24_27.pdf

P R O J E K T Y

Termometr zasilany

bateryjnie na

procesorze MSP430

Opisy termometrów były

wielokrotnie publikowane na

łamach EP. W zależności od

zastosowań wynik pomiaru był

wyświetlany na wyświetlaczach

typu LED lub LCD – najczęściej

alfanumerycznych. Urządzenia

te do działania wymagały

zewnętrznego zasilacza.

Przy budowie termometru

przedstawionego w artykule

największy nacisk został

położony na zminimalizowanie

pobieranego prądu, tak

aby możliwa była praca

z zasilaniem bateryjnym, przy

jednoczesnym zminimalizowaniu

liczby ogniw.

Rekomendacje : prosty

w wykonaniu termometr

o znikomym poborze energii,

doskonale nadaje się do

stosowania w aplikacjach,

w których korzystanie

z zasilacza sieciowego nie jest

możliwe.

Wyświetlaczami pobierającymi

znikomą wartość prądu są wy-

świetlacze LCD i dlatego taki typ

wyświetlacza został zastosowany

w przedstawionym układzie. Zastoso-

wanie wyświetlacza z wbudowanym

sterownikiem (na przykład alfanu-

merycznego) upraszcza jego obsługę,

jednak takie wyświetlacze pobiera-

ją stosunkowo duży prąd (około 2

mA), co przy zasilaniu bateryjnym

jest znaczną wartością. Dodatkowo

wyświetlacze takie najczęściej wy-

magają napięcia zasilania o warto-

ści 5 V, co z kolei wymaga zasto-

sowania czterech ogniw. W związku

z powyższym w termometrze zasto-

sowany został wyświetlacz ciekło-

krystaliczny bez sterownika, umoż-

liwiający wyświetlenie trzech cyfr

oraz jedynki, czyli 3 ½ cyfry o wy-

sokości 13 mm, a rolę sterownika

pełni mikrokontroler sterujący całym

termometrem. Ponieważ do obsługi

wyświetlacza wymagane są 24 linie

sterujące segmentami poszczególnych

cyfr (3 cyfry · 7 segmentów + jedyn-

ka + kropka dziesiętna + znak

minus = 24) oraz dodatkowa wspól-

na linia „COMM”, konieczne jest za-

stosowanie mikrokontrolera o dużej

liczbie wyprowadzeń. Oprócz ko-

nieczności użycia dużej liczby li-

nii sterujących wyświetlacz musi

być odświeżany z częstotliwością

30...100 Hz, co jest realizowane po-

przez cykliczne negowanie stanów

na liniach segmentów oraz wspól-

nym sygnale „COMM”. Jeśli napięcie

sterujące segmentem będzie zgodne

w fazie z sygnałem „COMM”, to

dany segment będzie wygaszony,

jeśli zaś fazy będą przeciwne, to

dany segment będzie aktywny. Do

sterowania wyświetlaczem doskonale

nadają się mikrokontrolery ﬁrmy Te-

xas Instruments z rodziny MSP430,

które posiadają wbudowany sprzę-

towy sterownik wyświetlacza LCD

umożliwiający obsługę maksymalnie

160 segmentów, a jednocześnie po-

bierają znikomy prąd (około 200mA

dla sygnału zegarowego 1 MHz

i napięcia zasilania 2,2 V). Dodat-

kowo mogą być zasilane napięciem

z zakresu 1,8...3,6 V, co z kolei

umożliwia zasilanie z dwóch baterii

1,5 V lub jednej baterii 3-woltowej,

Elektronika Praktyczna 9/2004

Termometr zasilany bateryjnie na procesorze MSP430

na przykład baterii litowej. Dlatego

też w prezentowanym układzie zo-

stał zastosowany ten typ mikrokon-

trolera, a zasilanie stanowi jedna

bateria typu CR2032. Czujnik umoż-

liwia pomiar temperatury w zakre-

sie -55°C...+125°C z rozdzielczością

0,1°C, jednak ze względu na umiesz-

czenie go bezpośrednio na płytce

termometru zakres ten jest ograni-

czony temperaturą pracy wyświetla-

cza LCD do wartości -10°C...+50°C.

Aby wykorzystać pełny zakres po-

miarowy, należy umieścić czujnik

poza płytką.

Rys. 1. Schemat elektryczny termometru

Budowa

Schemat elektryczny termo-

metru przedstawiono na rys . 1 .

Pracą termometru steruje mikro-

kontroler typu MSP430F413, któ-

rego budowę wewnętrzną przed-

stawiono na rys . 2 . Układ za-

wiera 8 kB pamięci programu

Flash oraz 256 B pamięci RAM,

dwa liczniki, komparator analo-

gowy oraz sześć portów wejścia/

wyjścia z funkcją sterowania wy-

świetlaczem LCD. Najważniejszą

jednak właściwością mikrokontro-

lera jest fakt, że jest wykonany

w 16-bitowej architekturze RISC,

co oznacza, że wszystkie opera-

cje wykonywane są na danych

16-bitowych. A to z kolei wpły-

wa na znacznie szybsze wykony-

wanie operacji niż ma to miejsce

w przypadku mikrokontrolerów

8-bitowych. Mikrokontroler jest

taktowany sygnałem uzyskanym

z wewnętrznego generatora pracu-

jącego z rezonatorem kwarcowym

X. Głównym zadaniem mikrokon-

trolera jest odczyt temperatury

z czujnika temperatury (U2), od-

powiednie jej przetworzenie i wy-

świetlenie na wyświetlaczu W1.

Zastosowany czujnik temperatury

umożliwia pomiar z ustalaną roz-

dzielczością od 9 do 12 bitów,

a komunikacja z mikrokontrolerem

odbywa się za pomocą magistrali

I 2 C. W przedstawionym układzie

pomiar wykonywany jest z naj-

wyższą rozdzielczością (12 bitów),

co odpowiada wartości 0,0625°C/

bit. Tak otrzymany wynik pomia-

ru jest następnie uśredniany do

rozdzielczości 0,1°C i wyświetlany

na wyświetlaczu. Układ TMP100

w trybie aktywnym pobiera około

40mA prądu, natomiast w stanie

spoczynku 0,1mA. Czas wykony-

wania jednego pomiaru wynosi

Elektronika Praktyczna 9/2004

Termometr zasilany bateryjnie na procesorze MSP430

Rys. 2. Budowa wewnętrzna układu MSP430F413

320 ms i może być wykonywa-

ny w sposób ciągły – układ jest

przez cały czas w trybie aktyw-

nym lub jednorazowy – po wyko-

naniu pomiaru czujnik samoczyn-

nie przechodzi w tryb czuwania.

W termometrze wykorzystano dru-

gi sposób pomiaru. Mikrokontroler

wydaje tylko polecenie wykonania

pomiaru, a po jego wykonaniu

układ TMP100 sam przełącza się

w tryb czuwania.

Aby ograniczyć pobór prą-

du, pomiar jest wykonywany co

dwie sekundy, dlatego przez czas

pomiędzy cyklami pomiarowy-

mi zarówno mikrokontroler, jak

i czujnik temperatury znajduje

się w trybie czuwania i wówczas

pobierany prąd wynosi 2mA. Do

odliczania tego czasu wykorzysta-

no wewnętrzny licznik mikrokon-

trolera, który przełącza go w tryb

aktywny po każdym przepełnie-

niu. Cykl pomiarowy wygląda na-

stępująco: po włączeniu zasilania

mikrokontroler wysyła do układu

TPM100 komendę wykonania po-

miaru i przełącza się w tryb czu-

wania. Czujnik wykonuje pomiar,

po czasie około 320 ms zapisu-

je wynik pomiaru w wewnętrz-

nym rejestrze i także przechodzi

w tryb czuwania. Po czasie oko-

ło dwóch sekund mikrokontro-

ler zostanie uaktywniony przez

licznik i odczyta wynik pomiaru

z układu U2, przetworzy odczy-

taną wartość i wyświetli ją na

wyświetlaczu, następnie wyśle do

układu TMP100 komendę kolej-

nego pomiaru i przejdzie w tryb

czuwania. Dzięki takim pomia-

rom pobierany prąd został do-

datkowo ograniczony, gdyż przez

czas około dwóch sekund wynosi

około 2mA, a tylko przez 320 ms

wynosi 40mA. Tak zredukowana

wartość pozwoliła na zasilanie

termometru jedną miniaturową

baterią. Zastosowana bateria typu

CR2032 posiada pojemność około

220 mAh, co pozwala na kilku-

letnią pracę termometru.

Dodatkowe złącze CON1 umoż-

liwia zasilanie termometru z ze-

wnętrznego źródła, natomiast złącze

CON2 służy tylko do programowa-

nia układu i nie jest potrzebne

w czasie pracy termometru.

Montaż

Termometr zmontowano na

płytce dwustronnej. Rozmieszcze-

nie elementów przedstawiono na

rys . 3 . Montaż należy rozpocząć

od wlutowania mikrokontrolera, co

należy wykonać bardzo starannie,

gdyż jest umieszczony w obudo-

wie, której odstępy pomiędzy nóż-

kami wynoszą zaledwie 0,5 mm.

Po wlutowaniu mikrokontrolera

można przejść do montażu rezy-

storów i kondensatorów. Układ

U2, rezonator kwarcowy oraz

gniazdo baterii należy wlutować

od strony ścieżek. Jeśli będzie

wykorzystywany pełny zakres po-

miaru temperatury, to układ U2

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1, R2: 10k V 1206

R3: 68k V 1206

Kondensatory

C1, C2: 100nF 1206

Półprzewodniki

U1: MSP430F413 zaprogramowany

U2: TMP100

Różne

X: kwarc 32,768 kHz

W1: wyświetlacz LCD 3 1 / 2 LOBAT

13mm

BAT: gniazdo baterii CR2032 +

bateria

CON1, CON2: brak – opis w tek-

ście

Rys. 3. Schemat montażowy urzą-

dzenia

Elektronika Praktyczna 9/2004

Termometr zasilany bateryjnie na procesorze MSP430

należy umieścić poza płytką, na

przykład na odcinku przewodów.

Jednak umiejscowienie czujnika

poza płytką jest utrudnione, gdyż

umieszczony jest on w obudowie

SMD i po przylutowaniu do niego

przewodów należy go zabezpieczyć

przed uszkodzeniem mechanicz-

nym. Złącze CON1 należy wluto-

wać jedynie wtedy, gdy termometr

będzie zasilany z zewnętrznego

źródła. Układ należy zasilić napię-

ciem o wartości około 3 V. Złącza

CON2 nie należy montować, gdyż

jest ono wykorzystywane tylko do

programowania mikrokontrolera.

Wyświetlacz należy zamontować

od strony elementów i można go

wlutować bezpośrednio w płytkę

lub zastosować podstawkę otrzy-

maną po przecięciu podstawki

precyzyjnej DIP40. Po zmontowa-

niu wszystkich elementów i wło-

żeniu baterii termometr jest goto-

wy do pracy.

Krzysztof Pławsiuk, EP

krzysztof.plawsiuk@ep.com.pl

Wzory płytek drukowanych w forma-

cie PDF są dostępne w Internecie pod

adresem: pcb.ep.com.pl oraz na płycie

CD-EP9/2004B w katalogu PCB .

Elektronika Praktyczna 9/2004

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: