Сложно о простом: цифровой термометр
Предыстория
После карантина захотелось потренироваться в разводке плат в Easy EDA и их изготовлению методом ЛУТ, да и особого желания делать сразу что-то сложное не было. Поэтому на роль «подопытного кролика» выступил проект цифрового термометра. К тому же это был отличный шанс попрактиковаться в написании программ для МК на C++.
Немного теории
Основой термометра будет терморезистор. Терморезистор — это резистор, у которого его сопротивление меняется от температуры. Терморезисторы разделяют на 2 большие группы: с положительным коэффициентом сопротивления (Сопротивление растёт от температуры) и с отрицательным (Сопротивление понижается от температуры). От типа терморезистора зависят и необходимые расчёты.
Теоретический практикум
Для проекта был подобран следующий терморезистор (рис. 1). Данный артефакт ещё советских времён ( штекер «СШ-5»), но несмотря на свой возраст, работает отлично.
Рисунок 1 — терморезистор
Как показала быстрая проверка датчика — данный терморезистор с положительным коэффициентом сопротивления (Сопротивление растёт от температуры), что немного необычно (Большинство современных терморезисторов обладает отрицательным коэффициентом сопротивления).
После первичного осмотра необходимо снять зависимость сопротивления от температуры. Для этого нам понадобится образцовый термометр и мультиметр (рис. 2).
Рисунок 2 — необходимые инструменты
План замеров таков:
- Замеряем температуру и сопротивление датчика при комнатной температуре.
- Записываем результаты замеров.
- Замеряем температуру и сопротивление датчика при различной температуре (В горячей, холодной, тёплой воде и тд).
- Записываем результаты замеров.
- Повторяем пункты 3 — 4 до тех пор, пока значений будет не менее 3-х.
После снятия первичных значений необходимо их обработать.
Для этого необходимо:
- Определить ТКС (Температурный Коэффициент Сопротивления). Если ТКС 0, то зависимость на некотором участке диапазона близка к линейной. В моём случае ТКС > 0, а зависимость линейная (Значит терморезистор изготовлен из какого-то металла).
- Для положительного ТКС: вбиваем показания в Excel и строим график. Далее добавляем линию тренда и выводим полученное уравнение (рис. 3).
Рисунок 3 — получение прогноза температуры от сопротивления
T = 17.173R — 130.82,
где T — температура в градусах Цельсия, а R — сопротивление в килоомах. Данная функция понадобится позже, а именно при написании скетча.
P.s. Данный практикум больше служит для выяснения типа датчика, нежели для получения итоговой функции (Т.к. проще составить прямую зависимость значения АЦП от температуры).
Схема электрическая принципиальная
Рисунок 4 — схема электрическая принципиальная
Да, опять я не пользуюсь сдвиговыми регистрами или драйверами семисегментников. С другой стороны, проект простенький и поэтому особого смысла в экономии выводов ATMEGA328 я не видел. Датчик подключается в разъём H1, который вместе с резистором R1 образуют делитель напряжения. Напряжение с делителя напрямую поступает на аналоговый вывод МК. Данный узел необходим для измерения сопротивления терморезистора.
Печатная плата и 3D модель устройства
Так как изначальной идеей проекта была тренировка в разводке ПП в Easy EDA, то и делать плату мы будем в этой программе (рис. 5). Итоговый размер платы 90×63 мм.
Рисунок 5 — рисунок ПП в Easy EDA
Также для статьи была подготовлена 3D модель устройства (рис. 6).
Рисунок 6 — 3D модель устройства
Помимо большого количества дорожек и малой ширины промежутков между ними, плата ещё и двусторонняя, что доставит ещё дополнительных проблем при её изготовлении, но это нам и нужно (Изначальная цель проекта — изготовление сложной ПП в Easy EDA).
Перед печатью необходимо экспортировать плату в .pdf из программы (Верхний и нижний слои) в чёрно-белом варианте без шелкографии (Это легко настраивается в окне экспортирования (рис. 7)). Нижний слой экспортируется без изменений, а верхний зеркально!
Рисунок 7 — настройки экспортирования для верхнего слоя
Изготовление печатной платы
- Необходимо вырезать трафареты с запасом (по 5 мм с каждой стороны).
- Потом их необходимо совместить на просвет так, чтобы все отверстия совпали.
- Когда отверстия совпадут, скрепляем шаблоны по краям степлером (Аккуратно и не спеша). Лучше скреплять стороны по очереди, следя за отверстиями.
- После соединения шаблонов подготавливаем кусок текстолита по размерам платы и собираем «бутерброд».
- После выравнивания текстолита и шаблонов фиксируем «бутерброд» степлером.
Далее «бутерброд» необходимо разгладить с обеих сторон — тут нужен опыт, у меня так и не получается всё сделать идеально. После хорошо отмываем, так чтобы не осталось белого налёта на медном слое (Тут главное не перегреть плату при переносе рисунка утюгом, иначе налёт будет очень трудно снять), и получаем результат (рис. 8.1 и рис. 8.2).
Рисунок 8.1 — нижняя сторона ПП
Рисунок 8.2 — верхняя сторона ПП
Результат неидеален, но приемлем. Полученную «плату» кидаем в ваш любимый раствор для травления (Я пользуюсь медным купоросом) и вытравливаем плату. Потом отмываем, сверлим отверстия, паяем. Итоговый результат сборки представлен на рисунке 9.1 и рисунке 9.2.
Рисунок 9.1 — верх
Рисунок 9.2 — низ
Вспоминая о соотнесении отверстий на просвет степлером, считаю необходимым показать результат совмещения (рис. 10).
Рисунок 10 — результат совмещения слоёв
Также скажу пару слов о сборке: перед программированием МК необходимо убедится в качестве пайки и травления, иначе можно получить самые разные неприятные сюрпризы.
Практика
Когда дело доходит до практики, то начинаются проблемы с теорией. Основной причиной проблем стала плохая пайка аналогового входа МК, поэтому пришлось перелопатить весь делитель (рис. 11), чтобы понять где была проблема (Совет: Всегда проверяйте пайку мультиметром — это поможет избежать различных проблем). Поэтому все прошлые расчёты можно смело забыть (Но закон Ома забывать не советую) ;).
Рисунок 11 — окончательная схема
Изменения в схеме в основном коснулись делителя, а также был отвязан вывод AREF от +5 В. Теперь R1 притягивает пин PC0 к земле, и номинал резистора был изменён с 10 кОм до 8.1 кОм
Теперь что касается формул. Так как конфигурация делителя изменилась, а на момент отладки уже работал вывод целых чисел на дисплей, то гораздо проще и лучше стало построить график зависимости температуры от значения АЦП и спрогнозировать его (рис. 12).
Рисунок 12 — прогноз температуры от значения АЦП
Итоговой формулой для моего датчика (Напомню, он обладает положительным ТКС и имеет линейную характеристику) стало следующее выражение:
T = -0.7309*X + 378.49,
где T — температура в градусах Цельсия, а X — значение АЦП. Данная формула оказалась вполне рабочей и показания контрольного и самодельного термометров совпадают +- погрешность округления (обрезки дробной части =) ) (рис. 13).
Рисунок 13 — первое включение и тесты (Затемнение на фото вызвано высокой яркостью индикатора)
Помимо всего прочего, схему необходимо обеспечить питанием от стабильного источника напряжение, иначе показания будут «плавать».
Скетч
Помимо проблем с пайкой были ещё и проблемы с самой ATMEGA328PU: экземпляр, который я купил в радиомагазине тактируется исключительно от 1 МГц (брак какой-то), поэтому всеми любимый ардуино код пришлось переделать в гибридный вариант. Изменения в основном коснулись динамической индикации, так как при тактовой частоте 1 МГц ардуино код вызывал сильное мерцание сегментов. Поэтому пришлось писать динамическую индикацию на прямом обращении к регистрам портов (рис. 14).
Рисунок 14 — порты ATMEGA328P
У ATMEGA328P всего 3 порта: PORTB, PORTC, PORTD, из которых PORTC — аналоговый (Содержит АЦП). Как видно из рисунка 15 выводы кварца и даже «Reset» являются частью портов и могут быть сконфигурированы для работы с помощью фьюзов,как и обычные пины («Reset» трогать не советую 😉 ).
Для конфигурации порта необходимо использовать регистр DDR + «Имя порта» (B,C или D и тд.). Пример:
Нумерация битов идёт справа налево — это нужно помнить!»1″ соответствует режиму выхода, «0» — входу.
Теперь краткий экскурс по правильному управлению большим количеством пинов. Пример:
Данный метод выводит значение, записанное по цифрам в массив data[]. В отличии от варианта на ардуино коде эта реализация более компактная и оптимизированная, но гораздо сложнее для понимания и отладки (Я потратил на отладку 2 дня).
И так. в массиве chisla[][] записаны коды чисел для семисегментного индикатора с общим анодом. Цикл for перебирает цифры в массиве data[] и подставляет их в один из индексов массива chisla[][], тем самым получая код нужной цифры. Далее массив из 0 и 1 необходимо преобразовать в двоичное число для регистра. На первый взгляд задача сложная, но на самом деле всё гораздо проще.
Для перевода кода цифры необходимо воспользоваться школьными познаниями в информатике: вспомнить перевод числа из десятичной системы счисления в двоичную. Умножая 0 и 1 на 2 в нужной степени мы получим необходимый двоичный код. Пример: для того чтобы «потушить» сегмент «А» необходимо на сегмент «А» подать 5В. Для этого согласно схеме необходимо подать «1» на вывод PC5, т.е. сформировать вот такое двоичное число: «B100000» или умножить 1 на 25 или на 32 (В двоичном виде 32 представляет собой как раз «B100000») =). Код на С++:
PORTC = 32 * chisla[data[i]][0];
В данном случае «0» или «1» берутся из массива chisla[][]. По такому же принципу работают и другие сегменты.
Теперь поговорим о переключении разрядов. Тут всё элементарно — побитовый сдвиг. Т.к. индикатор с общим анодом, то двигаем мы «1». Код на С++:
PORTC |= 1 14.07.2020 
0 
0
Источник
Простой термометр из самодельной термопары.
Предлагаю всем, кто любит что-то делать своими руками, изготовить для домашней лаборатории простой термометр из самодельной термопары, с верхним пределом измерения температуры до 500-700 градусов о С.
Собственно говоря, весь термометр — это термопара (датчик), и средство отображения температуры (индикатор), в качестве которого можно использовать и стрелочный индикатор (микроамперметр) и цифровой мультиметр.
Начнём с изготовления термопары. Для этого нам понадобятся проволоки из разных металлов. Самые доступные — это проволоки из меди и константана. Термо-ЭДС получаемая из такой пары от пламени зажигалки, около 50-ти милливольт.
Так где же можно найти константан? Очень просто. Константан в основном применяется при изготовлении проволочных резисторов, из которых мы его и будем добывать.
Для этого лучше брать проволочные резисторы бОльшей мощности, или резисторы с меньшим сопротивлением (единицы Ом). В этих резистора проволока диаметром больше. Ну может и можно использовать проволоку и меньшего диаметра, но по моему мнению удобней работать с проволокой диаметром от 0,3 мм, а если из термопар собирать батарею, то желательно брать проволоку 0,8 и выше, чтобы внутреннее сопротивление батареи было меньше.
И так резисторы мы нашли, а что дальше? Дальше нужно аккуратно постукивая по резистору отбить у резистора эмаль, стараясь не повредить константановую проволоку и попытаться её отделить от резистора и смотать. Эту проволоку мы и будем использовать для изготовления термопар.
Изготовление термопары.
Изготовление термопары труда большого не представляет. Для этого берём два отрезка проволоки, добытую ранее константановую и любую медную, желательно близких по диаметру, скручиваем их вместе с одного конца на расстояние 0,5 — 1,0 см. Именно эту скрученную часть проволок мы и будем сваривать.
Сваривать термопары в домашних условиях удобно способом, который был описан ранее вот в этой статье. Для лучшего контакта проволок термопары со сварочным крокодилом, можно обмотать элементы будущей термопары проводом, чуть ниже скрутки, прижать к проводу от трансформатора плоскогубцами, и коснуться самой скрутки угольным электродом. Напряжение для надёжной сварки подобрать опытным путём.
У нас должен получиться на конце скрученных вместе проводов, оплавленный шарик (или подобие его), который и есть термопара.
Скрученные ранее провода нужно будет аккуратно раскрутить до места сварки, это на всякий случай, чтобы исключить их замыкание между собой, и надеть на них изоляционные трубочки, в качестве которых можно использовать фторопластовую оболочку от проводов.
Применение термопары.
Полученные таким способом термопары в пламени обычной зажигалки выдают напряжение, где-то в районе 50-ти милливольт.
Для изготовления термометра у меня были две измерительные головки, микроамперметры на 100 мкА. Одна головка с сопротивлением рамки 370 Ом, вторая (тоже на 100 мкА) с сопротивлением рамки 280 Ом.
Так вот, первая головка отклонялась от пламени зажигалки на всю шкалу, вторая, имеющая меньшее сопротивление рамки, зашкаливала.
То есть получается, что предпочтение нужно отдавать головкам, имеющим меньшее сопротивление рамки, так как термопара вырабатывает напряжение (милливольты) и ток отклонения у головок получается больше, если её активное сопротивление рамки меньше, то есть головка получается более чувствительная.
Нашёл у себя в загашниках головку миллиамперметра на 30 мА, с сопротивлением рамки где-то 1,5 — 1,6 Ом (замерил приблизительно). Каково было удивление, когда стрелка этой головки от термопары и зажигалки отклонилась на всю шкалу.
Ну в принципе так и получается по закону Ома. При 45-50 мВ напряжения и 1,5 Ома нагрузки, ток и будет около 30-ти мА. Да, ещё забыл сказать, что медный провод термопары даёт «плюс», а константановый «минус». Так что к головкам нужно подключать термопару в такой полярности.
Вернёмся к термометру. Как уже было сказано выше, термометр — это термопара и средство индикации. Из двух микроамперметров, о которых говорилось выше, были изготовлены термометры. Из первого микроамперметра, имеющего сопротивление рамки 370 Ом — термометр с верхним пределом измерения температуры 700 градусов о С, из второго с меньшим сопротивлением рамки (280 Ом) — термометр с верхним пределом измерения температуры 550 градусов о С. Так как эта головка оказалась более чувствительная, то и верхний предел температуры ниже.
Да, выше 700 — 800 градусов особого смысла делать термометр нет, так как температура плавления меди и константана где-то в районе 1000 градусов о С.
Калибровать таким способом изготовленные термометры, можно термофеном с индикацией температуры воздуха. Нижний предел лучше начинать от 100 градусов о С. Шкала получается почти линейной. Может чуть сжата в начале шкалы. Максимальная температура воздуха у моего фена 450 градусов о С. Отметки на шкале микроамперметров ставились через 50 градусов. Дальше (выше 450 градусов) пришлось ставить отметки на расстояние, вычисленное по предыдущим меткам на шкале. Точность шкалы для домашней лаборатории будет вполне приемлема.
Подобные термопары можно применять в терморегуляторах для любых паяльников не имеющих термодатчики, термофенов и других радиолюбительских конструкциях.
Попробовал я использовать подобную термопару вместо штатного датчика для термометра от цифрового мультиметра. Результатом более, чем доволен.
При измерениях температуры по нескольким разным точкам, отклонения от показаний индикатора на термофене, различались на плюс-минус несколько градусов. Фотография с другой температурой фена ещё есть в начале этой статьи.
Кому ещё интересно, то можно попробовать собрать термогенератор. То есть соединить последовательно множество термопар и попытаться сделать зарядку для телефона от пламени костра. Соединять термопары между собой тоже нужно сваркой (надёжно).
Для получения напряжения такой батареи в 1,5 вольта, необходимо соединить последовательно 20 термопар. Соответственно при выходном напряжении 5,0 вольт (для зарядки мобильника) нужно соединить последовательно не менее 70-80 термопар.
Кстати раньше выпускался советской промышленностью термогенератор, который использовался для питания батарейных ламповых радиоприёмников. Надевался он на горловину керосиновой лампы и вся эта конструкция подвешивалась в удобном месте. И свет был и радио играло.
Вырабатывал он анодное напряжение и напряжение для накала ламп. Ещё статья, как сделать термогенератор, была опубликована в журнале «Юный техник». Кому интересно, то можете попытаться найти её самостоятельно. Называлась вроде как «Напряжение из двух проволок» или как-то похоже. Могу найти её, вернее найду и потом в комментариях укажу номер ЮТ, где была эта публикация.
Да, ещё в качестве положительного электрода, вместо медной проволоки можно (даже желательно) использовать стальную проволоку. Термо-ЭДС такой пары должна даже быть выше, чем с медной. Лично я не пробовал, не оказалось в этот момент под руками стальной проволоки.
Попробуйте сами.
Удачи Вам в творчестве!
Источник