Construcción de un termostato digital, para controlar temperaturas con una precisión de 0,1ºC. Este termostato utiliza el sensor DS18B20, está controlado con el microprocesador AT89S52, y permite regular temperaturas entre -40 y +100ºC. También es posible controlar de forma simultánea los dos circuitos de un climatizador, el de frío y calor. Este termostato podría utilizarse como climatizador en un automóvil, controlar la temperatura de un edificio, la del agua de una piscina, incluso la de una incubadora. En esta primera parte, se muestra el diseño y construcción del termostato.
Descripción de funcionamiento
Este termostato permite calibrar su sensor de temperatura (DS18B20)en saltos de 1ºC, permitiendo un Offset entre -5 y +4ºC sobre el valor medido. Este valor de calibrado, junto con el valor de temperatura de referencia del termostato, también configurable mediante los pulsadores, son almacenados en la memoria RAM del propio micro controlador (AT89S52). Para evitar la pérdida de dichos valores en caso de perder la alimentación mientras está funcionando, el circuito incorpora una pequeña batería recargable de 3,6V Ni-MH.
Salidas de control
El termostato permite controlar los dos circuitos de un climatizador de forma simultánea, el circuito de frío y el de calor. El micro controlador dispone de 2 salidas con estado lógico ‘0’ y otras 2 con estado lógico ‘1’. De esta forma es posible conectar cualquier driver en sus salidas. En este circuito he utilizado un módulo compuesto por 2 relés de 5V, de disparo con estado lógico ‘0’ y entradas optoacopladas (ver imagen).
Power Down Mode
La activación del ‘modo apagado’ (Power Down) del micro controlador permite minimizar al máximo su consumo. La detección de dicha caída de tensión se realiza mediante la lectura del nivel lógico 1/0 en el pin 39 (P0.0) del micro controlador. A pesar de que se podría simplificar el circuito intercalando una resistencia entre dicho pin (P0.0) y la entrada +5V, es mucho más eficaz entregar un nivel lógico en su entrada fijando su umbral de decisión. El circuito detector del umbral de apagado, está fijado por el valor del diodo Zener montado entre la base del transistor BC557 y masa (ver el esquema). En lugar del diodo Zener, puede utilizarse un diodo LED que tenga un umbral de encendido próximo a 3V.
A pesar de que el consumo del micro controlador se reduce bastante, es conveniente conectar la batería únicamente cuando el termostato esté en uso. De otra manera, la batería acabaría por descargarse. La finalidad de la batería es la de mantener los valores de configuración mientras el termostato está funcionando, y no cuando esté almacenado sin uso. En el esquema podemos ver que la desconexión de la batería se realiza mediante la extracción de un puente (jumper) entre el polo negativo de la batería y masa. Este puente puede sustituirse por un pequeño interruptor deslizante, para poder accionarlo sin la necesidad de tener que abrir la caja.
Circuito impreso
Para la realización de este termostato he utilizado un circuito impreso de tipo universal. Es cierto que el acabado queda mucho mejor si se monta en un circuito impreso hecho a medida. Sin embargo, muchos aficionados a la electrónica son reacios a ‘perder el tiempo’ en fabricar un circuito impreso, y prefieren utilizar placas de tipo universal. Además, la fiabilidad del circuito impreso sólo depende del cuidado que se ponga durante el montaje y soldadura de sus componentes… el aspecto no mejora la fiabilidad.
He utilizado una caja de plástico de tipo comercial, de tamaño 130×130 mm y 35 mm de altura. Para darle un mejor acabado, he utilizado un trozo de Polimetilmetacrilato (Plexiglas).
El mecanizado y serigrafía lo he realizado con la CNC.
Construcción de un Bingo electrónico de grandes dimensiones, para colgarlo en la pared de un salón social. El panel tiene unas dimensiones de 1 metro de ancho por 80 centímetros de alto, y está construido con la tapa de madera de un cajón de embalaje. En esta segunda parte, se finaliza el montaje del Bingo y se realizan pruebas de funcionamiento.
Rotulación
Para rotular los 90 números en el panel he construido una plantilla para centrar los números en cada cuadro, y otra para los números. El primer paso es rotular todos los números en la madera.
Una vez rotulados todos los números, con la ayuda de un pincel de punta fina, especial para la rotulación, se pinta el interior de los números. Yo utilicé esmalte metálico de color verde.
Mecanizado
A continuación se taladran los 90 agujeros para montar los diodos LED. Aunque el diodo es de 10 mm, es conveniente hacer el agujero a 9 mm y ajustar el hueco con la ayuda de una lima, o utilizando una pequeña fresa y un taladro de mano.
Los diodos LED se colocan por la parte trasera del mural, y se fijan con adhesivo termo fundible.
Conexiones
Para cablear la matriz, hay que conectar los ánodos de los diodos LED de las 9 líneas (sus resistencias limitadoras), y los cátodos de las 10 columnas. Al final se conecta un cable de cinta plana para los cátodos (10 hilos) y otro para los ánodos (9 hilos). Es importante identificar la primera línea y la primera columna, conectando el hilo que lleva la marca roja en esta posición.
Por finalizar, se monta un anclaje para la CPU y se fija el display y el pulsador en el mural. El conexionado es muy rápido, porque todas las conexiones se hacen con terminales y no es necesario utilizar el soldador.
Funcionamiento
Al conectar el panel aparece un texto en el display, mostrando la versión del firmware, y se iluminan los 90 diodos LED del panel durante unos segundos.
En el siguiente video se muestran todos los detalles de montaje y funcionamiento de este Bingo electrónico.
Construcción de un Bingo electrónico, fabricando una matriz con 90 diodos LED de forma artesana (sin circuito impreso). Este montaje es muy adecuado para que lo pueda realizar cualquier aficionado a la electrónica. El Bingo electrónico está construido a partir del micro-controlador AT89S52.
En la primera parte del video se muestra la fabricación de la matriz, en una carcasa de fibra plástica, y se fresan con una CNC los números en una lámina de plexiglás (PMMA) semitransparente.
En la segunda parte del video se analiza el esquema eléctrico, realizando la construcción de la lógica de control y la comprobación de funcionamiento. También se explica el sistema de multiplexación, midiendo las formas de onda con el osciloscopio. Al final, se realiza la construcción del frontal con serigrafía, y se construye una caja utilizando madera reciclada.
MULTIPLEXACIÓN
En la imagen siguiente se muestra el mapa de memoria del Bingo, necesaria para almacenar y mostrar en la matriz LED los números que van saliendo.
La información de los 90 números del Bingo se almacena en 12 Bytes RAM del micro-controlador (12 Bytes X 8 Bit = 96). El Bit menos significativo (LSB) del primer Byte contiene el estado del número 1 del Bingo (LED: On/Off). El Bit más significativo del Byte 11 contiene el estado del número 88; y del Byte 12 de la memoria sólo se utilizan los 2 Bit menos significativos, asignados a los números 89 y 90 del Bingo.
Para mostrar toda la información del Bingo en el panel frontal, es necesario multiplexar en el dominio del tiempo 11 informaciones diferentes: las 9 líneas del panel numérico + 2 para el display de 7 segmentos. Como las líneas van conectadas a los ánodos de los diodos LED, el micro-controlador tiene que habilitar de forma secuencial y cíclica cada una de las 11 líneas de control, generando un impulso positivo en cada instante. Como se puede ver en el mapa de memoria, las 8 primeras líneas van conectadas al puerto 2 del AT89S52, la 9ª línea al P3.6, la 10ª línea al P1.1 y la 11ª al P1.0.
Frecuencia de refresco
En este oscilograma se muestra la forma de onda de una de las 9 líneas de control del panel numérico. Con esta medida podemos conocer el tiempo que está encendido cada diodo LED (237 uSeg) y su velocidad de encendido = frecuencia de refresco (311 Hz). La frecuencia de refresco tiene que ser superior a la persistencia del ojo humano, procurando siempre que esta velocidad sea lo más alta posible, con el fin de evitar el efecto parpadeo o estroboscópico, al mezclarse dos fuentes de luz de frecuencia diferente.
¿Cómo se genera el número?
La generación del número aleatorio se basa en el modo de funcionamiento del sistema mecánico, mediante la extracción de una bola numerada del bombo. En un Bingo tradicional (mecánico), al principio hay 90 bolas numeradas dentro del bombo, y en cada extracción el número de bolas va disminuyendo de una en una.
En este Bingo electrónico, la generación del número se hace siguiendo estos pasos:
El micro-controlador utiliza un contador (Timer) que modifica su valor a una velocidad de 2 millones de valores por segundo aproximadamente (0,5 uSeg).
El valor del número máximo de este contador se limita en función a la cantidad de números que faltan por salir en el Bingo. Al principio el número máximo es 90 y va decreciendo a medida que se van extrayendo los números (igual que el número de bolas de un bombo mecánico).
En el momento que se pulsa el botón, el micro-controlador toma el valor del número generado por el contador, y este valor lo asigna al ‘hueco libre’ que queda en la tabla de números que faltan por salir.
Con ese valor, el micro-controlador busca el ‘hueco libre’ dentro de la tabla de números, empezando desde el número 1 hasta el 90, y luego asigna esta posición de ‘hueco libre’ al número real… ocupando el hueco y mostrando el número real en el display de 7 segmentos
De esta manera, las probabilidades de salir un número determinado son las mismas que en un bombo mecánico (es totalmente aleatorio). Por otra parte, se evita la generación de números ya extraídos.
Circuito de control (CPU)
Siguiendo el esquema es muy fácil montar todos los componentes en una placa de circuito impreso de tipo universal (taladros sin conexiones). Las conexiones se pueden realizar por debajo, creando las pistas del circuito con hilo fino de cobre y estaño. Si se colocan bien los componentes, las conexiones estarán muy próximas y no será necesario realizar puentes para atravesar las pistas. Una vez finalizado el montaje, el micro-controlador AT89S52 se puede programar directamente en la placa, utilizando las conexiones ICSP que se muestran en el esquema.
El firmware de este Bingo se puede descargar de forma gratuita desde el siguiente enlace: J_RPM_v1_BINGO.HEX
Si no dispones de un programador, podrías utilizar Arduino para hacerlo:
Construcción de un programador serie (ICSP) utilizando Arduino. Si no disponemos de un programador, esta es la solución más barata. Sin embargo, tanto el código de Arduino como el software de programación, son específicos para programar el micro-controlador AT89S51/AT89S52… y no sirven para programar cualquier otro modelo.
AT89S52
FICHEROS
En la página del autor del proyecto: TIKTAK’S PROJECTS , encontrarás además de la información de este proyecto, el link de acceso directo a la descarga de los archivos que necesitas. El fichero que debes cargar a tu Arduino para que funcione como programador, y el programa que necesitarás para exportar el archivo hexadecimal (firmware) hacia el micro-controlador AT89S51/AT89S52.
3 de Marzo de 2020
Miguel Berezosky me informa en un comentario que los archivos no los puede descargar. Como el autor de este proyecto parece que los ha eliminado en su alojamiento DropBox, los he subido a mi cuenta para que los podáis descargar:
He creído conveniente incorporar esta información en el blog, con el fin de ampliar un poco más los detalles de funcionamiento de este programador, y también porque en este canal tenéis otros proyectos en los que se utiliza el mismo tipo de micro-controlador. Si eres aficionado a la electrónica y no dispones de un programador, este montaje te podría ser de mucha utilidad.
Montaje ICSP
Si quieres fabricarte un programador ICSP (In-Circuit Serial Programming) , solo necesitarás una placa de Arduino -no importa el modelo- y montar el circuito que se muestra a continuación:
Esquema ICSP
El ejemplo siguiente muestra cómo puedes programar un circuito, en el que ya existe una entrada para su programación en serie:
ISP (In-system programming)
ICSP (In-Circuit Serial Programming)
Programador ICSP
INCONVENIENTES
Existen algunas limitaciones y desventajas si comparamos este programador con otro de tipo convencional. La primera y más importante, es que el software NO permite verificar la integridad de lo que se ha grabado. Si existiera algún error durante la escritura, el software no lo detectaría. En estos casos, lo normal es que el dispositivo programado no llegara a funcionar, pero dependiendo del tipo de error, podría funcionar de manera defectuosa.
La segunda no es tan importante, pero ha tardado 4 minutos en programar los 6.813 bytes del fichero con el que he realizado las pruebas. Con un programador convencional el proceso completo: borrado, escritura y comprobación, se realiza en algo menos de 13 segundos.
Recopilación de todos los videos relacionados con el reloj LED (FC-209), explicando por encima lo que se puede encontrar en cada uno de ellos. Además se presenta la última actualización del firmware, tanto para el kit FC-209 como para el reloj de pared. También se crean ambas versiones de firmware con los textos en inglés.
Se describe el montaje del kit de reloj en una carcasa de plástico semitransparente, en la cual se alberga una batería de litio (recuperada de un PC), con el fin de alimentar el reloj de forma autónoma. Se empieza describiendo con el esquema y de forma básica el funcionamiento del reloj. Posteriormente se explica el funcionamiento del módulo ‘Step Up’, utilizado para elevar la tensión de la batería de litio y conseguir los 5V estabilizados que alimentan el reloj. También se instala un módulo de carga TP4056 con protección, el cual se explicó con detalles entre el video Power Bank #1 y Linterna LED #2 – MEJORAS. Se mide el consumo del reloj, y se calcula la autonomía máxima de la batería, a partir de su capacidad. Finalmente se muestra la construcción de la serigrafía frontal, realizada con una CNC y se describe el funcionamiento y ajustes de este kit de reloj, utilizando el firmware con el que viene programado el reloj de fábrica.
Se realiza un nuevo firmware para sustituirlo por el que viene instalado de fábrica, es la versión 1. Después de realizar un estudio de todo el hardware, se decide elevar la frecuencia del reloj de cuarzo, y sustituir el sensor de temperatura original DS18B20, por otro de mayor precisión. Al realizar estos cambios, la versión 1 del firmware no es compatible con el kit original, porque sería necesario sustituir estos dos componentes. Posteriormente se detalla a fondo el funcionamiento del chip DS1302, RTC o reloj en tiempo real, y se explica el proceso a seguir para reprogramar el micro-controlador utilizando el puerto ICSP (In-Circuit Serial Programming) que incorpora dicho kit. Finalmente se detallan todas las funciones y mejoras incorporadas en el nuevo firmware, explicando el modo de configuración y su funcionamiento.
Se actualiza el firmware anterior, incorporando la posibilidad de que el reloj realice el cambio automático de la hora inverno/verano. Esta es la versión 2, y tampoco es compatible con el kit original. Se analiza a fondo el funcionamiento y comunicaciones entre el sensor de temperatura y el micro-controlador, comparando las diferencias que existen entre el sensor original DS18B20 y el instalado. Finalmente se calibra el sensor de temperatura mediante el menú de configuración y se detalla el proceso que sigue el reloj cuando tiene que actualizar la hora, estando apagado y encendido, comprobando también su funcionamiento.
Se actualiza de nuevo el firmware, incorporando la posibilidad de programar las horas en las que el display reduce su brillo. Con esto se evitan las molestias por exceso de iluminación, cuando se utiliza como despertador en una habitación oscura. Esta es la versión 3, y tampoco es compatible con el kit original. Se realizan de nuevo medidas de consumo del reloj, pero ahora con bajo brillo, y se calcula el incremento de la autonomía de su batería, debido a la reducción del consumo.
Debido a las numerosas peticiones que recibo, realizo un nuevo firmware totalmente compatible con el kit de reloj FC-209. Esta es la versión 4, y es la primera que se puede utilizar con el kit original. A pesar de que el sensor de temperatura original es menos preciso, con el DS18B20 se amplía el rango de medidas, pudiendo mostrar temperaturas entre -10 y 125ºC. Como existe la posibilidad de sustituir el chip de temperatura por otro externo con encapsulado metálico, es posible utilizar un sensor externo para medir la temperatura de componentes electrónicos o fluidos.
Se incorpora la posibilidad de utilizar el kit FC-209 como reloj o cronómetro. La opción de cronómetro se debe habilitar pulsando el botón central MODE, en la fase de arranque. En caso de no tocar nada, el módulo arrancará en modo reloj y tendrá las mismas funciones que tenía en la versión anterior, versión 4. Esta es la versión 5, y también es compatible con el kit FC-209. Una vez que se entra en el modo cronómetro, es posible configurar el modo del contador, pudiendo contar el tiempo hacia delante o hacia atrás. La resolución del cronómetro es de centésimas de segundos, mostrando este valor al final, en modo alterno cuando se detiene la cuenta.
Se muestra un nuevo diseño de reloj, utilizando las mismas características del kit FC-209, pero ampliando su tamaño para que pueda utilizarse como reloj de pared. Este firmware NO es compatible con el kit de reloj FC-209. Esta es la versión 6, exclusiva para este modelo de reloj, pero funciona exactamente igual que la versión 5 en el kit FC-209.
Al ampliar de tamaño el display, es mejor construir todo el frontal con diodos LED, en lugar de utilizar display’s de 7 segmentos. Con este aumento de tamaño se acentúa el efecto de parpadeo, provocado por la baja velocidad del procesador, por lo que se aumenta la frecuencia del cristal de cuarzo, igual que se hizo en las 3 primeras versiones del firmware, pero en este caso se mantiene el mismo modelo de sensor de temperatura. Otra modificación, es el uso de una batería recargable en lugar de la pila de botón. En este firmware se habilita el control de carga de la batería tampón, a través del chip DS1302. Para poder alimentar más de dos diodos en serie, como es el caso, se necesita subir la tensión de alimentación por encima de 5V, por lo que también se necesita instalar un módulo Step-UP.
En el video se muestran los detalles de construcción del circuito impreso que se necesita, así como el ensamblado de los diodos led en el frontal y sus cableados. Finalmente se realizan las pruebas de funcionamiento.
Se construye la carcasa frontal del reloj de pared, y se monta un anclaje para poder colgarlo. También se muestra el grabado de la serigrafía y mecanizado del frontal, realizado todo con una CNC. Luego se pinta la serigrafía, y se muestra el reloj ya colgado y funcionando.
Se utiliza un nuevo kit de reloj, para poder utilizarlo principalmente como medidor de temperatura de componentes electrónicos y fluidos. Se sustituye el chip de temperatura original, por otro externo del mismo modelo, pero encapsulado en acero inoxidable. También se realiza el mecanizado con la CNC, pero como en este caso se utilizará el kit con un alimentador externo de 5V, su tamaño es bastante reducido y fácil de transportar. Finalmente se realiza el calibrado del sensor de temperatura, utilizando como referencia los 0ºC que tiene el hielo en fusión.
Debido a las múltiples peticiones que recibí de algunos seguidores no hispanos, hice una versión del último firmware del kit FC-209, pero traduciendo todos sus textos en inglés.
Última actualización del firmware del reloj LED
Se incorporan un par de sugerencias que he recibido en los últimos meses. La primera de ellas y la más solicitada, es la posibilidad de presentar la temperatura en modo alterno con la hora, y la otra es la opción de poder mostrar los CEROS de las decenas de hora en el display, es decir, que se encienda el cero de la izquierda de las horas entre las 0 y las 9 de la mañana. Ambas opciones serán configurables, de manera que se podrá elegir entre la presentación anterior o la nueva.
Existe una variante entre el firmware del kit de reloj FC-209 y el reloj de pared, aunque sus prestaciones son las mismas. De manera que hay dos modelos de firmware, uno para cada modelo.
Cuando se active el modo de presentación alterno, la temperatura se mostrará de forma síncrona con el reloj, y lo hará cada 5 segundos. Entre el segundo 5 y el 55 de cada minuto, nunca se mostrará en el segundo ‘0’ de cada minuto, y lo hago así con el fin de mostrar siempre el cambio del minuto al paso por el segundo ‘0’ y no interrumpir la escucha de las señales horarias en caso de que estuvieran activadas. La temperatura sólo aparecerá durante un segundo de cada 5, en total 11 veces en cada minuto.
Por otra parte, como la lectura de la temperatura requiere de un tiempo y no es conveniente utilizar interrupciones cuando se está realizando la lectura, la presentación del display se detiene durante ese período de tiempo, siempre inferior a 1 segundo, pero provoca que la aparición de la temperatura en el display sea inferior a 1 segundo. Dependiendo de la velocidad del sensor de temperatura ese efecto podría pasar desapercibido, cosa que no sucede con el chip original que se incluye en el kit, ya que es demasiado lento. Me refiero al sensor de temperatura DS18B20 que se incluye en el kit de reloj.
Por ese motivo, con el fin de mejorar la visibilidad de la temperatura, la lectura sólo se realizará cada 10 segundos, de manera que entre dos presentaciones sucesivas, una de ellas siempre será instantánea y aparecerá durante 1 segundo completo. Dependiendo del segundo en el que se arranque el reloj, la lectura podría coincidir en los segundos acabados en ‘0’ o en ‘5’, ya que la primera vez que pase por alguno de ellos tendrá que leer el valor, pero al paso por el segundo ‘0’ se sincronizará y siempre leerá en los segundos acabados en ‘5’. Los segundos acabados en ‘0’ mostrarán la temperatura leída anteriormente, excepto en el segundo ‘0’ de cada minuto como ya he mencionado antes. Por otra parte, en el caso de que la temperatura sobrepase alguno de los dos umbrales de alarma, el aviso acústico se realizará sólo cuando el valor acaba de ser leído. Es decir, la alarma de temperatura sólo sonará en los segundos acabados en ‘5’
