Цифровой индикатор температуры и напряжения для автомобиля

Этот прибор позволяет измерять температуру в трех точках автомобиля (например, блока цилиндров, охлаждающей жидкости в радиаторе и масла в картере) и напряжение аккумуляторной батареи. Результат измерения высвечивает в цифровой форме светодиодное табло

Основой прибора, схема которого показана на рис. 1, так же как и в [1], служат аналого-цифровой преобразователь (АЦП) DD1 [2] и три микросхемных датчика температуры DA1-DA3 [3].

Датчики можно рассматривать как стабилитроны с малым дифференциальным сопротивлением (менее 1 Ом) и напряжением стабилизации, пропорциональным абсолютной температуре Рабочий ток через них (около 1 мА) задан резистором R4. Точку измерения температуры (а значит, тот или иной датчик) выбирают переключателем SA1 (секция SA1.2).

Для того, чтобы показания термометра были нулевыми при нулевом значении измеряемой температуры, на вход АЦП следует подать разность между напряжением на датчике и образцовым напряжением 2,732 В [3].

Образцовое напряжение должно быть высокостабильным (температурный коэффициент напряжения источника, встроенного в микросхему КР572ПВ2А, слишком велик).

Поэтому в приборе в качестве источника образцового напряжения использован микросхемный стабилизатор КР142ЕН19А (DA6) с весьма малой температурной зависимостью выходного напряжения [4].

Рис. 1. Схема цифрового индикатора температуры и напряжения для автомобиля.

Микросхема DA6 работает в режиме регулируемого прецизионного стабилитрона. Необходимое напряжение стабилизации 2,732 В устанавливают подстроечным резистором R9, а ток стабилизации (около 6 мА) задает резистор R13.

Измеряемой температуре 100 °С соответствует напряжение 1 В между входами АЦП +Uвх и -Uвх. Для того, чтобы при этом на табло HG1-HG4 появилось показание “100,0”, необходимо подать образцовое напряжение 1 В на входы +Uобр и -Uобр АЦП. Это напряжение снимают с движка подстроечного резистора R15.

Частота работы генератора АЦП выбрана из стандартного ряда 50 кГц, ее задают элементы С12 R18. Указанным параметрам соответствуют номиналы элементов интегратора R17 и С11 и емкость конденсатора С10 автокоррекции “нуля".

Конденсатор С5 уменьшает влияние наводок на датчики а С8 исключает паразитную генерацию внутреннего источника образцового напряжения АЦП (-2,9 В).

Индикатор HG1 указывает знак и первую цифру наибольшего значения измеряемой температуры - “единицу”. Через горизонтальный элемент индикатора течет ток (определяемый резистором R19, из-за чего элемент постоянно высвечивает знак “минус".

Полярность напряжения подаваемого на входы Uвх АЦП противоположна обычной поэтому при плюсовой температуре на выходе g1 АЦП действует низкий логический уровень, включающий дополнительно два вертикальных элемента индикатора HG1, формируя знак “плюс". “Единица” включается на индикаторе HG1, лишь когда измеряемая температура дос игает 100 “С и более.

Напряжение питания прибора в целом стабилизировано микросхемным стабилизатором DA4. Пятивольтное напряжение для питания индикаторов HG1-HG4 сформировано стабилизатором DA5. Значения напряжения на схеме указаны относительно верхнего по схеме плюсового проводника (подключаемого к плюсовому выводу аккумуляторной батареи через контакты секции SA1 1 переключателя и дроссель L1).

Для измерения напряжения аккумуляторной батареи служит делитель R5-R8. С резисторов R6 и R7 напряжение, равное 0,01 напряжения батареи, подано на вход АЦП во втором сверху по схеме положении переключателя SA1 (цифрами обозначены номера его контактов).

Напряжению батареи 12В соответствуют напряжение 120 мВ на входе АЦП и показания табло “12,0". Если желательно иметь точность измерений до 10 мВ, делитель R5-R8 должен обеспечивать на резисторах R6 и R7 напряжение равное 0,1 напряжения батареи, и, кроме того необходима еще одна секция переключателя SA1 для управления положением десятичной запятой.

Все детали устройства, кроме индикаторов, разъемов для подключения аккумуляторной батареи и датчиков, смонтированы на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертеж платы представлен на рис. 2.

В приборе использованы резисторы МТ и МЯТ, а R5, R7, R8, R10 R14 R16 - С2-29В, но можно подобрать их и из МЛТ с погрешностью 1..2%; подстроечные резисторы - СПЗ-19а. Конденсаторы - К73-17 на напряжение 63 В (С9-С11) КМ-5 и КМ 6 (СЗ С4 С6-С8. С12), оксидные - К53-18 (С1) и К52-1Б (С5), причем вместо них можно применить зарубежные аналоги конденсаторов К50-35.

Рис. 2. Печатная плата индикатора.

Переключатель SA1 - ПГ2-10-6П4Н. Стабилизаторы DA4 и DA5 - любые, рассчитанные на включение в минусовую цепь, на напряжение соответственно 9 В (КР1168ЕН9Б, КР1162ЕН9А, КР1162ЕН9Б, импортные серий 79М09, 7909) и 5 В (КР1162ЕН5, КР1179ЕН5, 79М05 7905) [5]. Стабилизатор DA5 рассеивает мощность несколько более 1Вт, поэтому установлен на ребристый теплоотвод размерами 20x20x10 мм.

Индикаторы HG2-HG4 - любые с общим анодом и приемлемой яркостью свечения при токе через элемент 5 мА - именно такой ток обеспечивает АЦП КР572ПВ2А. Из отечественных подходят “красные" индикаторы с высотой знака не более 7,5 мм - АЛ305А- АЛ305Г, АЛ309А-АЛ309Е, АЛС312А АЛС312Б, АЛС324А АЛС324Б. Вместо АЛС324В можно применить индикатор АЛС326А.

При отсутствии специализированного индикатора для указания знака температуры и цифры “1" можно использовать обычный семиэлементный индикатор. В этом случае от индикации знака “+" придется отказаться, а знаком “-“ будет служить элемент д.

Подключение входов +Uвх и -Uвх АЦП DD1 к переключателю SA1 надо будет поменять на обратное Установлено, что в приборе хорошо работают импортные индикаторы HDSP-3906 (HG1) и HDSP-3901 (HG2 -HG4) фирмы Hewlett Packard, имеющие высоту знака 20 мм.

Переключатель SA1 и индикаторы HG1-HG4 смонтированы на другой печатной плате, установленной перпендикулярно основной. Те монтажные точки основной платы, которые нужно соединить проводниками с контактами переключателя SA1, обозначены цифрами: точки 1, 2 и 3 соединяют с контактами 9, 10, 11 секции SA1.2; точку 4 с конт. 3 5 SA1.3, 5 - с 9’ SA1.4 6 - с 3' SA1.3; 7 - с 9’ SA1.2 и с 9-11 SA1 4 8 - с 2 SA1.3; 9 - с2-5SA1 1; 10 -сЗ’ SA1.1 и с 7,8 БА1.2 и 11 - с8 SA1.4.

Для установки датчиков DA1-DA3 в точках измерения температуры удобно использовать корпусы от неисправных автомобильных термодатчиков.

К датчику припаивают выводы двупроводного экранированного кабеля (экран - к выводу 2), помещают в корпус и, обеспечив отсутствие контакта со стенками, заливают эпоксидным клеем В клей следует добавить теплопроводящий наполнитель, например, окись алюминия или в крайнем случае тальк.

Можно поступить и иначе. В небольшом бруске из алюминиевого сплава сверлят два отверстия - сквозное крепежное и глухое, в котором эпоксидным клеем заливают датчик с припаянным кабелем. Крепят датчики так, чтобы исключить их подогревание посторонними источниками тепла.

Для повышения точности измерения напряжения прибор подключают по цепи питания непосредственно к зажимам аккумуляторной батареи или к токовому зажиму стартера и болту, обеспечивающему соединение минусового вывода батареи с корпусом автомобиля.

Наладить прибор довольно просто. Подают на него напряжение питания 12...15 В и подстроечным резистором R9 устанавливают на конденсаторе С6 указанное на схеме напряжение с точностью, которую в состоянии обеспечить имеющийся вольтметр, хотя бы 0,1 В.

Поместив подготовленные так, как указано, все датчики в тающий снег или лед (но не в воду со льдом), подстроечными резисторами R1-R33 добиваются нулевых показаний индикаторов в положениях 3-5 сверху по схеме переключателя SA1 соответственно.

Затем один из датчиков помещают в воду, нагретую до 80.. 90 °С; температуру воды обязательно контролируют точным термометром. Подстроечным резистором R15 устанавливают на табло те же показания, что и на шкале термометра.

Измеряют точным вольтметром напряжение источника, от которого питается прибор. Желательно, чтобы он при этом был подключен теми же проводниками, с которыми будет установлен в автомобиль, и во втором положении переключателя подстроечным резистором R6 устанавливают это значение на табло.

Заметим, что стоимость датчиков К1019ЕМ1 и подстроечных резисторов СПЗ-19а соизмерима, поэтому, особенно при изготовлении нескольких экземпляров прибора, целесообразно приобрести датчиков несколько больше, чем необходимо, и заранее отобрать их по выходному напряжению. В этом случае резисторы R1-R3 не потребуются.

Подбирают датчики следующим образом Последовательно с каждым из них включают по токоограничительному резистору сопротивлением 9,1 кОм и все эти цепи соединяют параллельно (рис. 3). Вывод 2 каждой микросхемы соединяют проводниками с лепестками контактной колодки или контактами переключателя.

Все датчики накрывают пенопластовой коробкой, на которую следует положить груз, чтобы не было щелей по краям. Подают напряжение питания 12 В и после выдержки в течение примерно 15 мин измеряют разность между напряжением одного из датчиков и остальными.

Для установки в термометр датчики разбивают на группы из трех штук с минимальной разностью по напряжению в каждой группе. Разности в 1 мВ соответствует ошибка в измерении температуры в 0,1 °С.

Подобранные датчики подключают к прибору однопроводным экранированным кабелем (выводы 1 датчиков оставляют свободными). Для калибровки помещают один из датчиков в тающий снег и резистором R9 устанавливают нулевые показания термометра.

Порядок дальнейших действий не отличается от описанного выше.

Рис. 3.

Если при измерении температуры достаточно точности до единиц градусов, можно в анодную цепь индикатора HG4 ввести выключатель (или дополнительную секцию переключателя SA1), который позволит погасить младший разряд табло.

Прибор легко дополнить амперметром, измеряющим ток в цепи аккумуляторной батареи. Для этого следует изготовить четырехвыводный измерительный резистор - через токовую пару выводов пропускают измеряемый ток, с другой снимают падение напряжения (рис. 4).

При токе 10 А падение напряжения на этом резисторе (R1) равно 0 16 В, на концах цепи резисторов R4 и R5 - 0,1 В, поэтому табло покажет "10,0". Плюсовым значениям тока соответствует зарядка батареи, минусовым - разрядка. Резистором R5 калибруют амперметр.

Рис. 4. Четырехвыводный измерительный резистор.

Для реализации режима "Амперметр" потребуется ввести в действие свободные шестые и двенадцатые контакты секции переключателя SA1 В секции SA1.1 шестой контакт подключают к группе 2-5, в секциях SA1.3 и SA1.4 - так, как указано на рис 4 а в секции SA1.2 - к контакту 11

Резистивные делители R2R6 и R3R7 (рис 4) служат для приведения синфазного входного напряжения АЦП к допустимому уровню. Потребляемый ими ток крайне мал, что позволяет этот узел от бортовой сети не отключать.

О работе АЦП подробно рассказано в [6], где, в частности, описана аналогичная микросхема. Пары резисторов R2. R3 и R6, R7 следует подобрать с отклонением одного от другого по сопро-тивлеі ию не более 0,1 %, желательно, чтобы они были из серии стабильных (С2-29В).

Измерительный резист р проще всего изготовить распаяв параллельно на двух толстых латунных пла тинах шесть резисторов С5-16В или С5-16МВ) сопротивлением 0,1 Ом мощностью 5 Вт.

Пластины прикрепляют к изоляционному основанию болтами М8, которые одновременно будут зажимами для включения измерительного резистора в разрыв цепи. Двумя винтами М4 к пластинам подключают наконечники изолированных проводников к резисторам R2 и R3 (рис. 4).

Рис. 5.

Если микросхемы DA1-DA3 подобраны по напряжению, все элементы узла на рис. 4, кроме измерительного резистора, можно смонтировать на основной печатной плате прибора на месте резисторов R1-R3. Следует помнить, что, хотя левый по схеме вывод резистора R2 (рис. 4) и нижний дросселя L1 (см. рис. 1) соединены с одной точкой, их следует подключать отдельными проводниками.

В случае, когда для измерительного резистора R1 не удалось приобрести резисторы С5-16 В или другие аналогичные, между латунными пластинами впаивают 40...50 отрезков нихромовой или константановой проволоки диаметром 0.8...0,9 мм.

Длину отрезков (несколько сантиметров) подбирают так, чтобы сопротивление каждого из них было в пределах 0,7...0,8 Ом Следует помнить, что при токе 30 А на резисторе падает напряжение около 0,5 В и рассеивается мощность почти 15 Вт.

Существенно снизить эти потери можно, уменьшив в 3.5 раз его сопротивление и во столько же раз напряжение, подаваемое на входы Uобр АЦП, - только в режиме измерения тока, - для чего потребуются еще одна секция переключателя SA1 и три резистора - два постоянных и подстроечный с суммарным сопротивлением 28,4 кОм, включаемые вместо резистора R16 (рис. 5); резисторы R4 и R5 узла по схеме рис. 4 удаляют, а проводник, соединявшийся с движком резистора R5, подключают к общей точке резисторов R3 и R7.

С. Бирюков, г. Москва. Р2001, 1.

Литература:

1. Бирюков С. Термометр “дом -улица". - Р2000, 3.
2. Федорков Б. Г., Телец В. А Дегтяренко В. П. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи.
3. Бирюков С. Микросхемы-термодатчики К1019ЕМ1, К1019ЕМ1А. Р1996, 7.
4. Янушенко Е. Микросхема КР142ЕН19. - Р1994, № 4.
5. Бирюков С. Микросхемные стабилизаторы напряжения широкого применения. - Р1999, 2.
6. Бирюков С. Применение АЦП КР572ПВ5. - Р1998, 8.