zegar ze stuletnim kalendarzem i dwukanałowym termometrem cz.1.pdf

Zegar ze 100−letnim kalendarzem i dwukanałowym termometrem

P R O J E K T Y

Zegar ze 100−letnim

kalendarzem

i dwukanałowym

termometrem, część 1

AVT−513

Prezentowane w†artykule

urz¹dzenie jest kolejnym

naszym pomys³em ìdla

domuî, u³atwiaj¹cym

codzienne funkcjonowanie. Bo

ktÛø nie jest uzaleøniony od

biegn¹cego czasu,

wymagaj¹cego nieustannej

kontroli, i†temperatury, ktÛra

w†skrajnych przypadkach

zdecydowanie negatywnie

wp³ywa na samopoczucie

wiÍkszoúci z†nas?

Rekomendacje : ze wzglÍdu

na uniwersalnoúÊ i†oczywist¹

przydatnoúÊ, urz¹dzenie

opisane w†artykule polecamy

wszystkim Czytelnikom

lubi¹cym skutecznie

kontrolowaÊ czas

i†temperaturÍ...

Zegar wbudowany w†prezento-

wane urz¹dzenie ma 100-letni

kalendarz uwzglÍdniaj¹cy lata

przestÍpne. Liczba dni miesi¹ca

jest automatycznie korygowana

w†zaleønoúci od bieø¹cego miesi¹-

ca oraz roku. Rok przestÍpny

wystÍpuje co cztery lata i†charak-

teryzuje siÍ tym, øe luty w†tym

roku ma 29 dni, a†w†pozosta³ych

latach 28. W†czasie ustawiania

daty kontrolowana jest maksymal-

na liczba dni wystÍpuj¹ca w†da-

nym miesi¹cu i†roku, dziÍki cze-

mu nie moøna wprowadziÊ b³Íd-

nej liczby dni miesi¹ca - na

przyk³ad 31 kwietnia.

Dodatkowo zegar posiada wbu-

dowan¹ funkcjÍ pomiaru tempe-

ratury z†dwÛch czujnikÛw. Tem-

peratura jest mierzona z†wyko-

rzystaniem specjalizowanych uk³a-

dÛw firmy Maxim, ktÛre przetwa-

rzaj¹ badan¹ wartoúÊ temperatury

na postaÊ cyfrow¹ i†w†konsekwen-

cji - z†punktu widzenia mikrokon-

trolera - ca³y pomiar wykonywany

jest na drodze cyfrowej. Tempe-

ratura moøe byÊ mierzona w†za-

kresie -25...125 o C†z†rozdzielczoúci¹

0,1 o C. Taki zakres mierzonych

temperatur umoøliwia pomiar za-

rÛwno w†pomieszczeniach, jak

rÛwnieø na zewn¹trz budynkÛw.

Dla obydwu mierzonych tempera-

tur zapamiÍtywana jest maksymal-

na i†minimalna wartoúÊ, ktÛra

wyst¹pi³a od momentu kasowania

tego wskaünika. Czujniki tempe-

ratury mog¹ byÊ oddalone od

p³ytki zegara na odleg³oúÊ do 30

metrÛw, co umoøliwia niemaløe

dowolne ich rozmieszczenie.

Prezentacja czasu i†temperatu-

ry odbywa siÍ na dwuwierszo-

wym wyúwietlaczu alfanumerycz-

nym. Jest on wyposaøony w†pod-

úwietlenie, co umoøliwia uzyska-

nie dobrej widocznoúÊ nawet

w†ciemnych pomieszczeniach.

Podúwietlanie wyúwietlacza moøe

byÊ w³¹czane i†wy³¹czane, dodat-

kowo intensywnoúÊ podúwietlania

moøe byÊ regulowana elektronicz-

nie w†dziesiÍciu krokach. Podczas

pracy bez podúwietlania uk³ad

pobiera pr¹d o†natÍøeniu oko³o

3†mA, co umoøliwia zastosowanie

bateryjnego podtrzymania pracy

zegara w†czasie braku zasilania

sieciowego przy wykonywaniu

wszystkich dostÍpnych funkcji, tak

Elektronika Praktyczna 10/2003

Zegar ze 100−letnim kalendarzem i dwukanałowym termometrem

Rys. 1. Schemat elektryczny zegara

jak przy zasilaniu g³Ûwnym (z†wy-

³¹czeniem podúwietlania).

czasu z†wykorzystaniem generato-

ra RC powodowa³by bardzo duø¹

rozbieønoúÊ mierzonego czasu.

Aby zapewniÊ wysokostabilne

ürÛd³o sygna³u zegarowego, zasto-

sowano rezonator kwarcowy X1

o†czÍstotliwoúci pracy rÛwnej

32,768 kHz. Rezonator ten nie

jest do³¹czony do standardowych

wyprowadzeÒ przewidzianych do

tego celu (OSC1, OSC2), lecz

wyprowadzeÒ portu RB (RB7

i†RB6). Sytuacja taka jest spowo-

dowana tym, øe wyprowadzenia

te oprÛcz moøliwoúci pracy jako

typowe wejúcia/wyjúcia s¹ jedno-

czeúnie wyprowadzeniami we-

wnÍtrznego licznika TMR1. Licz-

nik ten na swoim wejúciu posia-

da generator, ktÛry moøe wspÛ³-

pracowaÊ z†zewnÍtrznym rezona-

torem kwarcowym i†s³uøyÊ jako

ürÛd³o sygna³u zegarowego powo-

duj¹ce zwiÍkszanie stanu liczni-

ka TMR1. Takie rozwi¹zanie spra-

wia, øe†licznik TMR1 zlicza im-

pulsy z†generatora kwarcowego,

ktÛry jest niezaleøny od g³Ûwne-

go generatora mikrokontrolera.

Zastosowany rezonator kwar-

cowy posiada czÍstotliwoúci pra-

cy rÛwn¹ 32,768 kHz, co jest

wielokrotnoúci¹ cyfry 2†(2 15 ).

Znacznie u³atwia to uzyskanie

czÍstotliwoúci 1†Hz, bÍd¹cej od-

powiednikiem jednej sekundy.

Licznik TMR1 ma pojemnoúÊ 16

bitÛw, co odpowiada maksymal-

nej liczbie zliczonych impulsÛw

rÛwnej 65535. WartoúÊ ta jest

dwukrotnie wiÍksza od czÍstotli-

woúci rezonatora i gdyby licznik

pracowa³ z†pe³n¹ pojemnoúci¹,

przepe³nienie nastÍpowa³oby co

dwie sekundy, a†odliczanie czasu

wykonywane by³oby bez koniecz-

noúci ³adowania pocz¹tkowej war-

toúÊ licznika TMR1. W†przedsta-

wionym uk³adzie wyúwietlane s¹

takøe sekundy, dlatego trzeba

zmniejszyÊ pojemnoúÊ licznika

o†po³owÍ. Zmniejszenie to jest

wykonywane przez dodanie licz-

by 32768 po kaødym przepe³nie-

niu licznika. Takie rozwi¹zanie

jest wygodniejsze do zastosowa-

nia niø ³adowanie licznika po-

cz¹tkow¹ wartoúci¹, gdyø w†dru-

gim przypadku po wyst¹pieniu

przepe³nienia licznika i†wygene-

rowaniu przerwania naleøy poli-

czyÊ liczbÍ cykli wykonanych od

Budowa i†zasada

dzia³ania

Schemat elektryczny zegara

przedstawiono na rys. 1 . ìSer-

cemî urz¹dzenia jest niewielki

mikrokontroler typu PIC16F628.

Uk³ad ten steruje wszystkimi pro-

cesami poczynaj¹c od odczytu

temperatury z†czujnikÛw tempe-

ratury, poprzez obs³ugÍ klawiatu-

ry aø do sterowania wyúwietla-

czem LCD. Mikrokontroler ten

posiada do³¹czony rezonator

kwarcowy, ktÛry jednak nie s³uøy

do jego ìnapÍdzaniaî. Generator

taktuj¹cy mikrokontroler znajduje

siÍ w†jego wnÍtrzu, dlatego nie

jest konieczne stosowanie dodat-

kowego zewnÍtrznego rezonatora

kwarcowego. WewnÍtrzny genera-

tor jest generatorem typu RC

i†dostarcza czÍstotliwoúci rÛwnej

oko³o 4†MHz. StabilnoúÊ tego ge-

neratora jest wystarczaj¹ca do

wykonywania niemal wszystkich

zadaÒ, jakie wykonuje mikrokon-

troler. Wyj¹tkiem jest precyzyjne

odmierzanie czasu, gdyø pomiar

Elektronika Praktyczna 10/2003

Zegar ze 100−letnim kalendarzem i dwukanałowym termometrem

momentu wyst¹pienia przerwania

do momentu ³adowania licznika

i†uwzglÍdniÊ tÍ liczbÍ, ³aduj¹c

pocz¹tkow¹ wartoúÊ do licznika.

Czas od momentu wyst¹pienia

przerwania do za³adowania licz-

nika wynika z†faktu koniecznoúci

zachowania niektÛrych rejestrÛw

mikrokontrolera przed obs³ug¹

przerwania (W, Status). W†przy-

padku dodawania liczby do licz-

nika, skorygowanie jego wartoúci

moøe nast¹piÊ w†dowolnym mo-

mencie, przed zliczeniem 32768

impulsÛw, co odpowiada jednej

sekundzie. Ponadto nie ma zna-

czenia, ile czasu minÍ³o od przy-

jÍcia przerwania do korekcji licz-

nika na dodawan¹ wartoúÊ, gdyø

zawsze jest ona sta³a†i†wynosi

32768. Jak widaÊ, zastosowanie

licznika TMR1 do odmierzania

czasu jest bardzo wygodne,

a†przerwania nie zaburzaj¹ zbyt-

nio pracy mikrokontrolera, gdyø

wystÍpuj¹ co sekundÍ. Do korek-

cji generowanej czÍstotliwoúci za-

stosowano trymer C5, ktÛry po-

zwala na dostrojenie generatora

tak, aby czas by³ odmierzany

z†jak najwiÍksz¹ dok³adnoúci¹.

Pomiar temperatury jest wyko-

nywany przez czujniki temperatu-

ry typu DS1820. Zastosowanie

tych uk³adÛw ca³kowicie uwalnia

mikrokontroler od jakiegokolwiek

kontaktu z†sygna³ami analogowy-

mi, wystÍpuj¹cymi przy tradycyj-

nym pomiarze temperatury. Uk³ad

DS1820 zawiera kompletny modu³

pomiaru temperatury i†przetwa-

rzania wyniku na postaÊ cyfrow¹.

Komunikacja uk³adu DS1820

z†uk³adem nadrzÍdnym odbywa

siÍ przy pomocy jednoprzewodo-

wej magistrali, co jest bardzo

korzystne, gdyø mikrokontroler ma

niewiele portÛw, a†czujnik wyko-

rzystuje tylko jedno wyprowadze-

nie. Poniewaø pomiar wykonywa-

ny jest w†dwÛch miejscach, na-

leøa³o zastosowaÊ dwa identyczne

czujniki.

Uk³ady DS1820 umoøliwiaj¹

bezpoúredni odczyt temperatury

z†rozdzielczoúci¹ 0,5 o C, ale udo-

stÍpniaj¹ dodatkowe rejestry wy-

korzystywane podczas procedury

pomiaru temperatury i†na tej pod-

stawie rozdzielczoúÊ pomiaru moø-

na zwiÍkszyÊ do 0,1 o C. ZwiÍksze-

nie rozdzielczoúci pomiarÛw wy-

konuje siÍ przez odpowiednie

operacje matematyczne na rejest-

rach uk³adu DS1820, operacje te

s¹ wykonywane przez mikrokon-

troler. Pod³¹czenie obydwu czuj-

nikÛw do wyprowadzeÒ mikro-

kontrolera jest doúÊ nietypowe,

gdyø do jednej magistrali moøna

pod³¹czyÊ jednoczeúnie nawet kil-

kadziesi¹t uk³adÛw serii DS,

a†w†przedstawionym urz¹dzeniu

kaødy uk³ad jest pod³¹czony do

innego wyprowadzenia mikrokon-

trolera. Takie pod³¹czenie zosta³o

zastosowane, aby uproúciÊ proce-

durÍ uruchamiania zegara. Pod³¹-

czenie kilku uk³adÛw DS1820 do

jednej magistrali wymaga odczy-

tania numeru seryjnego kaødego

z†nich. Jeúli po rejestracji czujnik

zosta³by wymieniony na inny eg-

zemplarz, to konieczna by³aby

ponowna rejestracja. Komunikacja

mikrokontrolera z†konkretnym

uk³adem do³¹czonym do magist-

rali polega na wys³aniu na ma-

gistralÍ numeru seryjnego kon-

kretnego uk³adu i†jeúli taki bÍdzie

zastosowany, to zostanie przepro-

wadzona z†nim wymiana danych.

W†tym czasie pozosta³e uk³ady s¹

nieaktywne, gdyø ich numer se-

ryjny jest inny od podanego. Taki

sposÛb†komunikacji jest stosowa-

ny w†przypadku, gdy do magis-

trali jest do³¹czony wiÍcej niø

jeden uk³ad. W†przedstawionym

zegarze rÛwnieø moøna uøyÊ tego

sposobu komunikacji, jednak

z†uwagi na fakt, øe wystÍpuj¹

tylko dwa czujniki, zastosowane

zosta³y dwie oddzielne magistrale.

DziÍki temu rozbudowuje siÍ pro-

cedura komunikacji jednoprzewo-

dowej, ale nie ma koniecznoúci

rejestrowania do³¹czonych uk³a-

dÛw DS1820, gdyø przy do³¹czo-

nym do magistrali tylko jednym

uk³adzie jego numer seryjny jest

pomijany.

Zasilanie ca³ego uk³adu jest

wykonane przy uøyciu stabiliza-

tora typu LM2931, stabilizator

ten dostarcza stabilizowanego na-

piÍcia 5†V przy niewielkim po-

borze pr¹du. Jest to bardziej

ekonomiczny uk³ad niø popular-

ny LM78L05. W†czasie pracy

uk³ad LM2931 pobiera pr¹d o†na-

tÍøeniu oko³o 400

dzinn¹ pracÍ zegara zasilanego

bateryjnie. W†przypadku zastoso-

wania jako stabilizatora uk³adu

LM78L05 pobÛr pr¹du wzrasta do

wartoúci oko³o 7†mA. Jak wi-

daÊ†stabilizator ten pobiera wiÍ-

cej pr¹du niø pozosta³e elementy

zegara. Wszystkie wartoúci pr¹du

dotycz¹ pracy bez podúwietlania

wyúwietlacza LCD. Kondensatory

C1...C3 wyg³adzaj¹ napiÍcie zasi-

lania. Diody D1 i†D2 pe³ni¹ rolÍ

automatycznego prze³¹cznika po-

miÍdzy zasilaniem g³Ûwnym i†ba-

teryjnym. W†czasie pracy przy

zasilaniu g³Ûwnym na z³¹czu

CON1 panuje napiÍcie o†wartoúci

oko³o 12 V, a†na z³¹czu CON2

napiÍcie o†wartoúci oko³o 9†V.

W†tej sytuacji dioda D2 jest w†sta-

nie zaporowym, gdyø na jej ka-

todzie jest wyøszy potencja³ niø

na anodzie wywo³any napiÍciem

zasilania g³Ûwnego; jeúli zasilanie

g³Ûwne zostanie od³¹czone, to

dioda D2 zacznie przewodziÊ

i†uk³ad bÍdzie zasilany z†baterii.

Prezentacja czasu oraz tempe-

ratury jest wykonywana na wy-

úwietlaczu alfanumerycznym o†or-

ganizacji 2x20, co umoøliwia wy-

úwietlanie wszystkich paramet-

rÛw zarÛwno w†czasie normalnej

pracy, jak i†w†czasie ustawiania

parametrÛw. Zastosowany

wyúwietlacz posiada podúwietla-

nie pola odczytowego, co umoø-

liwia odczyt wyúwietlanych war-

toúci nawet w†zupe³nej ciemnoú-

ci. Podúwietlanie wyúwietlacza

jest wykonane w†postaci matrycy

diod úwiec¹cych, co poci¹ga za

sob¹ duøy pobÛr pr¹du w†czasie

podúwietlania (oko³o 130 mA).

Wykorzystanie do zasilania pod-

úwietlania wyúwietlacza napiÍcia

5†V z†wyjúcia stabilizatora spo-

wodowa³oby jego uszkodzenie,

gdyø jego wydajnoúÊ pr¹dowa

wynosi 100 mA. Zastosowanie

stabilizatora o†wiÍkszej wydajnoú-

ci pr¹dowej niepotrzebnie zwiÍk-

szy³oby gabaryty ca³ego urz¹dze-

nia, a†zastosowanie stabilizatora

o†wydajnoúci 1†A bez radiatora

powodowa³oby wydzielanie

siÍ†duøej iloúci ciep³a. Optymal-

nym rozwi¹zaniem jest zasilanie

diod podúwietlaj¹cych wyúwietla-

cza napiÍciem pobieranym przed

stabilizatorem. Takie rozwi¹zanie

zastosowano w†uk³adzie zegara,

pr¹d zasilaj¹cy diody jest pobie-

rany z†g³Ûwnego napiÍcia zasila-

Elektronika Praktyczna 10/2003

A. Ogranicze-

nie pobieranego pr¹du jest szcze-

gÛlnie istotne w†przypadku braku

zasilania g³Ûwnego. W†takim wy-

padku ostateczny pr¹d†pobierany

przez ca³y uk³ad wynosi oko³o

3†mA, co pozwala na wielogo-

Zegar ze 100−letnim kalendarzem i dwukanałowym termometrem

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1, R2: 2,2k

Ω

R4: 10k

Ω

PR1: potencjometr montażowy

10k

Ω

Kondensatory

C1, C2: 47

Rys. 2. Budowa licznika TMR2

F/16V

nia, przez co dodatkowo uzyska-

no automatyczny wy³¹cznik pod-

úwietlania w†przypadku braku za-

silania g³Ûwnego. W†czasie zasi-

lania bateryjnego dioda D1 nie

pozwala na przedostawanie

siÍ†pr¹du do podúwietlania wy-

úwietlacza. W†czasie pracy przy

zasilaniu g³Ûwnym podúwietlanie

wyúwietlacza moøe byÊ w³¹czane

lub wy³¹czane w†sposÛb elektro-

niczny, jednym przyciskiem.

W³¹czaniem podúwietlania steru-

je mikrokontroler poprzez

wzmacniacz pr¹dowy zrealizo-

wany przy pomocy tranzystora

T1. Przy zastosowanej wartoúci

rezystora R3 ograniczaj¹cego

maksymalny pr¹d p³yn¹cy przez

diody podúwietlania wynosi

oko³o†130 mA przy napiÍciu za-

silania 11,5 V. OprÛcz elektro-

nicznego w³¹czania i†wy³¹czania

podúwietlania regulowana moøe

byÊ (w dziesiÍciu krokach) takøe

intensywnoúÊ podúwietlania.

Do sterowania podúwietlaniem

wyúwietlacza wykorzystano wy-

prowadzenie RB3 mikrokontrole-

ra. Wyprowadzenie to oprÛcz fun-

kcji typowego wyprowadzenia

wejúcia/wyjúcia jest dodatkowo

wyjúciem sygna³u†sprzÍtowego ste-

Rys. 3. Budowa sprzętowego

generatora PWM

C3: 100nF

C4: 30pF

C5: trymer 5−40pF

Półprzewodniki

D1, D2: 1N4007

T1: BC547B

US1: PIC16F628 zaprogramowany

US2: LM2931

US3, US4: DS1820

Różne

CON1: ARK2(3,5mm)

CON2: goldpin 1x2 męski

CON3,CON4: goldpin 1x3 męski

S1...S4: mikrowłącznik h=10mm

X1: rezonator kwarcowy 32,768kHz

Wyświetlacz 2x20 (np. GDM2002D)

Podstawka DIP18

rownika PWM (modulacja szero-

koúci impulsu), dziÍki temu moø-

liwe jest elektroniczne ustawienie

intensywnoúci podúwietlania wy-

úwietlacza. SprzÍtowy sterownik

PWM sprawia, øe sterowanie pod-

úwietlaniem wyúwietlacza jest wy-

konywane niezaleønie od pracy

jednostki centralnej mikrokontro-

lera. Do pracy sterownika wyko-

rzystywany jest licznik TMR2,

ktÛry wraz z†komparatorami cyf-

rowymi umoøliwia wytworzenie

na wyjúciu RB3 przebiegu o†do-

wolnym wype³nieniu bez udzia³u

jednostki centralnej mikrokontro-

lera. BudowÍ licznika TMR2

przedstawiono na rys. 2 . Licznik

ten wyposaøony jest w†dzielnik

wejúciowy ( Prescaler ) o†stopniach

podzia³u†1:1, 1:4, 1:16, na wyjúciu

licznika znajduje siÍ jeszcze jeden

dzielnik ( Postscaler ), dziÍki ktÛ-

remu moøna dodatkowo podzieliÊ

przebieg otrzymany z†wyjúcia licz-

nika maksymalnie przez 16. Naj-

waøniejszym z†punktu widzenia

generowania przebiegu PWM jest

rejestr PR2, rejestr ten okreúla

maksymaln¹ pojemnoúÊ licznika

TMR2. WartoúÊ wpisana do rejes-

tru PR2 jest wartoúci¹, po prze-

kroczeniu ktÛrej nast¹pi zerowa-

nie licznika TMR2, dla modulacji

PWM jest to czas trwania jednego

cyklu (czas trwania 0†+ czas trwa-

nia 1†na wyjúciu RB3).

KonfiguracjÍ licznika TMR2

w†trybie sprzÍtowego sterownika

PWM przedstawiono na rys. 3 .

Generowanie przebiegu o†zmien-

nym wype³nieniu sprowadza siÍ

do wpisania do rejestru PR2 cza-

su trwania jednego cyklu, a†do

rejestru CCPR1L czasu trwania

stanu wysokiego na wyjúciu RB3.

Po wpisaniu tych wartoúci prze-

bieg na wyjúciu RB3 jest wytwa-

rzany przez TMR2, bez koniecz-

noúci kontrolowania przez jednos-

tkÍ centraln¹ mikrokontrolera,

dziÍki temu moøe on zaj¹Ê siÍ

innymi zadaniami.

Krzysztof P³awsiuk, AVT

krzysztof.plawsiuk@ep.com.pl

Wzory p³ytek drukowanych w for-

macie PDF s¹ dostÍpne w Internecie

pod adresem: http://www.ep.com.pl/

?pdf/pazdziernik03.htm oraz na p³ycie

CD-EP10/2003B w katalogu PCB .

Elektronika Praktyczna 10/2003

R3: 68

R5: 1k

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: