Термометр для измерения температуры электронных плат
Это устройство спроектировал и изготовил студент-физик из Канады с ником xmorneau.
Целью этого проекта, также называемого ThermoPen, было изготовление портативного термометра, пригодного для точного использования. В частности, он был создан для проверки перегрева электронных компонентов на печатной плате. В учебном заведении,где учится автор проекта, ThermoPen пользовался большим спросом, так как многим учителям, которые имеют дело с электроникой, нужен инструмент для быстрой диагностики неполадок с проектами учащихся или своими.
По сути устройство, это всего лишь простой инфракрасный датчик температуры, в корпусе похожем на пишушую ручку. Чтобы было понятно, ручка оснащена инфракрасным датчиком, который преобразует инфракрасное излучение от объектов в электрический сигнал, который затем преобразуется в показания температуры с помощью микроконтроллеров.
Особенности ThermoPen:
— OLED-экран, отображающий температуру объектов, температуру окружающей среды, максимальную и минимальную температуру объекта.
-Звуковой сигнал
-Кнопка активации
-Перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор
-Лазерный диод действует как указка
Инструменты и материалы:
— Arduino Uno или Nano;
— 3D-принтер;
— Печь оплавления;
-Паяльные принадлежности;
Все остальные комплектующие указаны в спецификации по этой ссылке.
Шаг первый: обзор проекта
ThermoPen построен на специальной печатной плате, которая объединяет схему, подобную Arduino.
При нажатии кнопки включения батарея подает питание на схему, и программа внутри микроконтроллера начинает работу. Раздается звук включения. Через 1 секунду лазерный диод включается, и на экране в реальном времени отображаются данные, считанные с датчика термометра. Код Arduino также вычисляет минимальную и максимальную температуру, а также напряжение и емкость батареи. Если отпустить кнопку, то через 4-5 секунд устройство перейдет в спящий режим. Такой интервал выключения реализован благодаря конденсаторам.
Чтобы было ясно, единственная цель лазерных диодов — дать пользователю представление о том, где измеряется температура, т.е. — целеуказание.
Температура измеряется благодаря датчику температуры MLX0614 производства Melexis, который использует физический принцип, согласно которому объект излучает определенное количество инфракрасного света в зависимости от его температуры. Дальше датчик преобразует полученное количество инфракрасных волн в электрический сигнал, пропорциональный температуре, которая обрабатывается микроконтроллером, в температуру в градусах Цельсия.
На печатной плате есть контактные площадки для пайки светодиодов-индикаторов. В частности, светодиоды указывают, когда батарея разряжена. Значок батареи также начнет мигать в этом состоянии. Для зарядки аккумулятора на устройстве есть разъем micro-USB и плата зарядного устройства Li-ıon аккумулятора.
Шаг второй: схема и печатная плата
Схема основана на Arduino Nano для схемы Atmega328P, включая ее схемы питания. Для удобства мастер взял кристалл, генерирующий более низкую частоту, так как это повысит эффективность батареи. Экран, зуммер, ИК-датчик и лазерный диод подключаются к микроконтроллеру через аналоговый вывод, цифровой вывод или через коммуникационную шину I2C.
Мастер использовал KiCad для проектирования схем, а также для проектирования печатных плат. Это действительно мощное программное обеспечение для проекта с открытым исходным кодом, и оно бесплатное.
Все файлы для изготовления платы можно скачать на ThermoPen GitHub.
Шаг третий: дизайн продукта и 3D-печать
Печатную плату и все детали нужно объединить в маленьком и практичном корпусе. 3D-дизайн был выполнен с помощью программы Solidworks.
При проектировании мастер решил выбрать квадратную форму, чтобы можно было легко провести провод вокруг батареи или других компонентов. Допуски деталей корпуса очень небольшие и это позволяет не использовать винты. В результате аккумулятор очень хорошо фиксируется в корпусе, как и на печатной плате.
Для кнопки включения он разработал продуманную конструкцию, в которую встроена алюминиевая кнопка.
Для максимальной точности лазерный диод помещается между ИК-датчиком. Когда изделие находится в руке, лазер скрывается за острием ручки.
На лицевой стороне устройства размещен экран (рядом с кнопкой), а логотип ThermoPen — на другом конце. Также имеются два отверстия для светодиодов индикатора зарядки. Светодиоды информируют, когда аккумулятор заряжается и полностью заряжен.
На корпусе имеется крышка закрывающая батарею. Для ее фиксации предусмотрен пластиковый язычок.
После проектирования детали были напечатаны на 3D-принтере.Затем необходимо обработать их с учетом деталей. Например, пришлось увеличить отверстие на конце устройства, учитывая размер диода, и обработать посадочное место для кнопки.
Шаг четвертый: монтаж печатной платы
Одна из самых сложных задач проекта заключалась в том, чтобы припаять каждую деталь на печатную плату. Печатная плата имеет более 50 деталей, требующих различных методов пайки и оборудования.
Мастер спроектировал плату таким образом, чтобы все компоненты, которые монтируются методом оплавления, располагались на одной стороне.
На печатной плате имеется множество отверстий для разъемов. На этапе сборки припаиваются провода для различных компонентов, расположенных за пределами печатной платы.
Шаг пятый: программирование
Файл кода Arduino доступен в проекте ThermoPen GitHub.
Общее содержание кода:
— Библиотеки для экрана Oled, графического отображения и инфракрасного датчика.
— Последовательность установки, включающая звуковой сигнал запуска и инициализацию лазерного диода и инфракрасного датчика.
— Отображение времени автономной работы.
— Температура объекта печати, температура окружающей среды, минимальная и максимальная температура.
Чтобы запрограммировать Atmega 328p, мастер рассматривал ThermoPen как еще одну Arduino Uno / Nano. Используя SPI-соединение между печатной платой и другим Arduino, называемым хостом, он запрограммировал Atmega.
Arduino ISP — это системный программатор, который используется для программирования микроконтроллеров AVR. Для получения дополнительной информации о программировании Arduino ISP посетите https://www.arduino.cc/en/Guide/ArduinoISP
Интеграция инфракрасного датчика очень простая благодаря библиотеке для этого датчика.
Что касается значка батареи, мастер использовал Microsoft Paint, чтобы создать простые значки, которые подходят для экрана с низким разрешением. Для определенного диапазона напряжения батареи будет напечатан значок, соответствующий напряжению батареи.
Шаг шестой: сборка
Сборку мастер начинает с подключения дисплея к плате. Припаивает провода к контактным площадкам аккумулятора и платы разъема Micro-USB.
Когда все провода были правильно расположены, устанавливает плату на место. В корпус встроены пластиковые зажимы, которые надежно удерживают плату на месте.
Лазерный диод необходимо установить снаружи ИК-датчика, так как отверстие изнутри было слишком маленьким. Затем припаять лазерный диод к плате. Устанавливает батарею. Закрывает крышку.
Шаг седьмой: тестирование
Теперь нужно проверить, как работает устройство, от зарядки до измерения температуры.
Сначала он подключил ThermoPen через USB к компьютеру, чтобы убедиться, что аккумулятор заряжается. Сбоку должен загореться оранжевый светодиод, указывающий на то, что идет зарядка.
Еще один способ проверить работоспособность — это измерить ток, поступающий на аккумулятор, с помощью мультиметра. Обратите внимание, что по мере зарядки аккумулятора, когда напряжение аккумулятора достигает примерно 4,2 В, ток уменьшается до 0 А, .
Затем мастер тестировал измерение температуры, сравнивая температуру ThermoPen с термопарой.
Эти результаты зависят только от датчика, поскольку производитель заявляет, что они откалиброваны на заводе.
И наконец мастер протестировал сигнализацию перегрева. При достижении измеряемой температуры значения 120 ° C (можно изменить значение в коде), зуммер издает звук.
По результатам тестирования устройство работает отлично. По словам мастера, спустя четыре месяца устройство продолжает работ, аккумулятор ни разу не заряжался.
