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Electronique > Réalisations > Affichage / Mesures > Thermomètre 004

Dernière mise à jour : 09/09/2012

Présentation

Ce thermomètre a été étudié pour donner une indication de la température de l'eau d'un bain ou d'une douche, au moyen de trois LED : une bleue pour "froid", une verte pour "tiède" et une rouge pour "chaud".



Les trois températures de consigne peuvent individuellement être ajustées entre 10 °C et 80 °C. Histoire de varier les plaisirs, j'ai fait un petit mixage d'analogique et de numérique. Un capteur de température de type LM35 est associé à des AOP montés en comparateurs de tension, et ces derniers sont suivis d'un encodeur de priorité de la famille CMOS CD4000. Nous le verrons plus loin, on peut se passer de cet encodeur si on accèpte un mode d'affichage différent.

Schéma

Le LM35 est ce qu'on peut appeler le coeur du montage, mais sans le reste il ne sert à rien, si vous voyez ce que je veux dire.

Lecture de la température

On utilise ici un LM35 qui a l'avantage de présenter une tension de sortie (Vout) qui dépend de sa température, de façon linéaire et à raison de 10 mV par degré Celcius. Ainsi :
A 10 °C, Vout (TP1) = 100 mV
A 25 °C, Vout (TP1) = 250 mV
A 40 °C, Vout (TP1) = 400 mV
A 55 °C, Vout (TP1) = 550 mV
etc.

Le brochage du LM35 est le suivant - attention, composant vu de dessous !



+Vs = alim positive (par raport à la masse)
Vout = tension de sortie proportionnelle à la température
GND = masse.
Il existe plusieurs modèles de LM35. Pour la présente application, je vous conseille le modèle LM35CZ ou LM35DZ.

Comparateurs

Les comparateurs de tension n'en sont pas, quelle blague ! On aurait pu utiliser de vrais comparateurs de tension de type LM339 par exemple, mais il aurait alors fallu ajouter trois résistances (une par sortie utilisée) car les sorties du LM339 sont de type collecteur ouvert. Et ça non, je ne peux pas me le permettre en ce moment. Je me suis donc rabattu sur un boîtier LM324 qui contient quatre AOP et qui est tout aussi répandu - sinon plus - que le LM339. Trois AOP sont donc utilisés en comparateur de tension, le quatrième ne l'est pas et ses deux entrées sont reliées à la masse. Ce qui est bien dommage car en montant le quatrième AOP en oscillateur basse fréquence, on pourrait faire clignoter les LED et bénéficier d'une petite réduction de consommation énergétique, fort appréciable en ces temps difficiles. Nous en reparlerons, si vous voulez bien. Les comparateurs sont tous utilisés de la même façon. On applique sur leur entrée inverseuse une tension de référence qui correspond à la température à partir de laquelle on décide d'allumer les LED, et on applique sur leur entrée non-inverseuse la tension qui sort du LM35 et qui est fonction de la température. Prenons l'exemple du comparateur U2:B qui est utilisé pour l'allumage de la LED "Froid". Le rapport température/tension est le même pour les valeurs de consigne et pour la valeur mesurée, à savoir 10 mV / °C. Si on veut que la LED "Froid" s'allume au-delà de 20 degrés, il suffit de régler le potentiomètre RV1 de telle sorte qu'on ait sur son curseur une tension de 200 mV. Pour un basculement à 25 °C, il faudrait régler RV1 pour disposer d'une tension de seuil de 250 mV. Même chose pour les autres réglages de seuils assurés par les potentiomètres ajustables RV2 (tiède) et RV3 (chaud). Comme les trois comparateurs sont montés en "parallèle" et de façon indépendante, le fonctionnement est le suivant :

• La sortie du comparateur U2:B passe à l'état haut si la température mesurée (mesurable en TP1) est supérieure à la température de consigne "froid" (mesurable en SL).
• La sortie du comparateur U2:A passe à l'état haut si la température mesurée (mesurable en TP1) est supérieure à la température de consigne "tiède" (mesurable en SM).
• La sortie du comparateur U2:D passe à l'état haut si la température mesurée (mesurable en TP1) est supérieure à la température de consigne "chaud" (mesurable en SH).
• La sortie du comparateur U2:C est dans un état quelque peu indéterminé et on s'en fiche, pour une fois.

Notez qu'avec ce type de fonctionnement, on peut avoir une, deux ou trois LED allumées selon le nombre de seuils dépassés. Pour n'avoir qu'une seule LED allumée à la fois, j'ai décidé d'utiliser... un encodeur de priorité. C'est une solution parmi d'autres qui reste optionnelle mais que j'ai décidé d'installer.

Encodeur de priorité

Vous savez maintenant pourquoi j'utilise ce composant. Mais de quoi s'agit-il au juste ? Un encodeur de priorité dispose de plusieurs entrées et de plusieurs sorties, ces dernières sont activées ou désactivées selon l'état des entrées. L'encodeur choisi est un CD4532, qui dispose de 8 entrées et de 3 sorties codées en binaire. Le code binaire de sortie dépend de l'entrée de plus haut niveau activée. Si aucune entrée n'est activée, la sortie est à "000". Si une seule entrée est activée, la sortie est le reflet en binaire de sa position (sortie "000" si entrée D0 activée, sortie "001" si entrée D1 activée, sortie "010" si entrée D2 activée, sortie "011" si entrée D3 activée, sortie "100" si entrée D4 activée, etc). Si plusieurs entrées sont activées en même temps, l'entrée de plus haut rang est prioritaire et c'est elle qui est prise en compte, les autres entrées sont ignorées. Dans le cas qui nous intéresse ici, on cherche à n'avoir qu'une seule LED allumée à la fois. On évite donc d'utiliser les entrées qui conduisent à avoir un code binaire de sortie où il y a plusieurs sorties actives en même temps. Les seuls codes binaires qui nous intéressent sont finalement "001", "010" et "100", qui correspondent respectivement aux entrées D1, D2 et D4. Ces entrées D1, D2 et D4 sont donc reliées sur les sorties des comparateurs, et les sortie de l'encodeur alimentent les LED via un petit transistor de type 2N2222 qui fait office d'amplificateur de courant. Les transistors Q1 à Q3 sont conseillés voir indispensables si vous utilisez des LED standard qui réclament 10 mA à 20 mA pour s'allumer correctement, car le courant de sortie maximal du CD4532 n'est que de quelques mA sous une tension d'alimentation de 9 V. Si par contre vous utilisez des LED haute luminosité qui éclairent déjà fort bien sous quelques mA, elles peuvent être reliées directement sur les sorties Q0 à Q2 de l'encodeur de priorité et les transistors Q0 à Q2 deviennent superflus. Dans ce dernier cas, je vous laisse le soin de recalculer la valeur des résistances série des trois LED pour un courant de 2 mA ou 3 mA.

Clignotement des LED ?

Ah oui, j'avais dit que j'en reparlerai. L'entrée EI (Enable Input) du CD4532 permet de valider l'état des sorties (EI = 1) ou de les désactiver (EI = 0). Si on applique sur cette entrée un signal rectangulaire venant d'un oscillateur, les sorties passent successivement de l'état activé (toujours en fonction de l'entrée ou des entrées actives) à l'état désactivé (toutes sorties à zéro). Il s'agit d'un moyen simple de faire clignoter la LED actuellement en service. Je ne l'ai pas fait par fainéantise mais ça ne m'inquiète pas trop, je pense que vous voyez de quoi il en retourne. Pour ceux que ça intéresse, voici ce qu'il faut faire pour faire clignoter la LED.



Le quatrième AOP est dans ce cas utilisé en tant qu'oscillateur rectangulaire, on déconnecte bien sûr ses entrées qui étaient reliées à la masse. De même pour l'entrée EI du CD4532 qui doit être déconnectée du +Alim car si vous ne le faites pas... pfffff, plus de LM324.

Etage de sortie

Etage de sortie avec les fameux transistors Q0 à Q2. N'en aurais-je pas déjà parlé dans les lignes qui précèdent ? Pour rappel ils sont montés en interrupteur et amplificateur de courant. Quand le courant appliqué sur leur base est suffisant (sortie CD4532 à l'état haut), le transistor conduit et la jonction émetteur-collecteur agit comme un interrupteur fermé, faisant circuler un courant dans les LED, courant qui n'est limité que par les résistances R10 à R12. Pas intérêt à les oublier celles-là, si vous tenez à vos LED.

Procédure de réglage

Deux méthodes possibles :

• soit vous branchez un multimètre sur les points SL, SM et SH et vous réglez les potentiomètres pour avoir les tensions de seuils qui correspondent aux températures désirées (par exemple 400 mV pour 40 °C),
• soit vous mettez le capteur LM35 sous l'eau et vous ajustez les potentiomètres pour avoir le basculement à la température désirée et sentie à la main.

Rien ne vous interdit d'utiliser les deux méthodes, ça vous permettra de vous rendre compte, le cas échéant, que 55 °C n'est pas "tiède" pour tout le monde.

Utilisation d'une CTN à la place du LM35 ?

Vous pouvez aussi adopter un pont diviseur résistif constitué d'une résistance normale et d'une CTN, de façon à obtenir une variation de tension liée à la température. Certes la variation de tension ne sera pas linéaire, mais qu'importe puisque vous disposez d'élements de réglages séparés. Je ne sais pas moi... une CTN de 4,7 kO (valeur spécifiée à 25 °C) accouplée à une résistance de valeur comprise entre 2,2 kO et 10 kO, par exemple ?

Circuit imprimé

Commencé et non fini peuvent ne pas être incompatibles. Mais là le circuit est fini, donc discussion reportée (version sans clignotement des LED).



Typon aux formats EPS, PDF et Bitmap 600 dpi

Important

Le capteur LM35 (U1) est montré en position debout sur le circuit imprimé, cela ne signifie pas que le circuit tout entier doit se retrouver dans l'eau. Le capteur doit être déporté du circuit à l'aide d'une liaison à trois fils, qui n'a pas besoin d'être blindée si elle n'est pas trop longue (disons maximum 1,50 mètre). Le circuit sera de préférence placé dans un boîtier étanche et transparent puisque par définition il risque des éclaboussures ou pire.

Historique

09/09/2012
- Modification du circuit imprimé (déplacement des résistances R1 à R6 pour ajouter deux trous de fixation).
26/02/2012
- Première mise à disposition.