Un thermomètre multisondes professionnel

Avec ce thermomètre à afficheur LCD, vous pourrez lire simultanément au moins deux températures, (l’intérieure et l’extérieure, par exemple), en utilisant deux capteurs capables de mesurer des valeurs entre –40 et +110 °C. Si besoin est, pour des mesures particulières, vous pourrez connecter des capteurs supplémentaires dont le nombre est seulement limité par le type de commutateur que vous utiliserez.


Vous êtes nombreux à réclamer un thermomètre électronique permettant de lire simultanément au moins deux températures, que vous soyez un particulier, désireux de contrôler la température de différentes pièces ou celle du balcon ou du jardin, ou bien un administrateur d’immeubles voulant connaître les températures intérieure et extérieure des locaux à gérer, afin de fournir une base objective à d’éventuelles discussions avec les locataires à propos desdites températures. Le montage vous intéresse aussi si vous pratiquez la culture florale, l’horticulture, l’élevage, en amateur ou en professionnel, pour le contrôle en température des incubateurs, séchoirs, serres et autres réfrigérateurs. Il vous concerne encore si, comme on le suppose volontiers ici à la revue, vous êtes amateur d’électronique : en effet, vous avez alors souvent besoin de vérifier la différence de température entre un dissipateur thermique et le boîtier du composant à refroidir, ce qui vous permet de vous assurer du bon fonctionnement ou du bon calcul du système d’évacuation thermique.

Notre réalisation
Comme un thermomètre à double lecture est utile, on en a eu un aperçu, à une infinité de personnes, nous avons réalisé ce circuit mettant en oeuvre un afficheur LCD rétroéclairé en mesure de visualiser en même temps deux températures : le capteur, qui peut lire de –40 à +110 °C, a la forme d’un transistor et il utilise le circuit intégré National LM35CZ (figure 1). Attention, il en existe deux modèles : le CZ capte les températures de –40 à +110 °C et le DZ de 0 à +100 °C. Celui que nous utilisons ici est bien le CZ.



Le schéma électrique du thermomètre à double lecture
Comme le montre la figure 1, pour réaliser ce circuit on a besoin de 6 circuits intégrés, d’un afficheur LCD et, bien sûr, de deux capteurs. Commençons par décrire l’étage d’alimentation : il se compose d’un premier circuit intégré IC1 L7812, fournissant le 12 V alimentant la broche + des deux capteurs LM35CZ et d’un second, IC2, L7805, alimentant en 5 V IC3, IC4, IC5, IC6 et l’afficheur LCD.
La sortie de IC2, à 5 V donc, donne sur un pont constitué de deux résistances de précision de 1 kilohm R1 et R2 servant à obtenir une tension de référence de 2,5 V utilisée pour polariser les deux entrées non inverseuses des amplificateurs opérationnels IC3-A et IC4-A : ces derniers permettent d’obtenir une masse fictive avec un potentiel de 2,5 V par rapport à la masse réelle. Sans cette masse fictive de 2,5 V les deux capteurs LM35CZ ne pourraient pas détecter les températures négatives (soit en dessous de 0 °C).
La masse fictive prélevée sur la broche 1 de sortie du premier amplificateur opérationnel IC3-A est utilisée pour alimenter la broche de masse des deux capteurs. La masse fictive est utilisée en outre par le deuxième amplificateur opérationnel IC4-A pour fournir à sa sortie une tension alimentant la broche 8 du double convertisseur A/N IC5.
Entre la broche de sortie et l’entrée inverseuse de cet amplificateur opérationnel IC4-A, on a inséré un trimmer multitour de 5 kilohms R5 servant à régler le thermomètre.
Arrêtons-nous maintenant sur les deux capteurs LM35CZ reliés au reste du circuit, comme le montre le schéma électrique, par un petit câble blindé bifilaire : la tresse de blindage de ce câble est reliée à la broche 1 de IC3-A. Les broches + des capteurs vont au +12 V, la broche U est utilisée pour prélever la tension que le capteur fournit en sortie en fonction de la température détectée.
Etant donné que la tension prélevée sur les broches U des détecteurs peut être appliquée à des charges à haute impédance, avant de l’appliquer sur les broches d’entrée 3 et 2 du double convertisseur IC5, nous devons la convertir en basse impédance : pour cela nous utilisons les deux amplificateurs opérationnels IC3-B et IC4-B.
Le double convertisseur IC5 lit alternativement les tensions présentes sur les broches 3 et 2 et les convertit en signaux numériques pour les envoyer ensuite sur les broches 9, 6, 7 et 8 du circuit intégré IC6, un PIC déjà programmé en usine, se chargeant de visualiser sur l’afficheur LCD les deux températures lues par les deux capteurs. Le capteur A visualise la température intérieure à gauche de l’afficheur LCD (figure 1) et le capteur B la température extérieure à droite. La résistance R9 et le condensateur C17, insérés entre U et Masse de chaque capteur, servent à empêcher que ce dernier n’auto-oscille quand on utilise pour la liaison au circuit de grandes longueurs de câble blindé. Le trimmer R3 relié à la broche 3 de l’afficheur LCD sert à régler le contraste des caractères visualisés.

Figure 1 : Schéma électrique du thermomètre à double lecture et brochages +V, U, M du capteur LM35CZ. En haut à gauche on peut voir le schéma électrique de l’étage d’alimentation. Sur l’afficheur LCD, la température extérieure est à droite et l’intérieure à gauche.

Liste des composants
R1 = 1 kilohm 1%
R2 = 1 kilohm 1%
R3 = 10 kilohms trimmer
R4 = 4,7 kilohms
R5 = 5 kilohms trimmer 20 t.
R6 = 10 ohms
R7 = 15 ohms 1/2 W
R8 = 15 ohms 1/2 W
R9** = 82 ohms
R10 = 10 kilohms
R11 = 10 kilohms
C1* = 470 µF électrolytique
C2* = 100.000 pF polyester
C3* = 100.000 pF polyester
C4* = 100 µF électrolytique
C5 = 10 µF électrolytique
C6 = 100 nF polyester
C7 = 100 nF polyester
C8 = 10 µF électrolytique
C9 = 10 µF électrolytique
C10 = 100 nF polyester
C11 = 100 nF polyester
C12 = 100 nF polyester
C13 = 10 µF électrolytique
C14 = 100 nF polyester
C15 = 100 nF polyester
C16 = 10 µF électrolytique
C17** = 1 µF polyester
C18 = 100 nF polyester
C19 = 100 nF polyester
C20 = 100 pF céramique
C21 = 100 pF céramique
C22 = 100 nF polyester
XTAL = Quartz 100 KHz
RS1* = Pont 100 V 1 A
IC1* = L7812
IC2 = L7805
IC3 = LM358
IC4 = LM358
IC5 = MCP3202
IC6 = CPU EC1537
SND** = LM35CZ
J1 = Cavalier
DIS = LCD CMC116L01
T1* = Transfo. 3 W - sec. 0-14-17 V 0,2 A

Note : Les composants assortis d’un astérisque (*) sont montés sur le circuit imprimé de l’alimentation, ceux avec deux astérisques (**) sur le petit circuit imprimé capteur et ceux sans astérisque sur le circuit imprimé principal afficheur.


Figure 2 : Avant d’insérer l’afficheur dans le connecteur femelle du circuit imprimé principal, vous devez avoir préalablement soudé dans les 16 trous du bord supérieur toutes les broches du connecteur mâle (figure 3).

Figure 3 : La première opération consiste à prendre le double connecteur mâle et à insérer les 16 broches dans les trous du bord supérieur de l’afficheur LCD. Après les avoir enfoncés à fond, vous devez les souder en prenant garde de ne pas court-circuiter deux pistes adjacentes. La photo de la figure 2 montre que, si l’on y prend soin, ces soudures peuvent être très belles.

Figure 4 : Après avoir soudé le connecteur mâle sur l’afficheur LCD, vous devez prendre le connecteur femelle à 16 broches et l’insérer dans les trous du circuit imprimé principal. Dans ce même circuit imprimé enfoncez les 4 entretoises plastiques, puis enfoncez leurs extrémités opposées dans les 4 trous de l’afficheur LCD (figure 2). En cas de difficulté, vous pouvez chauffer les extrémités des entretoises en approchant la panne du fer à souder.

Figure 5 : Les 16 broches du connecteur mâle sont ensuite insérées dans les trous du connecteur femelle. Le circuit imprimé principal et la face avant recevant l’afficheur LCD sont à enfiler dans les deux paires de gorges verticales ménagées dans les côtés du boîtier plastique (figures 11 et 12).

Figure 6a : Schéma d’implantation des composants de la platine principale du thermomètre à double lecture. Veillez bien à faire correspondre les tresses de masse aux points M du circuit imprimé et des connecteurs, les points U centraux du circuit imprimé et des connecteurs et les points +V de droite du circuit imprimé et des connecteurs. Le cavalier J1 sert à régler le trimmer R5.

Figure 6b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé principal double face à trous métallisés, côté composants.

Figure 6b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé principal double face à trous métallisés, côté soudures.

Figure 7 : Photo d’un des prototypes de la platine principale du thermomètre à double lecture.

Figure 8a : Schéma d’implantation des composants de la platine d’alimentation.



Figure 8b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’étage d’alimentation.

Figure 9a : Schéma d’implantation des composants de l’une des petites platines constituant les sondes de température et où sont montés les circuits intégrés capteurs LM35CZ. Faites très attention de ne pas intervertir les fils du câble blindé à deux conducteurs. Comme le montre la figure 6a, la tresse de masse va à droite du circuit imprimé et à gauche du connecteur, le point central du circuit imprimé va au point central U du connecteur et le point gauche du circuit imprimé va au point droit +V du connecteur. Le capteur à utiliser pour mesurer la température externe est à fixer en un lieu où les rayons du soleil ne frappent pas directement.

Figure 9b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé d’une petite platine capteur.

Figure 10 : Brochages, vus de dessus, de l’EPROM EC1537 déjà programmée en usine et des deux circuits intégrés MCP3202 (repère-détrompeurs en U vers le haut) et LM358 (repère-détrompeur en U vers la gauche). Ceux des deux régulateurs sont en revanche vus de face.

La réalisation pratique du thermomètre à double lecture
Pour réaliser ce thermomètre, nous avons besoin de 3 circuits imprimés. Le premier, un circuit imprimé double face à trous métallisés, dont la figure 6b-1 et 2 donne les dessins des deux faces à l’échelle 1, est utilisé comme support pour tous les circuits intégrés et pour l’afficheur LCD. Le deuxième, simple face, dont la figure 8b donne le dessin à l’échelle 1, supporte l’étage d’alimentation.
Le troisième, très petit, dont la figure 9b donne le dessin à l’échelle 1, sert à former le capteur avec son circuit intégré LM35CZ et son câble blindé bifilaire (en deux exemplaires donc).

La platine principale afficheur
Vous pouvez commencer par monter sur le circuit imprimé double face afficheur, côté soudures (figure 3), le connecteur mâle à 16 broches, à enfoncer dans le connecteur femelle correspondant que vous aurez fixé sur le circuit imprimé principal (figures 2 à 4). Ceci fait, retournez ce circuit imprimé et montez côté composants les 4 supports de circuits intégrés et le connecteur mâle à 3 pôles J1. Poursuivez avec le montage du trimmer monotour R3, permettant de régler le contraste de l’afficheur LCD et le trimmer multitour R5 servant au réglage.
Montez ensuite toutes les résistances puis les condensateurs en commençant par les céramiques, puis les polyesters et enfin les électrolytiques en respectant bien la polarité +/– de ces derniers (la patte la plus longue est le + et le – est inscrit sur le côté du boîtier cylindrique).
A droite de IC6, montez à l’horizontale le petit quartz cylindrique. Montez le régulateur de 5 V IC2 fixé sur son dissipateur en U par un petit boulon 3MA.
Aux points du circuit imprimé marqués M, U, +V, reliez un court morceau de câble blindé : M (Masse) doit être relié à la tresse de blindage, U (tension de sortie du capteur) au conducteur interne blanc du câble blindé et +V au conducteur interne rouge (figure 6). Si les couleurs des conducteurs internes sont rouge/noir ou blanc/bleu, aucune importance pourvu que vous respectiez la règle suivante : la couleur choisie pour U et la couleur choisie pour +V doit être la même pour les deux capteurs et doit faire correspondre les U et +V de la platine avec les U et +V des entrées.
Pour finir, vous devez enfoncer doucement les circuits intégrés dans leurs supports sans les intervertir en orientant bien leurs repère-détrompeurs en U vers la droite (figure 6a).

La platine d’alimentation
L’étage d’alimentation fournit une tension stabilisée de 12 V pour un courant maximum de 150 mA.
Elle constitue une platine à part (figure 8) : vous pourrez ainsi, au besoin, l’utiliser seule pour alimenter un autre montage.
Là encore aucune difficulté si vous regardez bien la figure 8a. Montez d’abord le pont redresseur RS1 en respectant la polarité +/– de ses pattes (le + vers la droite, le – vers le transformateur).
Gardez 50 mm de longueur de pattes pour ce composant.
Montez les deux condensateurs polyesters C2 et C3 puis les deux électrolytiques C1 et C4 en respectant bien la polarité +/– de ces derniers (la patte la plus longue est le + et le – est inscrit sur le côté du boîtier cylindrique).
Montez le régulateur IC1 couché dans son dissipateur en U et fixé par un petit boulon 3MA. Pour finir, montez le transformateur d’alimentation T1 et les deux borniers à deux pôles servant à l’entrée secteur 230 V et à la sortie 12 V.

Les platines capteurs
Sur le petit circuit imprimé (figure 9a), montez le circuit intégré capteur LM35CZ méplat repère-détrompeur tourné vers le haut. Pour relier le câble blindé aux pistes : soudez la tresse de blindage sur la piste gauche, le fil du positif sur la piste droite et le fil de sortie au centre.
Une seule inversion suffirait à empêcher l’appareil de fonctionner et à surchauffer le convertisseur A/N IC5.

Le montage dans le boîtier du thermomètre à double lecture
Après avoir fixé l’afficheur LCD sur le circuit imprimé principal, appuyez à fond sur le connecteur mâle à 16 broches pour qu’il entre bien dans le connecteur femelle correspondant. Comme le montre la figure 2, vous devez insérer les 4 entretoises plastiques dans le circuit imprimé principal d’une part et dans l’afficheur LCD d’autre part : n’hésitez pas à presser fortement. Au besoin chauffez les axes en approchant la pointe du fer à souder.
Insérez le circuit imprimé principal et son afficheur LCD désormais solidaires dans le boîtier plastique en l’enfilant de haut en bas dans les gorges verticales des parois latérales (figure 11).
Une autre paire de gorges (à l’avant) reçoit de même la face avant en aluminium.
Au fond horizon du boîtier, fixez la platine d’alimentation à l’aide de 2 vis autotaraudeuses et de 2 entretoises autocollantes (figure 12). Sur le panneau arrière, enfilé dans une autre paire de gorges (figures 11 et 12), fixez les 2 prises femelles servant à insérer les 2 connecteurs mâles des capteurs (figure 13).

Figure 11 : Montage dans le boîtier plastique. De haut en bas de la photo, la face avant, la platine principale afficheur et le panneau arrière sont enfilés dans les glissières prévues à cet effet.

Figure 12 : La platine de l’étage d’alimentation est en revanche fixée au fond du boîtier plastique par deux vis autotaraudeuses et deux entretoises autocollantes.

Le réglage
Après avoir alimenté l’appareil sur le secteur 230 V, tournez le curseur du trimmer R3 afin de doser le contraste pour la meilleure valeur.
Déplacez ensuite le cavalier J1 de manière à court-circuiter A et B : tout de suite, vous verrez sur la gauche de l’afficheur LCD apparaître un nombre comme 0,1 - 0,5 - 0,8, etc., ou bien un nombre négatif, par exemple –25,5…
Quel que soit ce nombre, tournez très lentement le curseur du trimmer multitour R5 jusqu’à visualiser sur l’afficheur LCD 0,0. Le thermomètre est alors parfaitement réglé. Si le 0,0 devenait 0,1, cela ne correspondrait qu’à une différence de 0,1 °C : si la température réelle au cours d’une mesure était de 28 °C, le thermomètre indiquerait 28,1 °C, soit une erreur acceptable, surtout compte tenu du fait que la tolérance du LM35CZ est de +/–0,2 °C.
Si vous tournez le curseur de R5 en sens opposé, le nombre 0,0 sur l’afficheur LCD devient négatif et passe tout de suite au nombre –25,5, etc.
Dans ce cas, le capteur lit une température inférieure à la température réelle : si cette dernière est de 28 °C et si vous réglez R5 pour visualiser 25,5, vous lirez une température de 27,9 °C, soit 0,1 °C de moins que la réalité.
Quand R5 est réglé sur 0,0, vous devez replacer le cavalier J1 sur les points BC : ainsi vous lirez la tension sortant des deux capteurs laquelle, comme vous le savez déjà, est proportionnelle à la valeur de température. A titre d’information, d’ailleurs, le Tableau 1 donne la correspondance entre les tensions sortant des capteurs et les différentes températures entre +110 et –40 °C.
Note : même si les deux capteurs sont capables de mesurer les centièmes de °C, le Tableau 1 ne les indique pas.
Pour information, les formules utilisables pour connaître les volts en fonction de la température détectée, sont les suivantes. Pour les températures négatives (inférieures à 0 °C) :

V sortie = 2,5 – (°C : 100).

Pour les températures positives (supérieures à 0 °C) :
V sortie = 2,5 + (°C : 100).

Le nombre 2,5 dans les formules est la valeur en tension de la masse fictive mesurable sur le point TP1 et appliquée sur la broche 8 du convertisseur A/N IC5 et correspondant à une température de 0 °C (Tableau 1).
Ceci dit, pour connaître la valeur de la tension fournie par le capteur en présence d’une température de –8,3 °C, vous devez calculez :
2,5 – (8,3 : 100) = 2,417 V.

Pour savoir la valeur de tension qu’il fournit à une température de +19,5 °C :
2,5 + (19,5 : 100) = 2,695 V.

Si, en revanche, vous voulez savoir quelle température indique l’afficheur LCD en fonction de la tension sortant du capteur et de la tension de référence appliquée sur la broche 8 de IC5, vous devez utiliser la formule :
°C = (Vcapteur – Vref) x 100.

Par conséquent, si le capteur fournit en sortie une tension de 2,695 V et si la tension de référence est de 2,5 V, l’afficheur LCD affiche une température de :
(2,695 – 2,5) x 100 = 19,5 °C.

Si la tension de référence, au lieu d’être de 2,5 V, était de 2,498 V à cause de la tolérance du circuit intégré IC2 ou du pont R1/R2, vous auriez une température de :
(2,695 – 2,498) x 100 = 19,7 °C,

soit 0,2 °C de plus par rapport à la température réelle, mais ne vous en inquiétez pas car il suffit de retoucher le curseur de R5 à côté de IC4-A pour corriger cette légère erreur.
Comme le capteur peut même détecter les fractions de °C, ne vous étonnez pas de voir sur l’afficheur LCD le nombre décimal varier sans cesse de plus ou moins 0,1 °C : il suffit en effet qu’une porte ou une fenêtre s’ouvre pour créer un courant d’air et faire varier la température de l’air autour du capteur.

Figure 13 : Le panneau arrière reçoit les deux prises destinées à recevoir les fiches des deux capteurs et laisse entrer le cordon secteur 230 V à travers son passe-fils.

Figure 14 : Vous pouvez utiliser plus de deux capteurs en reliant leurs points U à un commutateur rotatif S1 dont le curseur transfère la tension détectée sur la résistance R11 connectée à IC4-B.

Tableau 1 : Correspondance entre les tensions sortant des capteurs et les différentes températures entre +110 et –40 °C.

Note : ne cherchez pas à mesurer la tension sortant du point U du capteur en utilisant un multimètre ordinaire, car vous n’y parviendrez pas. Il faudrait en effet utiliser un voltmètre électronique à 3 décimales ayant une entrée à haute impédance.

L’utilisation de plusieurs capteurs externes
Si vous avez besoin de plus de 2 capteurs pour une application particulière, vous pouvez les obtenir en apportant quelques modifications au circuit. Si on veut utiliser 3 capteurs afin de tenir sous contrôle, par l’intermédiaire de câbles blindés de différentes longueurs, les températures régnant dans des serres ou des incubateurs, par exemple, eh bien, comme le montre la figure 14, il suffit de connecter le point U (sortie) de chaque capteur à un commutateur à plusieurs positions, ce qui revient à relier à l’entrée de l’amplificateur opérationnel IC4-B le point U du capteur sélectionné.

Note importante : le circuit comporte 2 entrées, ce qui permet de lire les températures fournies par 2 capteurs. Si vous ne voulez connaître qu’une seule température, ne détachez pas du circuit l’autre capteur, car dans ce cas l’afficheur LCD visualiserait une température supérieure à 140 °C et, après quelques minutes, le boîtier de IC5 surchaufferait. Si vous voulez exclure un capteur, vous devez court-circuiter entre eux les points U et Masse de l’entrée non utilisée.

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