eT - wielokanałowy, bezprzewodowy system pomiaru temperatury

eT - wielokanałowy, bezprzewodowy system pomiaru temperatury

W swojej praktyce inżynierskiej kilkakrotnie podejmowałem wyzwanie skonstruowania systemu bezprzewodowej akwizycji danych. Tym razem stanąłem przed wyzwaniem skonstruowania prostego systemu bezprzewodowego pomiaru temperatury, który, po pierwsze, nie wymagałby żadnej konfiguracji, zaś po drugie, odznaczał się walorem w postaci niskiego poboru energii przez węzły pomiarowe. Co więcej, zależało mi na użyciu łatwo dostępnych i tanich modułów radiowych wyposażonych w tryb niskiego poboru mocy.

Podstawowe parametry:
  • Węzeł pomiarowy:
    • źródło napięcia zasilania: bateria CR2032,
    • maksymalny prąd obciążenia (tryb uśpienia/nadawanie): 10 μA/22,6 mA,
    • liczba adresów: 8,
    • zakres mierzonych temperatur: –30...50°C,
    • rozdzielczość mierzonych temperatur: 0,5°C,
    • dokładność pomiaru temperatury (typowa): 0,4°C,
    • częstość transmisji danych: co 64 s,
    • częstotliwość pracy transceivera: 868 MHz,
    • zasięg w terenie otwartym: ok. 100 m.
  • Moduł odbiornika:
    • napięcie zasilania: 4…9 V,
    • maksymalny prąd obciążenia: 30 mA,
    • częstotliwość pracy transceivera: 868 MHz,
    • zasięg w terenie otwartym: ok. 100 m.

Do tej pory opracowałem zarówno dość proste konstrukcje zawierające nieskomplikowane moduły radiowe pracujące w paśmie 433 MHz i pozbawione jakiegokolwiek stosu komunikacyjnego, jak i zaawansowane układy pracujące na bazie technologii ZigBee, a więc korzystające z wszelkich dobrodziejstw tego medium komunikacyjnego. Za każdym razem był to jednak pewien kompromis pomiędzy funkcjonalnością tak zbudowanego systemu, kosztem jego implementacji a energooszczędnością.

Tym razem stanąłem przed wyzwaniem skonstruowania prostego systemu bezprzewodowego, który będzie odznaczał się niskim poborem energii przez węzły pomiarowe. Jako że w moim poprzednim projekcie energooszczędnego systemu pomiaru temperatury z EP 8/18, EP 9/18 zdobyłem duże doświadczenie w zakresie obsługi bardzo ciekawych modułów radiowych RFM12B produkowanych przez firmę HopeRF, zdecydowałem się na ich zastosowanie również w niniejszym urządzeniu. Moduły, o których mowa, pracują w paśmie 433, 868 lub 915 MHz (w zależności od wersji) i są przedstawicielami licznej rodziny produktów. Stanowią kompletne rozwiązanie toru radiowego nadawczo-odbiorczego, dostarczając wygodny interfejs komunikacyjny SPI pozwalający na przeprowadzenie pełnej konfiguracji elementu w ramach dostępnej szerokiej palety ustawień i sterowanie komunikacją radiową. W tym miejscu nie będę powtarzał informacji dotyczących specyfikacji i obsługi tych peryferiów, gdyż takowe zamieściłem w ramach wspomnianych wcześniej artykułów, w związku z czym zainteresowanych tymi szczegółami Czytelników odsyłam do wskazanych wcześniej wydań EP.

Budowa i działanie

Przejdźmy od razu do szczegółów konstrukcyjnych przedmiotu niniejszego artykułu, a mianowicie bezprzewodowego, energooszczędnego systemu wielopunktowego pomiaru temperatury, który w założeniach charakteryzować się ma następującymi cechami funkcjonalnymi:

  • obsługa do 8 adresowalnych węzłów pomiarowych (modułów nadawczych),
  • zasilanie bateryjne i bardzo niski pobór mocy węzła pomiarowego,
  • pozostawanie w uśpieniu węzłów pomiarowych i cykliczne wybudzanie się, któremu towarzyszy przesyłanie wartości mierzonej temperatury oraz stanu baterii zasilającej,
  • efektowny, graficzny interfejs użytkownika po stronie układu nadrzędnego (modułu odbiorczego),
  • wysoka ergonomia obsługi całego systemu i brak konieczności konfiguracji,
  • kontrola aktywności węzłów pomiarowych przez układ nadrzędny.

Kilka niezbędnych słów uwagi należy się zasilaniu węzłów pomiarowych. Założono, że moduł nadawczy będzie pracował z zasilaniem bateryjnym w postaci pastylki CR2032 i większość swojego czasu będzie pozostawał w uśpieniu (dla ograniczenia poboru mocy), czekając na wybudzenie przez odpowiednio skonfigurowany podsystem mikrokontrolera nazywany watchdogiem. Wspomnianemu wybudzeniu (mikrokontrolera i modułu RF) towarzyszyć będzie wysłanie komunikatu do adresowalnego układu nadrzędnego i ponowne uśpienie urządzenia. W ten prosty sposób ograniczamy do minimum pobór energii ze źródła zasilania, pozwalając na wieloletnią pracę urządzenia. Uważny Czytelnik dostrzeże pewne ograniczenia i sformułuje związane z nimi zapytania. Otóż bateria CR2032 przeznaczona jest do zasilania urządzeń (3 V) cechujących się bardzo niskim poborem prądu rzędu ułamków mA do pojedynczych mA. Nasz układ po wybudzeniu aktywuje nadajnik modułu RFM12B, który w czasie transmisji pobiera prąd rzędu 22,6 mA (maksymalnie), co stanowi bardzo duże obciążenie dla baterii zasilającej.

Na szczęście transmisja trwa około 12 ms, w związku z czym pobrana energia jest niewielka, niemniej jednak takie obciążenie skromnej baterii niesie za sobą pewne reperkusje. Po pierwsze, z czasem spada jej znamionowa pojemność, napięcie znamionowe oraz wzrasta rezystancja wewnętrzna. Spadek pojemności nie jest jakiś drastycznie wielki, ale można go szacować na 25%, przy spadku napięcia baterii do 2,2 V. Zagadnienie jest naprawdę bardzo ciekawe, w związku z czym zachęcam ambitnych Czytelników do zgłębienia tematu pod adresem internetowym [1], gdzie inżynierowie firmy Energizer i Nordic Semiconductor bardzo drobiazgowo zaprezentowali ten interesujący temat w dokumencie o nazwie High pulse drain impact on CR2032 coin cell battery capacity.

Na szczęście główne podzespoły nadajnika pracują już przy niewielkich napięciach zasilających (moduł RF: 2,2 V, mikrokontroler: 1,8 V) i nawet przy 25% spadku pojemności tego typu aplikacja powinna zapewnić długą pracę urządzenia. Aby ocenić, jak długo węzeł pomiarowy pracował będzie na pojedynczej baterii CR2032, należy zastanowić się, z jakich etapów składa się praca węzła pomiarowego i jakie są wtedy prądy pobierane ze źródła napięcia zasilającego. Przystępując do obliczeń, przyjąłem następujący podział cyklu pracy urządzenia:

  • etap trybu power-down (uśpienia), który trwa z dużym przybliżeniem 24 h/dobę i podczas którego pobierany jest prąd rzędu 10 μA,
  • etap pomiarów przetwornika ADC (po wybudzeniu), który trwa średnio 3 ms i podczas którego pobierany jest prąd rzędu 0,4 mA,
  • etap transmisji modułu RFM12B (po wybudzeniu), który trwa średnio 12 ms i podczas którego pobierany jest prąd rzędu 22,6 mA.

Założono ponadto, że pomiary przetwornika ADC i następująca po nich transmisja wykonywane są co 64 s, a więc 1350 razy na dobę. Przy tych założeniach otrzymano ponad 17 miesięcy pracy węzła pomiarowego na pojedynczej baterii CR2032 (o zredukowanej o 25% pojemności), co wydaje się wartością co najmniej zadowalającą.

Przejdźmy zatem do schematu układu podrzędnego, czyli węzła pomiarowego, który został pokazany na rysunku 1. Jak widać, zaprojektowano bardzo prosty system mikroprocesorowy, którego sercem jest niewielki mikrokontroler ATtiny24A (niskonapięciowy) taktowany wewnętrznym oscylatorem 1 MHz sterujący pracą modułu transceivera dzięki realizacji programowej obsługi interfejsu SPI oraz obsłudze przerwania zewnętrznego Pin Change Interrupt 1 (wyprowadzenie PCINT9) odpowiedzialnego za mechanizm wysyłania danych.

Rysunek 1. Schemat ideowy węzła pomiarowego

Ponadto, dzięki użyciu przetwornika ADC, wbudowanego w mikrokontroler sterujący, możliwy stał się pomiar temperatury przetwornika temperatura/napięcie pod postacią układu LMT85 oraz pomiar napięcia baterii zasilającej.

Co ciekawe, na pierwszy rzut oka nie wydaje się, aby nasz sterownik w jakikolwiek sposób używał przetwornika ADC do pomiaru napięcia baterii zasilającej, gdyż żaden z jego kanałów wejściowych nie jest przez niego używany w tym celu. To prawda, patrząc na schemat układu i nie mając do dyspozycji listingu programu, można by wysnuć taki wniosek. Jest jednak zgoła inaczej. Nasz przetwornik ADC mierzy w takim przypadku specjalne, wewnętrzne napięcie odniesienia VBG=1,1 V dzięki temu, że wewnętrzny, analogowy multiplekser przetwornika może zostać właśnie w ten sposób ustawiony. Napięciem odniesienia jest w takim wypadku napięcie zasilające mikrokontroler, czyli napięcie dostarczane na wyprowadzenie VCC. Skoro mierzone napięcie ma wartość stałą (1,1 V), zaś napięcie odniesienia wartość zmienną, w prosty sposób możemy ustalić jego wartość. Prawda, że ciekawe? Dzięki temu prostemu trikowi możliwy stał się pomiar napięcia baterii zasilającej bez angażowania dodatkowego pinu mikrokontrolera.

Dodatkowo, mikrokontroler obsługuje 3 wyprowadzenia adresowe A0…A2 (pola lutownicze), pozwalające na ustawienie adresu sprzętowego węzła pomiarowego.

Zgodnie z tym, co napisano już wcześniej, nasz węzeł pomiarowy powinien charakteryzować się minimalnym zapotrzebowaniem na energię elektryczną, jako że jest zasilany niewielką baterią CR2032. W związku z powyższym zastosowano poniższe mechanizmy programowo-sprzętowe:

  • wyłączono wszystkie nieużywane peryferia mikrokontrolera (komparator analogowy, TIMER1, TIMER0, USI),
  • wprowadzono mikrokontroler w tryb niskiego poboru mocy power-down, z którego wybudzany jest cyklicznie co 8 s poprzez odpowiednio skonfigurowany układ watchdog, którego zadziałanie nie powoduje zresetowania mikrokontrolera, tylko wywołanie stosownego przerwania systemowego mającego możliwość wybudzania mikrokontrolera. Wybudzony mikrokontroler raz na 8 wybudzeń (czyli co 64 s) inicjuje transmisję danych, po czym przechodzi ponownie w tryb power-down,
  • nieużywany transceiver RFM12B wprowadzany jest każdorazowo w tryb niskiego poboru mocy.

Prawda, że proste? Nasz węzeł pomiarowy, pracując wyłącznie w trybie nadajnika, wysyła każdorazowo 3 bajty danych użytecznych: swój adres sprzętowy, wartość zmierzonej temperatury zewnętrznej (ze znakiem) oraz wartość napięcia zasilania. Nie jest sprawdzana obecność częstotliwości nośnej, a więc zajętość pasma transmisji, ale przeprowadzone testy praktyczne wykazały, że ryzyko kolizji danych jest naprawdę pomijalne, zwłaszcza przy tak skonstruowanym systemie pomiarowym.

Na listingu 1 pokazano wygląd funkcji main programu obsługi węzła pomiarowego, realizującą całą, założoną funkcjonalność.

Listing 1. Ciało funkcji main węzła pomiarowego

int main(void) {
char Data[3];
uint8_t timer8s = 0, Address;

_delay_ms(1000);

//Nieużywane, jako wyjściowe ze stanem 0
DDRA |= (1<<PA4);
//Port sztucznej masy, jako wyjściowy ze stanem 0
GND_DDR |= (1<<GND_NR);
//Podciągnięcie portu adresu do VCC
ADDRESS_PORT |= (1<<PA3)|(1<<PA2)|(1<<PA1);
_delay_ms(1);
//Odczytanie adresu urządzenia
Address = (ADDRESS_PIN & 0b1110) >> 1;
//Port sztucznej masy, jako wyjściowy ze stanem 1
GND_PORT |= (1<<GND_NR);
//Redukcja poboru mocy przez wyłączenie modułów
//(lub ich zegarów): TIMER1, TIMER0, USI
PRR = (1<<PRTIM1)|(1<<PRTIM0)|(1<<PRUSI);
//Wyłączenie komparatora analogowego
dla zmniejszenia poboru mocy
ACSR = (1<<ACD);
//Uruchomienie i konfiguracja watchdoga:
//Watchdog Timeout Interrupt Enable, Timeout: 1024K cycles -> 8.0 s
WDTCSR = (1<<WDIE)|(1<<WDP3)|(1<<WDP0);
//Uruchomienie i konfiguracja RFM12B, w tym interfejsu SPI
RFM12bInit(MASTER_ID);
//Wprowadzmy moduł RFM12B w tryb power-down
RFM12bPowerDown();


while(1) {
cli();
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
sleep_enable();
sei();
sleep_cpu();
//--------------------------------------------------------------
//W tym miejscu śpimy i czekamy na wybudzenie
//przez zmianę stanu przycisku SW
//--------------------------------------------------------------
sleep_disable();

//Co 64 sekundy wysyłamy dane do mastera
if(timer8s == 0)
{
//Wykonanie niezbędnych pomiarów
Data[0] = Address; //Adres sprzętowy naszego urządzenia
//Mierzona temperatura
Data[1] = ADCmeasure(ADC_CHANNEL_TEMP);
//Napięcie zasilania
Data[2] = ADCmeasure(ADC_CHANNEL_VCC);
//Wyłączenie ADC dla oszczędzania energii
ADC_STOP_MEASURE;

//Wychodzimy z trybu power-down modułu RFM12b
RFM12bPowerUp();

//Uruchomienie przerwania odpowiedzialnego za nadawanie
GIFR |= (1<<PCIF1);
GIMSK |= (1<<PCIE1);

//Inicjujemy wysłanie ramki danych
RFM12bStartTx(Data, 3, MASTER_ID);
//Czekamy na zakończenie transmisji
while(RFM12B.Status != PACKET_SENT);

//Wyłączenie przerwania odpowiedzialnego za nadawanie
GIMSK &= ~(1<<PCIE1);

//Wprowadzmy moduł RFM12B w tryb power-down
RFM12bPowerDown();
}
timer8s = (timer8s+1) & 0b111;
}
}

Tyle w kwestii konstrukcji oprogramowania węzła pomiarowego, a zatem czas na omówienie schematu ideowego jednostki nadrzędnej, której zadaniem jest obsługa węzłów pomiarowych i wizualizacja przesyłanych danych. Schemat ideowy układu nadrzędnego pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Schemat ideowy układu nadrzędnego systemu pomiarowego

Tak jak poprzednio, zaprojektowano bardzo prosty system mikroprocesorowy, którego sercem jest niewielki mikrokontroler ATtiny84 taktowany rezonatorem kwarcowym o częstotliwości 4 MHz sterujący pracą modułu transceivera dzięki realizacji programowej obsługi interfejsu SPI oraz obsłudze przerwania zewnętrznego Pin Change Interrupt 0 (wyprowadzenie PCINT3) odpowiedzialnego za mechanizm odbierania danych. Ponadto mikrokontroler obsługuje graficzny wyświetlacz OLED o rozdzielczości 128×64 stanowiący interfejs użytkownika (także dzięki realizacji programowej obsługi interfejsu SPI) oraz programowy interfejs USART (wyjście TX) pozwalający na transmisję pomiarów do innych systemów akwizycji danych.

Zastosowanie programowej implementacji wyjściowego interfejsu USART wynikało z faktu, że zastosowany rodzaj mikrokontrolera nie ma sprzętowej instancji tego rodzaju peryferium. Dodatkowo, dla maksymalnego uproszczenia implementacji, przyjęto następujące założenia dotyczące parametrów transmisji: prędkość transmisji równa 9600 bitów na sekundę, 1 bit startu, 1 bit stopu, bez bitu kontroli parzystości.

Przejdźmy zatem do zagadnień implementacyjnych odpowiedzialnych za to zadanie. Do realizacji programowego nadajnika interfejsu USART o podanych wyżej parametrach zastosowano układ czasowo-licznikowy Timer0, skonfigurowany do pracy w trybie CTC w taki sposób, by jego przerwanie od porównania wywoływane było 9600 razy na sekundę, a więc co 104 μs. To właśnie we wspomnianym przerwaniu, zupełnie w tle programu głównego, odbywa się przesyłanie danych.

Listing 2. Plik nagłówkowy modułu programowego USART-a

#define USART_TX_PORT PORTB
#define USART_TX_DDR DDRB
#define USART_TX_NR PB2
#define USART_MAX_BYTES 8
#define STOP_TRANSMISSION TCCR0B = 0x00
//Preskaler=8
#define START_TRANSMISSION TCCR0B = (1<<CS01)

typedef struct {
//Dane przeznaczone do wysłania
uint8_t Data[USART_MAX_BYTES];
//Wskaźnik liczby danych do wysłania
uint8_t Bytes;
}usartType;

extern volatile usartType USART;

Pora na trochę kodu. Na początek plik nagłówkowy modułu programowego USART-a, który pokazano na listingu 2. Jak widać, wprowadzono zmienną strukturalną USART typu usartType, która nieco porządkuje kod modułu.

Listing 3. Funkcja inicjalizacyjna nadajnika programowego USART-a

void initUsart(void){
//Port USART TX, jako wyjściowy ze stanem 1 – IDLE
USART_TX_PORT |= (1<<USART_TX_NR);
USART_TX_DDR |= (1<<USART_TX_NR);
//Konfiguracja Timer0,
//wywołującego przerwanie 9600 razy na sekundę
//CTC
TCCR0A = (1<<WGM01);
//Przerwanie 9600 razy na sekundę
OCR0A = 51;
//Timer/Counter0, Output Compare A Match Interrupt Enable
TIMSK0 = (1<<OCIE0A);
}

Dalej, na listingu 3 pokazano funkcję inicjalizacyjną nadajnika programowego USART-a. Dalej funkcja obsługi przerwania od porównania układu czasowo-licznikowego Timer0 realizująca właściwe wysyłanie danych, którą pokazano na listingu 4. Prawda, że proste? Oczywiście nie jest to rozwiązanie uniwersalne, a szyte na miarę, niemniej jednak myślę, że na tej podstawie każdy Czytelnik może dostosować je do swoich potrzeb.

Listing 4. Funkcja obsługi przerwania realizująca wysyłanie danych

//Przerwanie 9600 razy na sekundę
ISR(TIM0_COMPA_vect) {
static uint8_t Bit, Byte;

//Jeśli są jakieś dane do przesłania
if(USART.Bytes) {
//START BIT
if(Bit == 0) {
//0 na port TX – START BIT
USART_TX_PORT &= ~(1<<USART_TX_NR);
Bit++;
//Dane
} else if(Bit>0 && Bit<9) {
if(USART.Data[Byte] & 0x01) USART_TX_PORT |= (1<<USART_TX_NR);
else USART_TX_PORT &= ~(1<<USART_TX_NR);
USART.Data[Byte] >>= 1;
Bit++;
//STOP BIT
} else {
//1 na port TX – STOP BIT
USART_TX_PORT |= (1<<USART_TX_NR);
//Zerujemy wskaźnik bitów,
//bo będziemy przesyłać kolejny bajt danych
Bit = 0;
//Zmieniamy wskaźnik bajtów na kolejny bajt danych
Byte++;
//Sprawdzamy, czy wysłaliśmy już wszystkie bajty danych
if(--USART.Bytes == 0) {
Byte = 0;
STOP_TRANSMISSION;
}
}
}
}

Na sam koniec omówię funkcję main programu obsługi układu nadrzędnego, realizującą całą, założoną funkcjonalność. Ciało funkcji pokazano na listingu 5.

Listing 5. Ciało funkcji main układu nadrzędnego

int main(void) {
//Inicjalizacja OLED-a, ustawienie czcionki i pokazanie logo
OLEDinit();
OLEDdrawBitmap(40, 1, Logo);
OLEDsetFont(&whiteRabbit35x48);
_delay_ms(1000);
OLEDcls();
//Inicjalizacja Timera1 ustawiającego flagi co 1s i 2s
initTimer();
//Inicjalizacja software’owego USART-a
initUsart();
//Inicjalizacja RFM12B w trybie odbiornika
RFM12bInit(MASTER_ID);

sei();
while(1) {
//Obsługa nadchodzących ramek,
//w tym wysyłanie danych USART-em
handleNode();
//Obsługa timera węzłów
//odliczającego czas aktywności węzła
handleNodeTimer();
//Cykliczne wyświetlanie węzła sieci (co 2s)
redrawScreen();
}
}

Jak widać, funkcja main wywołuje 3 inne funkcje narzędziowe o nazwach: handleNode(), handleNodeTimer() i redrawScreen(). Dwie pierwsze odpowiadają za obsługę węzłów pomiarowych, zaś ostatnia generuje zawartość ekranu graficznego interfejsu użytkownika.

Listing 6. Funkcja odpowiedzialna za obsługę nadchodzących ramek wysyłanych przez węzły pomiarowe oraz wysyłanie odebranych danych za pośrednictwem interfejsu USART

void handleNode(void) {
//Odebrano poprawną ramkę danych: Size(=3)|Adres|Temp|Batt|CRC8
if(dataReady) {
dataReady = 0;

Node[Address].lastTemp = Node[Address].currTemp;
Node[Address].currTemp = Temp;
Node[Address].Batt = Batt;
Node[Address].Timer = NODE_TIMEOUT;

//Czekamy na zakończenie poprzedniej transmisji,
//jeśli jeszcze się nie zakończyła
while(USART.Bytes);
//Przygotowanie danych
/​do wysłania danych USART-em (w ISR)
USART.Data[0] = Address; //Adres
USART.Data[1] = Temp; //Temperatura
USART.Data[2] = Batt; //Stan baterii
USART.Bytes = 3;
START_TRANSMISSION;
}
}

Na listingu 6 pokazano ciało funkcji handleNode() odpowiedzialnej za obsługę nadchodzących ramek wysyłanych przez węzły pomiarowe oraz wysyłanie odebranych danych za pośrednictwem interfejsu USART, zaś na listingu 7 pokazano ciało funkcji handleNodeTimer() odpowiedzialnej za obsługę timera węzłów pomiarowych odliczającego czas ich aktywności.

Listing 7. Funkcja odpowiedzialna za obsługę timera węzłów pomiarowych odliczającego czas ich aktywności

void handleNodeTimer(void) {
if(timer1sSet) {
timer1sSet = 0;
for(uint8_t i=0; i<8; ++i) if(Node[i].Timer) Node[i].Timer--;
}
}

Montaż i uruchomienie

Tyle w kwestiach implementacyjnych. Przejdźmy zatem do schematu montażowego węzła pomiarowego, który pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3. Schemat płytki PCB węzła pomiarowego

Zaprojektowano niewielki, dwustronny obwód drukowany (średnica jedynie 35 mm) z przewagą elementów SMD. Montaż węzła pomiarowego rozpoczynamy od przylutowania mikrokontrolera, następnie lutujemy czujnik LMT85, moduł RFM12B a na końcu elementy bierne. Dalej, przechodzimy na warstwę BOTTOM, gdzie przylutowujemy koszyczek baterii zasilającej. Do tak przygotowanej płytki przylutowujemy antenę nadawczą w postaci kawałka przewodu o długości około 17 cm (może być odpowiednio zwinięty). Na samym końcu wybieramy adres sprzętowy modułu, posługując się polami lutowniczymi A0…A2, które umożliwiają ustawienie 8 adresów z przedziału 0…7. Kropla cyny na wybranym polu lutowniczym oznacza stan logiczny 0 na danym pinie mikrokontrolera. Widok zmontowanego węzła pomiarowego od strony TOP pokazano na fotografii tytułowej.

Warto również podkreślić, że moduł węzła pomiarowego ma specjalne pola lutownicze oznaczone jako A…C, do których możemy przylutować przetwornik LMT85 w odbudowie THT typu TO-92 (zamiast standardowej SMD typu SC-70), przez co przetwornik taki możemy umieścić poza płytką węzła pomiarowego. Znaczenie poszczególnych pól lutowniczych jest następujące:

  • A to napięcie zasilania,
  • B to masa,
  • C to wyjście czujnika.
Rysunek 4. Wygląd obudów THT układu LMT85 z opisem wyprowadzeń

Na rysunku 4 pokazano wygląd obudów THT układu LMT85 z opisem wyprowadzeń. Co ważne i potwierdzone w praktyce, zdobycie układu LMT85 u dystrybutorów elementów elektronicznych może okazać się dość kłopotliwe, gdyż terminy dostaw sięgają 9...12 miesięcy. Sam znalazłem się w tej sytuacji i zastanawiałem się długo, jak podołać tym ograniczeniom. Rozwiązanie okazało się banalne. Układy LMT85 zamówiłem na stronie producenta (ti.com) taniej niż u dystrybutorów (poniżej 1 $ za sztukę) i niezbędne 2 sztuki miałem na biurku już po niespełna tygodniu, tak więc szczerze polecam to rozwiązanie.

Rysunek 5. Schemat płytki PCB modułu nadrzędnego

Przejdźmy do montażu modułu nadrzędnego, którego obwód drukowany pokazano na rysunku 5. Tym razem zaprojektowano nieco większy obwód drukowany, który integruje w sobie kompletny zasilacz i zbudowany jest w zdecydowanej większości z elementów przewlekanych. Montaż obwodu drukowanego odbiornika rozpoczynamy od przylutowania modułu RFM12B, następnie lutujemy pozostałe elementy półprzewodnikowe, dalej elementy bierne oraz elementy mechaniczne.

Rysunek 6. Graficzny interfejs użytkownika modułu nadrzędnego

Na samym końcu przylutowujemy wyświetlacz OLED, korzystając z wbudowanego złącza typu goldpin, które zapewnia mu zarówno niezbędne połączenie elektryczne, jak i montaż mechaniczny. Można również skorzystać z gniazda typu goldpin, przez co połączenie urządzenia z wyświetlaczem będzie łatwo rozłączalne. Wybierając konkretny moduł wyświetlacza dostępny w handlu, należy zakupić wersję wyposażoną w następujące sygnały sterujące: CLK (sygnał zegarowy magistrali SPI), MOSI (wejście danych magistrali SPI), CS (wejście wyboru sterownika SSD1306) oraz DC (wejście decydujące o charakterze wysyłanych danych: 1→ dane pamięci obrazu, 0→ rozkaz sterujący). Nie mniej ważne jest rozmieszczenie sygnałów zasilających, jako że moduły dostępne w handlu mają często zamienione miejscami sygnały zasilania (VCC) i masy (GND). Widok zmontowanego odbiornika od strony warstwy TOP z przylutowanym wyświetlaczem OLED pokazano na fotografii tytułowej.

Obsługa systemu

Kilka słów uwagi należy się obsłudze systemu. Jeśli chodzi o węzły pomiarowe, to ich obsługa ogranicza się w zasadzie do nadania adresu sprzętowego, o czym napisano już wcześniej. Z kolei w przypadku układu nadrzędnego jedyną czynnością, jaką należy wykonać, jest wyłącznie podłączenie źródła napięcia zasilania. Po wykonaniu tej czynności układ nadrzędny zaczyna oczekiwać na dane przesyłane z węzłów pomiarowych. Do czasu, gdy żaden węzeł pomiarowy nie przesłał danych, stosowna informacja pojawia się na wyświetlaczu w postaci napisu „No sensors!”. W chwili, gdy co najmniej jeden węzeł pomiarowy przesłał oczekiwane dane, zostaną one wyświetlone w ramach graficznego interfejsu użytkownika, który pokazano na rysunku 6. Jak widać, pokazywana jest temperatura ze znakiem (rozdzielczość 0,5°C), numer sprzętowy węzła pomiarowego (0…7), stan baterii zasilającej (graficznie – 10 poziomów) oraz tendencja zmian temperatury (strzałka symbolizująca, czy temperatura spada, czy też rośnie). Wskazania prezentowane są cyklicznie dla każdego aktywnego węzła przez 2 sekundy.

Ustawienia Fuse-bitów węzła pomiarowego:
CKSEL3...0: 0010
SUT1...0: 10
CKDIV8: 0
CKOUT: 1

Ustawienia Fuse-bitów odbiornika:
CKSEL3...0: 1101
SUT1...0: 11
CKDIV8: 1
CKOUT: 1

W przypadku, gdy węzeł pomiarowy przestanie wysyłać dane przez okres co najmniej 192 s (3 cykle pomiarowe), zostanie on automatycznie usunięty z listy aktywnych węzłów pomiarowych. Każdemu odbiorowi danych nadesłanych przez węzeł pomiarowy towarzyszy transmisja danych przez interfejs USART. Wysyłane są 3 bajty danych:

  • adres węzła pomiarowego (0…7),
  • temperatura (ze znakiem) węzła pomiarowego (–60...10, przy czym jednostką jest 0,5°C),
  • napięcie baterii zasilającej węzła pomiarowego (0…10).

Robert Wołgajew, EP

[1] https://bit.ly/3Ol42zY

Wykaz elementów: Węzeł pomiarowy
Rezystory: (SMD 0805)
  • R1, R2: 100 kΩ
  • R3: 220 kΩ 1%
  • R4: 340 kΩ 1%
Kondensatory: (SMD 0805)
  • C1, C2: 100 nF
  • C3: 10 nF
Półprzewodniki:
  • U1: ATtiny24A (SOIC14)
  • U2: RFM12B–866MHz (SMD)
  • U3: LMT85DCKT (SC-70 lub TO-92)
Pozostałe:
  • BATT: koszyczek baterii CR2032 typu CONNFLY DS1092-11-N8S
Moduł odbiornika
Rezystory: (miniaturowe 1/8 W)
  • R1, R2: 100 kΩ
Kondensatory:
  • C1, C2, C5, C8: 100 nF
  • C3, C4: 100 μF/16 V
  • C6, C7:22 pF
Półprzewodniki:
  • U1: ATtiny84 (DIL14)
  • U2: LP2950ACZ-3.0/NOPB (TO-92)
  • U3: RFM12B–866MHz (SMD)
  • OLED: wyświetlacz OLED 0,96" 128×64, niebieski, SPI
Pozostałe:
  • PWR, TX: gniazdo męskie 2 piny (NSL25-2W)
  • Q1: rezonator kwarcowy 4 MHz niski
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
wrzesień 2022
DO POBRANIA
Materiały dodatkowe

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik maj 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio maj - czerwiec 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje maj 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna maj 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów