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).

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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).

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.

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).

Рисунок 11.	Предварительный просмотр платы в Altium Designer в режиме 3D.

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.

Рисунок 13.	Внешний вид корпуса для даталоггера с магнитами для крепления.

Рисунок 14.	Даталоггер: печатная плата и аккумулятор установлены в корпус.

Загрузки

1. Принципиальная схема даталоггера (PDF) - скачать
2. GERBER-файлы проекта печатной платы - скачать
3. Проектные файлы для изготовления корпуса - скачать

Дополнительные материалы

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

Окончание