Возникла у меня потребность в настольных часах-термометре, чтобы помимо времени можно было узнать температуру на улице и в доме. В интернете есть множество конструкций такого рода и даже очень продвинутых, но я так и не сделал свой выбор в пользу какой то из них. В каждой не хватало чего то, что как мне казалось просто необходимо иметь подобного рода устройствам. Просто у меня имеется определенный набор требований, из которых я так и не смог ничего убрать, чтобы повторить какую либо из этих конструкций. В моем представлении часы должны работать по принципу включил, настроил и забыл, то есть как можно реже прибегать к их обслуживанию (например корректировать время вследствие его ухода, вновь устанавливать после сбоев электропитания, переводить на летнее и зимнее время и т. п.), показания на индикаторе должны быть видны издалека, но не освещать комнату ночью, желательно наличие дистанционного управления. Дальнейшие размышления о том, что ещё я хотел бы иметь в своих часах, привели в результате к появлению устройства со следующим набором функций:
1. Часы — календарь
Отсчёт и вывод на индикатор часов, минут, секунд, дня недели, числа, месяца, года
Наличие автоматической корректировки текущего времени, которая производится раз в сутки (максимальные значения +/-99,98 сек. с шагом 0,02 сек)
Вычисление дня недели по дате (для текущего столетия)
Автоматический переход на летнее и зимнее время
Учитываются високосные годы
2. Будильники
10 независимых будильников с возможностью установки на любой день недели или их совокупность
Возможность при срабатывании включать звуковой сигнал, включать/отключать любую из 4-х нагрузок, или запускать терморегулирование.
3. Таймер
Максимально время отсчета 99ч 59м 59с
Возможность по окончании отсчета включить звуковой сигнал, включить/отключить любую из 4-х нагрузок
4. Двухканальный термометр-термостат
Измерение и индикация 2-х температур, например дома и на улице в диапазоне от -55 до 125 гр.С с дискретностью 0,1°С.
Два независимых термостата с возможностью установки верхнего и нижнего предела контролируемой температуры в том же диапазоне
Возможность работы на нагрев или охлаждение
Нагрузочная способность каналов управления ~220V, 12A
5. Четыре канала управления нагрузками
Нагрузочная способность каждого канала: ~220V, 12A
Управление: ручное, от будильников, по таймеру (первые два канала связаны с термостатами)
6. Дополнительные функции устройства
Батарея резервного питания, (при работе от батареи устройство имеет полноценное функционирование)
Автоматическая (в зависимости от внешнего освещения) или ручная регулировка яркости индикатора
Полное дистанционное управление на ИК лучах по системе RC-5, настраиваемое под любые клавиши пульта, работающего в этой системе.
Звуковое подтверждение (отключаемое) нажатия кнопок управления и принятия команд с пульта ДУ
Энергонезависимая память для всех настраиваемых параметров
Циклическая индикация позволяет выводить с программируемой длительностью на индикатор до 4-х параметров:
1. Текущее время в часах — минутах
2. день недели – число
3. температура первого канала (в помещении)
4. температура второго канала (на улице)
Наличие интерфейса RS-485 для связи с ПК по протоколу MODBUS-RTU для дальнейшей интеграции в систему “Умный дом”
Схема устройства изображена на Рис. 1. Оно состоит из 3-х блоков: A1, A2, A3 которые конструктивно также разделены и собраны на трёх печатных платах.
Центральный блок А1. Основной элемент — микроконтроллер ATmega8-16AI (DD1), в котором задействованы следующие узлы:
— таймер Т1 формирует временные интервалы для часов реального времени, динамической индикации и управления яркостью;
— внешнее прерывание INT1 и таймер Т2 обслуживают инфракрасный приемник B1.
— АЦП преобразует в цифровую форму аналоговые сигналы датчика освещения, величины напряжений с блока питания и встроенной батареи.
— модуль USART поддерживает связь с компьютером (9600 Бод, 8 информационных и 1 стоповый бит без контроля четности);
— таймер Т0 формирует временные интервалы задержек при приёме/передаче пакетов по протоколу «MODBUS-RTU»
— сторожевой таймер в случае «зависания» МК обеспечивает его перезапуск;
Тактовая частота МК задана кварцевым резонатором ZQ1 на 7,3728 МГц. Установку МК в исходное состояние (сброс) выполняет цепь R5C4VD1. L1C5 — цепь питания блока АЦП в МК. Для внутрисхемного программирования МК предназначен разъём XP1. В устройстве применена динамическая индикация. Процесс сканирования кнопок также связан с ней.
B1служит для приёма команд с пульта дистанционного управления, работающего по системе RC-5. При этом задействуется пять кнопок пульта, которые будут соответствовать пяти кнопкам местного управления. Настройка на пульт описана в руководстве пользователя.
Резистором R33 подстраивается яркость при средней или максимльной освещенности. Настройка точности измерения контролируемых напряжений блока питания и резервной батареи осуществляется резисторами R35, R37 соответственно.
Микросхема DD2 является драйвером, преобразующим сигналы RX/TX уровней TTL в дифференциальный сигнал стандарта RS-485 для обмена данными с ПК на расстоянии до 1200 метров.
Термодатчики типа DS18B20 имеют цифровой выход, подключены по трёхпроводной схеме и работают по протоколу 1 Wire. Первый датчик измеряет температуру в помещении (внутренний), второй – на улице (внешний).
Физически они расположены на одной линии, поэтому для считывания температуры производится адресация датчиков. Устройство работает лишь с датчиками DS18B20
Процесс записи серийных номеров 2-х датчиков в энергонезависимую память МК производится следующим образом:
1.Необходимо полностью обесточить устройство (достать батарею резервного питания, отключить сетевой блок питания)
2. Подключить один датчик DS18B20 (измерение температуры в помещении)
3. Удерживая нажатой кнопку “UP” , включить сетевой блок питания. (произойдет запись серийного номера датчика в память МК, раздастся звуковой сигнал)
4. Отключить сетевой блок питания.
5.Отключить датчик.
6. Подключить другой датчик (измерение температуры на улице)
7. Удерживая нажатой кнопку “DN” , включить сетевой блок питания (произойдет запись серийного номера датчика в память МК, раздастся звуковой сигнал)
8.Отключить сетевой блок питания
9.Подключить оба датчика
10. Включить питание
Теперь устройство будет работать с этими датчиками. Если необходима заменить какой либо из них, то данную процедуру для соответствующего датчика нужно пройти вновь. Если второй датчик не требуется, то один датчик можно прописать на оба канала.
Температура выводится на индикатор с дискретностью 0,1°С. Измерение происходит с интервалом 1 сек.
Блок индикации A2 содержит пятиразрядный семисегментный индикатор с общим анодом, пять статусных светодиодов, а также элементы, необходимые для управления всем этим. Назначение статусных светодиодов следующее:
HL1(желтый) — признак включения любого из будильников
HL2(красный) — низкое выходное напряжение сетевого блока питания или батареи
HL3(желтый) – признак работающего таймера
HL4(красный) — ошибки термометра(ов)
HL5(желтый) – включено терморегулирование
Микросхема DD3 представляет собой сдвиговый регистр с защелкой и возможностью перевода выходов в третье состояние и служит для преобразования последовательно поступающих данных в параллельное для вывода информации на цифровой индикатор и статусные светодиоды. VT1 — VT5 предназначены для усиления питания общих анодов цифровых индикаторов
Блок управления нагрузками A3 предназначен для коммутации каких либо устройств, включающихся в стандартную электросеть ~220В, 50 Гц. Имеется 4 канала управления. Любой из них может быть включен/выключен вручную, по таймеру, от будильника. Первый и второй канал связаны соответственно с первым и вторым каналами терморегулирования (которые в свою очередь привязаны к первому и второму будильнику). Каждый канал включает в себя электромагнитное реле и транзисторный ключ для его управления. Контакты реле коммутируют нагрузку. В блоке реализовано экономичное управление реле. Рассмотрим его на примере первого канала. Когда канал выключен, транзистор VT9 закрыт, конденсатор С16 разряжен, реле К1 обесточено. При включении канала открывается VT9, конденсатор C16 заряжаясь через обмотку реле K1, создаёт импульс тока, достаточный для притяжения якоря этого реле. После заряда конденсатора якорь реле удерживается меньшим током, протекающим через резистор R27. Диод VD11 защищает транзистор VT9 от импульсного пробоя в момент его закрытия.
Светодиоды HL6 — HL9 сигнализируют о включенном состоянии соответствующего канала.
В моём варианте подключение внутренней батареи происходит при соединении блоков А3 и А1 через XS4-XP4 , потому что нет внешнего доступа к батарейному отсеку. Для этого в XP4 установлена перемычка между 6 и 7 контактами. Это сделано для удобства обслуживания при замене элементов питания или записи номеров термодатчиков в память МК., то есть когда схему нужно полностью обесточить. Если это не требуется, то минус батареи соединяется с минусовой шиной питания напрямую.
Напряжение внешнего источника питания устройства — 11…13 В., ток не менее 0,25A. В качестве резервной батареи лучше применить 3 последовательно соединенных алкалиновых элемента типоразмера ”AA”. Ток потребления устройства без блока А3 при максимальной яркости составляет около 120 mA. При пропадании сетевого питания устройство переходит на батарейное, при этом оно полнофункционально (лишь реле обесточены), потребляет ток около 10…..20 mA и может проработать не менее трёх суток при установке свежих вышеуказанных элементов питания. Индикатор практически гасится до нуля, но процесс сканирования кнопок не прекращается, поэтому он едва подсвечивается. При нажатии на любую кнопку местного управления или пульта ДУ индикатор вновь загорается на 15 секунд, для того, чтобы можно было посмотреть информацию. При появлении сетевого питания индикатор вновь загорается.
Конструкция
Устройство собрано на 3-х односторонних печатных платах из фольгированного стеклотекстолита, чертеж и расположение деталей которых находятся в прилагаемых файлах.
Платы центрального блока и блока индикации соединяются между собой перемычками и размещаются в подходящем по размеру корпусе. Блок управления нагрузками конструктивно расположен внутри сетевого фильтра и соединяется кабелем через разъём, расположенный на задней стенке корпуса часов.
Замена элементов.
Микроконтроллер DD1 заменим на ATmega8-16AU, ATmega8L-8(AI)AU, микросхема драйвера RS-485 на SN75176BP, MAX485CPA и т.п., фотоприемник В1 на аналогичный, рассчитанный на несущую частоту 36 кГц, например TSOP1736, TSOP1836SS3V, SFH506-36, SFH5110-36, TFMS5360, но следует учесть, что расположение выводов фотоприемников разных типов может отличаться. В качестве звукового излучателя HA1 кроме указанного можно использовать другой электродинамический или пьезоэлектрический со встроенным генератором на напряжение 5…6V, например HCM1206X, HPM14A(X). Светодиодные семисегментные индикаторы можно применить из этой же серии SA08-XXXXX или аналогичные с общим анодом (возможно придется подобрать токоограничительные резисторы R10- R17) Вместо DA1 можно применить отечественный стабилизатор К142ЕН5Б. Применённые электромагнитные реле рассчитаны на питания обмотки12В и номинальный ток 30mA. При использовании реле с большим рабочим током необходимо подобрать резисторы R24 — R27. Напряжение коммутации ~220В, ток 12А. Вместо фоторезистора CФ2-5 можно применить аналогичные, сопротивление которых при ярком свете составляет 50….1000 Oм
Возможные упрощения устройства.
Если не требуется управление с ПК то можно не устанавливать элементы DD2, R1-R3, XP2. За ненадобностью ИК управления не устанавливаются B1, C1, R4. Исключить автоматическую регулировку яркости можно не устанавливая R33, а вместо фоторезистора R32 поставить постоянный на 10ком. Если не нужно управлять нагрузками, то блок А3 исключается, а на XS4 необходимо установить перемычку между 6 и 7 контактами. Если нет надобности в термометрах, то DD4 и DD5 не подключаются и не устанавливаются R6, HL4.
Сборка и налаживание устройства.
Вначале на плату запаивают все элементы кроме DD1 – DD3, B1. DD4 и DD5 пока не подключать. Включив питание, измеряют постоянное напряжение на С10 и далее на С1. В обоих случаях оно должно быть около 5,3В. Желательно проверить свечение всех сегментов цифрового индикатора и статусных светодиодов подавая одновременно с минусовой шины питания на левые по схеме вывода резисторов R10-R18 (ограничивающие ток сегментов) и R19 — R23 (в базовых цепях VT1- VT5). Если все прошло успешно, то отключаем питание, запаиваем DD1 – DD3 и B1 и подключаем программатор к разъёму XP1 (стандартный шестиконтактный разъём для внутрисхемного программирования AVR). Демопрошивка для проверки работоспособности устройства прилагается.
FUSE-биты микроконтроллера DD1 должны быть запрограммированы следующим образом:
• CKSEL3…0 = 1111 — тактирование от высокочастотного кварцевого резонатора;
• SUT1…0 =11 — Start-up time: 16K CK + 64 ms;
• CKOUT = 1 — Output Clock on CKOUT запрещен;
• BODLEVEL = 1 — пороговый уровень для схемы контроля напряжения питания 2,7В;
• BODEN = 0 монитор питания включён
• EESAVE = 0 — стирание EEPROM при программировании кристалла запрещено;
• WDTON = 1 — Нет постоянного включения Watchdog Timer;
Остальные FUSE – биты лучше не трогать. FUSE–бит запрограммирован, если установлен в “0”.
Демопрошивка обеспечивает полноценную работу устройства, но в течении чуть менее 2-х часов, что вполне достаточно для проверки работоспособности. За полнофункциональной прошивкой обращайтесь к автору.
Управляющая программа для компьютера находится в стадии создания.
Скачать прошивку HEX, печатную плату в LAY и GIF-формате, фотографии устройства, руководство пользователя вы можете ниже
Баталов Алексей (E-mail: написать мне) ICQ#: 477022759, сайт автора
Список радиоэлементовОбозначение
Тип
Номинал
Количество
ПримечаниеМагазинМой блокнот
DD1
МикроконтроллерATmega8-16Al1
DD2
МикросхемаADM4851
DD3
Сдвиговый регистрSN74HC5951
DD4, DD5
Датчик температурыDS18B202
DA1
Линейный регуляторLM78061
B1
ИК-приемникTSOP48361
VT1-VT5
Биполярный транзисторBC8075
VT6-VT9
Биполярный транзисторКТ315Б4
VD1-VD10
Выпрямительный диод1N414810
VD11
Диод Шоттки1N58191
VD12, VD13
Выпрямительный диод1N40012
С1
Электролитический конденсатор10 мкФ1
С2, С3
Конденсатор22 пФ2
С4
Конденсатор0.01 мкФ1
С5, С6, С8, С10, С11
Конденсатор0.1 мкФ5
С9, С13-С16
Электролитический конденсатор100 мкФ5
С12
Электролитический конденсатор22 мкФ1
R1, R2
Резистор100 кОм2
R3, R5
Резистор10 кОм2
R4, R6, R8
Резистор150 Ом3
R7
Резистор4.7 кОм1
R9
Резистор6.8 кОм1
R10-R18
Резистор100 Ом9
R19-R23
Резистор1.5 кОм5
R24-R27
Резистор470 Ом4
R28-R31
Резистор5.6 кОм4
R32
ФоторезисторСФ2-51
R33
Подстроечный резистор33 кОм1
R34, R36
Резистор470 кОм2
R35, R37
Подстроечный резистор68 кОм2
R38
Резистор130 кОм1
ZQ1
Кварцевый резонатор7.3728 МГц1
L1
Дроссель10 мкГн1
HG1-HG5
Светодиодный цифровой индикаторSA08-11EWA5
HL1, HL3, HL5
СветодиодЖелтый3
HL2, HL4
СветодиодКрасный2
HL6-HL9
СветодиодАЛ307Б4
HA1
ЗвукоизлучательGS12051
K1-K4
РелеBC115C-12A 12V4
SB1-SB5
Тактовая кнопка5
XP1
РазьемISP1
XP2
РазьемDB-9M1
XP3-XS3, XP5-XS5
Разьемная параТри вывода2
XP4-XS4
Разьемная параСемь выводов1
XS5
Разьем для подключения питания1
FU2-FU5
Предохранитель6 А4
AC IN, AC LOAD 1 — AC LOAD 4
Клеммы исполнительных цепей10
Добавить все
Скачать список элементов (PDF)
Прикрепленные файлы:
- Users_guide_ClockThermo.pdf (497 Кб)