П3.1.21.
LCD-таймер с исполнительным устройством
и
функцией медицинского термометра
В этом разделе приведены результаты
модернизации батарейных LCD-часов типа KS352-2 неизвестного производителя (так называемая компания NoName) с инструкцией на страшно исковерканном
русском, которые тем не менее обладают достаточно большим набором функций: часы
с переключением 12/24 и календарем до 2099 года с русифицированным отображением
дней недели, встроенный термометр с переключением °С/°F, высокоэффективная светодиодная подсветка, голосовое
воспроизведение времени и температуры в ручном и автоматическом режиме в
заданном промежутке времени (с 7-ми утра до 9 вечера или каждый час), будильник
с тремя мелодиями (петушок, кукушка и отрывок из какой-то мелодии), таймер с диапазоном
установки времени 23:59… 1 с.
Схема исполнительного устройства для
режима TIMER (рис. П3.1.63) содержит выпрямитель на Д1-Д4,
параметрический стабилизатор напряжения (Д9, R8) для питания ИМС, реле Р типа РП-2 с сопротивлением обмотки 168 Ом (в справочниках
отсутствует; используется без кожуха с целью экономии места, — см. рис. П3.1.65) с парой достаточно мощных
контактов Р1, Р2 и управлением на транзисторе Т и двух
спаренных инверторах U1, U2 преобразователя
уровня К564ПУ7. Особенностью этой ИМС является
достаточно низкий уровень входных сигналов (около 3 В,
см. разд. П3.1.13), что позволяет
использовать ее для преобразования сигналов в сочетании с устройствами с
низковольтным питанием (в нашем случае это две батарейки типа ААА в
модернизируемых часах).
Рис. П3.1.63. Схема исполнительного
устройства с дополнительным
датчиком температуры
Схема управления транзисторным ключом,
кроме U1, U2, содержит RS-триггер U7.2, формирователи на U3…U6 и 14-разрядный счетчик пульсаций U8 (на рис. П3.1.63 приведена нумерация выводов
остальных неиспользуемых разрядов). В исходном состоянии на входах U4, U6 и RS-входах — сигнал логического нуля, переключатель П2 — в верхнем положении. При пуске таймера кнопкой КТ (кн. TIMER на рис. П3.1.64) на входе U4 формируется сигнал логической
единицы часов (+3 В), который на S-входе преобразуется в сигнал +11 В,
в результате чего RS-триггер
переводится в единичное состояние и сигнал логического нуля с его инверсного
выхода 12 после инвертирования в U1, U2 переводит транзисторный ключ в открытое состояние, что приводит
к срабатыванию реле Р и подаче на нагрузку (на гнезда
Гн1, Гн2) напряжения ~220 В. Поскольку нажатие кнопки КТ сопровождается
звуковым сигналом, то для его блокировки используется своеобразная логическая
схема И на Д8 и R4: при
нажатии кнопки КТ на выходе U4 — нуль, диод Д8 открыт, в результате чего звуковой сигнал на R-входе триггера ослабляется почти
в 20 раз, чем предотвращается неопределенность его состояния. По истечении
заданного времени таймером формируется звуковой сигнал окончания его работы,
который проходит на R-вход триггера практически без ослабления (поскольку диод Д8
закрыт потенциалом +11 В на выходе U4) и переводит его в исходное
состояние, т. е. приводит к выключению реле и отключению нагрузки от сети ~220
В.
Описанный процесс справедлив только для
задаваемых промежутков времени Dt = 1…60 с,
поскольку через 60 сек LCD-дисплей переводится в режим индикации
времени, что сопровождается звуковым сигналом и, следовательно, выключением
таймера. Для Dt > 60 с переключатель П2 переводится в нижнее (как показано на схеме) положение. В
этом случае R-вход
триггера подключается к выходу Q11 счетчика U8, который при пуске таймера обнуляется по R-входу логической единицей с
выхода U3. Через 60 с
звуковой сигнал в виде импульсов с периодом следования около 0,25 мс и длительностью
пачки (рцуга) около 80 мс (результаты
осциллографических измерений) поступают на с-вход счетчика. Таким образом, при
переводе LCD-дисплея в
режим индикации текущего времени на счетчике U8 фиксируется 80/0,25 = 320 импульсов, что
меньше Q11 = 211–1 = 2047 и тем
самым предотвращается преждевременная остановка таймера. По окончании заданного
промежутка Dt > 60 с опять формируются пачки
импульсов общей длительностью (если не остановить какой-либо кнопкой) 60 с. Из этой пачки первые 2047 – 320
= 1727 импульсов произведут установку Q11 в единичное состояние и остановку таймера. Таким
образом, при использовании выхода Q11 абсолютная погрешность отсчета времени составляет 1727×0,25
= 432 мс, что в нашем случае (Dt = 10 мин, управление
электролизером воды) составляет 0,07%. Эта погрешность может быть уменьшена
путем использования выхода Q10 (погрешность 175 мс) или Q9 (погрешность 48 мс).
Заметим, что
преждевременное выключение таймера (через 60 сек) было обнаружено при его
применении в сочетании с электролизером, после чего схема была дополнена счетчиком,
выполняющем роль простейшего цифрового низкочастотного фильтра (использование
аналогового RC-фильтра не дает
какого-либо положительного эффекта). Учитывая специфику применения (Dt = 10 мин),
переключатель П2 в нашем случае не ставился, т. е.
выход Q11 непосредственно соединен с R-входом триггера.
Из схемы на рис. П3.1.63 видно, что для начального (при
включении питания) обнуления RS-триггера не используется какая-либо специальная схема (например,
конденсатор емкостью 0,1-0,2 мкФ с разрядным диодом, включенный между R-входом и «+» питания; см. также
разд. П3.1.1). Опыт работы показывает, что при включении питания
триггер КР561ТМ2 всегда автоматически устанавливается в нуль, что, очевидно,
достигается за счет некоторой искусственной асимметрии его элементов. Кроме
того, перед пуском таймера обнулить RS-триггер можно кнопками UP или DOWN (но не TIMER).
Порядок работы с таймером в нашем случае
такой: 1. подключаем к сети исполнительное устройство; 2. переводим часы кн. TIMER в режим таймера и кнопкой SET устанавливаем требуемое время
отсчета; 3. подключаем к разъему Х исполнительное устройство и кн. TIMER запускаем таймер; при повторном
отсчете установленного времени Dt > 60 с два раза нажимает кн. TIMER (включение режима TIMER и его запуск).
Рис. П3.1.64. LCD-таймер с исполнительным
устройством
Используемый в часах датчик температуры Rt1 — термистор типа NTC (Negative Temperature Coefficient) с
отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Измерения показали,
что его сопротивление при комнатной
температуре составляет 10 кОм. Поэтому в качестве второго датчика Rt2, подключаемого вместо Rt1 переключателем П1, был выбран дисковый
термистор типа В57891-М 103-J такого же номинала
компании Epcos, дистрибьютором которой в России является компания «ДИП
и ЧИП» (в розничной торговле такой термистор с допуском ±5% стоит 40 рублей). Поскольку
NTC-термисторы, как и
любые другие термисторы, обладают существенной нелинейностью температурной
характеристики, то она, как показано в работе [32], может быть аппроксимирована
полиномом, коэффициенты которого для заданного диапазона температур заносятся в
постоянную память микроконтроллера (МК) (на схеме рис. П3.1.63 обозначен как БИС —
большая интегральная схема) и используются для коррекции данных, полученных на
выходе аналого-цифрового преобразователя (АЦП), входящего в состав того
же МК (см. гл. 37).
Поскольку
термистор Rt2 в нашем случае
используется как датчик медицинского термометра, то при его калибровке в
качестве номинальной была выбрана температура +36,5°С. Для достижения
этого значения потребовалось включение дополнительного резистора R7 указанного на схеме номинала,
отобранного из партии в 30 резисторов типа КИМ с номинальными значениями
сопротивления 180 и 200 Ом (лучше использовать металлодиэлектрические (МЛТ,
С2-23 и т. п.),
у которых температурный коэффициент сопротивления (ТКС) на порядок меньше, но
таковых нужного номинала и количества под рукой не оказалось). При этом
показания для комнатной температуры (+21°С) оказались на 1,4°С меньше встроенного датчика, что частично объясняется различными
условиями конвекции воздушных потоков для этих датчиков. Заметим, что такая же
разница наблюдается и для датчиков DS18B20 со встроенным АЦП (разд. П3.1.13). Заметим также, что время опроса датчиков
в рассмотренных часах равно 60 с, что в три раза больше, чем в большинстве цифровых
медицинских термометров.
Рис. П3.1.65. Исполнительное устройство
со снятым кожухом
Как и в ранее рассмотренных конструкциях,
в качестве разъема Х используется 6-контактный (один контакт — запасной)
отрезок малогабаритного разъема
ОНП-8-21 с позолоченными контактами. Этот разъем (с гнездами или «мамка»)
приклеивается моментом на боковой грани задней крышки часов, где располагается
только динамик Гр и достаточно много свободного места.
Ответная часть разъема («папка») одинакова как для датчика, так и для
исполнительного устройства (различие только в используемых контактах). Длина
соединительного кабеля для датчика —