Беспроводной цифровой термометр своими руками для нескольких датчиков

Много дистанционного зондирования У термометров есть проблема с измерением более чем одной температуры одновременно. Чтобы решить эту проблему, здесь используется другая технология, которая позволяет распознавать восемь (максимум) датчиков одновременно.

Техника

Блок-схема беспроводного адресного цифрового термометра показана на рис. 1. На передающей стороне 8-битный аналого-цифровой преобразователь (ADC) непрерывно сканирует и преобразует сигналы от восьми различных датчиков температуры. Датчики выбираются последовательно с помощью 3-битной двоичной системы адресации. В любой момент выход ADC представляет собой 8-битное двоичное число, представляющее аналоговый сигнал, вырабатываемый на выходе определенного датчика температуры, адресуемого в этот момент.

С помощью специальных параллельно-последовательных кодировщиков эти 8-битные данные вместе с двоичным адресом датчика передаются последовательно на удаленную принимающую сторону. Связь между двумя концами осуществляется с помощью пары модулей передатчика и приемника УВЧ диапазона 433 МГц, работающих в режиме ASK/OOK.

На приемной стороне передаваемый сигнал принимается радиочастотным приемным модулем ASK/OOK 433 МГц. Полученный 8-битный последовательный сигнал затем преобразуется обратно в исходную параллельную форму с помощью специальных декодеров данных, как описано ниже. Затем на основе этих данных с помощью 8-битного цифро-аналогового преобразователя (DAC) вырабатывается эквивалентный аналоговый сигнал. Цифровой мультиметр, подключенный к выходу DAC, используется для отображения температуры по шкале мВ.

Идентификация датчиков

Сканирование датчиков управляется 3-битным двоичным счетчиком, который циклически помещает последовательно меняющиеся двоичные числа от 000 до 111 в три назначенные входные строки сканирования, A, B и C, ADC. Каждое число содержит двоичный адрес определенного датчика, и при каждом обращении датчик отправляет данные в ADC для преобразования в цифровой эквивалент.

Здесь возникает проблема. Благодаря непрерывному сканированию датчиков ADC полученные данные могут поступать от любого из восьми возможных датчиков. Следовательно, для правильной идентификации датчика-источника перед передачей 8-битный выходной сигнал каждого датчика помечается конкретным 8-битным двоичным числом (адресом). Для этой цели используются специальные кодеры данных.
Кодер, используемый в этой системе, может отправлять одновременно только четыре бита 8-битных измеренных данных. Следовательно, воспринятый 8-битный сигнал от ADC сначала разбивается на два полубайта по четыре бита каждый. Затем полубайты повторно отправляются один за другим на принимающую сторону после присоединения упомянутого 8-битного адреса к каждому из них указанными кодировщиками.

Из восьми бит адресного слова три являются битами сканирования, как описано выше, и фиксированы для конкретного датчика. Остальные пять бит используются для обозначения двух разных адресов двух разных полубайтов данных. Эти пять битов, однажды установленные, должны оставаться установленными навсегда. Таким образом, во время сканирования датчиков, хотя логические уровни входных строк сканирования A-B-C ADC продолжают последовательно меняться от 000 до 111 в циклическом порядке, упомянутые пять других бит адресного слова остаются фиксированными в своем заданном значении. В результате разным выходам датчика присваиваются разные 8-битные адреса для обоих полубайтов. Это справедливо для всех восьми датчиков.

На приемной стороне после обнаружения последовательно полученные две последовательности импульсов для двух полубайтов подаются на два специальных декодера. Как и кодеры, декодеры также имеют восемь предварительно устанавливаемых адресных линий. Если в какой-либо момент заданный адрес декодера совпадает с мгновенным адресом кодера, декодер декодирует полученный сигнал и извлекает отправленные для него 4-битные данные и, следовательно, помещает их в свои четыре выходные линии.

8-битные выходные данные (4-битные плюс 4-битные) от двух декодеров подаются на 8-битный DAC. DAC в return генерирует эквивалентный аналоговый ток. Этот ток, протекая через резистор, создает на нем аналоговое напряжение (отрицательное по отношению к земле). Этот аналоговый выходной сигнал DAC измеряется с помощью цифрового мультиметра.

Цепь и работа

Схема адресного беспроводного цифрового термометра разделена на три части: передатчик, приемник и источник питания.

Передатчик. На рис. 2 показана принципиальная схема передающего блока беспроводного адресуемого цифрового термометра. Восемь датчиков температуры LM35 IC (IC9-IC16) подключены к входам IN0-IN7 (контакты 26-28 и 5-1) ADC 0808 (IC3). Хотя ADC способен принимать в общей сложности восемь датчиков через свои восемь входных линий, при желании можно использовать и меньшее количество датчиков. IC 7404 (IC1) сконфигурирована как КМОП-генератор с помощью резисторов R1 и R2, а конденсатор C1 питает ADC необходимыми тактовыми импульсами, необходимыми для процессов преобразования.

Выходное напряжение микросхемных датчиков температуры серии LM35 линейно (при 10 мВ/°C) зависит от стоградусной температуры окружающей среды, принимая 0 мВ при температуре 0°C. ADC непрерывно сканирует восемь входных строк. Процесс сканирования управляется 3-битным двоичным счетчиком, построенным на базе CD4029 (IC6).

Счетчик помещает непрерывно меняющееся 3-битное двоичное число во входные линии ABC ADC (контакты 25, 24 и 23). Скорость сканирования зависит от тактового сигнала, построенного на таймере NE555 (IC2), и составляет примерно 8 Гц. Следовательно, каждому из восьми датчиков разрешено отправлять данные на ADC примерно в течение одной восьмой секунды, независимо от того, подключены все датчики или нет.

Здесь IC3 настроен на непрерывный режим работы. Таким образом, всякий раз, когда обращается к конкретному датчику, выходные строки ADC отражают текущий статус аналогового выхода датчика. Вывод ADC поступает на линии ввода данных специальных кодеров HT12E (IC4 и IC5); старший полубайт для IC4 и младший полубайт для IC5 соответственно.

Поскольку вход TE (контакт 14) энкодеров постоянно заземлен (логический 0), энкодеры настроены на непрерывную выработку закодированных данных. Данные доступны на контакте 17 IC4 и IC5. Эти два закодированных цифровых выхода поочередно направляются на TX1 (TX-433 МГц), модуль радиочастотного передатчика УВЧ, для модуляции несущей волны УВЧ, генерируемой модулем. Выбор выхода кодера осуществляется следующим образом:

Всякий раз, когда выходной импульс IC2 становится высоким, вывод 10 логического элемента И N3 микросхемы IC7 (счетверенный TTL-элемент И с двумя входами) также переходит в высокий уровень, позволяя выходному сигналу IC5 направиться на TX1 через диод D4. В то же время, из-за наличия транзисторного инвертора T1, вывод 13 затвора N4 микросхемы IC7 переходит в низкий уровень, препятствуя выходу IC4 достичь TX1 через затвор N4. Как только тактовый импульс возвращается к логическому 0, выход IC4 переходит в TX1 через вентиль N4 IC7.

По сути, аналоговые данные датчика преобразуются, и результирующие 8-битные цифровые данные отправляются на удаленный конец с использованием модуляции ASK/OOK в полном тактовом цикле IC2.

Модулированный сигнал излучается в космос через провод (длиной около 35 см), действующий как антенна, подключенный к антенной точке модуля.

Приёмник. На рис. 3 показан приёмный блок адресного беспроводного цифрового термометра. RX1, модуль радиочастотного приемника 433 МГц, используется для приема и демодуляции радиочастотного сигнала, модулированного ASK, передаваемого через TX1 передатчика. Демодулированный выходной сигнал представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, содержащую 4-битный полубайт данных и предназначенную для конкретного декодера, как объяснялось ранее.

Транзистор BC547 (T2) используется в качестве импульсного усилителя для усиления выходного сигнала от RX1 и, следовательно, увеличивает высоту импульса до CMOS-совместимой логики -1 (>3,5 В при 5 В). Этот совместимый выходной сигнал затем подается на вентиль CMOS NAND 4011 (IC19). Логический элемент И-НЕ N1 помогает получать импульсы идеальной прямоугольной формы. Выход вентиля N1 микросхемы IC19 подается на декодеры HT12D (IC20 и IC21). Адресные строки декодеров настроены на получение данных от кодеров IC4 и IC5 соответственно.

Светодиоды (LED5 и LED6), подключенные к выходам VT (контакт 17), мигают, указывая на прием достоверных данных. Скорость декодирования (измеренная на контакте 15) составляет 200 кГц (приблизительно). Декодированные данные затем подаются на IC22, DAC (0808). Аналоговый токовый выход DAC (контакт 4) нагружен резистором R26. Развивающееся на нем напряжение поступает на цифровой мультиметр, который показывает температуру по шкале мВ.

Колесико switch (TWS1) используется для изменения предварительно заданного адреса декодеров (IC20 и IC21). switch изменяет последние три младших разряда адреса. Например, чтобы получить данные от датчика (IC13), подключенного ко входу IN4 устройства ADC, на TWS1 необходимо установить число 4.

Источники питания. Термометру необходимы источники питания как для передающего, так и для приемного блока. В то время как блоку передатчика требуется только стабилизированный источник питания +5 В, построенный на X1, D1, D2 и IC8 (рис. 2), блоку приемника требуется двойной источник питания +5 В и -5 В, построенный на X2, BR1, IC17 и IC18 (рис. 3). Обе схемы работают от сети переменного тока 230 В, частотой 50 Гц, подключенной к первичным обмоткам трансформаторов Х1 и Х2 соответственно.

Схемы питания не требуют пояснений. Трехконтактный стабилизатор положительного напряжения IC 7805 используется как в передатчике, так и в приемнике для получения регулируемого источника питания +5 В. С другой стороны, трехконтактный стабилизатор отрицательного напряжения IC 7905 используется для подачи питания -5 В, необходимого для DAC0808 приемного блока.

Создание и тестирование

Односторонний образец PCB в натуральную величину для передающего блока беспроводного адресуемого цифрового термометра показан на рис. 4, а схема его компонентов — на рис. 5. Аналогично, односторонний шаблон PCB в натуральную величину для приемного блока показан на рис. 6, а расположение его компонентов — на рис. 7.

Загрузите PCB и PDF-файлы компоновки компонентов: нажмите здесь

Для подключения TWS1 используйте четырехжильный кабель для подключения его к PCB. Закрепите TWS1 на передней панели приемника.

Монтаж микросхемы датчика требует особого внимания. Если необходимо контролировать температуру твердой поверхности, датчик можно закрепить к поверхности с помощью металлических зажимов или приклеить непосредственно к поверхности высокотемпературным эпоксидным клеем.

Для измерения температуры жидкости датчик нельзя погружать непосредственно в жидкость, поскольку жидкость может быть проводящего типа, и в этом случае case выводы датчика будут электрически закорочены. Чтобы решить эту проблему, датчик можно установить внутри металлической/стеклянной трубки с запаянным концом. Соединительные провода должны подводиться к выводам через высокотемпературную изоляционную оболочку. Затем трубку можно окунуть в жидкость или ввинтить через какое-нибудь резьбовое отверстие в контейнере с жидкостью. Хотя сталь придает конструкции очень высокую прочность, в целом стеклянная трубка будет идеальным выбором, когда необходимо измерить температуру химически реактивной ванны.

При строительстве необходимо уделить особое внимание выбору некоторых резисторов и конденсаторов. Резисторы R1, R2, R24, 25 и 26 должны быть с высокостабильным и низкотемпературным коэффициентом полезного действия, чтобы сделать устройства устойчивыми к изменениям времени и температуры окружающей среды. Для этой цели можно использовать металлопленочный тип. VR1 — это 40-витковый подстроечный потенциометр на 10 кОм. Это должен быть очень стабильный тип.

Выводы заземления return датчиков должны быть заземлены рядом с выводом заземления ADC, в противном случае могут наблюдаться ошибочные результаты.

Калибровка и настройка

Для правильной работы этого беспроводного термометра опорный ток (на контакте 4 DAC0808 – IC22) приемного блока должен быть предварительно отрегулирован. Для этого выполните следующие действия:

Подключите известный источник напряжения (не выше +5 В) к любому входу ADC, скажем, к IN6 (контакт 4) ADC. Включите блок передатчика. Подключите цифровой мультиметр к R26 приемного блока. Установите диапазон switch на диапазон 200 мВ постоянного тока, положительный провод к земле, а отрицательный провод к верху R26. Включите приёмник. Светодиоды на выходах декодера должны начать светиться, указывая на полученные данные о напряжении. Если напряжение источника составляет 1,5 В, состояние светодиодов должно соответствовать приведенному в Таблице I.

Итак, полученное напряжение = (D×5)/256 = (76×5)/256 = 1,50

где D — вес двоичных чисел, представленных светодиодами LED7–LED14.
Теперь отрегулируйте подстроечный потенциометр VR1 так, чтобы на шкале мультиметра появилось значение 150,00 мВ. Подключите ко входу еще один источник напряжения и посмотрите, что мультиметр показывает его правильно. При необходимости отрегулируйте подстроечный потенциометр. После правильной калибровки поместите схему в две отдельные коробки с подходящими разъемами входа и индикаторами LED.

Как использовать

1. Прикрепите датчики LM35 (от IC9 до IC16) передатчика к различным интересующим объектам, обращая внимание на входы (IN0-IN7) ADC, к которым они подключаются индивидуально.
2. Подключите цифровой мультиметр к выходу приемного блока положительным проводом к земле, а отрицательным – к R26. Установите шкалу мультиметра на диапазон 200 мВ.
3. Включите передатчик и приемник.
4. Вращайте регулировочное колесо switch, чтобы узнать температуру конкретного объекта. Например, если if вы хотите получить температуру объекта, подключенного к датчику, подключенному к входу IN6 ADC, регулировочное кольцо switch должно быть повернуто в положение 6.
5. Температура 27,5°C будет отображаться как 27,5 мВ (когда значение R26 составляет около 500 Ом). Если R26 равен 5 кОм, отображаемое значение будет 0,275 В, когда диапазон цифрового мультиметра switch установлен на 2 В.

Приложения

Хотя систему лучше всего использовать для измерения температуры в опасных или недоступных зонах (например, в радиоактивной зоне), ее также может использовать врач больницы для мониторинга из фиксированного места температуры тела нескольких пациентов, лежащих в разных комнатах, без личного посещения каждого пациента.

Диспетчерская отеля может контролировать температуру во всех комнатах одновременно, используя несколько устройств. Прибор также можно использовать (с некоторыми доработками) в качестве беспроводного цифрового вольтметра.

Аруп Кумар Сен — технический специалист на пенсии, II, SAIF, Институт Бозе, Калькутта