СОЗДАНИЕ  ОПЫТНОЙ  СХЕМЫ  ДЛЯ  ИЗМЕРЕНИЯ,  ПЕРЕДАЧИ  И  ИНДИКАЦИИ  ТЕМПЕРАТУРЫ

Борзенко  Евгений  Иванович

доцент  кафедры  физико-математических  наук  Томского  государственного  университета,  РФ,  г.  Томск

E -mail: 

Лунева  Анастасия  Павловна

студент  Томского  государственного  университета,  РФ,  г.  Томск

E-mail: 

Етеревская  Мария  Владимировна

студент  Томского  государственного  университета,  РФ,  г.  Томск

E-mail: 

Денисов  Антон  Юрьевич

студент  Томского  государственного  университета,  РФ,  г.  Томск

E-mail: 

CONSTRUCTING  AN  EXPERIMENTAL  SHEME  FOR  MEASURING,  TRANSMITTING  AND  INDICATION  TEMPERATURE

Borzenko  Evgeniy

assistant  professor  of  Tomsk  State  University,  Russia,  Tomsk

Luneva  Anastasiya

student  of  Tomsk  State  University,  Russia,  Tomsk

Eterevskaya  Mariya

student  of  Tomsk  State  University,  Russia,  Tomsk

Denisov  Anton

student  of  Tomsk  State  University,  Russia,  Tomsk

АННОТАЦИЯ

В  данной  работе  рассматриваются  принципы  пересылки  данных  между  микропроцессорными  устройствами.  Так  же  применяются  способы  измерения  и  пересылки  значения  температуры  одним  МК  другому,  который  впоследствии  выводит  принятое  значение  на  цифровое  табло.  При  выводе  значения  температуры  используется  метод  динамической  индикации.  Такая  реализация  позволяет  каждому  микроконтроллеру  выполнять  определенную  задачу,  что  упрощает  программирование  устройств  и  делает  их  более  функциональными. 

ABSTRACT

The  focus  of  the  present  work  is  principles  of  data  transferring  in  microprocessor-based  devices.  Also  the  author  uses  methods  of  measuring  and  transmitting  temperature  value  from  the  one  microcontroller  to  another,  that  subsequently  shows  (screens)  the  receiving  value  on  display.  By  displaying  of  the  temperature  value  the  method  of  dynamic  indication  is  used.  This  realization  allows  every  each  microcontroller  to  fulfill  a  definite  task,  that  simplifies  the  programming  of  devices  and  makes  them  more  functional. 

Ключевые  слова:  термодатчик;  микроконтроллер;  динамическая  индикация;  приемопередатчик  UART;  светодиодное  табло.

Keywords:  temperature  sensor;  microcontroller;  dynamic  indication;  receiver-transmitter  UART;  display.

На  данный  момент  существует  множество  способов  измерения  температуры,  передачи  измеренного  значения  и  вывода  на  экран.  Целью  данной  работы  было  рассмотрение  принципов  пересылки  данных  между  микропроцессорными  устройствами,  что  используется  разработчиками  электронных  устройств  достаточно  часто.  А  так  же  был  опробован  способизмерения  и  пересылки  значения  температуры  одним  МК  другому,  который  впоследствии  выводит  принятое  значение  на  цифровое  табло.  При  выводе  значения  температуры  используется  метод  динамической  индикации.  Такая  реализация  позволяет  каждому  микроконтроллеру  выполнять  определенную  задачу,  что  упрощает  программирование  устройств  и  делает  их  более  функциональными.  В  ходе  работы  было  налажено  взаимодействие  между  МК,  используя  приемопередатчик  UART.  Поставленные  задачи  имеют  большую  значимость  при  разработке  устройств  с  использованием  микроконтроллеров.  Поскольку  взаимосвязанная  работа  микроконтроллеров  используется  довольно  часто.

Первым  этапом  в  создании  опытной  схемы  была  ручная  разводка  проектируемой  платы  в  программе  Sprint  —  layout  6.0.  Далее  полученная  схема  при  помощи  принтера  была  напечатана  на  пленке.  На  пластиковую  пластину  с  металлическим  покрытием  (текстолит)  была  приклеена  фотобумага,  сверху  положена  пленка  с  изображением  печатной  схемы  и  плотно  прижата  оргстеклом.  Предварительно  пластина  была  обезжирена  бензином.  Данный  шаблон  был  засвечен  ультрафиолетовым  светом  в  течение  нескольких  минут,  после  чего  он  был  помещен  в  раствор  кальцинированной  соды  с  водой.  Тем  самым  изображение  было  закреплено.  Следующим  этапом  было  помещение  схемы  в  раствор  хлорного  железа  с  водой  для  снятия  поверхностного  защитного  слоя.  После  этого  она  была  помещена  в  концентрированный  раствор  кальцинированной  соды  с  водой  для  снятия  оставшегося  защитного  слоя  с  дорожек.  Проделав,  все  выше  перечисленные  действия,  была  получена  готовая  разведенная  плата,  просверлив  все  необходимые  отверстия,  была  начата  пайка  схемы.

Рисунок  1.  Рабочая  схема

Для  измерения  температуры  были  рассмотрены  вопросы,  касающиеся  сопряжения  аналоговых  датчиков  и  исполнительных  устройств  с  цифровым  ядром  системы,  способов  преобразования  информации  из  одной  формы  представления  в  другую,  обеспечения  необходимой  точности  преобразования  этих  каналов.  В  разрабатываемом  модуле  (рисунок  1)  в  качестве  аналогово-цифрового  датчика  была  использована  микросхемаDS18B20,  сопряженная  с  микроконтроллером  ATMEGA8,  который  анализирует  текущую  температуру.  Первый  микроконтроллер  соединен  со  вторым  микроконтроллером,  который  управляет  внешним  устройством  (светодиодное  табло).

DS18B20  —  цифровой  термометр,  с  программируемым  разрешением,  от  9  до  12  бит,  которое  может  сохраняться  в  EEPROM  памяти  прибора.  DS18B20  обменивается  данными  по  1-Wire  шине,  так  же  может  быть  как  единственным  устройством  на  линии,  так  и  работать  в  группе.  Все  процессы  на  шине  управляются  центральным  микропроцессором.  Диапазон  измерений  от  –55°  C  до  +125°  C  и  с  точностью  0,5°  C  в  диапазоне  от  –10°  C  до  +85°  C.  В  дополнение,  DS18B20  может  питаться  напряжением  линии  данных,  при  отсутствии  внешнего  источника  напряжения.

Уникальность  микросхем  с  интерфейсом  1-Wire  заключается  в  необходимости  использования  для  связи  с  ними  только  одной  сигнальной  линии  и  общего  проводника.  Питание  и  связь  осуществляются  через  одно  соединение.  Для  связи  с  такой  микросхемой  требуется  задействовать  только  одну  линию  ввода-вывода.  1-Wire  представляет  собой  информационную  сеть,  использующую  для  осуществления  цифровой  связи  одну  линию  данных  и  один  возвратный(или  земляной)  провод.  Таким  образом,  для  реализации  среды  обмена  этой  сети  могут  быть  применены  доступные  кабели,  содержащие  экранированную  витую  пару  той  или  иной  категории.

Последовательность  операций  для  обращения  к  DS18B20:

Шаг  1.  Инициализация

Шаг  2.  Команда  ROM  (сопровождаемая  любым  требуемым  обменом  данных)

Шаг  3.  Функциональная  Команда  DS18B20  (сопровождаемая  любым  требуемым  обменом  данных)

Очень  важно  следовать  за  этой  последовательностью  каждый  раз,  когда  обращаются  к  DS18B20,  поскольку  DS18B20  не  будет  «отвечать»,  если  любые  шаги  в  последовательности  отсутствуют  или  не  в  порядке.

Инициализация

Все  операции  на  шине  (1-Wire)  начинаются  с  последовательности  инициализации.  Последовательность  инициализации  состоит  из  импульса  сброса,  переданного  устройством  управления  шиной,  сопровождаемым  импульсамиприсутствия,  переданными  подчиненными  устройствами.  Импульс  присутствия  позволяет  устройству  управления  шиной  знать,  что  подчиненные  устройства  (типа  DS18B20)  присутствуют  на  шине  и  готовы  к  работе.

Команды  ROM

После  того,  как  устройство  управления  шиной  обнаружило  импульс  присутствия,  оно  может  формировать  команды  ROM.  Эти  команды  оперируют  уникальными  кодами  ROM  на  64  бита  для  каждого  подчиненного  устройства,  и  позволяют  устройству  управления  выбирать  определенное  устройство,  из  многих  устройств  присутствующих  на  шине.  Эти  команды  также  позволяют  устройству  управления  определять,  как  много  и  какие  типы  устройств  присутствуют  на  шине,  а  также  определять  любое  устройство,  находящееся  в  состоянии  Тревога.  Есть  пять  команд  ROM,  и  каждая  команда  8  битов  длиной.  Главное  устройство  должно  передать  соответствующую  команду  ROM  перед  передачей  команды  функции  DS18B20.

Функциональные  команды  —  DS18B20

После  того,  как  устройство  управления  шиной  обработало  команду  ROM,  чтобы  обратиться  к  DS18B20,  с  которым  оно  желает  связаться,  устройство  управления  может  формировать  одну  из  команд  функции  DS18B20.  Эти  команды  позволяют  выполнить  функции  записи  или  чтения  оперативной  памяти  DS18B20,  инициализировать  температурные  преобразования  или  определить  режим  электропитания  [1].

Для  передачи  данных  одним  микроконтроллером  другому  использовался  универсальный  асинхронный  приёмопередатчик  (UART)  —  узел  вычислительных  устройств,  предназначенный  для  связи  с  другими  цифровыми  устройствами.  UART  осуществляет  передачу  данных  в  последовательном  виде  по  однопроводной  цифровой  линии.  Протокол  UART  (Universalasynchronousreceiver/transmitter)  является  одним  из  самых  распространённых  протоколов  передачи  данных  между  устройствами.  У  ATMega8  один  USART,  выведен  он  на  ножки  PD0  —  Rx,  receiver  (приемник)  и  PD1  —  Tx,  transmitter  (передатчик).

Данные  по  UART  передаются  в  следующем  формате:

Старт-бит  —  служит  для  определения  начала  посылки.

Биты  данных  —  может  быть  от  5  до  9  бит,  но  наиболее  часто  используется  8  бит  —  один  байт.

Бит  контроля  четности  —  позволяет  проверить  не  произошел  ли  при  передаче  сбой.

Стоп  биты  -  1  или  2  бита,  служат  для  определения  окончания  посылки  [2].

Для  вывода  измеренного  значения  на  цифровое  табло  был  использован  метод  динамической  индикации.  Это  метод  отображения  целостной  картины  через  быстрое  последовательное  отображение  отдельных  элементов  этой  картины.  Причем,  «целостность»  восприятия  получается  благодаря  инерционности  человеческого  зрения.  При  динамической  индикации  сегменты  зажигается  по  очереди.  А  за  счет  инерции  глаза  кажется,  что  индикатор  горит  постоянно.  Из  ее  основных  плюсов  —  требуется  гораздо  меньше  внешних  элементов.  Основной  минус  —  для  нее  постоянно  требуется  внимание  процессора.  Частота  смены  сегментов  выбиралась  не  ниже  50  Гц.  Лучше  использовать  частоты  не  кратные  50,  иначе  при  искусственном  освещении  может  появиться  мерцание.  Частота  прерываний  считается  как  «кол-во  разрядов»  и  «частота  обновления».  Так  для  8  разрядов  с  частотой  60  Гц  нужно  вызывать  прерывание  с  F=8х60=480  Гц.  Есть  два  вида  такой  индикации  —  поразрядная  и  посегментная.  Первая  наиболее  известна  и  популярна,  вторая  лучше  подходит  при  использовании  большого  количества  разрядов  (больше  10).

В  цифровом  табло  использовались  семисегментные  индикаторы  (SMO  5050),  широко  применяющиеся  в  цифровой  технике,  в  бытовых  приборах,  измерительной  технике,  в  промышленных  устройствах.  По  сравнению  с  жидкокристаллическими  индикаторами  светодиодные  имеют  свои  преимущества,  это  контрастность  отображения  информации,  малое  потребление  энергии.  Семисегментный  индикатор  представляет  собой  матрицу  из  семи  светодиодных  дорожек  (рисунок  2),  размещенных  таким  образом,  чтобы  зажигая  их  в  разных  сочетаниях,  можно  было  бы  отобразить  любую  десятичную  цифру,  а  также  специальные  символы.  Для  подключения  одного  семисегментного  индикатора  и  управления  им  с  помощью  микроконтроллера  достаточно  сегменты  индикатора  подключить  к  порту  микроконтроллера  через  токоограничительные  резисторы.  Общий  вывод  подключить  к  линии  другого  порта  микроконтроллера.  В  зависимости  от  того  какую  цифру  надо  вывести,  в  порт  выводим  двоичный  код  этой  цифры,  ссылаясь  на  тип  подключенного  индикатора  (с  общим  анодом  или  катодом)  на  общий  провод  подаем  плюс  или  минус.  Если  подключение  такое:  PD6-g,  PD5-f,  PD4-e,  PD3-d,  PD2-c,  PD1-b,  PD0-a,  то  для  отображения  цифры  1  в  порт  D  нужно  вывести  такой  двоичный  код:0b00000110.Для  отображения  цифровых  данных,  принятых  с  термодатчика,  одного  семисегментногоиндикатора  было  недостаточно,  поэтому  к  микроконтроллеру  были  подключены  сразу  несколько  индикаторов  [3].

Рисунок  2.  Внешний  вид  индикатора

В  итоге  было  создано  устройство,  которое  измеряет  температуру  при  помощи  термодатчика  DS18B20  и  отправляет  измеренное  значение  на  цифровое  табло.  Для  измерения  и  отправки  температуры  была  написана  программа,  которая  записывается  в  один  из  микроконтроллеров.  Далее  он  отсылает  данные  второму  микроконтроллеру,  в  который  записывается  программа  приема  и  вывода  значения  на  табло.  Возможно,  было  бы  проще  использовать  один  микроконтроллер,  в  котором  была  бы  зашита  программа,  выполняющая  измерение  температуры  и  вывод  на  табло.  Но  разграничение  задач  делает  устройство  более  функциональным,  простым  в  использовании  и  перепрограммировании.  А  так  же  необходимо  учитывать,  что  устройство  может  иметь  десятки  функций,  один  МК  не  справится  с  данной  задачей.  В  этой  работе  имеется  возможность  значительно  усложнить  устройство,  например,  добавив  дополнительные  датчики.

Список  литературы:

1.[электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://e-voron.dp.ua/files/pdf/maxim/ds18b20-rus.pdf

2.[электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://cxem.net/doc/mc/ATmega8.pdf

3.[электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://radioparty.ru/index.php/prog-avr/program-c/279-lesson11-sevensegment