Đồng hồ kỹ thuật số DIY có hiển thị nhiệt độ bằng bộ điều khiển PIC

Đồng hồ kỹ thuật số DIY có hiển thị nhiệt độ bằng bộ điều khiển PIC

Tạo ra những thiết bị của riêng mình là một trong những khía cạnh thú vị nhất của việc là một người đam mê điện tử. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ hướng dẫn bạn xây dựng một đồng hồ bàn kỹ thuật số với tính năng hiển thị nhiệt độ bằng cách sử dụng các công cụ thiết kế SoloPCB.

Trung tâm của mạch này là một vi điều khiển Microchip PIC18F252. Nó lấy thông tin thời gian chính xác từ đồng hồ thời gian thực DS1307 qua giao diện I2C và hiển thị nó trên màn hình bảy đoạn 38 mm bốn chữ số, nhờ vào bộ điều khiển màn hình MAX7219CNG. Ngoài ra, cảm biến nhiệt độ LM335 cung cấp dữ liệu nhiệt độ, với mô-đun ADC trên vi điều khiển chuyển đổi đầu ra tuyến tính 10mV mỗi độ Kelvin của nó. Thông tin về nhiệt độ cũng được hiển thị định kỳ.

Để hoạt động đúng cách, vi điều khiển PIC và các IC ngoại vi đã đề cập cần nguồn cung cấp 5V được điều chỉnh. Bộ chuyển đổi hạ áp LM2574N-5.0 trong phần nguồn của mạch chuyển đổi điện áp đầu vào 12VDC thành 5VDC, có khả năng cung cấp lên đến 500mA mà không gây vấn đề đáng kể về nhiệt độ.

Bảng mạch có hai đèn LED chỉ ra trạng thái nguồn và hoạt động, trong khi các nút có thể điều chỉnh thời gian và hiển thị nhiệt độ một cách thủ công cho người dùng.

Mạch và thiết kế PCB

Mạch và bố trí PCB của dự án được tạo ra bằng SoloPCB, một công cụ tích hợp mạnh mẽ cho thiết kế mạch, thiết kế PCB và sản xuất. SoloPCB cung cấp các tính năng mạnh mẽ để tích hợp thiết kế mạch mạch mạch mạch. Bạn có thể tải SoloPCB miễn phí từ FabsSream. Các tệp mạch và PCB của dự án được cung cấp trong định dạng SoloPCB, có sẵn để tải xuống bằng liên kết dưới đây. Ngoài ra, các tệp thiết kế bao gồm thư viện ký hiệu và vị trí bước chân để sử dụng dễ dàng.

https://www.circuitstoday.com/wp-content/uploads/2014/12/digital-desk-clock-SoloPCB-design-files.rar

Video sau đây minh họa cách nhập các thư viện dự án, mở và đồng bộ hóa các tệp mạch và PCB.

Sơ đồ mạch của đồng hồ bàn kỹ thuật số và một bức ảnh chụp màn hình từ PCB của nó có thể được nhìn thấy dưới đây.

Sau quá trình sản xuất PCB, các linh kiện được liệt kê dưới đây được lắp ráp lên bo mạch.

Linh kiện cần thiết

Phần Nguồn Điện  

Chúng ta sẽ sử dụng một bộ chuyển đổi nguồn 12V AC-DC để cung cấp nguồn cho bo mạch. Chúng ta cần chuyển đổi 12VDC thành mức 5VDC mà các IC cần và cung cấp lượng dòng điện cần thiết cho các linh kiện. Để không phải đối mặt với vấn đề nhiệt độ, chúng ta nên sử dụng một bộ chuyển đổi DC-DC hạ áp. Chúng ta chọn bộ chuyển đổi cố định 5VDC LM2574N-5.0, có thể cung cấp lên đến 500mA dòng liên tục. LM2574 hỗ trợ dải đầu vào rộng lên đến 40VDC và cung cấp hiệu suất cao. Nó chỉ cần hai tụ điện, một cuộn cảm nguồn và một diốt Schottky làm các linh kiện ngoại vi.

Luôn luôn là một cách an toàn khi lắp ráp phần nguồn trước và kiểm tra đầu ra của nó trong quá trình xác thực thiết kế đầu tiên của mạch. Bằng cách này, các phần còn lại sẽ không bị ảnh hưởng do bất kỳ sự cố nào của phần nguồn.

Một đèn LED 3mm được kết nối với đầu ra 5VDC của LM2775 thông qua một điện trở giới hạn dòng để chỉ ra trạng thái nguồn đã được bật.

Phần Vi Điều Khiển Microcontroller

Mạch được xây dựng xung quanh vi điều khiển Microchip PIC18F252. Chủ yếu, nó giao tiếp với đồng hồ thời gian thực, bộ điều khiển màn hình và cảm biến nhiệt độ thông qua các cổng digital I/O và analog input và hiển thị thông tin thu thập được trên màn hình bảy đoạn. Nó cũng nhận các lệnh được định nghĩa trước từ người dùng như điều chỉnh thời gian và hiển thị nhiệt độ thông qua các nút nhấn.

Có một số kết nối và linh kiện ngoại vi cần phải xem xét khi xây dựng mạch. Trước hết, một bộ dao động tinh thể nên được kết nối vào các chân OSC1 và OSC2 với các tụ điện ceramic 22pf nối đất. PIC18F252 hỗ trợ đến 16MHZ đầu vào clock. Để có thể hoạt động vi điều khiển tại tốc độ cao nhất, chúng ta có thể sử dụng một clock 10MHZ và kích hoạt mô-đun Phase-Locked-Loop (PLL) của vi điều khiển mà nhân bốn tần số clock.

Một kết nối quan trọng khác là kết nối chân MCLR với VDD, cụ thể là +5VDC trong mạch này. Một điện trở pull up 10K được sử dụng cho kết nối này. Một nút nhấn được kết nối giữa MCLR và GND có thể được sử dụng như nút reset.

Một tụ điện bypass có giá trị 100nF cũng là một linh kiện quan trọng cho dây nguồn đầu vào của vi điều khiển. Nó nên được kết nối càng gần càng tốt giữa các chân VSS và VDD. Nếu không được kết nối, vi điều khiển sẽ tự đặt lại do thiếu dòng điện ngay lập tức mà không thể được rút ra do độ co của dây nguồn. Sử dụng một tụ điện bypass sẽ cung cấp điện tích cần thiết với độ co thấp vì nó rất gần vi điều khiển.

Vi điều khiển cần được lập trình thường xuyên trong quá trình phát triển phần mềm nhúng của nó. Thật khó khăn để tháo ra và sau đó lắp lại vi điều khiển sau khi lập trình. Để giải quyết vấn đề này, phương pháp Lập trình Truyền dẫn Tuần tự Trong mạch (ICSP) được sử dụng để lập trình vi điều khiển trong khi nó được lắp trên bo mạch. Chân MCLR, VDD, VSS, PGD và PGC của vi điều khiển nên được mở rộng đến một kết nối ICSP cho mục đích này. Nhưng có một mẹo mà cần phải xem xét khi làm điều này. Để không cung cấp nguồn cho phần còn lại của mạch trong khi ICSP, một diode Schottky nên được kết nối giữa nguồn chính và chân VDD. Do đó, diode sẽ ngăn việc cung cấp nguồn cho toàn bộ mạch bằng cách sử dụng nguồn cung cấp của bộ lập trình. Bạn có thể tìm thêm thông tin về ICSP trong tài liệu này.

Đồng Hồ Thời Gian Thực - DS1307

Đồng hồ thời gian thực là các vi mạch tích hợp có thể cung cấp thông tin về ngày và giờ hiện tại. Chúng có thể cập nhật chính xác thời gian bằng cách sử dụng đầu vào đồng hồ, thường là 32.768 kHz. Chúng ta sử dụng vi mạch RTC DS1307 cho mục đích này. Nó giao tiếp qua giao thức I2C. Nó có thể cung cấp thông tin về giây, phút, giờ, ngày trong tuần, tháng và năm. Nó hỗ trợ định dạng giờ 12 và 24.

Để có thể giao tiếp qua I2C, chúng ta cần kết nối hai đầu vào của PIC với các chân SCL và SDA của DS1307. Những đường này cần được kéo lên nguồn 5VDC thông qua các điện trở, trong mạch của chúng ta là 10K.

Một trong những tính năng quan trọng nhất của DS1307 là tiếp tục hoạt động khi nguồn điện của mạch bị ngắt. Tất nhiên, một nguồn dự phòng cần được sử dụng để cung cấp nguồn cho IC trong trường hợp này. Một viên pin CR2032 được lắp đặt bằng cách sử dụng ổ cắm pin phù hợp cho mục đích này và được kết nối với các đầu vào nguồn pin của DS1307.

Trình điều khiển hiển thị bảy đoạn

Chúng tôi sử dụng bốn màn hình bảy đoạn 38 mm để hiển thị thời gian và nhiệt độ. Để dễ dàng điều khiển các màn hình với vi điều khiển, chúng tôi sử dụng vi mạch điều khiển màn hình MAX7219, làm việc qua giao diện SPI. Nó có thể điều khiển tới tám màn hình bảy đoạn chung anot. Một điện trở ngoại vi được sử dụng để giới hạn dòng điện LED.

Chỉ có hai tụ điện bypass và một điện trở giới hạn dòng điện là các linh kiện ngoại vi. Điện trở giới hạn dòng điện là 27K để giới hạn dòng điện của mỗi đoạn đến 20mA. Trong màn hình 37mm, có hai đèn LED cho mỗi đoạn cột. Nhưng các chấm chỉ có một đèn LED bên trong.

Cảm biến nhiệt độ

LM335 là một cảm biến nhiệt độ loại zener có điện áp phá vỡ ngược biến đổi tùy thuộc vào nhiệt độ. Điện áp có thể đo được giữa các chân dương và âm là 10mV/kelvin. Ví dụ khi chúng ta đọc 2980mV, điều này có nghĩa là 298 độ kelvin và khi chuyển đổi, chúng ta có thể dễ dàng tìm ra 298-273 = 25 độ C. Chúng ta sử dụng mô-đun ADC 10 bit của vi điều khiển để đọc dữ liệu analog này, sau đó chuyển đổi và hiển thị trên các LED bảy đoạn.