Схему термостата на микроконтроллере собираем своими руками

Можно ли изобрести что-нибудь новое в области устройств, используемых для поддержания постоянной температуры, называемых термостатами? Вы можете совместить преимущества стабильности и точности цифрового регулятора температуры с низкой ценой и небольшими размерами аналоговой системы. Представленный проект реализует эти возможности.

Основные параметры регулятора температуры:

  • измерение температуры в диапазоне –55…+125°С;
  • независимое регулирование порогов включения и выключения реле с помощью двух многооборотных потенциометров;
  • температура измеряется откалиброванным на заводе цифровым датчиком с высокой стабильностью;
  • измерение установленных пороговых значений возможно с помощью вольтметра;
  • компактные размеры;
  • ток потребления 12…40 мА при напряжении 12 В;
  • возможность адаптации системы к питанию напряжением 24 В.

Особенности терморегулятора на микроконтроллере

Основным недостатком аналоговых термостатов является сложность установки температуры – чаще всего на центральную температуру у нас закреплен один потенциометр, иногда для установки гистерезиса используется и второй. Поиск правильного положения этих регулирующих элементов может оказаться сложной задачей, и чаще всего дело сводится к многократному охлаждению и нагреву терморезистора.

Стабильность такого решения также не очень высока — термистор, как и потенциометры или другие элементы аналогового тракта, могут со временем менять свои параметры. Это хорошее решение, но не очень точное.

Рассматриваемая система представляет собой цифровой контроллер температуры, однако она не содержит относительно большого и дорогого дисплея, который нужен только один раз: при установке нужных значений температуры. Его функция… обычный вольтметр, подключаемый к определенным клеммам. Взаимосвязь между напряжением и температурой можно рассчитать с помощью простых математических уравнений, с которыми справится даже простой калькулятор на Вашем телефоне.

Как работает контроллер температуры

Принципиальная схема рассматриваемой системы представлена ​​на рисунке ниже. Напряжение питания должно быть подано на выводы разъема J1. Оно фильтруется конденсаторами С1 и С2, а диод D1 защищает систему от обратного включения источника питания. Это напряжение питает катушку реле РК1 и простой линейный стабилизатор US1, обеспечивающий стабильное напряжение 5 В для питания цифровых схем. Мощность, теряемая в стабилизаторе, невелика, поэтому нет необходимости использовать вместо него импульсный преобразователь.

Цифровой датчик температуры типа DS18B20 следует подключить к клеммам разъема J2. Напряжение, питающее этот датчик, фильтруется RC-фильтром нижних частот. Эта схема состоит из резистора R1 и конденсаторов С5 и С6. Для защиты входа микроконтроллера от повреждений, вызванных перенапряжениями, на сигнальной линии добавлены диоды, ограничивающие напряжение в диапазоне –0,3…+5,3 В.

Резистор R2 ограничивает ток этих диодов. В свою очередь, резистор R4 ограничивает ток встроенных в микроконтроллер защитных диодов, поскольку их прямое напряжение может быть несколько ниже, чем у используемого BAT85.

Резистор R3 необходим для корректной работы шины связи с датчиком: он обеспечивает на ней высокое логическое состояние. Это требуется производителем данного датчика.

Выходом схемы являются нормально разомкнутые контакты (NО и СОМ) реле, подключенные к клеммам разъема J3. Для уменьшения их искрения при коммутации и ограничения излучения электромагнитных помех между указанными контактами была включена простая RC-демпфирующая цепочка. Она состоит из последовательно соединенных конденсатора С7 и резистора R5.

Эта схема подходит для переключения как переменного тока (AC), так и постоянного тока (DC). Загорание светодиода LED1 указывает на то, что реле включено. Диод D4 защищает транзистор Т1, закорачивая импульс, генерируемый самоиндукцией катушки реле.

Потенциометры P1 и P2 делят напряжение 5 В, используемое для питания микроконтроллера US2. Благодаря им можно установить пороги переключения термостата, о чем будет подробно рассказано далее. Аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера питается от того же напряжения, что и потенциометры, поэтому его диапазон обработки будет охватывать все 10 бит разрешения.

Простые RC-фильтры нижних частот (R9+C8 и R10+C9) сужают полосу шума, тем самым сглаживая напряжение, поступающее на вход аналого-цифрового преобразователя. Разъем J4 позволяет измерять установленные значения напряжения, соответствующие порогам срабатывания системы. Светодиод LED2 указывает состояние связи контроллера с цифровым датчиком температуры.

Сборка и настройка своими руками

Терморегулятор собран на односторонней печатной плате размерами 55×50 мм. Ее топология представлена ​​на рисунке ниже. На расстоянии 3 мм от края платы имеются четыре крепежных отверстия, каждое диаметром 3,2 мм.

Сборку предлагаю начать с элементов с наименьшей высотой корпуса, т.е. маломощных резисторов и диодов. Некоторые резисторы будут установлены вертикально, это нужно учитывать при планировании следующих этапов монтажа. Рекомендую использовать панельку для микроконтроллера US2, чтобы его можно было легко запрограммировать и заменить в случае поломки. Собранное устройство представлено на титульном фото.

На этапе запуска необходимо запрограммировать Flash-память микроконтроллера с подаваемым входом и изменить ее биты безопасности на следующие значения: Low Fuse = 0xE2; Высокий предохранитель = 0xDC. Подробности видны на рисунке ниже, где показан внешний вид окна настройки битов в BitBurner. Таким образом будет отключен прескалер тактового сигнала, и включится Brown-Out Detector, который обнулит микроконтроллер, если напряжение его питания упадет ниже 4,3 В. Это существенно снижает риск зависания системы при запуске.

В качестве питания необходимо напряжение примерно 12 В, а точнее в диапазоне 10…16 В. Такие пределы учитывают диапазон корректной работы реле (с учетом падения напряжения на диоде D1 и транзисторе Т1) при температуре 20°С. Стоит позаботиться о том, чтобы это напряжение было хорошо отфильтровано и желательно стабилизировано. Потребляемый ток при напряжении 12 В составляет около 12 мА при выключенном реле и около 40 мА при включенной его обмотке.

Можно использовать реле РК1 с катушкой на 24 В, которое сместит диапазон допустимого напряжения питания вверх – это единственная возможная модификация. Максимальное напряжение питания схемы составляет 35 В в связи с необходимостью обеспечения правильных условий работы стабилизатора US1.

Правильно запрограммированная система готова к работе после подключения датчика DS18B20 к клеммам разъема J2 и установки нужных порогов срабатывания реле с помощью потенциометров P1 и P2. Для этого измерьте напряжение, питающее систему (контакты +5 В и GND в разъеме J4) и рассчитайте значения напряжений, соответствующие порогам включения и выключения, по формуле ниже.

Напряжение питания Uzas будет составлять примерно 5 В, и точное его значение следует измерить вольтметром. Смещение 55°С обусловлено необходимостью смещения рабочего диапазона используемого цифрового датчика (–55…+125°С) в область положительного напряжения, а ширина этого диапазона составляет 180°С.

Регулятор температуры автоматически распознает режимы охлаждения и обогрева. Если температура включения (ВКЛ) выше температуры выключения (ВЫКЛ), система распознает это как режим отопления и включает реле РК1, когда температура падает ниже порога, установленного потенциометром ВКЛ. Его контакты размыкаются при превышении температуры, установленной потенциометром ВЫКЛ.

Если возникает обратная ситуация, т.е. температура ВЫКЛ выше температуры ВКЛ, это режим охлаждения – реле включается при повышении температуры выше порога ВЫКЛ и выключается при падении ниже порога ВКЛ. В этой системе нет встроенного гистерезиса, поэтому Вы можете установить эти пороги настолько близко друг к другу, насколько захотите, с учетом частоты переключений реле РК1.

Светодиод LED2 указывает рабочее состояние системы. Если он горит постоянно, показания цифрового датчика верны. Они обновляются примерно каждые 750 мс. В противном случае, если датчик работает неправильно (например, отсоединился провод от разъема J2 или произошло короткое замыкание), этот светодиод мигает короткими световыми импульсами. Светодиод LED2 сигнализирует о том, что катушка реле включена, а это значит, что его контакты замкнуты.

Клеммы разъема J3 следует рассматривать как контакты механического выключателя, отключающего питание управляемого устройства. Из-за ширины дорожек на поверхности стеклотекстолита ток, протекающий по ним, не должен превышать 5 А. Если есть необходимость коммутировать более высокие токи, стоит использовать внешний контактор, катушка которого будет управляться через разъем J3. Только пускатель включит мощное устройство.

Перечень элементов схемы термостата

Перечень элементов очень удобен при сборке устройства своими руками.

РЕЗИСТОРЫ (0,25 ВТ, ЕСЛИ НЕ УКАЗАНО ИНОЕ):

  • R1, R2, R4 — 100 Ом;
  • R3, R6, R8, R11 — 3,3 кОм;
  • R5 — 33 Ом 3 Вт;
  • R7, R9, R10, R12 — 10 кОм;
  • P1, P2 — 10 кОм, вертикальный монтаж.

КОНДЕНСАТОРЫ:

  • C1 — 100 мкФ\ 50 В, шаг 3,5 мм;
  • C2, C3, C5, C8, C9 — 100 нФ, шаг 5 мм;
  • C4, C6 — 100 мкФ\ 16 В, шаг 2,5 мм;
  • C7 — 100 нФ\ 305 В переменного тока, шаг 15 мм.

ПОЛУПРОВОДНИКИ:

  • D1 — 1N5819;
  • D2, D3 — ВАТ85;
  • D4 — 1N4148;
  • LED1 — 5 мм зеленый;
  • LED2 — 5 мм красный.
  • Т1 — BC546;
  • US1 — 78L05 (ТО92);
  • US2 — ATtiny25-PU (DIP8).

ПРОЧИЕ ЭЛЕМЕНТЫ:

  • J1, J3 — АРК2/500;
  • J2 — АРК3/500;
  • J4 — 4 контакта, 2,54 мм;
  • РК1 — JQC3FF 12В (описание в тексте);
  • панелька DIP8;
  • датчик DS18B20, например, DS18B20 MOD-1.
Оцените статью:
1 балл из 52 балла из 53 балла из 54 балла из 55 баллов из 5
Loading...Loading...
Поделитесь с друьями!
Практическая электроника и технические поделки для начинающих
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: