Обоснование выбора элементной базы

Для управления всеми элементами схемы выбран AT89C4051. Это широко распространенный, доступный и недорогой микроконтроллер. Развитые средства написания и отладки программ для него позволяют без больших затрат создавать устройства на его основе. Немаловажным критерием является доступность информации и описаний для него на русском языке. Небольшое количество сопутствующих элементов при создании электрической схемы также говорят за его выбор (необходимы только частотозадающие элементы для внутреннего тактирующего генератора).

В качестве датчика температуры выбран прибор DS1620 ф. Dallas Semiconductor. Он обладает следующими характеристиками:

1. не требует дополнительных внешних компонентов

2. диапазон рабочего питающего напряжения от 2.7В до 5.5В

3. измеряет температуру от -55°C до +125°C с шагом в 0.5°C

4. значение температуры считывается в виде 9-битного кода

5. преобразует температуру в цифровое значение за 1 секунду

6. параметры режима термостата задаются пользователем и хранятся в энергонезависимой памяти

7. данные читаются и записываются по 3-хпроводному последовательному интерфейсу (CLK, DQ, RST)

8. применяется для термостатического контроля, в промышленных системах, термометрах, любых термочувствительных системах

Микросхема DS1620 представляет собой цифровой термометр и термостат и обеспечивает получение температурных отсчетов, отражающих температуру устройства. Три вывода сигнализации температуры позволяют использовать прибор DS1620 в качестве схемы управления термостатом. На выходе TH устанавливается "высокий" уровень, если температура DS1620 становится больше или равна установленной пользователем температуре TH. Аналогично на выводе TL устанавливается "высокий" уровень, если температура становится меньше или равна температуре TL. На выходе TC устанавливается "высокий" уровень, если температура превышает TH и выходное состояние сохраняется до тех пор, пока температура не опустится ниже TL.

Определенные пользователем значения температуры сохраняются в энергонезависимой памяти, что позволяет запрограммировать прибор до установки в системе. Схема термостата таким образом останется работоспособной даже в случае отказа микроконтроллера и блока индикации, т.к. однажды запрограммированный датчик температуры сохранит настройки.

Индикатор пороговых значений собран на двухцветном светодиоде HL1. Его выбор связан с тем, что оба светодиода конструктивно расположены в одном корпусе, что экономит место и затраты при сборке устройства, и рабочее состояние светодиодов разнесено, т.е. каждый светодиод светит только в определенном непересекающемся интервале температур. Немаловажный фактор – яркость свечения. Она для этих светодиодов составляет 600мКд. Резистор R1 ограничивает ток через каждый светодиод. Т.к. одномоментно может светить только один светодиод, то и резистор можно взять один, включив его в общий катодный провод, а не два, включенных в анодные цепи. Сопротивление резистора должно ограничивать ток на должном уровне.

R= (Uvcc – Uled) / Iled,

где Uvcc – напряжение лог.1 от выхода TH или TL, 5в

Uled – падение напряжения на светодиоде, 2,3в

Iled – рабочий ток через светодиод, 4мА

Подставив эти значения в формулу, получаем (5-2,3)/0,004 = 675 Ом. Округляем до ближайшего значения ряда сопротивлений и выбираем 680 Ом.

Цепь сброса микроконтроллера при включении питания составлена из конденсатора С3 и резистора R2. Резистор R3 ограничивает ток вывода сброса при зарядке конденсатора.

Рабочая частота тактирующего генератора задана кварцевым резонатором ZQ1 и составляет 6МГц. Конденсаторы С4 и С6 необходимы для устойчивого запуска и выбраны такими, какие рекомендованы фирмой-изготовителем.

Управляющая цепь вентилятора состоит из оптопары U1 и токоограничительного резистора R4. Его сопротивление выбирается исходя из рабочего тока светодиода оптопары, которое составляет 5мА. Т.о. оно должно быть (5в-2,2в)/0,005А = 560 Ом.

Цепь включения нагревательного элемента состоит из оптопары U2, симистора VS1 и сопротивлений R8, R9, сопротивление которых взяты согласно рекомендованной схемы включения оптопары. Симистор выбран TC106-10-4 с током 10А, позволяющем коммутировать нагрузку.

Блок индикации собран на транзисторной сборке ULN2803 DD2 для коммутирования отдельных сегментов семисегментного индикатора, самих индикаторов HG1 и HG2 и транзисторных ключах VT1 и VT2. В общем виде схема управления каждым светодиодным сегментом выглядит следующим образом:

Рис 4.2

где VT1 – один из транзисторов VT1, VT2 по схеме,

DD2 – один из коммутирующих каналов микросхемы DD2,

R1 – резистор R6, R10 по схеме,

HG1 – каждый из сегментов индикаторов HG1.1 и HG1.2.

Узел на транзисторе VT1, равно как и на DD2, работает в ключевом режиме, т.е. имеет два состояния – открытый и закрытый.

Для того, чтобы закрыть VT1, на левый по схеме вывод R1 от микроконтроллера подается уровень лог.1. При этом напряжение между базой и эмиттером оказывается нулевым и транзистор оказывается запертым. Для открывания транзистора, т.е. перевода его в режим насыщения, с микроконтроллера подается уровень лог.0. Точно также управляется ключ DD2 с учетом того, что сигнал открывания – лог.1, а закрывания – лог.0.

В качестве транзистора выберем распространенный транзистор BC327, который позволяет коммутировать нагрузку, составленную из семи параллельных сегментов HG1.

Ток сегмента индикатора должен быть 10мА. Т.о. этот же ток будет протекать через открытый переход К-Э VT1. Связь между током коллектора и током базы биполярного транзистора, как известно, выражается следующей формулой:

Ic= h21э * Iб.

Поскольку сегментов, могущих светиться одновременно, восемь (цифра 8), то общий ток коллектора будет 10мА*8 = 80мА. Задаваясь коэффициентом усиления транзистора 100, находим по формуле, что ток базы должен составлять 80мА/100 = 0,8 мА. При напряжении лог0. сопротивление резистора R1 должно быть

R= U/I = 5в/0,8мА = 6250 Ом = 6,25 кОм (внимание, по схеме другой номинал!)

Внутренние цепи DD2 по цепи управления уже подобраны изготовителем на должном уровне для использования сигналов логических уровней.

Резисторы R7 и R11 подтягивают базы транзисторов к эмиттерам для устойчивого запертого состояния транзисторов при переходных процессах в схеме. Они могут быть порядка 1..10кОм. Мы установили резисторы сопротивлением 6,8 кОм.

Блок питания сконструирован по трансформаторной схеме. Предохранитель FU1 защищает схему от короткого замыкания и перегреве выше 117 градусов по Цельсию. Напряжение со вторичной обмотки трансформатора Т1 поступает через фильтр С1 и С2 на интегральный стабилизатор напряжения DA1. Поскольку ток потребления устройства не превышает 100мА (индикаторы 80мА + микроконтроллер 10мА + датчик 4мА), то оказалось возможным использовать микросхему 78L05 с выходным напряжением 5в.