docEdW 2003/06 – strona 54
download 
Reklamacja Transkrypt
EdW 2003/06 – strona 54
Mała stacja temperaturowa Nietypowe wykorzystanie licznika rowerowego Do czego to służy? Do czego służy licznik rowerowy chyba każdy wie. Ja jednak proponuję, aby licznik rowerowy wyposażyć w interfejs... pomiaru temperatury. Licznik posiada wszelkie cechy i funkcje pozwalające na pomiar nie tylko temperatury (prędkości) aktualnej, ale i wartości maksymalnej oraz średniej. Pomiar wartości maksymalnej i jej zapamiętanie jest o tyle interesujący, że potem bezbłędnie możemy odtworzyć „jaki był u nas upał...”. Od razu wyczuwa się brak pomiaru drugiej wartości, tj. minimalnej. Z natury rzeczy komputerek rowerowy nie posiada takiej funkcji (bo i po co?). W tym momencie, my – elektronicy, mamy pole do popisu. Nasz interfejs powinien naprawić ten brak. Jak to działa? Schemat ideowy przedstawiony został na rysunku 1. Jak widać, czujnikiem temperatury jest dobrze znany i niedrogi układ LM35. Zapewnia on liniowe przetwarzanie temperatury na napięcie ze współczynnikiem 10mV/oC, 54 a zakres pracy układu jest szerszy niż spodziewane temperatury na dworze. Układ LM35 musi korzystać z ujemnego napięcia zasilania, aby ponownie mierzyć temperatury poniżej 0oC. Problem ten rozwiązuje przeniesienie masy LM35 na poziom napięcia referencyjnego. Od tej pory układ LM35 widzi rzeczywistą masę jako napięcie -1,25V, bo tyle wynosi napięcie referencyjne z układu LM385-1,2. Dalej napięcie z wyjścia czujnika temperatury trafia na komparator temperatury bliskiej zeru i na wyjście wzmacniacza o zmiennym wzmocnieniu. Dosyć dziwnie wygląda ten twór, był jednak konieczny. Jeżeli interfejs do pomiaru temperatury ma być na tyle uniwersalny, aby mógł przez cały rok mierzyć temperaturę na zewnątrz, musi poprawnie interpretować temperatury ujemne. Problem z pozoru banalny przysparza problemów, gdyż w przeciwieństwie do temperatury nie istnieją ujemne prędkości. Co prawda można poruszać się w tył, ale wtedy mamy raczej do czynienia ze zmianą kierunku. Problem udało się rozwiązać w ten sposób, że przy stopniowym spadku temperatury wskazania także liniowo maleją, a w momencie przejścia przez zero i dalszego obniżania się temperatury wskazania wzrastają, tak jak wzrasta bezwzględna różnica między aktualną temperaturą a zerem. Dodatkowo spadek temperatury poniżej zera sygnalizowany jest zapaleniem się diody D1. Za detekcję zerowej temperatury odpowiedzialny jest komparator zbudowany na pierwszym wzmacniaczu operacyjnym układu LM358 (U3A). Jest on włączony jakby „na odwrót” wejściem „+” do napięcia referencyjnego, wszystko po to, aby ułatwić budowę dalszych torów. Komparator ten posiada histerezę wyznaczaną przez rezystory R3 i R4. Przy R3=2,7kΩ i R4=1MΩ histereza ta wynosi około 2oC. Brak histerezy byłby silnie zauważalny przy temperaturze około 0oC. Jej wartość można zmieniać, dobierając stosunek R3 do R3+R4. Najprościej można przyjąć, że R4/R3 = ~9V/10mV x t∆ , gdzie t∆ to żądana histereza. Na szerokość histerezy ma wpływ Rys. 1 Schemat ideowy E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h napięcie zasilania, dlatego przy innym napięciu niż 9V może być konieczne dobranie elementów. Opisywany komparator steruje dwoma elementami: poprzez rezystor R5 diodą LED sygnalizującą ujemne wskazania i tranzystorem T1 zmieniającym znak wzmocnienia drugiego wzmacniacza z LM358. W sytuacji, gdy tranzystor T1 jest zatkany, cały sygnał z wyjścia U3A trafia na wejście nieodwracające U3B i w konsekwencji powiela się na wyjściu ze współczynnikiem wzmocnienia 1. W momencie, gdy mamy do czynienia z ujemnymi temperaturami, tranzystor T1 zwiera wejście nieodwracające U3B do napięcia odwracającego o wzmocnieniu -1. Inaczej mówiąc, na wyjściu generuje napięcie o tyle wyższe od referencyjnego, o ile jest niższe na rezystorze R8. Wzmacniacz po prostu stara się zrównać napięcia na swoich wejściach. Z wyjścia U3B sygnał trafia poprzez filtr dolnoprzepustowy (R10, C2) na wejście generatora sterowanego napięciem. W roli tej pracuje układ LM331. Generator ten pracuje w standardowej konfiguracji. Jedyną zmianą w stosunku do zalecanej przez producenta konfiguracji jest 10-krotne zwiększenie C4. Kondensator ten wraz z rezystorem R15 odpowiada za stałą czasową wewnętrznego przerzutnika. Zwiększenie C4 z 10nF do 100nF obniżyło współczynnik przetwarzania generatora VCO z 1kHz/V do 100Hz/V. W podstawowym (uruchomieniowym) urządzeniu nie jest konieczne montowanie rezystorów R12 i P1. Zaleca się jednak zamontować te elementy w ostatecznej wersji ze względu na niski poziom przetwarzanych sygnałów i w związku z tym zauważalny wpływ napięć niezrównoważenia układu LM331. Rezystor R16 podciąga do plusa wyjście generatora. Z tego punktu można już pobrać sygnał dla dalszych torów. Jest to wyjście oznaczone jako WY1. Niestety w wielu przypadkach nie można tutaj bezpośrednio podłączyć komputerka rowerowego. Powód jest prosty. Urządzenie na WY1 posiada współczynnik przetwarzania równy 1Hz/oC. Aby usunąć tę niedogodność, urządzenie zostało wyposażone w dodatkowy dzielnik częstotliwości. Podział przez 10 dokonuje się w liczniku dziesiętnym U5 4017. Licznik ten pracuje w pełnym cyklu, nic nie stoi jednak na przeszkodzie, aby skrócić ten cykl, gdy zajdzie taka konieczność. czujnik temperatury lutujemy w płytkę lub wyprowadzamy na przewodach. Po załączeniu zasilania należy w pierwszej kolejności sprawdzić wartość napięcia referencyjnego. Napięcie na środkowym wyprowadzeniu U2 powinno mieć 1,25V. Następnie sprawdzamy napięcie na środkowym wyprowadzeniu U1. To napięcie powinno być wyższe od referencyjnego o 0,2...0,3V. Wszystko zależy od temperatury czujnika. Fakt przebywania w dodatniej temperaturze będzie sygnalizowany zgaszoną diodą D1. Gdy poprzednie etapy poszły gładko należy sprawdzić napięcie na wyprowadzeniu 7 U4. Powinno być ono takie samo jak na środkowym wyprowadzeniu LM35. Ostatnią czynnością jest kalibracja VCO. Najpierw należy ustabilizować temperaturę czujnika na poziomie powiedzmy 30-40oC, a następnie potencjometrem P2 uzyskać współczynnik konwersji 1Hz/ 1oC (na WY1). W ostatniej fazie wylutowujemy LM35 i R1, i zwieramy puste wyjście (pin 2) z napięciem referencyjnym (pin 3) po układzie U1. Potencjometrem P1 staramy się uzyskać 0Hz na wyjściu. W ten sposób kalibrujemy zero naszego urządzenia. Po ponownym wlutowaniu U1 może okazać się koniecznym skorygowanie wskazań przy pomocy P2. Podłączenie urządzenia Docelowymi punktami podłączenia komputerka rowerowego jest WY2. Aby komputerek wskazywał poprawnie, należy wpisać mu właściwy promień koła. Jak to obliczyć? Przyjmijmy, że po podziale na 4017 współczynnik przetwarzania wynosi 0,1Hz/oC. Tak więc dla 10oC mamy 1Hz. 10km/h to około 2,78m/s. Urządzenie wyśle 1 impuls w ciągu sekundy (ponieważ 10oC to 1Hz), czyli tak jakby koło Rys. 2 Schemat montażowy obróciło się jeden raz w ciągu sekundy. Obróciło się jeden raz, ale przejechało odległość 2,78m, stąd po podstawieniu do wzoru L=2r – r wyniesie 44cm. Idąc tym tokiem rozumowania, można obliczyć inne promienie kół przy innym współczynniku przetwarzania. Można jednak inaczej – wpisać promień np. 30cm i tak korygować współczynnik VCO potencjometrem P2, aby wskazania były prawidłowe. Przy tej drugiej okazji wskazana będzie wymiana R11 na zworę, a wartość P2 na np. 22kΩ, a po ustawieniu powrót do rezystora stałego i potencjometru o niewielkiej wartości. Michał Stach Wykaz elementów Rezystory R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27kΩ R2,R8-R11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100kΩ R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5,1kΩ R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1MΩ R5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2,2kΩ R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1kΩ R7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150kΩ R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22kΩ R13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47Ω R14,R16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10kΩ R15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6,8kΩ P1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22kΩ helitrim P2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,7kΩ PR Kondensatory C1,C2,C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1µF C5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10µF/16V Półprzewodniki D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED T1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC547 U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM35 U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM385 U3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM358 U4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM331 U5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CD4017 Montaż i uruchomienie Układ można zmontować na płytce drukowanej pokazanej na rysunku 2. Montaż urządzenia jest klasyczny. Rozpoczynamy od zwor i podstawek pod układy, a kończąc na największych elementach. Do zasilania układu przewidziano złącze śrubowe, do którego należy przyłączyć baterię 9V lub zasilacz stabilizowany. W zależności od przeznaczenia E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h 55
