П3.1.13. Часы с таймером и термометром
Таймер может использоваться не только для установки
времени работы электролизеров, но и для других целей, например, для отсчета
заданного времени выполнения процедуры или времени работы того или иного бытового
прибора. На начальном этапе в качестве такого устройства использовался 4-портовый
USB-хаб 1 типа I001 (см. рис. П3.1.39), снабженный электронными часами с
подсветкой цветного LCD-дисплея при подключении к USB-порту компьютера.
Электронные часы хаба
отличаются достаточно высокой точностью хода и снабжены термометром для
измерения температуры в диапазоне 0—50°С (32—122°F) с погрешностью ±0,5°С, будильником с 8-мю
мелодиями, временем оповещения 1…60 мин и таймером с установкой временного
промежутка от 1 с до 24 часов. В режиме подсветки потребление USB-хаба
составляет около 140 мА, что не всегда под силу USB компьютера. Так, например,
подключение к хабу оптической мыши (в случае ноутбука GIGABYTE) через 30 мин
работы приводило к зависанию и торможению ее курсора. Поэтому одновременно
решалась и задача обеспечения питания хаба от отдельного источника.
Рис. П3.1.39. Таймер
на базе USB-хаба
Дополнительное устройство к
USB-хабу выполнено в корпусе малогабаритного универсального источника питания
(позиция 2 на рис. П3.1.39), универсальность которого заключалась в возможности
переключения выходного напряжения (+9 или +12 В). Стабилизатор источника был
выполнен на двух транзисторах, один из которых (регулирующий) был заменен (см.
схему на рис. П3.1.40) на интегральный стабилизатор U1 с использованием
имеющегося радиатора, а второй (Т2) был использован для привода реле Р типа РМУ
(паспорт РС4.523.330). На печатной плате были оставлены выпрямитель с
конденсатором фильтра и кнопочный переключатель П1 типа П2К, который
использовался для выбора режима работы и принудительного сброса триггера U2.1. Показанное на
схеме положение П1 соответствует режиму работы с таймером хаба; его второе
положение используется для сброса триггера при установке таймера и при работе с
часами Дмитрия Мосина (см. ниже).
Коммутируемая нагрузка
подключается к гнездам Гн1 и Гн2 (позиция 3 на рис. П3.1.39), рассчитанным на
использование стандартной (не европейской) сетевой вилки. Наличие напряжения на
гнездах индицируется ярким свечением светодиода Д5 (расположен под гнездами),
зашунтированного диодом Д7 по обратному напряжению (см. рис. П3.1.40). В
выключенном состоянии свечение светодиода тусклое за счет наличия искрогасящего
конденсатора С1.
Включение реле
осуществляется сигналом логической 1 с единичного выхода триггера U1,
поступающим на Т2 через диод Д8 и эмиттерный повторитель на Т1. Управление
триггером производится сигналами таймера, поступающими на входы логических
элементов U3 через самодельный 5-жильный кабель длиной около
В схему часов хаба внесены
следующие изменения (см. рис. П3.1.40):
1. Автономный источник
питания часов — литиевая батарейка CR2032 —
заменена на литиевый аккумулятор от старого мобильного телефона Motorola, для
которого внутри хаба оказался пригодным пустой и достаточно объемный отсек под
кнопками управления. Особенностью этого источника является отсутствие
гальванически связи с источником +5 В хаба. При этом оказалось возможным
объединить только отрицательные зажимы обоих источников. Подзарядка
аккумулятора производится в режиме «Таймер», соответствующем показанному на
схеме положению тумблера ПТ2 (позиция 5 на рис. П3.1.39). В этом режиме заряд
аккумулятора производится по цепи +5,6 В-1Х1-ПТ2-ключ S-диод D4-резистор
R6-Акк-3Х1- –5,6 В. Ключ S (две секции микропереключателя ВДМ1) врезан (и
приклеен) рядом с отсеком для CR2032 и предназначен для разрыва цепи заряда
аккумулятора при достижении напряжения на нем 4,5 В (контролируется на
контактных площадках для CR2032).
2. Пьезоизлучатель заменен
на малогабаритный 16-омный динамический громкоговоритель Гр с эмиттерным
повторителем на Т2, что позволило существенно повысить громкость аудио сигнала
оповещения. В режиме «Таймер» после установки требуемого временного промежутка
и нажатия кнопки Timer часов потенциальный перепад 1-0 через контакты
5Х1 и инвертор на U3.1 переводит триггер U2 в единичное
состояние, в результате чего срабатывает реле Р и через замкнутые контакты Р1,
Р2 и гнезда Гн1 и Гн2 напряжение 220 В поступает на нагрузку. По истечении
заданного времени выдается звуковой сигнал (последовательность переходов 0-1),
который через 4Х1 поступает на вход инвертора U3.2 и через
интегрирующую цепочку R4-C4 и инвертор U3.3 — на R-вход U2, в
результате чего триггер переводится в нулевое состояние, реле выключается и
нагрузка обесточивается. Постоянная времени интегрирующей цепочки выбрана из
условия достижения напряжения срабатывания U3.3 после воздействия
нескольких рцугов (пачек) последовательностей 0-1 (точнее — 1-0 после
инвертирования), поскольку нажатие любой кнопки управления часами
сопровождается генерацией одного рцуга. В нашем случае был выбран аудио сигнал
оповещения №3 с минимальной паузой между рцугами. Заметим, что установку
временного промежутка целесообразно проводить при замкнутом П1 до момента
появления на дисплее установленного времени, иначе кнопку Timer придется
нажимать дважды и тем самым вносить погрешность отсчета времени. При повторном
отсчете того же промежутка времени такая операция уже не потребуется.
3. Проводник К (+5В) кабеля
подключения хаба к ПК соединен с контактной площадкой +5В USB через
разделительный диод Д11.
Для перехода в режим «Часы»
тумблер ПТ2 переводится в нижнее положение (на рис. П3.1.39 — вправо). При этом
по цепи +5,6 В-1Х1-ПТ2-контактная площадка +5В USB включается подсветка и
подается питание на USB-хаб, а по цепи +5,6 В-1Х1-R8-ПТ2-4Х1-U3.2-U3.3 триггер
поддерживается в нулевом состоянии. При переключении ПТ2 иногда наблюдается переход
триггера в неопределенное (запрещенное) состояние, при котором оказывается
включенным реле. В этом случае переключатель П1 переводится в левое положение,
при котором триггер надежно переводится в нулевое состояние. Резисторы R6 и R7 предназначены для поддержания
триггера U2.1 в нулевом состоянии при работе с часами Мосина.
Поскольку в режиме «Часы» (с
подсветкой) потребление достигает 140 мА, то при указанном на схеме выходном
напряжении выпрямителя +19 В на U1 падает около 14 В, что приводит к ее перегреву.
Поэтому для уменьшения рассеиваемой мощности на U1 в ее входную цепь (точка А)
был включен 2-ватный резистор сопротивлением 47 Ом, что позволило уменьшить
падение напряжения на U1 на 7 В.
Рис. П3.1.40. Блок
питания с исполнительным устройством
Часы Мосина (домашняя
страница http://startcd.narod.ru) выполнены (см.
рис. П3.1.41) на МК ATMega8 U1, универсальном регистре
сдвига U2, светодиодном 9-разрядном индикаторе U3, двух цифровых
термодатчиках (комнатном ТДК и уличном ТДУ) и малогабаритном динамике Гр с
эмиттерным повторителем на Т2. Питание часов — комбинированное: от сети (5,6 В
от блока на рис. П3.1.40 через контакты 1Х1 и 3Х1 разъема) или от аккумулятора,
который при сетевом питании подзаряжается через R13-Д2 и для удобства
отладки может отключаться с помощью контактной пары К. При аварийном отключении
сети питание часов осуществляется от аккумулятора через германиевый диод Д1.
При этом транзистор Т1 (детектор сети) закрывается, в результате чего на входе
порта РС5 формируется сигнал логической 1, под действием которого программным
путем отключается индикатор и МК переводится в микрорежим с потреблением около
40 мкА и падением напряжения 0,1 В на диоде Д1. Кратковременное включение
индикаторов при автономном питания осуществляется кнопкой Кн, при нажатии
которой транзистор Т1 открывается. При этом сопротивление резистора R15 можно подобрать
таким, чтобы при минимальном напряжении аккумулятора (3 В) открывание
транзистора исключалось бы.
Управление часами
осуществляется кнопками F (установка режимов работы 12 будильников (0…В) CALLS, таймера tIMER, часов и 16 режимов
отображения SETUP), S (листание пунктов меню и подтверждение выбора), «–»
и «+» (листание и выбор значений устанавливаемых величин).
В режиме CALLS после нажатия F кнопками «–»,
«+» и S выбираются: в старшем 8-ом разряде (отсчет
начинается с 0) — номер будильника; в 7-ом и 6-ом — включение (on) или выключение (_
_); в 4-ом и 3-ем — (Ч)асы; в 1-ом и 0-ом — (М)инуты. При последующем нажатии
кнопки S выбирается день недели (1…7); срабатывание
выбранных из первых десяти (0…9) будильников при сетевом питании сопровождается
(только в нулевом режиме отображения! — см. ниже) аудиосигналом и бегущей
строкой с указанием номера сработавшего будильника, времени и, в зависимости от
времени суток, строкой типа dОБРОЕ ЧtРО ! в течение 1 мин, а при
автономном питании, — только аудиосигналом.
При выборе 11-го (А) и 12-го
(b)
будильников после установки времени и дня их срабатывания и последующем нажатии
кнопки S в 8-ом и 7-ом разрядах появляется комбинация НА,
при которой устанавливается время (Ч-М) активного состояния (в нашем случае 1 —
см. ниже) вывода call_ab, что позволяет в заданные дни и время включить на
заданное время то или иное устройство, например, настольную лампу для имитации
присутствия жильца в пустой квартире. Сигнал логической 1 через диод Д5 (схема
ИЛИ) и контакт 4Х1 поступает на вход транзистора Т1 блока на рис. П3.1.40, в
результате чего срабатывает реле Р.
В режиме tIMER после нажатия F кнопками «–», «+» и
S
выбираются: в 7-ом и 6-ом — (Ч)асы; в 4-ом и 3-ем — (М)инуты; в 1-ом и 0-ом —
(С)екунды. При последующем нажатии кнопок S и «–»в 8-ом разряде
формируется мигающий символ «t», что соответствует старту таймера и активации
вывода timer на заданное время, сигнал 1 с которого через диод
Д4 и контакт 4Х1 вызывает срабатывание реле Р в блоке на рис. П3.1.40. Следует
заметить, что первоначально активация вывода timer не осуществлялась и
конец отсчета заданного промежутка времени индицировался только аудиосигналом
(на выводе bip call). Несмотря на перезагрузку памяти МК, по моей
просьбе Дмитрий (спасибо ему за душевность и отзывчивость) нашел возможность
оптимизации кода и выполнить мою просьбу с сохранением аудиосигнала в конце
отсчета.
В режиме SETUP первым нажатием кнопки
S
вызывается меню ЧАСЫ, в котором последовательным нажатием кнопки S устанавливаются Ч,
М, С, Г(од), Д(ата) (число, месяц) и день Н(едели). После установки этих
параметров нажатием кнопки S вызывается меню COr. — коррекция хода часов,
при которой число, устанавливаемое кнопками «–», «+» и S в младших (0…3) 4-х
разрядах с шагом 0,008 с при максимальном значении 0,391с (50 значений),
прибавляется (включен сегмент d в 4-ом разряде — см. рис. П3.1.41)
или вычитается (сегмент g в 4-ом разряде) каждый час. Например,
если уход часов за 5 дней составил +3 с, то величина коррекции будет равна 3/(5×24) = –0.025.
В меню ЧАСЫ кнопками «–»
или «+» выбираются следующие настройки:
1. Port — установка
кнопками «–», «+» и S в 3-ем разряде 1 или 0, что соответствует исходному
состоянию логической 1 или 0 на выводах call_ab и timer.
2. ЧSt SEE — выбор и установка
режимов отображения информации кнопками «–», «+» и S: в 7-ом разряде —
номер отображаемого режима (1…16); в 5-ом разряде — номер режима отображения:
режим 0 — Д-Ч-М, 1 — Ч-М-С, 2 —
Ч-М, 3 — Ч-М-Н, 4 — Д-Н, 5 — Д-Г, 6 — Д-Г-Н, 7 — ТК-ТУ (с использованием точки для индикации температуры >0,5 °С), 8 — ТК (с индикацией десятых долей °С), 9 — ТУ (с индикацией десятых долей °С), А — ТК-Ч-М (ТК с использованием точки для индикации 0,5 °С), b — ТУ-Ч-М (ТУ аналогично режиму А), C — ТК-ТУ (с
индикацией десятых долей °С), d — аналогично режиму С, E — НД-Д-Г (НД — номер дня недели), F — Д-Г; в 3-ем и 2-ом разрядах — время
индикации режима (в сек.); в младшем 0-ом разряде — число (0…9) пропусков
режима.
3. ЧSt Бud — дополнительные
установки режима будильников кнопками «–», «+» и S: СUГН. — индикация
первого подрежима в разрядах 8-…5-ом, а в 3-…1-ом выбор biР, соответствующий
активации только вывода bip call (аудиосигнал длительностью около 1 мин), Pin — активации только
вывода pin call (потенциальный сигнал той же длительности), ObA — активации и bip call и pin call; OtSГОЧ. — индикация
второго подрежима в разрядах 8-…3-ом, а в 1-ом и 0-ом выбор вида выключения
сработавшего будильника: при значении 00 — нажатием любой кнопки, при значении
01…30 (число активных повторов сигналов будильника, индицируется миганием точки
нулевого разряда) — кнопкой F, а при задержке повтора через 5 мин — кнопками «–»,
«+» и S. В нулевом режиме отображения включение режима
повторов производится кнопкой S (индуцируется символом «о» в 5-ом разряде), а
выключение — кнопками «–», «+».
4. LIGt — выбор яркости
свечения индикатора: Loooooooo — включение кнопками «–», «+» и S всех (по желанию)
8-ми уровней яркости (для дневного времени); HOЧb L–2 — включение двух
уровней для ночного времени; c23 do07 — установка
ночного времени.
5. SIGHAL — выбор кнопками
«–», «+» и S частоты аудио сигнала изменением коэффициента счета
таймера МК (регистр OCR1A1) путем установки значения его старшего (H000) и
младшего (L000) байтов в подрежимах: budil. — для будильников и таймера,
button. — для кнопок управления. Если в режиме ЧSt Бud. выбрана опция
Pin, то для будильников аудио сигнал не выводится.
6.dS18b20 — индикация
состояния термодатчиков DS18B20 (ДТК и ДТУ) с подрежимами: выбора формата
отображения температуры Bud1 –7.5 или Bud2 –07.5; индикации
вида и факта подключения датчиков: П1t on PA — трехпроводное подключение
ДТК и двухпроводное ДТУ (с так называемым паразитным питанием), П1t on on — трехпроводное
подключение ДТК и ДТУ; при отключенном датчике вместо on для него
индицируется комбинация «_ _». После выхода из рассматриваемого режима датчики
настраиваются на разрешение 12 бит.
7. СБРОС НАС — установка кнопкой S параметров часов по умолчанию с записью их значений в EEPROM.
Кроме рассмотренных функций,
в часах предусмотрен также автоматический переход на летнее/зимнее время.
Рис. П3.1.41. Часы
Дмитрия Мосина
Конструктивно часы выполнены
на макетной печатной плате размером 100 ´
При прошивке
(программировании) МК (использовалась версия v.42) в окне
конфигурации устанавливаются биты CKSEL3..0 = 0011 (внутренний RC-генератор 4
MГц), BOOSZ1..0 = 0, SUT0 = 0. Используемый в схеме
часовой кварц (от старой материнской платы IBM PC) служит для
синхронизации RC-генератора. Если в окне конфигурации установить CKOPT = 0 (галочку), то
конденсаторы С1 и С2 не ставятся.
Рис. П3.1.42. Часы
со снятой передней крышкой
В процессе эксплуатации
часов было установлено, что показания комнатного термометра (ТК) превышают
показания уличного (ТУ) в одинаковых (комнатных) условиях на 2—2,5°С при наличии верхней крышки
и 1—1,5°С — при снятой. Поэтому,
во-первых, датчик ДТК был максимально (более чем на высоту его корпуса)
выдвинут за пределы платы (см. рис. П3.1.42) и, во-вторых, напряжение питание
снижено до 5 В (закорочен диод Д6 в схеме рис. П3.1.40) при незначительном
снижении яркости индикатора, что позволило снизить указанную разницу до 0,6°С, что близко к нормируемому
для DS18B20 (±0,5°С для диапазона –10…+85°С). Заметим, что после
выхода из микрорежима разница составляет около 0,1°С с последующим увеличением
ее до 0,5—0,6°С. Это позволяет
сделать вывод, что наблюдаемое отличие объясняется в первую очередь тепловыми
процессами в самих датчиках.
Часы по схеме на рис.
П3.1.41 с другой прошивкой МК (см. «Часы
с функцией термостата с тремя временными зонами» на http://startcd.narod.ru) могут быть использованы,
например, для регулирования температуры в помещении в зависимости от времени суток
путем включения/выключения того или иного типа обогревателя по командам с
таймера (вывод 25 МК). В этом случае настройки производятся в следующих пунктах
меню t-StAt (показано в
примерах):
1.07-17 20 — первая
временная зона (с 07 до 17 часов, температура 20°С);
2.17-23 25 — вторая
временная зона (с 17 до 23 часов, температура 25°С);
3.23-07 23 — третья
временная зона (с 23 до 07 часов, температура 23°С);
4. GiSt. 2.5 — установка
предела регулирования температуры ±2,5°С (гистерезис) в каждой
временной зоне при его максимальном значении ±9,9°С.
Поскольку схема на рис. П3.1.41 рассчитана на использование
маленьких индикаторов (высота символа около
В первой редакции
рассматриваемых часов использовалась прошивка v.17t1. Дальнейшее
развитие этой модели (прошивка v.17t1_1) привело к изменению ее схемы (рис. П3.1.43), в которой на вывод
14 (hour — кукушка) каждый час, за исключением ночного времени или при
выключении в меню hour, выдается короткий сигнал, который через схему ИЛИ
на Д5, Д6 объединен с сигналом будильника bip (вывод 15).
Рис. П3.1.43.
Пятиразрядные часы Мосина с большими индикаторами
Выход таймера (вывод 25) и
термостата (вывод 23) объединены через ИЛИ на R22, R23 и через ключ на
Т7 и контакт К2 подключаются к реле Р в блоке питания (рис. П3.1.44, а), нормально разомкнутый контакт
которого Р1 управляет тиристорами Т1, Т2, падение напряжения на которых при
нагрузке 40 Вт составляет около 6 В. Сопротивление резистора R » Um/Iym » 311/0,2 » 1,5 k, где Um = 220×21/2 = 311 В —
амплитуда сетевого напряжения, Iym = 0,2 А — максимальный ток управления
тиристора при токе в нагрузке 10 А (подключается к гнездам Гн1, Гн2 с помощью
стандартной сетевой вилки). В режиме таймера термостат необходимо отключить или
установить нулевую верхнюю и нижнюю температуру регулирования в меню tctAt.
Блок питания 1 (см. рис.
П3.1.45) — от гальванометра, в котором число витков вторичной обмотки
трансформатора увеличено в 2,2 раза (до 350 витков). В корпусе этого блока,
который одновременно выполняет роль подставки для часов (механически связанных
через болты-контакты ±12 В), размещены все
элементы схемы за исключением диодов Д5, Д6, тиристоров и гнезд розетки),
расположенных в коробочке 2 (корпус разветкоробки для локальной компьютерной
сети), которая связана с БП самодельным кабелем длиной около
Примечание: для индикации
режима таймера и термостата в схеме на рис. П3.1.44, а параллельно обмотке реле Р был включен светодиод типа АЛ307Б с
добавочным резистором 2,4 кОм.
а)
б)
в)
г)
Рис. П3.1.44. Блок
питания и исполнительные устройства таймеров
Вместо реле можно
использовать оптосимисторную пару МОС30ХХ (рис. П3.1.44, б) компании Fairchild Semiconductor, модификация которой
МОС304Х рассчитана на управление внешними симисторами (рис. П3.1.44, в) или тиристорами (рис. П3.1.44, г) при максимальном значении
коммутируемого напряжения до 400 В и выходном токе управления до 60 мА при
входном 15, 10 и 5 мА для модификаций МОС3041/42/43М соответственно. При VCC = 5 В (ИМС U1, например, ТТЛ
серии) и максимальном прямом напряжении ИК-светодиода МОС30ХХ 1,5 В
сопротивление резистора Ri » (5 – 1,5)/15 = 0,24
кОм; при питании 12 В Ri » (12 – 1,5)/15 » 0,68 кОм. Что же касается резисторов R1, R2 на схеме рис.
П3.1.44, г, то они рекомендуются к
использованию опционально (для диодов 1N4001).
Конструктивно часы выполнены
в старом школьном пенале после удаления всех перегородок (рис. П3.1.45), в
передней крышке которого просверлены 5 отверстий для динамика Гр и резаком
сделано прямоугольное отверстие под индикаторы, накрытые автомобильной
затемняющей пленкой. Индикаторы вставляются в 5-контактные однорядные панельки
для ИМС. Транзисторы Т1—Т5 располагаются в «лежащем» положении под
индикаторами. Для комнатного датчика ДТК также использован 3-контактный отрезок
панельки, а для уличного — 3-контактный отрезок разъема ОНП-8-21. Монтаж выполнялся в основном голыми
проводниками с последующей приклейкой моментом к несущей стеклотекстолитовой
плате толщиной
Рис. П3.1.45. Часы
со снятой передней крышкой
При наладке часов, занявшей несколько дней из-за отсутствия
хода часов при наличии всех сигналов на анодах, сегментах индикатора и линиях
опроса ДТК и ДТУ, оказалось, что вместо миниатюрного часового кварца был
установлен такой же по размерам кварц на 24 МГц, выпаянный наряду с часовыми из
старых материнских плат IBM PC.
Источник такой ошибки был локализован путем осциллографических измерений
сигнала на выводе 10 МК, — это несколько искаженная синусоида «часовой» частоты
с двойной амплитудой около 300 мВ.
В процессе эксплуатации 5-разрядных
часов была выявлена ошибка, заключающаяся в невозможности установки
соответствующей индикации показаний уличного и комнатного датчика температуры,
что было устранено путем подключения датчика ДТУ к выводу 27, а датчика ДТК — к
выводу 2. Кроме того, была упрощена схема за счет использования однодиодных
семисегментных индикаторов GNS-8011BUE при незначительном уменьшении размеров отображаемых символов,
что позволило упростить схему питания анодов индикаторов. Как видно из схемы на
рис. П3.1.46, для этого используются эмиттерные повторители на
транзисторах Т1—Т5. Однако при этом при той же прошивке ОК пришлось изменить
порядок подключения анодов к выводам 2—6 микроконтроллера на обратный.
Для
озвучивания сигналов будильника bip и
2-секундной почасовой отметки hour (режим
кукушки) был использован ждущий мультивибратор на ИМС U5 с частотой 1000 Гц с выходом на пъезодинамик П. Для
1-секундной почасовой отметки используется вывод hour1.
В качестве исполнительного устройства в
режиме таймера и термостата использовано оказавшееся под рукой нестандартное
реле ТКЕ 52ПДТ с сопротивлением обмотки 200 Ом и напряжением срабатывания около
7 В.
В заключение заметим что на сайте Мосина
для всех рассмотренных в этой заметке его часов имеются варианты прошивок без
перехода на летнее/зимнее время (а также здесь).
Рис.
П3.1.46. Упрощенный вариант пятиразрядных часов