УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА
AMBIENT AIR TEMPERATURE MEASUREMENT UNIT

Устройство для измерения температуры наружного воздуха относится к контрольно-измерительной технике и служит для измерения температуры наружного воздуха и отображения ее текущего значения на экране компьютера.
Известна система контроля перегрева приборов, которая содержит датчики температуры, установленные в выбранных точках приборов, базовый электронный модуль и регистратор, датчики температуры выполнены в виде цифровых термометров, базовый электронный модуль содержит процессор, микросхему согласования и источник питания, а регистратор содержит ЭВМ и принтер, при этом цифровые термометры шиной «данные» подсоединены к входу процессора, выход которого через микросхему согласования подсоединен к СОМ-порту ЭВМ, а выход ЭВМ соединен с принтером. Цифровые термометры выполнены на микросхеме типа DS18S20, имеющей температурный диапазон от -55°C до +125°C. Программа ЭВМ позволяет произвести окончательную обработку полученных данных, самоконтроль работоспособности системы, ведение «Журнала температуры», графическое отображение результатов, вывод полученных результатов на экран ЭВМ и принтер (Патент на полезную модель РФ №44817, опубл. 27.03.2005 г.) - [1].
Известно устройство для измерения температуры, выбранное в качестве прототипа к предлагаемому устройству для измерения температуры наружного воздуха, которое содержит последовательно соединенные цифровой термометр DS18B20, имеющий интерфейс 1-Wire, адаптер для подключения цифрового термометра к СОМ-порту компьютера (интерфейс RS-232). Программа для компьютера считывает показания температуры с цифрового термометра, выводит на экран компьютера текущее значение температуры и график ее изменения за последние несколько минут, задает допустимые интервалы температуры для сигнализации и выдает звуковой сигнал тревоги при выходе температуры из разрешенного интервала (Д. Фролов. Компьютерный термометр с датчиком DS18B20. Журнал «Радио» №9, 2004 г.) - [2]. Копия статьи прилагается к материалам, подаваемым в заявке.
Недостатком устройства по прототипу является ограничение длины соединительного кабеля между цифровым термометром и адаптером до 10 метров. Дальнейшее увеличение длины кабеля приводит к уменьшению помехоустойчивости устройства и его отказу. Для правильного измерения температуры наружного воздуха цифровой термометр должен быть установлен с теневой стороны здания на определенной высоте над землей и на некотором расстоянии от здания. При условии, когда цифровой термометр размещается с одной стороны здания, а адаптер и компьютер размещаются в помещении с противоположной стороны здания, длина соединительного кабеля между цифровым термометром и адаптером может потребоваться более 10 метров.
Решаемой технической задачей (техническим результатом) предлагаемого устройства для измерения температуры наружного воздуха является обеспечение устойчивой работы устройства совместно с цифровым термометром при длине соединительного кабеля более 10 метров, за счет применения адаптера с изолятором интерфейса, обеспечивающего гальваническую изоляцию цифрового термометра и компьютера.
Технический результат в устройстве для измерения температуры наружного воздуха, содержащем последовательно соединенные цифровой термометр, адаптер и компьютер, достигается тем, что адаптер содержит последовательно соединенные микроконтроллер, изолятор интерфейса, преобразователь интерфейса и изолятор питания, выход которого соединен с входом питания микроконтроллера, причем цифровой термометр соединен с микроконтроллером посредством шины данных - однопроводного интерфейса 1-Wire, выход микроконтроллера соединен с входом изолятора интерфейса посредством шины UART, выход изолятора интерфейса соединен с входом преобразователя интерфейса также посредством шины UART, другой вход преобразователя интерфейса, вход изолятора питания соединены с входом USB-порта компьютера. Компьютер может быть снабжен принтером.
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения температуры наружного воздуха.
На фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема конкретной реализации адаптера с подключением к нему цифрового термометра.
На фиг. 3 приведен алгоритм работы микроконтроллера.
На фиг. 4 приведен алгоритм работы компьютера.
На фиг. 5 представлен вид окна программы компьютера с отображением текущей температуры и времени.
На фиг. 6 представлен фрагмент из файла архива компьютера с часовыми данными температуры.
На фиг. 7 приведен вид суточного графика температуры при выводе его на экран монитора компьютера или на принтер.
На фиг. 8 приведен вид месячного графика температуры при выводе его на экран монитора компьютера или на принтер.
Устройство для измерения температуры наружного воздуха, блок-схема которого приведена на фиг. 1, содержит последовательно соединенные цифровой термометр 1, адаптер 2 и компьютер 3. Адаптер 2 содержит последовательно соединенные микроконтроллер 4, изолятор интерфейса 5, преобразователь интерфейса 6 и изолятор питания 7, выход которого соединен с входом питания микроконтроллера 4, причем цифровой термометр 1 соединен с микроконтроллером 4 посредством шины данных - однопроводного интерфейса 1-Wire, выход микроконтроллера 4 соединен с входом изолятора интерфейса 5 посредством шины UART, выход изолятора интерфейса 5 соединен с входом преобразователя интерфейса 6 также посредством шины UART, другой вход преобразователя интерфейса 6, вход изолятора питания 7 соединены с входом USB-порта компьютера 3. Компьютер 3 снабжен принтером 8. Компьютер 3 включает системный блок, монитор, клавиатуру и мышь.
В качестве цифрового термометра 1 может быть применена микросхема DS18B20 или DS18S20 фирмы Dallas Semiconductor (США). Термометр откалиброван на заводе и обеспечивает измерение температуры в диапазоне -55…+125°C с дискретностью 0,5°. Общее питание устройства обеспечивается от компьютера 3 через USB-порт, что показано на фиг. 1, 2. а компьютер 3 питается от электросети, что на чертеже не показано.
Рассмотрим предлагаемое устройство для измерения температуры наружного воздуха в работе.
Предварительно в микроконтроллер 4 загружают программу согласно алгоритма, приведенного на фиг. 3. Включают предлагаемое устройство. В компьютер 3 загружают программу согласно алгоритма, приведенного на фиг. 4.
Считывание значения измеренной температуры, а также передача команды начала преобразования производится с помощью 1-проводного интерфейса 1-Wire фирмы DALLAS микроконтроллером 4. В качестве микроконтроллера 4 применен микроконтроллер ATMega8 фирмы ATMEL (США). Микроконтроллер 4 согласно алгоритма (фиг. 3) периодически, один раз в секунду, производит опрос цифрового термометра 1 и на основе полученного значения температуры формирует пакет цифровых данных для его передачи в шину UART. Пакет данных состоит из 6-и байт и имеет следующую структуру: байт начала пакета (заголовок), имеющий значение 0x3A, 2-байтовое значение текущей температуры, 2-х байтовое инверсное значение температуры и байт окончания пакета - значение 0x0D.
Данные с выхода UART микроконтроллера 4 поступают на изолятор интерфейса 5, который обеспечивает гальваническую развязку микроконтроллера 4 и цифрового термометра 1 от преобразователя интерфейса 6 и компьютера 3. Применением изолятора интерфейса 5 достигается увеличение помехоустойчивости, увеличение стабильности и исключение сбоев в работе устройства, при этом кабель, соединяющий цифровой термометр 1 с микроконтроллером 4, может достигать длины до 100 м. В качестве изолятора интерфейса 5 может быть применен транзисторный оптрон 6N136 фирмы Fairchild (США). Питание микроконтроллера 4 изолировано от питания компьютера 4 с помощью изолятора питания 7, выполненного на основе компактного DC-DC преобразователя типа AM1D-0505SH30 фирмы AIMTEC (Канада).
С выхода изолятора интерфейса 5 данные поступают на преобразователь интерфейса 6. В качестве преобразователя интерфейса 6 применена микросхема СР2101 фирмы Silicon Labs. Микросхема имеет простую схему включения с минимальным количеством дополнительных элементов и обеспечивает преобразование сигнала интерфейса UART в стандартный компьютерный интерфейс USB со скоростью передачи данных до 12 Мбит/с.
Пакеты данных с преобразователя интерфейса 6 циклически с интервалом в одну секунду поступают в USB-порт компьютера 3.
Компьютерная программа с алгоритмом, приведенным на (фиг. 4), обеспечивает прием и отображение текущей температуры наружного воздуха и текущего времени на экране монитора компьютера 3 (фиг. 5), сохранение часовых значений температуры в файлах архива компьютера 3 (фиг. 6), вывод по запросу оператора суточных (фиг. 7) и месячных (фиг. 8) отчетов температуры в виде графиков на экран монитора или на принтер 8, вычисление минимальной, средней и максимальной температуры за любые прошедшие сутки или месяц (фиг. 7, 8).
По сравнению с прототипом, предлагаемое устройство для измерения температуры наружного воздуха обеспечивает получение технического результата - обеспечивает устойчивую работу устройства совместно с цифровым термометром при длине соединительного кабеля более 10 метров, за счет применения адаптера с изолятором интерфейса, обеспечивающего гальваническую изоляцию цифрового термометра и компьютера.
Дополнительным преимуществом устройства для измерения температуры наружного воздуха по сравнению с прототипом является то, что в качестве интерфейса для связи адаптера с компьютером применен интерфейс USB, а не RS-232. В современных компьютерах интерфейс RS-232 как правило отсутствует. Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет сохранять часовые значения температуры в файлах архива компьютера, выводить по запросу оператора суточные и месячные отчеты температуры в виде графиков на экран монитора или на принтер, вычислять минимальную, среднюю и максимальную температуру за любые прошедшие сутки или месяц. Данные о температуре из файлов архива могут быть переданы с компьютера на другие устройства.