Прибор для измерения температуры своими руками

Компактный бесконтактный ИК-термометр своими руками

Atmel ATmega328P

ThermoPen – так автор назвал результат своей выпускной работы по физике в начале 2021 года. Целью данного проекта было создание компактного и точного бесконтактного термометра (Рисунок 1). Прибор был разработан, в частности, для проверки перегрева электронных компонентов на печатной плате и для устранения общих неисправностей. Благодаря компактным размерам (термометр выполнен в форме ручки), он пользовался широким спросом среди преподавателей и студентов, имеющих дело с электроникой.

Термометр оснащен инфракрасным (ИК) датчиком, преобразующим ИК излучение от объекта в электрический сигнал, который в дальнейшем преобразуется в температуру с помощью микроконтроллера. Что отличает ThermoPen от базовой концепции и других подобных приборов, так это дополнительные функции, полезные для пользователя, и миниатюрные размеры.

Таким образом, была разработана миниатюрная печатная плата, содержащая микроконтроллер (МК) ATmega328P (тот же МК, что установлен на платах Arduino Nano/Uno), схему питания (повышающий преобразователь напряжения) и схему зарядки Li-Ion аккумулятора. Все проектные файлы (САПР KiCad) доступны для скачивания в разделе загрузок и в репозитории на сайте github.com [1].

Рисунок 1.	ThermoPen – компактный ИК-термометр в форме ручки.

Отличительные особенности ИК-термометра:

• OLED дисплей, на котором отображается температура объекта, температура окружающей среды, максимальная и минимальная температура объекта;
• Звуковая индикация;
• Активация нажатием одной кнопки;
• Работа от Li-Ion аккумулятора, встроенная схема зарядки;
• Лазерный светодиод, действующий как указатель.

Принцип работы

Перед сборкой ИК-термометра важно понять, как он устроен, и как работает. Блок-схема ИК-термометра изображена на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Блок-схема ИК-термометра ThermoPen.

При нажатии кнопки на схему подается питание и запускается инициализация периферии МК, раздается звук включения. Через 1 секунду включается лазерный диод, и на OLED дисплее в реальном времени отображаются данные, считанные с датчика термометра. В коде программы также вычисляются минимальная и максимальная температура, напряжение и емкость аккумулятора. После отпускания кнопки питания прибор работает еще 4-5 секунд, что возможно благодаря конденсаторам.

Единственное назначение лазерного светодиода – дать пользователю представление о том, где измеряется температура. «Настоящее волшебство» стало возможным благодаря датчику температуры MLX90614 производства Melexis, использующему физический принцип, согласно которому любой объект испускает определенное количество ИК излучения, зависящее от его температуры. Датчик преобразует принятые ИК волны в электрический сигнал, пропорциональный температуре, который далее персчитывается МК в температуру в градусах Цельсия.

Дополнительно предусмотрены несколько светодиодов, сообщающих о состоянии аккумулятора (заряжается, заряжен, низкий заряд) и о включении питания. Для зарядки аккумулятора установлен разъем microUSB на отельной плате.

Принципиальная схема

Принципиальная схема ИК-термометра изображена на Рисунк 3. МК ATmega328P кварцевым резонатором с частотой 8 МГц (у Arduino Nano 16 МГц), что связано с повышением эффективности работы от аккумулятора. ИК-датчик и OLED-дисплей подключаются к МК по интерфейсу I 2 C, управление лазерным диодом и зуммером осуществляется цифровыми портами МК. Напряжение аккумулятора измеряется внутренним АЦП МК (канал A0).

Рисунок 3.	Принципиальная схема ИК-термометра ThermoPen.

Схема питания прибора представляет собой повышающий преобразователь, выполненный на микросхеме TPS61090. Выходное напряжение преобразователя стабилизировано на уровне 5 В. Схема включения TPS61090 взята от платы расширения Arduino Adafruit Power Boost 500 для питания устройств от Li-Ion аккумулятора [2].

Схема зарядки Li-Ion аккумулятора выполнена на микросхеме MCP73831. В начале зарядки загорается желтый светодиод (D1); об окончании зарядки свидетельствует зеленый светодиод (D2).

Схема и печатная плата разрабатывались в бесплатной САПР KiCad. Для минимизации размеров печатной платы ИК-термометра большинство резисторов и конденсаторов выбраны в корпусах для поверхностного монтажа типоразмера 0805.

Корпус прибора

Автор также разработал корпус ИК-термометра для печати на 3D принтере (Рисунок 4). 3D модель разрабатывалась в САПР Solidworks. Для укладки проводов внутри корпуса, надежного крепления аккумулятора типоразмера 18650 и печатной платы, был выбран квадратный профиль. Для максимальной точности лазерный светодиод расположен непосредственно рядом с ИК-датчиком. При таком расположении лазерный диод не заметен. В корпусе предусмотрены два отверстия для светодиодов состояния зарядки. Корпус спроектирован со сдвижной нижней крышкой с пластиковой защелкой. Пластиковые защелки надежно удерживают печатную плату в корпусе.

Рисунок 4.	Проект корпуса ИК-термометра и 3D вид.

Проектные файлы окончательного варианта корпуса (не прототипа) также доступны для скачивания. Расположение компонентов в корпусе показано на Рисунке 5.

Рисунок 5.	Компоновка компонентов ИК-термометра в корпусе.

Монтаж компонентов

Одна из самых сложных задач проекта заключалась в монтаже элементов на печатную плате, поскольку достаточно большое их количество требовало различных методов пайки и соответствующего оборудования (Рисунок 6).

Рисунок 6.

Внешний вид печатной платы ИК-термометра.

Для пайки элементов потребуются микроскоп или лупа, печь оплавления для пайки МК и микросхемы повышающего преобразователя, паяльник с тонким жалом. Ввиду наличия подложки следует обратить внимание на качество пайки микросхемы повышающего преобразователя.

На плате вы заметите несколько сквозных отверстий под разъемы. Эти отверстия предназначены для подключения компонентов за пределами печатной платы: лазерного светодиода, OLED дисплея, разъема microUSB для зарядки, контактов отсека аккумулятора, а также сигналов интерфейса внутрисхемного программирования МК.

Программный код и программирование МК

В скетче Arduino используются библиотеки для работы с OLED экраном, отображения графических элементов и библиотека для ИК-датчика.

Для программирования микроконтроллера на плате предусмотрены контакты подключения внутрисхемного программатора, но можно в качестве программатора использовать другую плату Arduino Uno/Nano (Arduino as ISP; соответствующий скетч поставляется с Arduino IDE) [3].

Изначально автор пытался использовать режим пониженного энергопотребления (sleep) МК в случае продолжительной работы, однако реализовать стабильную работу прибора с использованием режимов пониженного энергопотребления не удалось.

Точность измерения температуры зависит только от ИК-датчика и его состояния, поскольку калибруется он в заводских условиях. Зуммер срабатывает при превышении установленного порога температуры, значение которой задается в программе МК (установлено значение 120 °С).

Источник

Схема электронного термометра с выносным датчиком своими руками

На замену не совсем удобным аналоговым измерителям температуры, в основе работы которых лежит свойство жидкости расширяться и сжиматься, промышленность предложила дискретные устройства. Эти совсем несложные приборы обладают рядом неоспоримых преимуществ. Купить измеритель можно практически в любом магазине бытовой или климатической техники, но гораздо интереснее изготовить электронный термометр с выносным датчиком своими руками.

Суть устройства

Термометр, разговорный аналог — градусник, предназначен для измерения температуры окружающей среды. Первое устройство было изобретено в 1714 году немецким физиком Д. Г. Фаренгейтом. В основе своей конструкции он использовал прозрачную запаянную колбу, внутри которой находился спирт. После в качестве жидкости учёный применил ртуть. Но шкала аналогового измерителя, существующая и по сей день, была разработана лишь только через 30 лет шведским астрономом и метеорологом Андерс Цельсием. За начальные точки он предложил взять температуру тающего льда и кипения воды.

Интересным фактом является то, что изначально числом 100 была отмечена температура таяния льда, а за ноль взята точка кипения. Впоследствии шкалу «перевернули». По некоторым мнениям это сделал сам Цельсий, по другим — его соотечественники ботаник Линней и астроном Штремер.

Вскоре изготовление ртутных измерителей было широко налажено производством в промышленных масштабах. Со временем ртуть из-за своей ядовитости была заменена на спирт, а затем и вовсе был предложен новый тип устройства — цифровой. Сегодня, пожалуй, градусник стал неотъемлемым атрибутом любого жилища. По совету Всемирной организации здравоохранения была принята Минаматская конвенция, направленная на постепенный вывод из обихода ртутных градусников. Согласно ей в 2022 году использование ртути в измерителях будет полностью прекращено.

Поэтому из-за своих отличных характеристик термометр с цифровой схемой практически не имеет конкурентов. Предлагаемые в продаже спиртовые приборы проигрывают ему по точности и удобству восприятия данных.

Электронные модели могут располагаться в любом месте, ведь в контролируемом помещении необходимо расположить только небольшой датчик, подключённый к устройству. Этот тип используется во многих технологических процессах промышленности, например, строительных, аграрных, энергетических. С их помощью контролируется:

• температура воздуха в производственных и жилых зданиях;
• проверка нагрева сыпучих продуктов;
• состояние вязких материалов.

Принцип работы

Перед тем как непосредственно приступить к изготовлению электронного термометра, следует разобраться в принципе его действия и определиться, из каких узлов будет состоять конструкция. Промышленно выпускаемые электронные градусники различаются по своим размерам и назначению. Но все они построены на однотипном принципе действия.

Проводимость материала изменяется в зависимости от температуры окружающей среды. Основываясь на этом и проектируется схема электронного градусника. Так, чаще всего в конструкции применяется термопара. Это электронный прибор, стоящий из двух сваренных между собой металлов. На поверхности каждого из них имеется контактная площадка, подключённая к измерительной схеме. При нагревании или охлаждении контактов возникает термоэлектродвижущая сила, появление и изменение которой регистрируется платой электроники.

В устройствах нового поколения вместо термочувствительного элемента используется кремниевый диод. Полупроводниковый радиоэлемент, у которого наблюдается зависимость вольт-амперной характеристики от температурного воздействия. Иными словами, при прямом включении (направление тока от анода к катоду) значение падения напряжения на переходе изменяется в зависимости от нагрева полупроводника.

Обработанные данные выводятся на дисплей, с которого уже визуально снимаются пользователем. Цифровые градусники позволяют измерять изменения температуры в диапазоне от -50 ° С до 100 ° С.

Всего же в конструкции простого термометра можно выделить пять блоков:

1. Датчик — устройство, изменяющее свои параметры в зависимости от величины воздействующей на него температуры.
2. Измерительные провода — используются для выноса датчика и его расположения в различных местах, требующих контроля над температурой. Чаще всего это небольшого сечения в диаметре проводники, даже необязательно экранированные.
3. Плата электроники — содержит блок анализатора, фиксирующий изменения приходящего от датчика сигнала, а затем передающий его на экран.
4. Дисплей — монохромный или цветной экран, предназначенный для отображения данных об измеренной температуре.
5. Блок питания — собирается на типовых для радиоэлектроники интегральных микросхемах. Используется для стабилизации и преобразования питания, подающегося на все узлы платы.

Особенности изготовления

Человеку, увлекающемуся радиолюбительством, сделать электронный термометр своими руками по схеме не доставит трудностей, но в то же время обычному потребителю понадобится иметь хотя бы навыки паяния. Сегодня существует довольно много различных схем, отличающихся как сложностью повторения, так и дефицитностью радиодеталей.

При выборе схемы учитывают характеристики, которые она сможет обеспечить будущему измерительному устройству. В первую очередь — это диапазон измеряемых температур, а во вторую – погрешность. Конструктивно можно собрать проводную и беспроводную модель. При сборке второго типа используется радиомодуль, значительно удорожающий изделие.

Из-за использования чувствительных специализированных микросхем собирать навесным монтажом схему вряд ли получится. Поэтому предварительно изготавливается печатная плата. Делать её лучше из одностороннего фольгированного стеклотекстолита методом «лазерно-утюжной технологии».

Суть метода заключается в том, что с помощью, например, Sprint Layout, рисуется печатная схема устройства и распечатывается в зеркальном отображении в масштабе 1:1 на лазерном принтере. Затем, приложив отпечатанный рисунок изображением вниз к фольгированному слою, проглаживают чертёж разогретым утюгом. Из-за особенностей тонера изображение линий перенесётся на стеклотекстолит. Далее плата погружается в ванную с реактивом, например, FeCl3.

В качестве индикатора можно использовать светодиодную матрицу, но лучше приобрести любой монохромный экран. Простой экран можно взять буквально за «копейки», например, подойдёт от старых системных блоков, выполненных в форм-факторе АТ. Если планируется конструкция с выносным датчиком, то неплохим вариантом будет использование шлейфа с диаметром проводника от 0,3 мм2, но в принципе подойдёт любой провод. При этом чем вынос датчика больше, тем большего сечения нужен и провод.

В схемотехнике некоторых термометров используются микроконтроллеры. Их применение позволяет упростить электрическую схему и повысить функциональность, но при этом требует навыков программирования и умения загружать прошивку. Для этого понадобится программатор, который можно также спаять самостоятельно, например, для LPT из пяти проводов.

Простой термометр

Конструкция простого термометра состоит всего из трёх деталей и тестера. В качестве датчика температуры в схеме используется LM35. Это интегральный прибор с калиброванным выходом по напряжению. Амплитуда на выходе датчика пропорциональна температуре. Точность измерений составляет 0,75° C. Запитывать интегральную микросхему можно как от однополярного источника, так и двухполярного. Предел измерений от -55 ° до 150° C.

В качестве мультиметра можно использовать стрелочный или цифровой прибор. К датчику согласно схеме подключают источник питания. Например, КРОНу или три соединённых последовательно пальчиковых батарейки. Измеритель же подключают к клеммам V и COM и переводят в режим измерения температуры. Потребление датчика при работе не превышает 10 мкА.

Диапазон измерения мультиметра устанавливается на два вольта. Отображённый на экране результат и будет соответствовать измеряемой температуре. Последняя цифра в числе обозначает десятые доли градуса.

При желании устройство можно сделать двухканальным. Для этого дополнительно необходимо будет изготовить механический или электронный переключатель.

Цифровая схема

Одна из самых простых схем состоит всего из нескольких элементов. В основе конструкции лежит использование датчика, выдающего значение температуры в цифровом коде. Стоимость термодатчика LM 335 не превышает 50 центов, при этом после калибровки его точность измерения составляет от 0,3 ° до 1,5° C. Датчик может измерять температуру от — 40 ° до 100° C. Выпускается он в двух корпусах — TO-92 и SOIC. В качестве аналога можно использовать отечественную микросхему К1019ЕМ1.

При монтаже длина соединительных проводов может достигать пяти метров. Калибровка схемы осуществляется изменением напряжения, подаваемым на вывод один. Необходимое значение рассчитывается по формуле:

Uвых = Vвых1 * T / To, где:

• Uвых – напряжение на выходе микросхемы;
• Uвых1 – напряжение на выходе при эталонной температуре;
• T и To – измеряемая и эталонная температура.

Напряжение, формирующее выходной сигнал, зависит от температуры, поэтому питание, подающееся на датчик, должно осуществляться от источника тока. Собирается он на двух транзисторах КТ209 и не требует дополнительных настроек. Максимальный ток питания не превышает 5 мА. Увеличение выходного напряжения на 10 мВ соответствует приросту температуры на один градус.

Использование микроконтроллера

Применение в схеме самодельного термометра микроконтроллера подразумевает использование программы, управляющей его работой. В качестве микросхемы применяется ATmega8, а датчика температуры — DS18B20.

В схеме используется небольшое число радиодеталей. Она несложная и не нуждается после сборки в какой-либо наладке. Напряжение питания микроконтроллера составляет пять вольт. Для его стабилизации используется микросхема L7805. Транзисторы можно использовать любые с NPN структурой. В качестве индикатора подойдёт трёхразрядный сегментный дисплей с общим катодом.

Температура устройством может изменяться в интервале от -55 ° до 125º С с шагом в 0,1º С. Погрешность измерения не превышает 0,5º С. Обмен данными между датчиком и микроконтроллером происходит по шине 1-Wire. При большом расстоянии выноса измерительной микросхемы DS18B20 от ATmega8 необходимо подобрать подтягивающее сопротивление. Распаять его лучше непосредственно на вывод датчика.

При программировании все установки микроконтроллера оставляются заводскими, и фьюзы не изменяются. Затем к собранному термометру можно добавить ещё один датчик, а также часы. Но для этого необходимо будет обладать знаниями в программировании, чтобы дописать программный код.

Точный термометр

Применение в качестве датчиков полупроводниковых диодов и транзисторов характеризуется сложностью калибровки показаний, что в итоге приводит к погрешности результата измерений. Поэтому для получения точного результата в качестве измерителя применяется бифилярно намотанная катушка из тонкого проводника, размещённая в цилиндре, имеющем размеры порядка 4х20 мм.

Основой конструкции является микросхема ICL707 и светящийся индикатор. Питание можно подавать от любого источника с выходной амплитудой 12 В. На DA3 собран нормирующий преобразователь, изменяющий своё выходное напряжение в зависимости от сигнала, поступаемого с датчика.

Настройка заключается в выставлении на 36 ноге микросхемы напряжения, равного одному вольту. Делается это с помощью резисторов R3 и R4. Вместо датчика подключают резистор на 100 Ом. Изменением сопротивления R14 устанавливают нули на цифровом индикаторе. После чего устройство готово к измерениям.

Источник