Программа Сервисный Центр
0

Портативный автономный логгер температуры, влажности и освещенности. Часть 1


В статье мы рассмотрим конструкцию небольшого автономного устройства, предназначенного для регистрации данных о температуре, влажности и внешней освещенности. Подобные приборы, получившие название регистраторы данных или логгеры, необходимы для непрерывного отслеживания основных параметров окружающей среды, например при доставке грузов.

В общем случае, одними из основных требований, предъявляемых к подобным устройствам, являются компактность и низкое энергопотребление. Рассматриваемое устройство выполнено на микроконтроллере серии PIC18F2620, может питаться от Li-Ion батареи (3.7 В) или USB интерфейса, достаточно компактное, имеет интерфейс настройки, часы реального времени, схему подзарядки батареи и интерфейс USB-UART для конфигурирования и обмена данными. Регистрация всех данных с датчиков выполняется с отметкой времени на карте памяти microSD (Рисунок 1).

Портативный автономный логгер температуры, влажности и освещенности. Часть 1
Рисунок 1. Автономный логгер температуры, влажности и освещенности.

Аппаратная часть

Внешний вид платы изображен на Рисунке 2. Полная принципиальная схема в формате PDF доступна для скачивания в разделе загрузок. Далее мы рассмотрим схемотехнику основных узлов устройства.

Перед описанием схемы следует отметить один момент. На схеме и печатной плате вы видите цифровой датчик температуры DS18B20, но в текущей версии устройства он не используется. Связано это с тем, что автор не был уверен в возможности припаять датчик температуры и влажности HDC1050, и как крайний вариант измерения температуры было решено использовать DS18B20.

Портативный автономный логгер температуры, влажности и освещенности. Часть 1
Рисунок 2. Основные компоненты даталоггера и их расположение на печатной плате.

На основной блок-схеме (см. стр. 1 PDF-файла) изображены разъем USB mini-B (Molex 54819-0572) и сборка защитных диодов TVS для защиты USB интерфейса и других соединений.

Схема управления питанием

Как было отмечено выше, устройство может питаться от аккумулятора или от внешнего источника 5 В (USB порт). Помимо этого схема питания позволяет заряжать аккумулятор от USB порта – для этого используется микросхема MCP73832-2ACI/OT  компании Microchip с резистором R2 4.7 кОм (не 10 кОм, как указано в схеме) для установки зарядного тока на уровне 200 мА (Рисунок 3, 5). Для питания устройства применяется Li-Ion аккумулятор 3.7 В / 1100 мАч. Светодиоды D4 (красный) и D5 (зеленый) – индикаторы заряда, а свечение D1 (зеленый) свидетельствует о питании устройства от USB.

Портативный автономный логгер температуры, влажности и освещенности. Часть 1
Рисунок 3. Схема даталоггера: контроль и управление питанием.

Схем управления питанием является самой «горячей» точкой схемы (Рисунок 4), в режиме заряда аккумулятора. Тем не менее, эта высокая температура не является критической, и при таком подходе аккумулятор полностью заряжается за 5 часов.

Портативный автономный логгер температуры, влажности и освещенности. Часть 1
Рисунок 4. Тепловой режим основных узлов устройства в режиме заряда батареи.

Напряжение питания микроконтроллера и периферии 3 В, поэтому используется LDO регулятор напряжения TPS76930DBVR с максимальным выходным током 100 мА и типовым падением напряжения 115 мВ. Еще один LDO регулятор напряжения (U10) применен в схеме питания USB-UART конвертера. Входное напряжение на данный регулятор поступает только от USB интерфейса, поэтому, когда устройство не подключено к USB, регулятор и конвертер USB-UART обесточены.

Напряжение аккумулятора измеряется с помощью интегрированного АЦП микроконтроллера по аналоговому каналу RA3. Резистивный делитель (R19, R20) необходим для адаптации максимального значения напряжения аккумулятора (4.2 В по окончанию зарядки) к максимальному напряжению на аналоговом входе микроконтроллера (3.0 В).

При указанной схеме управления питанием и Li-Ion аккумуляторе емкостью 1100 мАч длительность автономной работы устройства составляет примерно 10 дней. В программе микроконтроллера не используются какие-либо режимы пониженного энергопотребления. Даталоггер потребляет 5 - 6 мА - это включая датчик температуры DS18B20 (в котором, со слов автора,  нет необходимости). Если исключить датчик температуры DS18B20, оптимизировать программу микроконтроллера и использовать энергосберегающие режимы работы, то длительность непрерывной работы устройства можно легко увеличить до 3 недель.

Портативный автономный логгер температуры, влажности и освещенности. Часть 1
Рисунок 5. Даталоггер: потребление тока в режиме заряда аккумулятора.

Микроконтроллер

«Мозг» даталоггера – микроконтроллер (MK) PIC18F2620. Это высокопроизводительный 8-разрядный МК с Flash-памятью 64 Кбайт, 3968 Байт ОЗУ и 1 Кбайт энергонезависимой памяти EEPROM. Богатая цифровая и аналоговая периферия, интерефейсы обмена данными UART, I2C и др. – все упаковано в 28-выводынй корпус SOIC. Ресурсов данного прибора вполне достаточно для этого проекта.

Конечно же, на плате предусмотрен разъем для внутрисхемного программирования, а также дополнительные разъемы J4 и J5 на которые выведены не используемые линии ввода/вывода МК (RA1, RA2, RA4) и питание (Рисунок 6).

Портативный автономный логгер температуры, влажности и освещенности. Часть 1
Рисунок 6. Схема даталоггера: микроконтроллер, датчик DS18B20, порты
расширения, интерфейс внутрисхемного программирования.

Интерфейс I2C

По цифровому интерфейсу I2C к МК подключены датчик температуры и влажности HDC1050 и часы реального времени (RTC) M41T00S. Для RTC предусмотрен  резервный источник питания типа CR1220. Кроме того, сигналы интерфейса I2C доступны на разъеме J1 (Рисунок 7) для расширения функционала. Обмен данными по интерфейсу I2C реализован программно, поскольку в микроконтроллере соответствующие сигнальные линии совмещены с линиями интерфейса SPI, а последний нам необходим для записи данных на карту памяти.

Портативный автономный логгер температуры, влажности и освещенности. Часть 1
Рисунок 7. Схема даталоггера: датчик  температуры и влажности,
часы реального времени.

Датчик освещенности

Датчик внешней освещенности TEMT6000X01 подключен к аналоговому порту МК RA0 (Рисунок 8). Ввиду того, что встроенный АЦП имеет разрешение 10 бит, максимальное значение АЦП (1023) будет соответствовать максимальному уровню освещенности.

Портативный автономный логгер температуры, влажности и освещенности. Часть 1
Рисунок 8. Схема даталоггера: датчик освещенности.

Преобразователь USB - последовательный порт

Преобразователь выполнен на микросхеме MCP2221 (Microchip), которая представляет собой универсальный мост USB – UART/I2C/SMBus с дополнительными портами ввода/вывода. Это довольно надежное решение с минимальным количеством внешних компонентов [1]. К дополнительным портам ввода/вывода подключены светодиоды для индикации режима работы преобразователя (Рисунок 9).

Портативный автономный логгер температуры, влажности и освещенности. Часть 1
Рисунок 9. Схема даталоггера: преобразователь USB - последовательный
интерфейс (UART/I2C/SMBus) на микросхеме MCP2221.

Слот для карты памяти microSD

Для установки каты памяти microSD используется разъем Molex 500901-0801, который очень удобен при ручной пайке и имеет очень надежный механизм фиксации карты памяти. Обмен данными с картой памяти ведется по интерфейсу SPI [2]. Схема интерфейса стандартная и изображена на Рисунке 10.

Портативный автономный логгер температуры, влажности и освещенности. Часть 1
Рисунок 10. Схема даталоггера: SPI интерфейс карты памяти microSD.

Пользовательские кнопки и светодиоды

В данной версии две кнопки (активный низкий уровень) используются для ручной установки маркера в текущем файле данных (кнопка P1) и для ручного создания нового файла (P2). Светодиоды на данный момент не задействованы, но вы сможете самостоятельно назначить им требуемую функцию, как и изменить назначение кнопок.

Конструкция

Печатная плата устройства двухсторонняя, но, для упрощения монтажа и пайки с расположением всех компонентов только на верхнем слое; габаритные размеры 50 × 50 мм. Проектные Gerber-файлы доступны для скачивания в разделе загрузок. На Рисунке 11 изображен 3D макет платы в Altium Designer. Просмотреть Gerber-файлы можно с помощью специальной программы или используя онлайн инструмент EasyEDA Gerber Viewer. Кстати в EasyEDA можно сразу заказать изготовление печатной платы по GERBER (Рисунок 12).

Портативный автономный логгер температуры, влажности и освещенности. Часть 1
Рисунок 11. Предварительный просмотр платы в Altium Designer в режиме 3D.
 
Портативный автономный логгер температуры, влажности и освещенности. Часть 1
Рисунок 12. Вид печатной платы даталоггера в EasyEDA Gerber Viewer.

Корпус для устройства, а если быть точнее, платформа для закрепления платы, изготовлен на 3D принтере (Рисунок 13, 14). Корпус подразумевает размещение аккумулятора под печатной платой. В качестве крепежных элементов корпуса выбраны неодимовые магниты, которые устанавливаются в специальные выемки. Таким образом даталоггер можно установить на любую металлическую поверхность, не используя дополнительные инструменты и материалы для крепления.

Портативный автономный логгер температуры, влажности и освещенности. Часть 1
Рисунок 13. Внешний вид корпуса для даталоггера с магнитами для крепления.
  
Портативный автономный логгер температуры, влажности и освещенности. Часть 1
Рисунок 14. Даталоггер: печатная плата и аккумулятор установлены в корпус.

Загрузки

  • Принципиальная схема даталоггера (PDF) - скачать
  • GERBER-файлы проекта печатной платы - скачать
  • Проектные файлы для изготовления корпуса - скачать
  • Дополнительные материалы

  • Микросхема преобразователя интерфейсов USB-to-UART/I2C MCP2221
  • Спецификация microSD карт памяти (PDF, англ.)
  • Окончание

     
     
    Информация
    Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии в данной новости.
     
    Обратная связь

    Наши партнеры

     

    Опросы

    Есть ли справедливость в жизни?
    Конечно есть, уверен!
    Вроде как должна быть, но...
    Затрудняюсь ответить...
    Какая справедливость? О чем Вы?
    Эх.., нет правды на свете!

     

    Облако тегов

    Требуется для просмотраFlash Player 9 или выше.

    Показать все теги
     

    Календарь публикаций

    «    Декабрь 2016    »
    ПнВтСрЧтПтСбВс
     
    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    10
    11
    12
    13
    14
    15
    16
    17
    18
    19
    20
    21
    22
    23
    24
    25
    26
    27
    28
    29
    30
    31
     
     

    Архив новостей

    Декабрь 2016 (15)
    Ноябрь 2016 (42)
    Октябрь 2016 (34)
    Сентябрь 2016 (38)
    Август 2016 (34)
    Июль 2016 (36)
     
    Наверх Сервисные мануалы Даташиты Ремонт LCD, ЖК телевизоров LG Samsung Скрипт программы "Сервисный центр"