Разрабатывая цифровой термометр, сейчас обычно пользуются методом, при котором терморезистор — датчик температуры входит в состав источника тока или напряжения, например, в части делителя напряжения. Получается зависимость тока или напряжения от температуры, так как сопротивление терморезистора, естественно, изменяется с изменением температуры. Дальше идет схема цифрового вольтметра, омметра или амперметра, с помощью которого и происходит индикация температуры.
Данный термометр интересен тем, что в нем использован другой метод. Полупроводниковый терморезистор, являющийся датчиком температуры, включен в частотно-задающую цепь RC-мультивибратора. Как мы знаем, у полупроводникового терморезистора зависимость сопротивления от температуры обратная, поэтому, при увеличении температуры, частота генерируемая этим мультивибратором возрастает, а при понижении температуры частота уменьшается.
Получается, что температуру можно измерять при помощи частотомера. Но здесь возникают сложности, связанные с тем, что все частотомеры предназначены для измерения частоты и индикации её в единицах частоты, а не температуры. С этим возникает проблема, так как нужно делать какое-то устройство, переводящее «Герцы» в «Цельсии». Все это сложно.
А если, сделать специализированный частотомер, который будет настроен так, что его показания будут численно равны температуре? Нужно только правильно подогнать время измерения.
На рисунке показана схема простого цифрового термометра для измерения температуры в жилом помещении. Прибор достаточно точно может измерять температуру в пределах от +10°С до +60°С, при этом погрешность не превышает 1°С. За этими пределами погрешность сильно увеличивается из-за неравномерности зависимости частоты мультивибратора от температуры датчика — терморезистора. В первую очередь это связано со сложностями индикации 0°C и величин отрицательных и около нуля. Однако следует учитывать, что если сделать шкалу прибора в градусах по Кельвину, то точность в интервале от 270К до 350К будет очень неплохой. Но нужно будет организовать третий старший разряд.
И так, на рисунке показана схема цифрового термометра, предназначенного для измерения температуры от +10°С до +60°С. В схеме всего три цифровых микросхемы. На элементах D1.1 и D1.2 сделан измерительный мультивибратор. Датчик — терморезистор R2 с отрицательным ТКС. Номинальное сопротивление R2 100 кОм. При температуре 25°С мультивибратор генерирует импульсы частотой около 8000 Гц. Чтобы определить температуру служит простой частотомер на двух десятичных счетчиках D2 и D3 с выходами на семисегментный индикатор, и устройстве управления на двух элементах D1.3 и D1.4.
Устройство управления представляет собой мультивибратор, который генерирует короткие положительные импульсы с частотой повторения около 2 секунд. Работает все это следующим образом. В промежутке между импульсами, то есть, когда на выходе D1.4 логический ноль, элемент D1.2 зафиксирован и измерительный мультивибратор не работает. В это время (2 секунды) происходит отображение результата измерения. Затем, по фронту положительного импульса на выходе D1.4 происходит формирование цепью C3R5VD2 очень короткого импульса, который обнуляет счетчики. Одновременно с этим запускается мультивибратор D1.1-D1.2 и генерирует импульсы, частота которых зависит от температуры. Эти импульсы поступают на вход счетчика D2-D3 и подсчитываются. Затем, по спаду положительного импульса на выходе D1.4 измерительный мультивибратор блокируется и в течение следующих 2 секунд прибор будет показывать измеренное значение температуры.
Таким образом, показания индикатора с периодом в 2 секунды вздрагивают и обновляются. Сначала, была сделана схема гашения индикаторов на двух ключевых транзисторах, но потом стало ясно что никакой необходимости в этом нет. Подсчет происходит быстро, время счета мало, так что это зрительно воспринимается как вздрагивание и обновление показаний.
Питается термометр от электросети через трансформаторный источник питания. Автор использовал трансформатор кадровой развертки ТВК110Л от старого лампового черно-белого телевизора. Можно применить любой маломощный трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 9-13 В при токе до 100 мА. Стабилизатор A1 стабилизирует напряжение питания на уровне 8 В.
Цель изготовления данного термометра была в изучении возможности создания цифрового термометра, пусть даже посредственной точности, но работающего на принципе измерения частоты мультивибратора, с терморезистором в частотозадающей цепи. Поэтому, печатная плата к нему не разрабатывалась, так как все было собрано на макетной плате. Был так же сделан и второй вариант, с трехразрядным индикатором и показаниями в шкале Кельвина. Им можно было измерять и достаточно низкие температуры, но показания были возможны только в абсолютной величине. Точность прибора, как уже было сказано, не высока, и годится только в качестве термометра для измерения температуры в жилом помещении.
Микросхему К176ЛА7 можно заменить на К561ЛА7 или импортную CD4011. Микросхемы К176ИЕ4 прямых аналогов не имеют, но можно подобрать что-то похожее из импортных микросхем, или собрать счетчик на двух двоично-десятичных счетчиках и двух семисегментных дешифраторах.
Индикаторы HL1 и HL2 — это семисегментные светодиодные индикаторы с общим анодом. Здесь можно использовать практически любые аналогичные индикаторы. И даже индикаторы с общим катодом. Но в этом случае нужно, во-первых, их общий вывод, теперь катод, соединить с минусом питания, а во-вторых выводы 6 микросхем D2 и D3 отключить от плюса и подключить к минусу питания.
Диоды 1N4148 можно заменить на КД521, КЦ522. Диоды 1N4004 можно заменить любыми маломощными выпрямительными. О возможной замене трансформатора сказано выше.
Градуируют термометр подстроечным резистором R4, по температуре +20°С. Нужно, пользуясь образцовым термометром, нагреть воду до такой температуры и погрузить в неё терморезистор R2, поместив его в тонкий целлофановый пакет, так чтобы он максимально прилегал к нему. Затем, подстроить R4 так чтобы показания образцового и этого термометра совпадали.
