Барометр-термометр-гигрометр с E-ink дисплеем и гистограммой давления за неделю. Часть 1

В статье приведены аппаратные (принципиальные схемы, разводка платы) и программные средства барометра-термометра-гигрометра на базе МЭМС-датчика BME280, микроконтроллера (MK) EFM8SB20F16 и E-ink дисплея DEPG0266RWS800F34 (2.66 дюйма, разрешение 152×296 пикселей) с питанием от литиевой батарейки ER14505 (3.6 В, 2.7 А·ч, размер AA), работающей совместно с микропортребляющим стабилизатором STLQ015M330R (3 В, 1 мкА) и обеспечивающей непрерывную работу прибора в течение как минимум 10 лет. Помимо цифровых значений давления, температуры и влажности, отражающихся на дисплее раз в 30 минут, на нем построена гистограмма суточного изменения давления за сегодняшний и предыдущие 7 дней. Рассказано о конструкции и результатах работы прибора.

Введение

Цифровые значения атмосферного давления, температуры и влажности, измеренные прибором, описанным автором в статье [1], дают представление об этих параметрах только на текущий момент. Если температура и влажность в помещении меняются относительно слабо, то давление ото дня ко дню может изменяться очень существенно. Для метеозависимых людей этот параметр имеет наибольшее значение, но особенно важно знать его изменение с течением времени. Наиболее наглядно представить изменение давления позволяет гистограмма давления, измеренного на текущий момент и за всю предыдущую неделю. По такой гистограмме можно отследить тренд (или, если угодно, тенденцию) изменения давления, на основании которого можно в некоторой степени спрогнозировать этот параметр, что для метеозависимых людей часто является жизненно необходимым. В приборе, описанном в настоящей статье, помимо значений давления, температуры и влажности, отражающихся на дисплее в цифровом виде, построена такая гистограмма давлений.

Кроме того, в новом приборе сделано несколько усовершенствований.

Во-первых, батарейка CR2477 емкостью 1 А·ч с выходным напряжением 3 В, примененная в [1], была заменена более мощной батарейкой ЕР14505 емкостью 2.7 А·ч с выходным напряжением 3.6 В. Это, в свою очередь, потребовало применения микропотребляющего стабилизатора STLQ015M30R с выходным напряжением 3 В, током потребления не более 1 мкА и падением напряжения не более 10 мВ при токе 10 мА. Причина замены состоит в следующем. Выходное напряжение батарейки CR2477 от разряда током около 4 мА, когда DC/DC преобразователь контроллера E-ink дисплея работает в активном режиме, падает приблизительно на 0.2 В (с 3 В до 2.8 В). Кроме того, с течением времени выходное напряжение батарейки, хоть и незначительно, но все-таки также падает. Оба этих эффекта сказываются на снижении контрастности изображения на дисплее. При использовании батарейки ЕР14505 совместно со стабилизатором STLQ015M30R выходное напряжение стабилизатора (3 В) остается постоянным, и оба этих эффекта уже не влияют на контрастность изображения.

Во-вторых, в конструкции устройства [1] использованы 3 платы: плата дисплея, плата МК и плата с BME280. Все эти три платы соединяются с помощью разъемов и большого количества проводов. В настоящем устройстве плата дисплея и плата МК объединены в одну плату, к которой плата с BME280 подключается с помощью разъема. Кроме того, примененная батарейка ER14505H-LD/PHR-02P уже оборудована двухпроводным кабелем с разъемом на конце, которым она просто подключается к плате устройства. В связи с этим в конструкции устройства вообще отсутствуют какие-либо провода, поэтому существенно упрощается изготовление устройства и повышается надежность его работы.

В-третьих, в новом приборе, как указано выше, помимо цифровых значений давления, температуры и влажности, на дисплее отражается гистограмма давлений за сегодняшний день и за всю предыдущую неделю, т.е. 8 столбцов. Это потребовало применения несколько более мощного МК EFM8SB20F16 с удвоенной по сравнению с МК EFM8SB10F8 [1] программной памятью (16 КБ против 8 КБ в EFM8SB10F8). Кроме того, в EFM8SB20F16 внешняя оперативная память (xdata) увеличена до 4 КБ (против 256 байт в EFM8SB10F8). И, наконец, МК EFM8SB20F16 оборудован двумя интерфейсами SPI: SPI0 и SPI1, что позволило управлять BME280 и контроллером дисплея от двух разных интерфейсов SPI. А это, в свою очередь, существенно упростило разводку платы устройства и снизило ее габариты. Помимо этого, для лучшего восприятия информации применен более габаритный дисплей DEPG0266RWS800F34 (2.66 дюйма против 2.13 дюйма в [1]), который по стоимости (400-500 руб.) ненамного отличается от дисплея HINK-E0213A22-A0, примененного в [1] (около 400 руб.). Однако в связи с тем, что время обновления информации в дисплее DEPG0266RWS800F34 увеличено более чем в 3 раза (около 12 секунд против 3.5 секунд в HINK-E0213A22-A0), время sleep-режима работы устройства было увеличено в 6 раз (30 минут против 5 минут в [1]). Другими словами, показания прибора меняются каждые полчаса или 2 раза в час. Судя по показаниям прибора [1] (каждые 5 минут), даже при таком времени обновления информации показания прибора практически не меняются, а если и меняются, то очень незначительно. В то же время такой темп измерения информации позволяет сохранить работоспособность прибора от одной батарейки в течение 10 лет непрерывной работы. Здесь следует добавить, что существуют дисплеи таких же и даже бо́льших габаритов, чем у DEPG0266RWS800F34, обновление информации на экранах которых занимает существенно меньше времени чем 12 секунд (в DEPG0266RWS800F34): до 1.5-4 секунд. Однако такие дисплеи в 2-3 раза дороже, и их применение, на взгляд автора, в подобных приборах нецелесообразно.

В-четвертых, в схему нового прибора добавлен часовой кварцевый резонатор частотой 32,768 Гц по следующей причине. Дело в том, что гистограмма давления меняется ровно в полночь каждые сутки, и, естественно, точность часов в этом случае имеет существенное значение. В приборе [1] использован внутренний генератор RTC МК (16 кГц), который имеет погрешность около 5%. Если показания прибора [1] меняются в среднем каждые 5 минут, то ничего криминального не произойдет, если они будут меняться, например, каждые 4 минуты или каждые 6 минут. При использовании внутреннего генератора погрешность по времени составляет около 2 минут в сутки, что составляет 60 минут или 1 час в месяц, 12 часов в год и сутки за 2 года, что неприемлемо много, поскольку гистограмма давления уже не будет меняться ровно в полночь. В новом приборе использован часовой кварцевый резонатор, имеющий погрешность по частоте примерно ±20 ppm. В этом случае, как нетрудно подсчитать, погрешность часов RTC составит не более 2 секунд за сутки, 1 минуты в месяц и 12 минут в год, что более приемлемо.

Принципиальные схемы

Рисунок 1.	Принципиальная схема платы прибора.

Схема платы прибора (Рисунок 1), на взгляд автора, достаточно проста. Основой платы является МК EFM8SB20F16-QFN24 (DD1) в корпусе QFN24 размером 4×4 мм. МК управляет BME280 по интерфейсу SPI0 сигналами SCK0, MISO0, MOSI0, CSB, которые вместе с «землей» и питанием (3 В) выведены на разъем X4, к которому, в свою очередь, ответным гнездом (X4', Рисунок 2) подключается плата с BME280. Для управления дисплеем используются сигналы интерфейса SPI1: SCK1 и MOSI1, которые вместе с сигналами BUSY, RES, D/C, CSD, питанием (3 В) и «землей» выведены на разъем X2, к которому подключается шлейф (X2') дисплея DEPG0266RWS800F34 со встроенным контроллером SSD1680. DC/DC преобразователь, построенный на транзисторе SI1308EDL (VT1), диодах PMEG3010 (VD1-VD3), дросселе L1, конденсаторах C6, C7 и резисторе R5, предназначен для получения высоких напряжений PREVGL (–20 В) и PREVGH (+20 В) из входного напряжения 3 В. Для управления DC/DC преобразователем на затвор транзистора VT1 из контроллера дисплея подается меандр частотой около 2 МГц (сигнал GDR). С резистора R5 снимается напряжение (сигнал RESE), которое вводится в обратную связь стабилизатора высоких напряжений, встроенного в контроллер дисплея. Сигналы PREVGL, PREVGH, GDR и RESE также подключаются к разъему X2. Конденсаторы C8-C15 положены по штату работы дисплея. Цепочка R1R2C1 предназначена как для штатной работы МК (она затягивает низкое состояние сигнала RST на время заряда конденсатора C1), так и для программирования МК по интерфейсу C2 (резистор R2 позволяет легко управлять сигналом RST от этого интерфейса). Оба сигнала интерфейса C2 – RST и С2 вместе с «землей» выведены на разъем X3, к которому подключается 3-проводный кабель, который своим вторым концом подключается к USB DEBUG адаптеру, а адаптер, в свою очередь, сопрягается с интерфейсом USB компьютера. Схема подключения приведена в [2].

Рисунок 2.	Дополнительные устройства прибора.

Конденсаторы C2 и C3 положены по штату работы МК. Часовой кварцевый резонатор ZM1610 (Z1) частотой 32,768 Гц подключен к выводам XT3 и XT4 MK DD1. Питание на плату (+3.6 В) подается с двухконтактного штыревого разъема X1, к которому ответным разъемом – гнездом X1' (Рисунок 2) подключается двухпроводный кабель, которым оборудована батарейка ER14505-LD/PHR-02P (BAT1, Рисунок 2). Это входное напряжение подается на вход стабилизатора STLQ15M30R (DA1), выходное напряжение которого (3 В) используется как для питания МК (сигнал Vdd, 3-й вывод DD1), так и для питания дисплея (сигналы VDDIO и VCI, 15-й и 16-й выводы разъема X2). Конденсаторы C4 и C5 положены по штату работы DA1. Вместо STLQ15M30R можно использовать стабилизатор TPS78230DDCR в том же корпусе SOT23-5, по выводам совместимый с STLQ15M30R, с тем же выходным напряжением (3 В), но с вдвое меньшим током потребления (0.5 мкА против 1 мкА у STLQ15M30R).

Все резисторы и конденсаторы (кроме C6 и C7) – для поверхностного монтажа размером 0603. C6 и C7 размером 0805. Кварцевый резонатор выполнен также в корпусе для поверхностного монтажа размером 1610 (1.6×1.0 мм), который приблизительно равен размеру резистора 0603. Нагрузочная емкость для него составляет 12.5 пФ. Для катушки L1 использовано ферритовое кольцо D3.1-d1.7-h2.15 размером (D/d/h) 3.1×1.7×2.15 мм, на которое было намотано 6 витков тройным проводом ПЭЛ-0.2. Полученный дроссель L1 имеет индуктивность 53 мкГн (чуть больше требуемой контроллером дисплея – 47 мкГн) и омическое сопротивление 0.03 Ом.

В связи с простотой схемы плата легко разводится и имеет размер 22×26 мм (см. далее).

Литература

1. Кузьминов А. Усовершенствованный барометр-термометр-гигрометр с E-ink дисплеем.
2. Кузьминов А. Ю. Связь между компьютером и микроконтроллером. Современные аппаратные и программные средства. М.: «Перо». 2018.

Материалы по теме

1. Datasheet Bosch Sensortec BME280
2. Datasheet Silicon Labs EFM8SB20F16
3. Datasheet STMicroelectronics STLQ015M330R
4. Datasheet Nexperia PMEG3010EH
5. Datasheet Vishay Si1308EDL
6. Datasheet DKE DEPG0266RWS800F34

Загрузки

1. Дополнительные материалы к статье