Termometr LED na układach CMOS

Witam wszystkich. Dzisiaj chciałbym przedstawić Wam mój pierwszy projekt na majsterkowie, a mianowicie Termometr LED zbudowany m. in. na układach CMOS serii 4000.

Już od dawna chciałem zbudować jakiś pożyteczny układ zbudowany na poczciwych układach serii 4000. No więc, dlaczego nie? Wybór padł na termometr.

Po co to komu?

Ktoś może spytać po co bawić się na pojedynczych licznikach/bramkach jeśli można użyć mikroprocesora? Odpowiedź jest prosta, w celach edukacyjnych. Nie samymi procesorami elektronika żyje, więc warto poszerzać swoje horyzonty.

Logika, czyli co z czym i dlaczego:

Schemat blokowy:

a). Czujnik temperatury:

Jako czujnik temperatury wykożystałem popularny LM335. Czujnik daje nam napięcie roporcjonalne do temperatury 10mV/°K. LM335 przetwarza poprawnie w zakresie temperatur od -40°C do 100°C. Producent zapewnia typową dokładność 1°C skalibrowanego czujnika w temperaturze 25°C.

b) . Wzmacniacz pomiarowy:

Aby mierzyć temperaturę w skali Celsjusza musiałem znaleźć źródło napięcia referencyjnego 2,7315 [V] (jest to napięcia na wyjściu czujnika przy temperaturze 0°C). Wybór padł na popularną precyzyjną regulowaną diodę Zenera TL431.

W celu uzyskania przetwarzania 10mV/°C zastosowałem precyzyjny wzmacniacz pomiarowy firmy Texas Instruments INA128.  Sygnał z czujnik azostał podany na wejście nieodwracające wzmacniacza, a napięcia odniesienia na wejście odwracające.

c). Układ sterowania znakiem:

Napięcie wyjściowe układu INA128 jest ujemne dla temperatur poniżej 0°C. Natomiast na wejście układu przetwornika U/F mogą być dostarczane napięcia dodatnie względem masy.  Dlatego, aby zapewnić pojawianie się tylko dodatniego napięcia na wejściu przetwornika zaprojektowałem prosty układ kontroli polaryzacji napięcia. Układ sterowania zbudowałem na wzmacniaczu operacyjnym OP07 i kluczach analogowych 4066.

c). Przetwornik U/F:

W celu zbudowania przetwornika U/F użyłem układu TC9401 firmy Microchip. Zastosowałem zalecaną w nocie katalogowej konfigurację układu zasilaną symetrycznym napięciem ±5V.

d). Generator wzorcowy:

Generator wzorowy został zbudowany na układzie CD4521. Jest o układ z rodziny CMOS zawierający 24 bitowy licznik binarny, który wraz z dedykowanym rezonatorem kwarcowym 4,194304 MHz pozwala na uzyskanie częstotliwości 1 Hz na jednym z wyjść.

e). Układ sterowania liczników i dekoderów:

Sygnał 1 Hz jest podawany na układ sterowania dekoderami i licznikami, który jest zbudowany na bramkach Schmitta formujących impulsy z układów różniczkujących.

f). Liczniki:

Jako liczniki użyłem układów CMOS CD4029. Jest to synchroniczny licznik rewersyjny. Układ został pracuje konfiguracji licznika dziesiętnego, liczącego w przód, zliczającego narastające zbocza impulsów zegarowych.

g). Dekodery:

Jako dekodery zostały użyłem układów CD4511. Są to popularne dekodery zawierające zatrzask, dekoder kodu BCD na kod wskaźnika siedmiosegmentowego oraz wzmacniacze prądowe z tranzystorami bipolarnymi na wyjściach segmentowych a-g.

h). Wyświetlacze:

Jako wyświetlaczy użyto czerwonych wskaźników 7 segmentowych ze wspólną katodą.

Realizacja praktyczna:

Projekt płytki stworzyłem w popularnym programie Eagle. A oto on:

1. Liczniki, dekodery i wyświetlacze:

2. Czujnik i część sterująca:

3. Generator:

Podsumowanie:

Termometr nie jest zbyt skomplikowany, chociaż trochę zajęło mi ogarnięcie wszystkiego jednak w 100% spełnia swoje zadanie. Jeśli ktoś z Was chciałby coś takiego sobie zbudować to większość elementów jest dostępna bez problemu (jedynym problemem mogą być układy INA128 i TC9401 – ale można je spokojnie dostać jako sample). Reszta potrzebnych rzeczy leżała gdzieś w zaciszu domowych szuflad.

Jestem bardzo zadowolony z efektów pracy jakie udało mi się uzyskać. Wiele się przy tej okazji nauczyłem co na pewno zaowocuje w przyszłości. Zachęcam Was do działania!

Na koniec kilka zdjęć omawianego termometru i filmik:

Filmik: