este caso, el tablero del termómetro montado se coloca en una caja de plástico sellada y se llena con un sellador (por ejemplo, epoxi). Los orificios para los botones en el interior se sellan con un trozo de goma delgada, después de lo cual, en ambos lados de la membrana de goma resultante, sobre los botones SB1 y SB2, círculos de plástico con un diámetro ligeramente menor que el diámetro de los orificios en el caso están pegados. De este modo, se asegura el completo aislamiento de los elementos del dispositivo del entorno externo. Cuando se utiliza el dispositivo en condiciones normales, se puede omitir el sellado. Es imposible colocar el sensor de temperatura dentro de la caja del termómetro, ya que esto aumentará el error de medición (debido al calentamiento de los elementos) y la inercia de las lecturas del termómetro cuando cambia la temperatura ambiente. Una solución de diseño es colocar el chip sensor dentro de una ampolla de medicamento de vidrio del tamaño adecuado. Los puntos de salida del cable flexible de la ampolla y de la caja del termómetro se rellenan cuidadosamente con sellador. La longitud de un cable de tres núcleos puede ser de varios centímetros a decenas de metros. Montado a partir de piezas reparables y sin errores de instalación, el dispositivo no necesita ser ajustado. Autor: S.Koryakov, Shakhty, región de Rostov; Publicación: radioradar.net
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