Розробка мікроконтролерного термостабілізатора

Рисунок 2 – Структурна схема цифрового термометра з  перетворенням температура-частота

Правильно налагоджені  та відкалібровані пристрої з аналоговими  датчиками ти цифровою індикацією мають  досить високу точність. Але точність приладів, побудованих на цифрових датчиках, є гарантовано високою, вони не потребують калібровки і крім того відкривають широкі додаткові можливості, особливо якщо використовувати їх в комплексі з мікроконтролерною технікою. На рисунку 3 зображений термометр [8], побудований на базі мікроконтролера DD3 та цифрових термодатчиків DD1 і DD2. Температури, виміряні цими датчиками, передаються у цифровому вигляді послідовним кодом до МК, а звідти виводяться на рідкокристалічний дисплей HG1 з відповідними пояснюючими написами. Використання цифрових термодатчиків дозволило отримати точність вимірювань не гірше ±1°С в дуже широкому діапазоні температур – від -55 до +125°С. Наводити приклади інших аналогічних схем на мікроконтролерах та цифрових термодатчиках не має сенсу, так як усі вони мають практично однакову структуру та відрізняються в основному тільки типами самих мікроконтролерів, датчиків та індикаторів, що там застосовуються, а також особливостями написання програм, за якими працюють мікроконтролери.

Рисунок 3 – Принципова схема термометра на МК та цифрових датчиках

Проаналізувавши переваги та недоліки існуючих рішень для вимірювання та контролю температури  і  враховуючи, що в наш час  і цифрові датчики, і мікроконтролерна техніка швидко дешевіють, можна з впевненістю говорити, що їхнє використання в пристроях вимірювання та контролю температури в наш час є найефективнішим у технічному плані та доцільним у економічному.

 

 

2 Аналіз вихідних даних та  розробка структурної схеми термостабілізатора

 

В даному розділі буде проаналізовано вихідні дані та описана структурна схема, розроблена для оптимальної  їх реалізації. Вихідними даними для  мікроконтролерного термостабілізатора є :

• вимірювання температур в інтервалі -55…+125°С ;
• точність вимірювання в інтервалі -20…+100°С не гірше ±1°С ;
• відображення значення температури в цифровому вигляді ;
• наявність функції керування термостатом, який підтримує задану температуру з точністю ±1°С ;
• можливість ручного встановлення та зміни значення температури, що буде підтримуватись, та відображення цієї температури в цифровому вигляді ;
• можливість зберігання заданої температури в енергонезалежній пам’яті після вимкнення живлення та її відновлення при наступному ввімкненні.

Схема електрична структурна приведена в графічній частині  курсового проекту на креслені КП 4.9 КС82 03.00 Э1.

Термостабілізатор складається з наступних структурних частин, описаних нижче.

Так як в приладі буде використовуватись мікропроцесорна  техніка, яка працює в імпульсному  режимі, то бажано щоб напруга живлення була стабілізованою. Тому для живлення схеми напруга подається через  стабілізатор живлення.

Мікроконтролер – головний вузол всього термостабілізатора. Він працює за алгоритмом завантаженої у нього програми та керує роботою всього пристрою. Виконує такі функції: вводить інформацію про температуру з цифрового датчика; виводить інформацію на електронний індикатор; керує силовим ключем, що вмикає/вимикає виконавчий елемент; забезпечує зручне керування термостабілізатором та інші.

Датчик температури – інтегральний цифровий термодатчик, який забезпечує вимірювання температури та виведення її значення у цифровому вигляді.

Кнопки управління забезпечують встановлення температури, що має підтримуватись термостатом, а також переключення між режимами роботи термостата.

Електронний індикатор  забезпечує індикацію виміряної  або встановленої температури та інших допоміжних написів.

Силовий ключ – вмикає або  вимикає живлення виконавчому елементу на основі керуючого сигналу від  мікроконтролера.

Виконавчий елемент – елемент, включення якого призводить до зміни температури, при чому так, щоб температура наближалась до потрібного значення. Якщо температура, яку стабілізують, зменшується при відсутності впливів на неї, то у якості виконавчих елементів використовують нагрівачі, якщо збільшується – охолоджувачі. В даній схемі в якості виконавчого елементу можна використовувати як нагрівачі, так і охолоджувачі, в залежності від потреб, з якими цей термостат буде використовуватись.

 

 

3 Розробка функціональної схеми термостабілізатора

 

Функціональна схема термостабілізатора представлена в графічній частині курсового проекту КП 4.9 КС82 03.00 Э2.

Функціональна схема  побудована на базі структурної і складається  з функціональних вузлів, описаних нижче.

Для зменшення розмірів пристрою та спрощення його схеми  в якості стабілізатора живлення буде використаний інтегральний  стабілізатор напруги живлення  – STU.

В якості термодатчика буде використаний інтегральний цифровий датчик сімейства DS18X2X фірми Dallas Semiconductor. Принцип роботи такого датчика полягає в підрахунку числа імпульсів, які виробляє генератор з низьким температурним коефіцієнтом в часовому інтервалі, який формується генератором з іншим температурним коефіцієнтом, при цьому внутрішньою логікою датчика враховується і компенсується залежність частот обох датчиків від температури [9].

Обмін управляючими командами  і даними між датчиком і мікроконтролером буде здійснюватись за допомогою однієї лінії зв’язку – двонаправленої послідовної шини 1-WARE. Під’єднати термодатчик можна до будь-якої лінії вводу/виводу мікроконтролера.

Передача даних по шині 1-WARE здійснюється по принципу часових інтервалів. У вихідному стані напруга на лінії відповідає рівню логічної одиниці завдяки “підтягуючому” резистору, через який вона під’єднується до плюса напруги живлення. Для того, щоб передати дані, пристрій, що передає, замикає лінію на мінус напруги живлення, і напруга на лінії падає до рівня логічного нуля. Для передачі логічної одиниці пристрій замикає лінію на час від 1 до 15 мкс, для передачі логічного нуля – від 60 до 120 мкс. При цьому синхронізація при передачі непотрібна, так як передача кожного розряду даних здійснюється тільки після того, як пристрій, що приймає дані, оповістить про свою готовність до прийому наступного розряду.

В якості електронного індикатора будуть використані світлодіодні семисегментні індикатори, які на функціональній схемі показані у вигляді стилізованих вісімок. Генерацію спеціальних кодів для семисегментних індикаторів забезпечуватиме програма мікроконтролера, тому вони підключаються до ліній вводу/виводу мікроконтролера безпосередньо, без спеціальних схем для перетворення кодів. Індикація здійснюється динамічно, тобто порозрядно. Вибір активного розраду індикатора здійснюється встановленням відповідних рівнів напруг на спільних анодах (катодах). Керування світлодіодними семисегментними індикаторами можна здійснити використовуючи будь-які вільні лінії вводу/виводу мікроконтролера.

 Кнопки керування  термостатом доцільно буде підключити  до тих же ліній вводу/виводу, що і світлодіодні індикатори. Таке підключення можна використати для економії ліній вводу/виводу мікроконтролера. Для реалізації такого підключення потрібно буде на програмному рівні реалізувати виконання в різні проміжки часу процедур керування світлодіодними індикаторами і перевірки стану кнопок. Натиснення кнопок фіксується зміною логічного рівня з високого на низький на відповідних лініях вводу/виводу мікроконтролера.

Силовий ключ SW – електронний ключ, який вмикає або вимикає живлення виконавчому елементу на основі керуючого сигналу від мікроконтролера.

Індикатор роботи виконавчого  елементу (зображений на функціональній схемі у вигляді світлодіода) підключений до силового ключа і сигналізує, працює чи ні в даний момент виконавчий елемент.

В якості мікроконтролера  може бути використаний мікроконтролер практично будь-якого сімейства  – MSC-51, AVR, PICmicro тощо. Єдина важлива умова – для спрощення принципової схеми пристрою мікроконтролер повинен мати достатню кількість ліній вводу/виводу  для підключення усіх функціональних блоків (індикаторів, датчика, кнопок керування та ключа виконавчого елемента) без використання додаткових елементів. Через причини, які більш детально описані в розділі „ Вибір елементної бази”, було вибране сімейство мікроконтролерів PICmicro.

При розробці функціональної схеми вибір ліній мікроконтролера, до яких підключатимуться всі вищезазначені  функціональні блоки, був здійснений довільно, але на етапі розробки електричної принципової схеми  будуть враховані апаратні особливості  окремих ліній вводу/виводу.

 

4 Вибір елементної бази термостабілізатора

 

Виходячи з того, що в  спеціальній літературі, а особливо в популярних періодичних виданнях, набагато краще описані мікроконтролери  фірми Microchip Technology, а також принципи проектування та побудови приладів на мікроконтролерах цієї фірми [10], а також через те, що ці мікроконтролери мають високу надійність і довговічність, у розроблюваному термостаті буде використовуватись мікроконтролер цієї фірми-виробника. Підходящим мікроконтролером для вирішення задачі, поставленої в курсовому проектуванні, є мікроконтролер серії PICmicro цієї фірми PIC16F84A [11]. Цей мікро контролер має такі основні параметри та можливості:

• в системі команд цього мікроконтролера всього 35 команд ;
• майже всі команди виконуються за один цикл (200 нс), окрім команд розгалуження які виконуються за 2 цикли ;
• максимальна частота роботи f_max = 20 МГц ;
• об’єми FLASH пам’яті – 2048х14, Оперативної пам’яті – 224х8, EEPROM пам’яті – 128х8 ; 
• можливість використання переривань ;
• глибокий 8-рівневий стек апаратного рівня ;
• прямий, неявний і змішаний способи адресування ;
• технологія CMOS: широкий діапазон робочої напруги (U_жив = 3…5,5В), комерційний, індустріальний і розширений діапазон робочих температур, низьке енергоспоживання (I_сп < 2 мА при U_жив = 5В; в режимі пониженого енергоспоживання SLEEP I_сп < 1 мкА) ;
• сильноточні схеми портів вводу/виводу (I _{лог.1 max} = 25 мА, I _{лог.0 max} = 25 мА), що дозволяє безпосередньо підключати до них світлодіодні індикатори.

Умовне графічне зображення мікроконтролера представлене на         рисунку 4.

Рисунок 4 – Умовне графічне зображення мікроконтролера PIC16F84A

 

Опис ліній мікроконтролера:

Vdd – плюс напруги живлення ;

Vss – мінус напруги живлення ;

MCLR/Vpp – вхід скидання мікроконтролера / вхід напруги програмування ;

OSC1/СLKIN – вхід внутрішнього генератора / вхід зовнішньої синхронізації ;

OSC2/CLKOUT – вихід внутрішнього генератора / вихід для синхронізації схеми з частотою СLKIN/4 ;

RA0…RA4 – 5 розрядів порту А ;

RB0…RB7 – 8 розрядів порту В.

Також при ініціалізації  портів мікроконтролера передбачене  встановлення інших функцій на окремі розряди портів:

T0CKI (RA4) – вхід CLOCK таймера Timer0 ;

INT (RB0) – вхід зовнішнього переривання.

В якості датчика температури  був вибраний інтегральний цифровий термодатчиком DS18B20 фірми-виробника Dallas Semiconductor, так як він є найбільш досконалим з популярного сімейства DS18X2X. Його основні параметри приведені нижче [9]:

• діапазон вимірюваних температур від -55 до +125°С ;
• абсолютна похибка вимірювань в інтервалі -10…+85°С не гірше ±0,5°С
• напруга живлення U_жив = 3…5,5 В ;
• використання шини 1-WARE для передачі даних, що потребує лише одну лінію зв’язку ;
• можливість вибору необхідної точності вимірювань (від 9 до 12 двійкових розрядів) ;
• наявність у кожного датчика індивідуального 48-бітного серійного номера, що дозволяє підключити до однієї шини практично будь-якого числа датчиків ;
• низьке енергоспоживання (I_сп < 1 мА при в режимі вимірювання;  
  I_сп < 50 мкА в режимі очікування).

Умовне графічне зображення та призначення виводів термодатчика зображено на рисунку 5.

Рисунок 5 - Умовне графічне зображення та призначення виводів  термодатчика DS18B20

 

Для цифрової індикації  були вибрані здвоєні світлодіодні семисигментні індикатори зі спільним анодом HLEC-512GWA. Ці індикатори мають чітку індикацію завдяки своїм великим розмірам та великій яскравісті свічення при відносно невеликих струмах. Колір свічення – зелений, що не збуджує око.

Загальні характеристики HLEC-512GWA:

– розмір модуля – 25мм*19мм*8мм ;

– розмір символу – 14мм*8мм ;

– номінальна пряма напруга світлодіодного сегмента U_пр = 2,0 В ;

– номінальний струм одного світлодіодного сегмента I_пр = 10 мА.