Схема. Комнатный термометр с автономным питанием

Измерение температуры в предлагаемом термометре основано на изменении сопротивления терморезистора, установленного в частотозадающую цепь генератора, при этом частота генератора становится зависимой от температуры. Измерив частоту, можно определить температуру. Если интервал измеряемой температуры небольшой, можно применить RC-генератор, собранный на одном или двух логических элементах [1], конденсаторе и терморезисторе с отрицательным ТКС (NIC). Измерение частоты в приборе происходит путём счёта импульсов генератора за определённый интервал времени.

По мнению автора, такой прибор должен работать без сетевого БП от автономного источника, например, от батареи гальванических элементов типоразмера ААА. Применение жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) и микросхем структуры КМОП обеспечит его работу от такого источника продолжительное время.

Схема термометра приведена на рис. 1. На логическом элементе DD1.1 триггере Шмитта, конденсаторе С1, резисторах R1, R2 и диоде VD1 собран тактовый генератор. Такой генератор часто присутствует в цифровых устройствах. Его назначение — синхронизация во времени всех сигналов, вырабатываемых элементами и узлами устройства. Без этого зачастую невозможно появление в нужный момент времени того или иного сигнала, и правильная работа цифровых элементов, узлов, а значит, и самого устройства нарушится. О назначении цепи R2VD1 будет сказано далее. Импульсы с частотой около 100 Гц с выхода тактового генератора поступают на вход С счётчика DD2. С его выхода 2⁰ прямоугольные импульсы частотой 50 Гц и скважностью 2 (меандр) поступают на подложку (Com) ЖКИ HG1 и HG2. Для таких индикаторов это напряжение называют напряжением возбуждения. Тот же сигнал поступает и на входы G счётчиков-преобразователей DD3, DD4, инвертируя сигналы на их выходах a—g с той же частотой, что необходимо для нормальной работы ЖКИ. Эти микросхемы преобразуют двоичный код в код управления семиэлементными ЖКИ.

С выхода 2⁷ счётчика DD2 импульсы с периодом следования 2,5 с через дифференцирующую цепь R3R4C5 поступают на входы элемента DD1.2. Длительность низкого логического уровня (лог. 0) импульсов уменьшается этой цепью до 2,4 мс, поэтому на выходе элемента DD1.2 формируется последовательность импульсов с уровнем лог. 1 длительностью 2,4 мс и периодом следования 2,5 с. Эти импульсы поступают на вход элемента триггера Шмитта DD1.3. На этом элементе, конденсаторе С2 и терморезисторе RK1 собран термозависимый генератор (далее генератор), частота которого зависит от температуры окружающей среды и при 25 °С равна примерно 11 кГц. С повышением температуры сопротивление терморезистора уменьшается и частота генератора увеличивается. Поскольку зависимость сопротивления терморезистора от температуры нелинейная и применён двухразрядный индикатор, погрешность измерения на краях интервала температуры 10…50°С примерно равна ±2 °С.

Работа генератора возможна только при напряжении лог. 1 на нижнем по схеме входе (выводе 12) элемента DD1.3. Поэтому его выходные импульсы поступают на вход С счётчика-преобразователя DD3 только в течение 2,4 мс через каждые 2,5 с. Параметры элементов цепей R3R4C5 и RK1C2 подобраны так, что число импульсов на выходе генератора за это время численно равно температуре в градусах Цельсия. С выхода Р счётчика-преобразователя DD3 импульсы, с частотой в десять раз меньшей частоты генератора, поступают на вход С счётчика-преобразователя DD4, который управляет ЖКИ HG2. Поэтому на ЖКИ HG1 и HG2 отображается измеренное прибором число импульсов, а следовательно, и температура.

Для обновления показаний через каждые 2,5 с счётчики обнуляются. Импульс обнуления длительностью 7 мкс формирует дифференцирующая цепь R5C4. Следует отметить, что состояние выходов счётчиков-преобразователей DD3 и DD4 изменяется по спадам входных импульсов на входе С. Импульс обнуления совпадает по времени со спадом первого импульса генератора на элементе DD1.3, поэтому этот импульс счётчик DD3 пропускает. Это приводит к тому, что при снижении сопротивления терморезистора в два раза узел сосчитает на один импульс больше и, наоборот, при увеличении — на один меньше. Такое схемное решение уменьшает погрешность прибора на границах измеряемого интервала температуры.

Устройство собрано на макетной печатной плате (рис. 2) размерами 57×67 мм с применением проводного монтажа. На рис. 3 показан чертёж односторонней печатной платы. Изготавливают её из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5…2 мм. Применены постоянные резисторы С2-33, МЛТ, подстроечный — 3303W фирмы Bourns. Диоды могут быть любые импульсные маломощные. Конденсаторы — керамические любого типа, причём С1 и С2 желательны с малым и одинаковым ТКЕ. Микросхему К561ТЛ1 можно заменить на CD4093, HEF4093, К176ИЕЗ — на К176ИЕ4, К561ИЕ16 — на К561ИЕ20, КР1561ИЕ20, CD4020, CD4040. Терморезистор — В57164-К 100кОм, именно для такого сопротивления подобраны номиналы резисторов R3 и R4. Можно применить терморезистор с сопротивлением от 47 до 510 кОм, но тогда следует пропорционально изменить номиналы этих резисторов.

Батарея питания составлена из четырёх гальванических элементов типоразмера ААА или АА, для их размещения применена специальная кассета, которую крепят термоклеем к плате после налаживания устройства. ЖКИ установлены в гнёзда, изготовленные из панелей (лучше двадцативыводные) для микросхем в DIP-корпусах. Панели распиливают вдоль на две части и удаляют лишние пластмассовые фрагменты. Индикаторы заменимы любыми из серии ITH-E0004xxx, но они выпускаются различными производителями и могут различаться расстоянием между рядами выводов. На этот случай на печатной плате предусмотрены два ряда отверстий для их выводов 1 —10. При монтаже на макетной плате можно задействовать любые из выво- дов 1, 2, 19, 20 (Com) индикаторов. На печатной плате (рис. 3) подключены выводы 19 и 20, а 1 и 2 оставлены свободными.

Налаживание начинают с проверки потребляемого тока, при напряжении питания 6 В он должен быть 40…45 мкА. Выше упоминалось о цепи R2VD1. Её назначение — снизить ток тактового генератора. При входном напряжении, близком к пороговым значениям, ток, потребляемый элементом DD1.1, различен. Для примера на рис. 6—8 в [2] показаны зависимости потребляемого тока от входного напряжения. Если время нахождения этого элемента вблизи порога с большим потреблением тока снизить, уменьшится и средний потребляемый ток. Поэтому диод VD1 включают так, чтобы потребляемый устройством ток был минимален. Далее резистором R3 выравнивают показания индикаторов HG1, HG2 и образцового термометра. Устройство сохраняет работоспособность при изменении напряжения питания от 5 до 10 В, поэтому можно применить другие источники питания.

ЛИТЕРАТУРА
1. Хабаров А. Термометр-приставка к компьютеру, подключаемая через звуковую карту. — Радио, 2012, №4, с. 49, 50.
2. HEF4093B gates. Quadruple 2-input NAND Schmitt trigger. —   www.htmldatasheet.ru/philips/hef4093.htm

С. ГЛИБИН, г. Москва
«Радио» №9 2012г.