Представленный проект представляет собой простой термометр/гигрометр на микроконтроллере, который отображает значение температуры и относительной влажности на большом 7-сегментном индикаторе. Отличительной характеристикой устройства является реализация адаптивного управления яркостью свечения сегментов индикатора в зависимости от уровня освещенности помещения (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Внешний вид платы термометра/гигрометра с установленными индикаторами. |
Управление яркостью индикатора осуществляется на основе непрерывной оценки условий освещения с применением дешевого датчика – фоторезистора (LDR). Для измерения температуры и относительной влажности используется сенсор DHT11. Примененный в проекте 8-разрядный микроконтроллер PIC16F688 компании Microchip работает на тактовой частоте 4 МГц от интегрированного осциллятора. Для управления индикатором используется специализированная микросхема-драйвер 7-сегментного индикатора MAX7219 производства компании Maxim.
Зачем нужен адаптивный контроль яркости индикатора?
На сегодняшний день такую функцию имеют многие смартфоны, телевизоры, планшеты и мониторы. В основном она преследует цель уменьшения яркости дисплея в темном помещении, благодаря чему глаза человека меньше устают. Аналогично, когда освещенность помещения растет, яркость дисплея увеличивается. В нашем проекте используются достаточно большие 7-сегментные индикаторы (высота цифры 2.54 см или 1 дюйм), яркость которых автоматически регулируется в зависимости от уровня освещения помещения. Так что, если установить устройство в спальне, вам не придется беспокоиться о его выключении в ночное время. Яркость автоматически снизится, и индикатор не будет раздражать глаза, но, в тоже время, данные на индикаторе будут читаемы.
Таким образом, можно сделать вывод: функция адаптивной регулировки яркости индикатора позволит не только снизить энергопотребление, но и повысить качество отображения информации в любых условиях освещения.
Принципиальная схема
Принципиальная схема условна разделена на три части: источник питания, микроконтроллер с датчиком и схема драйвера индикатора.
Для питания термометра/гигрометра используется стандартная схема регулятора напряжения 5 В на микросхеме LM7805 (Рисунок 2), входное напряжение которого должно быть в диапазоне 9 – 15 В. Светодиод LED1 служит для индикации наличия напряжения питания.
 |
|
| Рисунок 2. | Принципиальная схема источника питания. |
На Рисунке 3 изображена схема подключения к микроконтроллеру PIC16F688 датчика температуры DHT11, фоторезистора, кнопки сброса и переключателя для выбора единиц измерения температуры (S2). DHT11 – это недорогой цифровой датчик для измерения температуры в диапазоне 0 - 50 °С с точностью ±2 °С и относительной влажности в диапазоне 20-95% с точностью ±5%. Датчик откалиброван в заводских условиях и имеет свой однопроводной протокол передачи данных.
Датчик подключается к порту микроконтроллера RC4, на линии данных включен подтягивающий резистор R7. Если переключатель S2 разомкнут (положение O по схеме), то на линии RC3 из-за подтягивающего резистора R2 появится логический 0, и на дисплее будут отображаться значения температуры в градусах Фаренгейта.
Фоторезистор (R5) и резистор R4, как видно по схеме, образуют делитель напряжения. Напряжение на резисторе R4 растет пропорционально количеству света, падающего на фоторезистор. Сопротивление типового фоторезистора в условиях яркой освещенности составляет менее 1 кОм и может доходить до нескольких сотен кОм в темноте. Таким образом для данной схемы напряжение на резисторе R4 может варьироваться от 0.1 В (в темноте) до более чем 4.0 В (при очень ярком освещении). Определением значения этого напряжения и, соответственно, уровня освещения, занимается АЦП микроконтроллера, к каналу RA2 которого подключен фоторезистор.
 |
|
| Рисунок 3. | Схема подключения датчика DHT11 и фоторезистора к микроконтроллеру. |
Дисплей выполнен на микросхеме MAX7219, с ее помощью можно управлять 8 семисегментными индикаторами с общим катодом по трехпроводному последовательному интерфейсу (Рисунок 4). В микросхему интегрированы BCD декодер, схема мультиплексирования, драйверы сегментов и разрядов и статическое ОЗУ 8×8 для хранения значения цифр. Ток через сегменты всех разрядов устанавливается с помощью лишь одного резистора, которой подключается к выводу ISET микросхемы. Дополнительно, встроенная схема ШИМ позволяет реализовать программное управление яркостью свечения индикаторов. В нашей схеме сигналы сигнальные выводы микросхемы DIN, LOAD и CLK (интерфейс SPI) подключаются к портам микроконтроллера RC0, RC1 и RC2, соответственно.
 |
|
| Рисунок 4. | Схема подключения семисегментных индикаторов к микросхеме MAX7219. |
 |
|
| Рисунок 5. | Внешний вид макетной платы с установленными компонентами. |
Программа микроконтроллера написана на Си и скомпилирована в среде mikroC Pro 5.30 (mikroElektronika). Подпрограммы инициализации MAX7219 и передачи данных написаны в простой и понятной форме, поэтому, если потребуется, их можно реализовать на другом языке. За яркость индикаторов отвечает ШИМ микросхемы, который управляется программно путем записи значений в младший полубайт (D3-D0) регистра 0A (см. техническое описание микросхемы). Значение в младшем полубайте, равное 0, устанавливает минимальную яркость, а значение, равное 0F – максимальную яркость. Для автоматического контроля яркости, 10-битный отсчет АЦП (значение в диапазоне 0-1023), соответствующий выходному напряжению фоторезистора, будет масштабирован до диапазона 0-19 путем деления на 50 (20 уровней яркости в диапазоне 0-1023). Затем используется таблица значений для преобразования полученного уровня яркости в младший байт для регистра управления яркостью микросхемы MAX7219. Смена отображения температуры и относительной влажности на индикаторе происходит автоматически. При отображении относительной влажности в младшем разряде индикатора отображается символ "P" (Рисунок 6).
 |
|
| Рисунок 6. | Отображение значения относительной влажности на индикаторе. |
Микроконтроллер работает от внутреннего осциллятора на частоте 4 МГц. Сброс микроконтроллера (MCLR) и Power-Up Timer (таймер, удерживающий внутренний сигнал сброса до установки напряжения питания), должны быть включены.
Устройство было протестировано при различных уровнях освещенности, чтобы значения на дисплее отчетливо читались.
Загрузки
Исходный код программы микроконтроллера – скачать
