USB-Temperatur- Feuchte-Messgerät
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Bau- und Bedienungsanleitung Best.-Nr.: 56049 Version 1.0 Stand: Dezember 2003 USB-TemperaturFeuchte-Messgerät Technischer Kundendienst Für Fragen und Auskünfte stehen Ihnen unsere qualifizierten technischen Mitarbeiter gerne zur Verfügung. ELV • Technischer Kundendienst • Postfach 1000 • D - 26787 Leer Reparaturservice Für Geräte, die aus ELV-Bausätzen hergestellt wurden, bieten wir unseren Kunden einen Reparaturservice an. Selbstverständlich wird Ihr Gerät so kostengünstig wie möglich instand gesetzt. Im Sinne einer schnellen Abwicklung führen wir die Reparatur sofort durch, wenn die Reparaturkosten den halben Komplettbausatzpreis nicht überschreiten. Sollte der Defekt größer sein, erhalten Sie zunächst einen unverbindlichen Kostenvoranschlag. Bitte senden Sie Ihr Gerät an: ELV • Reparaturservice • Postfach 1000 • D - 26787 Leer ELV Elektronik AG • Postfach 1000 • D-26787 Leer • Telefon 04 91/600 888 • Telefax 04 91/6008-244 ELVjournal 5/03 1 USB-TemperaturFeuchte-Messgerät Das TFM 100 dient als transportables Gerät zur genauen Messung der Temperatur und der relativen Luftfeuchte sowie zur Speicherung von Messdaten. Es erfasst Temperaturen im Bereich von -40 °C bis +120 °C und die rel. Feuchte im Bereich von 0 bis 99,5 % mit der Auflösung von 0,1 k bzw. 0,5 %. Daneben bietet das TFM 100 eine Min.-/Max.-Wert-Anzeige und eine Hold-Funktion. Zusätzlich lässt sich das Gerät als Datenlogger mit einstellbarem Aufzeichnungsintervall (Kapazität 2000 Messungen, Intervall 1 Sek. bis 1 Std.) einsetzen. Die gespeicherten Werte sind mit der zugehörigen Windows-Software über die USB-Schnittstelle des TFM 100 auslesbar. Der Temperatur-Feuchte-Sensor ist zur besseren Platzierung am Messobjekt vom Gerät abgesetzt. Datensammler mit HightechSensor Das „Temperatur-Feuchte-Messgerät“ (TFM 100) ist ein funktionales Handmessgerät, das wahlweise zur Anzeige von Temperatur oder relativer Luftfeuchte dient. Der abgesetzte Sensor ermöglicht das direkte Messen an oder in der Nähe von Messobjekten. Doch nicht nur die direkte Messung und Datenanzeige ist möglich, das TFM 100 lässt sich auch als Datenlogger für das Erfassen und Speichern von Daten über längere Zeiträume einsetzen. Dazu besitzt das Gerät einen FRAM-Spei2 cher, in dem etwa 2000 Messungen aufgezeichnet werden können. Jede Messung besteht aus Temperatur-Messwert und zugehörigem Luftfeuchtemesswert. Da das Aufzeichnungsintervall zwischen 1 Sek. und 1 Std. einstellbar ist, kann man sowohl Kurzzeitmessungen zur Erfassung und Auswertung von schnellen Messwertschwankungen als auch Langzeitmessungen bis zu mehreren Tagen vornehmen. Die gespeicherten Daten können mit der zugehörigen TFM-100-Windows-Software über die USB-Schnittstelle des Gerätes auf einen USB-fähigen Windows-PC übertragen werden. Für das Temperatur-Feuchte-Messgerät mit dieser Ausstattung lassen sich unzählige Anwendungsfälle finden. Es kann beispielsweise schnell und einfach die aktuelTechnische Daten: Temperaturbereich: ..... -40 – +120 °C Temperaturabweichung: ........ ±0,5 °C Feuchtebereich: .................. 0–99,5 % Feuchteabweichung: .............. ± 3,5 % Datenspeicher: ... ca. 2000 Messungen Aufzeichnungsintervallzeit: 1 Sek. bis 1 Std. Schnittstelle: ............................... USB Spannungsversorgung: ...... 9-V-Block Abmessungen: ...... 71 x 171 x 28 mm ELVjournal 5/03 Bild 1: Das Blockschaltbild des TFM 100 TFM 100 Bedientasten Temperatur Feuchte Sensor Mikro controller FRAM le Temperatur oder Feuchte im heimischen Gewächshaus oder in der Sauna messen. Mit der implementierten DatenloggerFunktion lassen sich einfach, zeitlich ausgelöst durch die vorher eingestellte Intervallzeit, die Temperatur- und FeuchteWerte aufzeichnen und später auf einem PC auswerten. Hiermit kann man beispielsweise unnötige, tageszeitbedingte Heizspitzen aufspüren, an denen die Wärme in der Wohnung nicht gebraucht wird. Oder es ist möglich, Lüftungs- und Klimatisierungsvorgänge zu optimieren, Wärmelecks aufzuspüren, und, und … Selbst abgleichender Mikroprozessor-Sensor Das sicher interessanteste Bauteil der Schaltung ist der kombinierte TemperaturFeuchte-Sensor. Denn die sonst üblichen Temperatur- und Feuchte-Sensoren sucht man hier vergeblich. Dieser Sensor hat den großen Vorteil, dass er vor der Erstinbetriebnahme nicht abgeglichen werden muss. Er verfügt intern über einen Mikrocontroller, der die bereits herstellerseitig implementierten Abgleichdaten in den Messwert einbezieht, so dass über die 2-Draht-Schnittstelle stets und ohne mühsamen Erst- oder Service-Abgleich der reale Messwert ausgelesen wird – ein ziemlich perfekter Sensor! Dieser Wert wird mit der Auflösung von 0,1 k (Temperatur) bzw. 0,5 % (Luftfeuchte) auf dem LC-Display dargestellt. Funktion/Blockschaltbild Ein vereinfachtes Blockschaltbild (Abbildung 1) veranschaulicht das Zusammenwirken der einzelnen Baugruppen des TFM 100, die wir im Folgenden einzeln betrachten wollen. Zentrales Bauelement, bei dem alle Informationen zusammenlaufen, ist der Single-Chip-Mikrocontroller des Typs ELV 03329. Bedientasten Das TFM 100 befindet sich in einem Handgehäuse, in das eine passende Folientastatur mit 8 Tasten integriert ist: ELVjournal 5/03 Display USB Schnittstelle Taste On Off Hold Funktion Einschalten Ausschalten „Einfrieren“ der aktuellen Anzeige im Display °C/% Umschaltung Temperatur/Feuchte Max (RUN) Anzeige des gespeicherten + Max.-Wertes/Datenlogger starten/Menü + Min (STOP) Anzeige des gespeicherten Min.-Wertes/Datenlogger stoppen/Menü Reset Zurücksetzen Mode Einstellungen für die Datenlogger-Funktion LC-Display Das LC-Display ist ein Universal-Display, mechanisch passend für das Handgehäuse, es weist somit eine Vielzahl verschiedener Symbole und Anzeigemöglichkeiten auf. Das TFM 100 nutzt die folgenden Symbole (siehe auch Abbildung 2): - Die Symbol-Anzeigen „°C“ und „%“ dienen jeweils als Einheiten-Anzeige für die einzelnen Mess- bzw. Anzeigearten. - Die Schriftzüge „Min“ und „Max“ kennzeichnen die Anzeige der gespeicherten Min.-/Max.-Werte. - Die Anzeige „Hold“ signalisiert ein „Einfrieren“ der Anzeige, das heißt, dass der beim Betätigen der Taste „Hold“ ermittelte aktuelle Messwert permanent angezeigt wird. Erst wenn die Taste „Hold“ erneut betätigt wird, erfolgt wieder die Anzeige der laufenden Messwerte. - Die Anzeige „Bat“ signalisiert eine erschöpfte Batterie (Batterieüberwachung). - Die Bargraph-Anzeige dient zur Restspeicher-Information, um bei Datenlogger-Betrieb einen Überblick über den noch verfügbaren Speicherplatz zu erhalten. Temperatur-Feuchte-Sensor Der Temperatur-Feuchte-Sensor besteht aus einem Chip, der gleichzeitig einen Temperatur- und einen Feuchte-Sensor beinhaltet. Der Sensor beherbergt auch einen kleinen Mikrocontroller, der werksseitig alle Abgleichwerte der beiden Sensoren enthält. Somit besticht dieser digitale Feuchte- und Temperatur-Sensor dank vollständiger interner Kalibration und digitalem Output durch exzellente Langzeitstabilität und Anwenderfreundlichkeit. Ein komplizierter Abgleich des Sensors vor der ersten Inbetriebnahme und auch später als Servicemaßnahme ist nicht notwendig. Weiterhin bietet der Sensor eine schnelle Ansprechzeit bei der Messung, so dass sich Temperatur- und Feuchteschwankungen schnell im Messergebnis widerspiegeln. Dieser Sensor ist praxisfreundlich über ein abgeschirmtes Anschlusskabel im externen „Griffelgehäuse“ untergebracht. FRAM Das implementierte FRAM (IC3) vom Typ „FM24C64“ bietet einen Speicherplatz von 8192 Byte. Es dient zum Abspeichern der Temperatur- und FeuchteMesswerte bei Betrieb als Datenlogger. Die Beschaltung des FRAMs ist die gleiche wie die Beschaltung eines üblichen EEPROMs. Der große Vorteil eines FRAMs gegenüber dem EEPROM ist der, dass es unbegrenzt oft gelesen und beschrieben werden kann. USB-Schnittstelle Die USB-Schnittstelle bildet die Verbindung zwischen der TFM-100-Hardware und einem USB-fähigem PC. Über diese Schnittstelle können die beim Datenlogger-Betrieb aufgezeichneten Temperatur- und Feuchte-Daten zu einem PC übertragen werden. Die dem Bausatz beiliegende TFM-100-Windows-Software speichert die Daten in einem Format ab, das die Weiterverarbeitung der Daten in einem Tabellenkalkulationsprogramm erlaubt. °C % Min Max Hold Bat Bild 2: Alle für das TFM 100 verwendeten LCD-Segmente auf einen Blick – sie erscheinen beim Einschalten als Displaytest. Bedienung Das Temperatur-Feuchte-Messgerät (TFM 100) wird mit den Tasten „On“ bzw. „Off“ der Folientastatur ein- bzw. ausgeschaltet. Nach dem Einschalten startet das Gerät nach einem kurzen Displaytest mit den Messungen und zeigt den aktuellen Temperatur-Wert auf dem Display an (Abbildung 3). Die Taste „On“ ist bis 3 Bau- und Bedienungsanleitung °C Bild 3: Die Temperaturanzeige des TFM 100 zur Anzeige des ersten Messwertes gedrückt zu halten. Mit der Taste „Hold“ wird der aktuelle Messwert eingefroren, um beispielsweise die Messung zu unterbrechen und den Messwert in Ruhe notieren zu können, etwa wenn man sich auf die Anzeige nicht konzentrieren konnte, weil man an einem schwer zugänglichen Ort gemessen hat. Weiterhin lässt sich im „Hold-Mode“ durch Betätigung der Taste „Reset“ die AutoPower-off-Funktion ausschalten. Eine kurze Display-Meldung bestätigt diesen Vorgang. Mit der Taste „°C/%“ schaltet man die Anzeige zwischen Temperatur-Messwert und Feuchte-Messwert um. Der Feuchte-Messwert wird wie in Abbildung 4 angezeigt. Mit den Tasten „Max“ und „Min“ werden die seit dem letzten Start gemessenen Min.- und Max.-Werte angezeigt. Mit der Taste „Reset“ lässt sich der angezeigte „Min.-“ oder „Max.-Wert“ zurücksetzen. % Bild 4: Die Luftfeuchteanzeige des TFM 100 Temperatur-Feuchte-Logger Mit der Taste „Mode“ startet man das Einstellungsmenü des Temperatur-Feuchte-Loggers. Nach dem Starten des Loggers ist die Intervallzeit einzustellen. Diese lässt sich mit den Tasten + (Taste „Max“) und - (Taste „Min“) im Bereich von einer Sekunde bis zu einer Stunde einstellen. In der Abbildung 5 ist die Intervallzeit beispielhaft auf 1 Minute eingestellt, d. h. Bild 5: Hier ist das Aufzeichnungsintervall des Datenloggers auf eine Minute eingestellt. 4 °C Bild 6: Die Anzeige während des Datenlogger-Betriebs. Die BargraphAnzeige signalisiert den bereits belegten Speicherraum, in der Digitalanzeige erscheint der aktuelle Temperaturmesswert. dass der Logger nach dem Starten jede Minute einen neuen Messwert-Satz, bestehend aus Temperatur- und Luftfeuchtewert, aufnimmt. Durch nochmaliges Betätigen der Taste „Mode“ gelangt man in einen weiteren Menüpunkt (LOG OK). Hier lässt sich die Aufzeichnung mit der Taste + starten oder man kann mit der Taste „Mode“ den LogMode verlassen. Während der Aufzeichnung (siehe Abbildung 6) wird der zuletzt aufgezeichnete Messwert im Display angezeigt. Die Bargraph-Anzeige gibt an, wie weit der interne Log-Speicher gefüllt ist. Das letzte Segment der Bargraph-Anzeige blinkt bei jeder Messung kurz auf. Durch Betätigung der Taste - kann man die Aufzeichnung stoppen und durch eine weitere Betätigung der Taste „Mode“ die Betriebsart „Datenlogger“ verlassen. Beim Ausschalten des TFM 100 bleiben die im FRAM gespeicherten Daten erhalten. Diese werden erst bei erneutem Start des Datenloggers überschrieben. Die aufgezeichneten Daten lassen sich anschließend mit der TFM-100-WindowsSoftware auslesen. Durch Verbinden der TFM-100-Hardware mit einem PC über ein USB-Kabel wechselt diese automatisch in den USB-Mode, wobei die Messungen unterbrochen und die USB-Schnittstelle freigeschaltet werden. Die genauere Beschreibung der TFM-100-WindowsSoftware erfolgt später im Kapitel „Windows-Software”. Schaltung Die gesamte Schaltung des TFM 100 ist in zwei Teilen (Sensor-/Hauptschaltung) in Abbildung 7 und 8 dargestellt. Das zentrale Element des TFM 100 bildet der Mikrocontroller IC 5. Dieser wertet die Sensor-Daten aus und übernimmt die Ansteuerung des Displays. Weiterhin organisiert er die Auswertung der Bedientaster, die Abspeicherung der Log-Daten und die Ansteuerung des USB-Moduls. Der interne Haupt-Oszillator wird durch den Quarz Q 3 und die Kondensatoren C 27 und C 28 auf 4,194 MHz stabilisiert. Des Weiteren besitzt die Schaltung einen Sub-Oszillator, der durch den Quarz Q 2 und die Kondensatoren C 25 und C 26 auf 32,768 kHz stabilisiert wird. Zwischen den Messungen schaltet der Mikrocontroller softwaremäßig auf den Sub-Oszillator-Takt um, weil die Schaltung mit einem geringeren Takt weniger Strom verbraucht. Der Kondensator C 24 sorgt für einen definierten Reset-Impuls beim Zuschalten der Betriebsspannung und damit für definierte Verhältnisse beim Einschalten oder nach einem Spannungsausfall. Der Programmierstecker PRG 1 und der Widerstand R 17 dienen zur Programmierung des Mikrocontrollers in der Serienproduktion. Das Display verfügt über 32 Segmentleitungen (SEG 0 bis SEG 31) und vier Ebenen (COM 0 bis COM 4), die direkt mit den entsprechenden Ports des Controllers verbunden sind. Die Anpassung des Display-Kontrastes erfolgt mit Hilfe der Widerstände R 18 bis R 21. An die Stiftleiste ST 1 wird der abgesetzte Sensor angeschlossen. Der Widerstand R 4 dient als Pull-up-Widerstand für die Datenleitung. Die Spulen L 2 und L 3 dienen zur Störungsunterdrückung auf den Datenleitungen zum Sensor. Die I2C-Leitungen des FRAMs (IC 3) sind mit dem Port 3.0 bis 3.2 verbunden. Die Spannungsversorgung des TFM 100 ist mit dem Spannungsregler IC 4 (HT 7150) realisiert. Dieser Spannungsregler hat einen Eingangsspannungsbereich von 5 bis 24 V/DC. Die Kondensatoren C 19 und C 20 dienen zur Stör- und Schwingneigungsunterdrückung. Nach der Pufferung der Batterie-Spannung durch den Elko C 18 gelangt die Spannung direkt auf den Emitter des Transistors T 3. Dieser Transistor kann über den Taster TA 1 „On“ oder den Transistor T 2 in den leitenden Zustand versetzt werden. Sobald die Taste betätigt wird, erhält der Spannungsregler und somit auch der Mikrocontroller seine Betriebsspannung. Dieser wiederum gibt sofort an Port 2.0 ein „High-Signal“ aus und steuert über R 12 den Transistor T 2 durch, der wiederum den „Ein-Zustand“ des Gerätes hält. Zum Ausschalten des TFM 100 ist der Transistor T 2 und somit auch T 3 über den Prozessorport wieder in den Sperrzustand zu versetzen. Dadurch ist auf einfache Weise eine Auto-Power-off-Funktion realisiert, die das Gerät ausschaltet, wenn längere Zeit keine Tastaturbetätigung erfolgt. Solange die Datenaufzeichnung im Datenlogger-Modus läuft, ist die Auto-Poweroff-Funktion deaktiviert. Darüber hinaus lässt sich die Auto-Power-off-Funktion auch komplett deaktivieren. Dazu ist wie beschrieben die „Hold-Taste“ und anschließend die „Reset-Taste“ zu betätigen. Der Transistor T 1 und die Widerstände ELVjournal 5/03 BU1 USB-Buchse BAT SCLK 1 2 3 4 L2 L3 +5V 15u 15u C1 R4 4 3 2 1 1n SMD +5V C4 C6 1n SMD USB_VCC C5 100n SMD 330K +9V R5 1M L1 22uH T1 BC858C Low Batt. Erkennung R6 R3 22R R9 2K2 IC1 ELV03346 IC3 5 SDA 6 SCL 24C64 R1 C8 33p SMD Q1 C32 6 MHz 33p SMD TA1 TA1 TA1 TA1 TA1 TA1 TA1 Folientastatur 1K5 22R 33n SMD C7 R2 USB_VCC +5V Off Hold Max Min Reset Mode Range 8 1 CS Vcc 7 2 SK NC 6 3 Din NC 5 4 GND Dout R7 10K 100K R8 1 2 3 7 EEPROM +5V BAT43 + 1u 100V +5V USB_VCC D5 C21 100n SMD C23 USB-EEPROM USB_VCC 100n SMD 1n SMD Spannungsstabilisierung IC4 OUT C20 8 IC3 100n SMD 33K C3 100n SMD ST1 D4 100n SMD IN GND HT-7150 C22 100n SMD +9V C19 12 IC5 C15 C16 1n SMD + BAT43 100n SMD C13 C14 1n SMD Einschalttransistor T3 C18 BC858C BAT43 R16 100K R11 + C2 10u 16V 33K Stiftleiste 100n SMD D3 C11 C12 H_ON R14 100K Sensor-Anschluß IC2 30 3 13 26 1n SMD 29 9 17 FT245BM C17 AVCC AGND VCC GND VCC GND VCC DATA USB_VCC C9 C10 100n SMD On BAT43 D2 LL4148 T2 BC848C 4 24CL64 6 8 7 5 4 32 1 2 27 28 31 IC2 D0 3V3OUT D1 USBDM D2 USBDP D3 RSTOUT D4 /RESET D5 D6 EECS D7 EESK EEDATA /RD WR XIN /TXE /RXF SI/WU /PWREN XOUT FT245BM TEST USB_VCC 25 24 23 22 21 20 19 18 16 15 14 12 11 10 USB-Umsetzung PRG1 Vpp VDD SDAT SCLK Reset Vss +5V ProgrammierAdapter R17 22K C24 470n SMD BAT H_ON VCL0 VCL1 VCL2 BIAS XOUT XIN 4 5 6 7 3 2 1 80 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64 63 62 61 60 59 58 57 56 55 54 53 52 9 10 11 8 14 15 LCD1 LC-Display SEG0 SEG1 SEG2 SEG3 SEG4 SEG5 SEG6 SEG7 SEG8 SEG9 SEG10 SEG11 SEG12 SEG13 SEG14 SEG15 SEG16 SEG17 SEG18 SEG19 SEG20 SEG21 SEG22 SEG23 SEG24 SEG25 SEG26 SEG27 SEG28 SEG29 SEG30 SEG31 1 COM0 2 COM1 3 COM2 4 COM3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 0R R21 R20 R19 C31 10K 100n SMD 10K C29 C30 100n SMD 100n SMD Bild 7: Hauptschaltung des Temperatur-Feuchte-Messgerätes sowie die Induktivität L 1 dienen zur Stabilisierung dieser Spannung bzw. zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen. Des Weiteren wird die gesamte Schaltung beim Anschluss über die USB-Schnittstelle und somit beim Auslesen der geloggten Daten über den USB-Anschluss versorgt. Neben den beiden Leitungen für die Betriebsspannung besteht der USB aus zwei Datenleitungen (D+, D-). Diese sind jeweils über einen Widerstand zum Leitungsabschluss (R 2, R 3) mit dem USB-Controller (IC 2) verbunden. Der Widerstand R 1 dient als Pull-up-Widerstand für die D+Datenleitung. Über den definierten „High“Pegel erkennt der PC, dass die TFM-100Hardware angeschlossen wurde. Der externe Sensor wird über ein abgeschirmtes Kabel mit dem TFM 100 verbunden. Nachbau Im TFM 100 kommen vorwiegend SMD5 IC5 ELV03329 22p SMD 10K 19 ¯¯¯¯¯¯ RESET 20 P0.0/INT4 COM0 21 ¯¯¯¯ P0.1/SCK COM1 22 P0.2/SO COM2 23 P0.3/SI COM3 24 P1.0/INT0 SEG0 25 P1.1/INT1 SEG1 26 P1.2/INT2 SEG2 27 P1.3/TCL0 SEG3 SEG4 28 P2.0/TCLO0 SEG5 29 P2.1 SEG6 30 P2.2/CL0 SEG7 31 P2.3/BUZ SEG8 SEG9 32 P3.0/LCDCK SEG10 33 P3.1/SCDSY SEG11 34 P3.2 SEG12 35 P3.3 SEG13 SEG14 36 P4.0 SEG15 37 P4.1 SEG16 38 P4.2 SEG17 39 P4.3 SEG18 SEG19 40 P5.0 SEG20 41 P5.1 SEG21 42 P5.2 SEG22 43 P5.3 SEG23 P8.0/SEG24 44 P6.0/KS0 P8.1/SEG25 45 P6.1/KS1 P8.2/SEG26 46 P6.2/KS2 P8.3/SEG27 47 P6.3/KS3 P8.4/SEG28 P8.5/SEG29 P8.6/SEG30 P8.7/SEG31 TEST XTIN XTOUT Q3 C28 4.194304 MHz Mikrocontroller C27 22p SMD 48 P7.0/KS4 49 P7.1/KS5 50 P7.2/KS6 51 P7.3/KS7 16 17 18 22p SMD R18 On DATA SCLK Q2 32.768 kHz C25 C26 22p SMD ELVjournal 5/03 R15 220K 100n SMD Bild 8: Sensorschaltung des Temperatur-Feuchte-Messgerätes 13 100n SMD ELV03329 Sensor 1u 100V SHT C1 9V Blockclip Stiftleiste 5 1 +UB PROG 4 CLK 3 DATA 2 GND R12 220K BAT1 4 3 2 1 R13 100K 100n SMD FS1 ST1 D1 TA1 On On R 5 und R 6 realisieren eine „Low-BatErkennung“. Eine für den ordnungsgemäßen Betrieb zu niedrige Batteriespannung wird im Display mit dem „Bat“-Symbol dargestellt. Der USB-Controller vom Typ FT245BM realisiert die Schnittstelle zwischen der TFM-100-Hardware und einem PC. Die Ports P 4 und P 5 des Mikrocontrollers (IC 5) bilden den Datenbus zwischen USBController (IC 2) und Mikrocontroller IC 5. Die Ansteuerung ist über zwei Statusleitungen (TXE, RXF) und über zwei Steuerleitungen (RD, WR) realisiert. Das zentrale Element der USB-Umsetzung bildet der USB-Controller, welcher speziell für die Konvertierung zwischen USB und einem parallelen FIFO-Speicher (First In First Out) entwickelt wurde. Der USB-Controller signalisiert empfangene Daten über „Low“-Pegel auf der RXFLeitung. Der Mikrocontroller erkennt dies und liest die Daten durch Takten der RDLeitung über den Datenbus aus dem FIFOSpeicher aus. Das Schreiben von Daten geschieht ähnlich. Die Daten sind auf den Datenbus zu legen und über die WR-Leitung in den FIFO-Speicher zu übertragen. Die Übertragung der Daten übernimmt der USB-Controller eigenständig und signalisiert dies über einen „High“-Pegel an der TXE-Leitung. Der USB-Controller beinhaltet eine Art Mikrocontroller, so dass eine Taktversorgung gewährleistet sein muss. Dafür wird der interne Oszillator mit dem Quarz Q 1 und den Kondensatoren C 7 und C 8 auf eine Frequenz von 6 MHz stabilisiert. Ein definiertes Starten des USB-Controllers wird durch Beschalten des Reset-Pins auf VCC sichergestellt. Zur Speicherung der Erkennungsdaten (Vendor-ID, Product-ID, Seriennummer etc.) des TFM 100 ist an die „Microwire“Schnittstelle des USB-Controllers ein EEPROM vom Typ ELV03346 (IC 1) angeschlossen. Damit erkennt ein PC mit USB-Funktionalität das TFM 100 als USB-Gerät. Die Spannungsversorgung der gesamten USB-Umsetzung erfolgt über den USB, der eine Spannung von 5 V zur Verfügung stellt. Diese Betriebsspannung gelangt über die USB-Buchse (Pin 1 und Pin 4) auf die Schaltung. Die Kondensatoren C 1 bis C 5 R10 470R Teilausschnitt der Basisplatine von der Bestückungsseite mit zugehörigem Bestückungsplan Komponenten für die Oberflächenmontage zum Einsatz. Die Verarbeitung von SMD-Bauteilen setzt jedoch Löterfahrung und eine besonders sorgfältige Arbeitsweise voraus. Weiterhin ist ein Minimum an Spezialwerkzeugen für die Verarbeitung der winzigen Bauteile Voraussetzung. So sind ein Lötkolben mit sehr feiner Lötspitze und eine gute Pinzette zum Fassen und Positionieren der kleinen Teile erforderlich. Außerdem sollten dünnes SMD-Lötzinn und Entlötsauglitze nicht fehlen. Schließlich leistet eine starke und möglichst beleuchtbare Standlupe hier gute Dienste, um die nicht einfache Positionierung der kleinen Bauteile zu erleichtern. Wir beginnen die Bestückungsarbeiten mit dem neben dem Display einzigen Bauelement auf der Bestückungsseite (BS), dem Single-ChipMikrocontroller IC 5. Aufgrund der insgesamt 80 Anschlusspins und dem damit verbundenen geringen Pinabstand ist der Verarbeitung dieses Bauteils besondere Sorgfalt zu widmen. Ganz wichtig ist hier, wie bei allen gepolten Bauelementen, die Beachtung der korrekten Einbaulage. Denn es ist nahezu unmöglich, einen versehentlich mit falscher Polarität eingebauten Mikrocontroller ohne Beschädigung wieder von der Leiterplatte zu entfernen. Zuerst wird an einer beliebigen Gehäuseecke ein Lötpad der Leiterplatte vorverzinnt und dann der Prozessor polaritätsrichtig exakt positioniert. Nach dem Verlöten dieses Anschlusspins ist sorgfältig zu überprüfen, ob alle weiteren Anschlüsse exakt mittig auf den zugehörigen Lötpads aufliegen. Bereits eine geringe Verschiebung hat die Folge, dass sich die übrigen Pins in der Reihe nicht ordnungsgemäß verlöten lassen. Weiterhin ist die Gefahr von Lötzinnbrücken sehr groß. Wenn der Prozessor exakt positioniert ist, werden alle weiteren Anschlusspins verlötet. Zweckmäßigerweise beginnt man hier mit dem Pin, welches dem zuerst verlöteten Pin diagonal gegenüberliegt, um eine sichere Fixierung zu gewährleisten. Sollte dabei versehentlich Lötzinn zwischen die Prozessoranschlüsse laufen, so ist dieses überschüssige Lötzinn mit Entlötlitze abzusaugen. Nach einer gründlichen Überprüfung mit einer Lupe oder Lupenleuchte auf ordnungsgemäße Lötstellen und eventuelle Schlüsse zwischen den Pins wenden wir uns der zweiten Platinenseite, der Lötseite (LS), zu. Auf der Lötseite werden im nächsten Arbeitsschritt alle ICs in der gleichen Weise wie der Prozessor aufgelötet. Die kor- rekte Polarität ist bei SMD-ICs daran zu erkennen, dass die Pin 1 zugeordnete Gehäuseseite leicht angeschrägt oder mit einer Vertiefung markiert ist. Diese Gehäuseseite muss mit der entsprechenden Markierung im Bestückungsdruck übereinstimmen. Überschüssiges Lötzinn ist auch hier am einfachsten mit Entlötlitze wieder zu entfernen. Danach erfolgt das Bestücken der SMDTransistoren und des Spannungsreglers Ansicht der fertig bestückten Basisplatine des TFM 100 mit zugehörigem Bestückungsplan von der Lötseite 6 ELVjournal 5/03 Stückliste: TemperaturFeuchte-Messgerät Ansicht der fertig bestückten Sensorplatine mit zugehörigem Bestückungsplan (IC 4). Durch die Pinkonstruktion und die entsprechende Lage der Lötpads ist ein verpoltes Bestücken eigentlich nicht möglich. Die Bauteile sind so zu bestücken, dass ihre Beschriftung auch nach dem Auflöten lesbar bleibt. Weiter geht es dann mit den SMDWiderständen, deren Wert direkt auf dem Gehäuse aufgedruckt ist. Auch hier ist zunächst ein Anschluss zu verlöten und nach Kontrolle der exakten Lage der zweite Anschluss. Vorsicht ist bei der Verarbeitung der nun folgenden SMD-Kondensatoren geboten. Diese Bauteile besitzen keinerlei Bild 9: Zuordnung der Adernfarbe Kennzeichnung und sind daher leicht zu verwechseln. SMD-Kondensatoren sollten deshalb erst direkt vor der Verarbeitung einzeln aus der Verpackung entnommen werden. Jetzt sind die SMD-Dioden zu bestücken. Diese sind an der Katodenseite durch einen Ring gekennzeichnet, der mit der Markierung im Bestückungsdruck korrespondieren muss. Abschließend erfolgt die Bestückung der SMD-Spulen. Damit sind dann alle SMD-Komponenten bestückt. Eine grundsätzliche Sicht- 3 2 kontrolle hinsichtlich Löt- und Bestückungsfehlern sollte bereits an dieser Stelle erfolgen. Die jetzt noch fehlenden bedrahteten Bauelemente sind wesentlich einfacher zu verarbeiten. Sie werden von der Lötseite aus bestückt und auf der Bestückungsseite verlötet. Nach dem Einlöten der Quarze Q 1, Q 2 und Q 3 sind die Elektrolyt-Kondensatoren an der Reihe. Wichtig ist bei den üblicherweise am Minuspol gekennzeichneten Elkos das polrichtige Einsetzen. Auf der Bestückungsseite werden danach alle überstehenden Drahtenden abgeschnitten, ohne die Lötstelle selbst dabei zu beschädigen. Die USB-Buchse BU 1 und die Buchse für die Folientastatur müssen vor dem Verlöten der Anschlusspins plan auf der Leiterplattenoberfläche aufliegen. Verdrahtung Die Anschlussleitungen des 9-V-Batterieclips sind vor dem Verlöten zur Zugentlastung durch die zugehörigen Bohrungen der Leiterplatte zu fädeln, wie es auf dem Platinenfoto zu sehen ist. Das Gleiche gilt für den Anschluss des komplett vormontiert gelieferten Temperatur-Feuchte-Sensors (TFM 100S). Vor dem Einfädeln der Sensorleitung ist das Sensorkabel durch die Abschlussplatte des Gehäuses (Richtung beachten!) hindurch zu führen, die das Gehäuse unten verschließt. Weiterhin ist beim Anschluss des Sensors auf die Einhaltung der Zuordnung der Adernfarben zu achten. An dem mit einem Punkt markierten Pad der Stiftleiste 1 (ST 1) ist die braune Leitung des Sensors anzuschließen. Weiter geht es mit der grünen Leitung, dann der weißen Leitung und abschließend dem Schirm, wie es auch aus dem Bestückungsdruck und dem Detailfoto (Abbildung 9) ersichtlich ist. Die Schirmleitungen der einzelnen Adern sind zu einer Leitung zu verdrillen, sie werden gemeinsam am Lötpad 1 „Schirm“ verlötet. 4 Bild 10: Montage des Displays ELVjournal 5/03 Widerstände: 0 Ω/SMD ...................................... R20 22 Ω/SMD ............................... R2, R3 470 Ω/SMD .................................. R10 1,5 kΩ/SMD ................................... R1 2,2 kΩ/SMD ................................... R9 10 kΩ/SMD .......... R7, R18, R19, R21 22 kΩ/SMD .................................. R17 33 kΩ/SMD ........................... R4, R11 100 kΩ/SMD ........ R8, R13, R14, R16 220 kΩ/SMD ....................... R12, R15 330 kΩ/SMD .................................. R5 1 MΩ/SMD .................................... R6 Kondensatoren: 22 pF/SMD .......................... C25–C28 33 pF/SMD .............................. C7, C8 1 nF/SMD C3, C5, C10, C12, C14, C16 33 nF/SMD ................................... C32 100 nF/SMD .............. C2, C4, C6, C9, C11, C13, C15, C17, C19, C20, C22, C23, C29–C31 470 nF/SMD ................................. C24 1 μF/100V ........................... C18, C21 10 μF/16V ...................................... C1 Halbleiter: ELV03346/SMD ........................... IC1 FT245BM ...................................... IC2 FM24C64/SMD ............................. IC3 HT7150/SMD ................................ IC4 ELV03329 ..................................... IC5 BC858C .................................... T1, T3 BC848C .......................................... T2 BAT43/SMD ..................... D1, D3-D5 LL4148 ........................................... D2 LC-Display ................................ LCD1 Sonstiges: Quarz, 6 MHz, HC49U4 ................ Q1 Quarz, 32,768 kHz ......................... Q2 Quarz, 4,194304 MHz, HC49U4 ... Q3 SMD-Induktivität, 22 μH ............... L1 SMD-Induktivität, 15 μH ......... L2, L3 USB-B-Buchse, winkelprint ....... BU1 Folientastatur, 8 Tasten, selbstklebend ............................ TA1 9-V-Batterieclip ......................... BAT1 1 Temperatur-Feuchte-Sensor TFM100S, komplett 1 3,5"-Diskette TFM-100-Treiber 1 3,5"-Diskette TFM-100-Programm 1 Gehäuse, komplett, bearbeitet und bedruckt Displaymontage Nun wenden wir uns wieder der Prozessorseite der Leiterplatte zu, wo noch das Display zu montieren ist. Dazu wird dieses so in den Klarsicht-Halterahmen gelegt, dass die Glasverschweißung an der linken Displayseite (Abbildung 10) in die zugehörige Aussparung des Rahmens ragt. Dann ist der Befestigungsrahmen von der rechten Seite her aufzuschieben und mit zwei Leitgummistreifen zu bestü7 Bild 11: Das Grundmenü der TFM-100-Windows-Software cken. Die Montage der zusammengebauten Displayeinheit auf der Leiterplatte erfolgt durch vorsichtiges und gleichmäßiges Verschrauben mit sechs Knippingschrauben der Größe 2,0 x 6 mm. Nach der Montage befindet sich der Mikrocontroller unter dem Display. Gehäusemontage Jetzt ist die Folientastatur mit eingelegter Tastaturbeschriftung auf die richtige Position auf der Außenseite der Gehäuseoberschale zu kleben und an die zugehörige Buchse (TA 1) der Leiterplatte anzuschließen. Die Leiterplatte wird nun lagerichtig in die Gehäuseoberschale eingelegt, Stirn- und Abschlussplatte werden positioniert. Sechs Knippingschrauben (2,2 x 5 mm) dienen nun zur Befestigung der komplett fertig gestellten und verkabelten Leiterplattenkonstruktion. Daraufhin ist die Gehäuseunterschale aufzulegen und mit der Oberschale zu verschrauben. Hierfür werden die 4 selbstschneidenden Schrauben der Größe 2,5 x 8 mm benötigt. Erster Test Nach Anschluss einer 9-V-Blockbatterie kann ein erster Funktionstest des Gerätes erfolgen. Das TFM 100 ist einzuschalten, es zeigt daraufhin die aktuell gemessene Temperatur an. Die Anzeige „Err“ signalisiert einen fehlerhaften Anschluss des Temperatur-Feuchte-Sensors. Installation Vor dem Starten der TFM-100-Installations-Software ist das Messgerät über ein normales USB-Verbindungskabel an eine freie USB-Schnittstelle des PCs oder eines USB-Hubs anzuschließen. Das Messgerät startet, und auf dem Display wird „On USB“ angezeigt. Zur gleichen Zeit erkennt der PC das angeschlossene TFM 100 und verlangt nach kurzer Zeit einen USB-Treiber. Dieser Treiber (ftd2xx.inf) befindet sich auf der mitgelieferten Treiber-Diskette. Anschließend ist von der Programm-Diskette die Installationsroutine (setup.exe) zu starten. Ein Installationsmanager führt durch die gesamte Installation der TFM-100-Windows-Software. Die Readme.txt-Datei auf der Diskette erklärt die Setup-Bedienung für das jeweilige Betriebssystem. Bedienung Nach erfolgreicher Installation der TFM-100-Windows-Software startet diese automatisch. Es erscheint das Grundmenü der TFM-100-Windows-Software (Abbildung 11). Beim Starten der Software erfolgt automatisch die Konfiguration der USB-Schnittstelle. Eine fehlerhafte Konfiguration wird durch eine Fehlermeldung signalisiert. In diesem Fall ist die USBVerbindung erneut herzustellen und die Konfiguration der USB-Schnittstelle über den Button „Connect“ zu starten. Wie bereits erwähnt, können die aufgezeichneten Logger-Daten mit Hilfe der TFM-100-Windows-Software ausgelesen und abgespeichert werden. Über den Button „Zielordner“ lässt sich ein Zielordner auswählen und ein Name für die Datei vergeben. Durch Betätigung des Buttons „Start“ wird die Übertragung gestartet. Ein dar- aufhin erscheinender Fortschrittsbalken gibt den Stand der Übertragung an. Nach der Daten-Übertragung ist die TFM-100Windows-Software zu schließen. Die gesammelten Daten können dann mit einem Tabellenkalkulationsprogramm bearbeitet werden. In der Abbildung 12 ist ein mit dem Tabellenkalkulationsprogramm „Excel“ geöffneter Datensatz dargestellt. In der Spalte „A“ ist die laufende Nummer zu sehen. Die Spalte „B“ zeigt die fortlaufende Intervallzeit an, die im abgebildeten Beispiel auf 1 Minute eingestellt ist. In den Spalten „C“ und „D“ steht der jeweilige Messwert (Temperatur/Feuchte). Zur Ermittlung der realen Aufzeichnungszeit, beispielsweise um den Messwert von 09:46 Uhr zu ermitteln, ist in die Spalte „F“ die Logger-Startzeit einzugeben (Hinweis: Startzeit des Datenloggers bitte notieren!). Zuvor formatiert man die Zellen der Spalten „E“ und „F“ unter dem Menüpunkt „Zellen formatieren/Zahlen/ Benutzerdefiniert“ auf hh:mm:ss (Stunden:Minuten:Sekunden). Die Startzeit ist auf alle Zeilen der Spalte „F“ zu kopieren. Daraufhin erfolgt die Addition der Spalte „Startzeit“ (Spalte „F“) und der Spalte „Intervallzeit“ (Spalte „B“) sowie das Schreiben des Ergebnisses in Spalte „E“. Hier steht jetzt die Uhrzeit, an der die Messwerte aufgezeichnet wurden. Weiterhin lassen sich die Werte über die üblichen „ExcelFunktionen“ in Kennlinien umsetzen. Abschließend bleibt festzustellen, dass mit dem Temperatur-Feuchte-Messgerät TFM 100 sowie der zugehörigen Software ein leistungsfähiges, präzises und dennoch handliches Mess-System für Temperaturen und Luftfeuchtewerte zur Verfügung steht, das insbesondere durch die integrierte Datenlogger-Funktion hervorsticht und so auch Langzeitaufzeichnungen an einem Messobjekt erlaubt. Windows-Software Für die Datenlogger-Funktion des TFM 100 steht eine Windows-Software zum Auslesen der mit dem TFM 100 aufgezeichneten Log-Daten zur Verfügung. Mit Hilfe dieser Software erfolgt die Übertragung der aufgezeichneten Temperatur- und Feuchte-Messwerte zu einem über die USBSchnittstelle angeschlossenen WindowsPC. Die Daten werden in einem Dateiformat (*.slk) abgespeichert, das mit einem Tabellenkalkulationsprogramm weiter verarbeitet werden kann. Somit ist es möglich, die gesammelten Daten zu speichern, auszudrucken oder in eine Kennlinie umzusetzen. Die Windows-Software befindet sich auf der dem Bausatz beiliegenden Diskette. 8 Bild 12: Ein mit dem Tabellenkalkulationsprogramm Excel geöffneter Temperatur-Feuchte Datensatz ELVjournal 5/03
