Цифровий термометр

2.3. Розробка схеми електричної принципової

Основою схеми є мікроконтролер DD2 типу AT89C2051 фірми ATMEL. Індикація динамічна, реалізована програмно. Катодами індикатори HG1 і HG2 підключені до порту P1, аноди включаються транзисторами VT1-VT3. Транзистори керуються лініями сканування S0 .S2. Імпульсний струм сегментів обмежений резисторами на рівні приблизно 15 мА, що вписується в навантажувальну здатність порту (20 мА) і є достатнім для одержання необхідної яскравості. Цикли сканування формуються за допомогою внутрішнього таймера мікроконтролера. За кожним циклом індикації слідує „порожній” цикл, коли всі індикатори виключені. Для регулювання яскравості світіння індикаторів досить регулювати відношення тривалості циклу індикації та тривалості „порожнього” циклу (PWM). Яскравість регулюють кнопками „UP” і „DOWN” у режимі індикації температури. Нове значення яскравості зберігається в енергонезалежній пам’яті. Для суб’єктивно постійної швидкості зміни яскравості в процесі регулювання застосований закон регулювання, близький до гіперболічного.

Для економії портів мікроконтролера на лініях сканування розташована І2C мікросхема flash-пам’яті DD1. Цикли сканування ігноруються мікросхемою, тому що являють собою умови, що чергуються, „старт” і „стоп”. Коли мікроконтролер обмінюється з мікросхемою, цикли сканування припиняються.

Місцева клавіатура використовує як лінії сканування лінії даних дисплея, а як лінію повернення – RL-порт мікроконтролера. Сканування клавіатури відбувається в циклах сканування дисплея.

Зовнішній і внутрішній датчики температури підключені до портів мікроконтролера через захисні ланцюги. У колі живлення датчиків включені невеликі резистори для захисту від короткого замикання на лініях термометрів. Зовнішній термометр підключений через 3-контактний 3,5-мм розйом . Однак через те, що під час під’єднання на якийсь час виявляються замкнутими всі три контакти, в колі використовується захисний резистор. На внутрішньому датчику запобіжний ланцюг встановлений про всякий випадок(для можливості перетворити цей датчик у другий внутрішній).

Вихід керування термостатом має двотактний каскад на транзисторах VT4 і VT5. Такий каскад забезпечує однаковий струм, що втікає і витікає. Цей струм обмежений резистором R17 з енергетичних розумінь і з метою захисту транзисторів. Обидва транзистори включені за схемою з загальним емітером, що в порівнянні зі схемою емітерного повторювача забезпечує більший розмах вихідної напруги.

Розйом для програмування мікросхеми DS1821 використовує ту саму лінію даних, що і зовнішній термометр, а в якості напруги живлення використовує напругу виходу термостата (живлення потрібно виключати при переведенні мікросхеми DS1821 з режиму термостата в режим термометра). Тому при програмуванні зовнішній термометр і виконавчий пристрій термостата повинні бути відключені.

Однією з найскладніших частин схеми є стабілізатор. При розробці стабілізатора потрібно було виконати ряд умов. Цілком заряджені батареї мають напругу 6 В. Для нормальної роботи датчиків потрібен мінімум 4,3 В. Тому стабілізатор повинний забезпечувати якнайменше мінімальне падіння (краще не більш 200 мВ при 100 мА). Стабілізатор повинен тригерно включатись за допомогою кнопки, а виключатися сигналом з мікроконтролера. Стабілізатор повинний „відчувати” мережне живлення і при його наявності залишатися увесь час включеним. Включення і вимикання штекера мережного живлення може вироблятися „на ходу”. Батареї не повинні розряджатися при роботі від мережі. Усі перераховані вище вимоги були виконані в стабілізаторі, зібраному на дискретних компонентах. Як регулюючий елемент у стабілізаторі застосований n-канальний logіc-level Моп-транзистор VT6 типу ІRLZ44, що випускається ПО „ІНТЕГРАЛ” під кодовою назвою КП723М. Корпус цього транзистора ТЕ-220 здатний розсіяти необхідну потужність без радіатора. У якості низьковольтного опорного джерела застосований червоний світлодіод. Підсилювач помилки виконаний на транзисторі VT9. Завдяки високому опорові навантаження цей каскад має велике підсилення. Кнопка SB1 здійснює початкове включення стабілізатора при роботі від батарей. При роботі від мережі включення стабілізатора здійснює каскад на транзисторі VT10. Транзистори VT7 і VT8 утворюють схему автоматичного відключення. Для вимикання стабілізатора мікроконтролер повинен сформувати відповідний сигнал на порт виводу. Але в мікроконтролера немає вільних ліній. Тому для відключення стабілізатора використовується лінія повернення клавіатури RL. При нормальній роботі на цій лінії спостерігається певна послідовність імпульсів, що залежить від того, яка натиснута кнопка і що тепер на дисплеї. У всякому разі, період проходження імпульсів не може бути більше тривалості повного циклу сканування дисплея. Коли жодна з кнопок не натиснута, на лінії – рівень логічної одиниці. Для відключення стабілізатора було вирішено використовувати рівень логічного нуля, тривалістю не менш 50 мс. Щоб відрізнити цей стан лінії від нормального, сигнал лінії потрібно заінтегрувати, причому постійна часу заряду повинна бути набагато менше, ніж розряду. Транзистор VT7 включений за схемою емітерного повторювача, він здатний швидко зарядити інтегруючу ємність C8. Постійна часу розряду визначається в основному резистором R20. Транзистор VT8 використовується як граничний елемент, при розрядці C8 нижче деякого рівня транзистор закривається, розриваючи коло живлення опорного джерела VD12, і стабілізатор виключається. При роботі від мережі вузол відключення блокований за допомогою кола VD13, R21, що завжди підтримує VT8 у відкритому стані.

Слід відзначити один недолік конструкції: відсутній сигнал розряду батарей. Мікроконтролер нормально працює при напрузі живлення 2,7 В, у той час як датчики температури можуть почати видавати хибну інформацію при напрузі живлення нижче 4,3 В. Батареї можуть бути розрядженими, покази термометра – невірними, а користувач навіть не буде здогадуватися про це. Видасть хіба що знижена яскравість світіння індикаторів. Справа тут не в складності формування сигналу BAT. LOW, а у відсутності вільних портів вводу мікроконтролера. Одне з вирішень даної проблеми – застосувати watchdog tіmer DS1232L (він же ADM1232) або подібний. Для перезапуску можна використовувати лінію сканування дисплея, а вбудований монітор живлення просто не дозволить системі працювати, якщо напруга живлення нижче 4,5 В. Схема електрична принципова подана в додатку 1.

1. РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

3.1. Алгоритм роботи пристрою

На первинному етапі розробка програмного забезпечення вимагає повного розуміння принципу дії цифрового пристрою: розуміння основних процесів, особливостей перетворення первинних даних, принципів реалізації кінцевого результату. Враховуючи, що основні перетворення відбуваються в температурних датчиках, проаналізуємо їх принцип дії та побудуємо детальний алгоритм роботи пристрою.

Представлення первинної інформації Для датчиків температура представляється у вигляді 9-бітного значення в додатковому коді. Оскільки це значення займає 2 байти, усі розряди старшого байта дорівнюють знаковому розряду. Дискретність представлення температури складає 0.5°C. Залежність вихідного коду від температури приведена в таблиці :