Терморятоегулр для системы электрического пленочного "Теплого пола"

Терморегулятор собран на микроконтроллере ATMega88 (DD1). Датчиками температуры служат электронные термометры DS18B20 (DA2, DA3), первый из которых монтируется в корпусе устройства, второй монтируется в зоне нагрева, и подключается к устройству трехжильным кабелем. Управляющим элементом является мощный симистор VS1, которым управляет оптопара DA4. Для снижения помех применена оптопара с детектором перехода через ноль. Для отображения температуры и режимов работы применен трехразрядный семисегментный индикатор с общими катодами LED1. Работает индикатор в динамическом режиме и управляется транзисторными ключами VT2 – VT4. В качестве звукового излучателя применена магнитоэлектрическая «пищалка» со встроенным генератором EP1, управляемая транзисторным ключом VT1. Управляется устройство четырьмя кнопками SA1-SA4. Для управления от ИК пульта применен интегральный фотоприемник DA1. Питается устройство от внутреннего блока питания, собранного на неизолированном DC/DC преобразователе DA5 и интегральном стабилизаторе DA6.

На схеме, красным цветом выделены три блока, о них читайте в конце статьи…

Схема электрическая принципиальная пульта ДУ.

Пульт ДУ собран на микроконтроллере ATtiny2313 (DD1), который тактируется от внешнего кварцевого резонатора Qz1, частотой 4МГц. Микроконтроллер кодирует и передает команды одной из шести кнопок (SB1-SB5) по протоколу RC5. Излучающий ИК диод VD3 управляется транзисторным ключом VT1. Диод VD4 – служит для защиты от переполюсовки при неправильной установке батарей питания.

Работа устройства:

При подаче напряжения питания на устройство, программа микроконтроллера ожидает 1сек., после чего проверяет состояние терморегулятора до отключения питания. Если устройство было остановлено, программа переходит в цикл ожидания. При этом подается звуковой сигнал, и на дисплее загорается надпись «OFF». В этом состоянии терморегулятор будет находиться до тех пор, тока не будет нажата одна из кнопок, или пока не придет команда от пульта ДУ, при этом измерение температуры не производится.

Если устройство было включено, подается звуковой сигнал и на дисплее на 6 секунд загорается надпись «On ». После чего на индикатор выводится температура, измеренная запрограммированным датчиком.

Измерение температуры.

Устройство может работать с двумя датчиками. Измерение температуры производится от обоих датчиков одновременно каждые 10 секунд. Можно запрограммировать устройство на работу только с одним из датчиков. Датчики DS18B20 работают по протоколу 1-Wire. Микроконтроллер выступает для них в качестве ведущего (Master), посылая команды на запуск преобразования температуры, считывания данных, поиска адреса устройства (при переинсталляции). При считывании данных от датчиков измеренная температура сохраняется в RAM микроконтроллера для каждого датчика отдельно.

При ошибках обмена данными, например, из-за неисправности термодатчика или сильных помех, терморегулятор переходит в режим ошибки. При этом подается звуковой сигнал, на индикаторе загорается сообщение об ошибке с номером ошибки, например «Er3» и однозначно выключается нагревательный элемент.

Поддержание температуры.

В терморегуляторе раздельно регулируется верхний и нижний предел поддерживаемой температуры для выбранного датчика с шагом 0,5ºС. То есть, например, можно запрограммировать верхний передел на +22ºС, а нижний на +19,5ºС.

При этом минимальная разница между верхним и нижнем пределами (минимальный гистерезис) всегда поддерживается на уровне 1ºС. То есть, например, если верхний предел запрограммирован на +23ºС а нижний на 21°С, то при уменьшении верхнего предела до +20,5ºС нижний предел, автоматически снижается до 19,5ºС.

Поддержание температуры происходит за счет сравнения заданной температуры и измеренной температуры от выбранного датчика. Когда измеренная датчиком температура становится равной заданному нижнему пределу, микроконтроллер включает нагревательный элемент. Когда измеренная датчиком температура становится равной заданному верхнему пределу, микроконтроллер выключает нагревательный элемент.

Поддерживаемая температура задается для одного из датчиков. То есть, можно запрограммировать либо поддержание температуры воздуха в помещении, либо поддержание температуры пола в области нагрева.

Обратите внимание, что есть возможность, например, задать поддержание температуры от датчика, установленного в полу, а на индикатор выводить температуру воздуха в помещении измеренную встроенным в терморегулятор датчиком.

Кроме того, для предотвращения аварийных ситуаций температура в области нагревательного элемента всегда сравнивается с заданной максимально допустимой температурой для определенного типа нагревателя. Эта температура устанавливается при программировании терморегулятора, и является максимально возможной установленной температурой верхнего предела регулирования. При превышении этой температуры микроконтроллер выключит нагревательный элемент. Кроме того, в этом случае фиксируется ошибка работы системы. При этом подается звуковой сигнал, и на индикаторе отображается номер ошибки «Er6».

Управление устройством.

Для управления устройством предусмотрены четыре кнопки. Каждая из них выполняет основную (при кратком нажатии) и альтернативную (при длительном нажатии) функции, кроме того каждая кнопка выполняет свою определенную функцию в режиме программирования.

Основные функции кнопок:

При первом кратком (менее 3 сек) нажатии на кнопку SA1 подается звуковой сигнал, индикатор загорается на полную яркость и переключается в режим отображения верхнего предела температуры. При повторном кратком нажатии на кнопку SA1 верхний предел температуры уменьшается на 0,5ºС.

При первом кратком (менее 3 сек) нажатии на кнопку SA2 подается звуковой сигнал, индикатор загорается на полную яркость и переключается в режим отображения верхнего предела температуры. При повторном кратком нажатии на кнопку SA2 верхний предел температуры увеличивается на 0,5ºС.

При первом кратком (менее 3 сек) нажатии на кнопку SA3 подается звуковой сигнал, индикатор загорается на полную яркость и переключается в режим отображения нижнего предела температуры. При повторном кратком нажатии на кнопку SA3 нижний предел температуры уменьшается на 0,5ºС.

При первом кратком (менее 3 сек) нажатии на кнопку SA4 подается звуковой сигнал, индикатор загорается на полную яркость и переключается в режим отображения нижнего предела температуры. При повторном кратком нажатии на кнопку SA4 нижний предел температуры увеличивается на 0,5ºС.

Альтернативные функции кнопок:

При длительном (более 3 сек) нажатии на кнопку SA1 терморегулятор выключается. При этом подается звуковой сигнал, индикатор загорается на полную яркость и отображает надпись «OFF».

При длительном (более 3 сек) нажатии на кнопку SA2 терморегулятор включается. При этом подается звуковой сигнал, индикатор загорается на полную яркость и отображает надпись «On ».

При длительном (более 3 сек) нажатии на кнопку SA3 происходит выбор яркости свечения индикатора в режиме ожидания. При этом подается звуковой сигнал, и через 15 сек. после отпускания кнопки индикатор изменяет яркость свечения на заданную. Предусмотрено четыре фиксированных яркости свечения индикатора в режиме ожидания, от полной яркости, до полного отключения.

При длительном (более 3 сек) нажатии на кнопку SA2 терморегулятор переходит в режим программирования. При этом подается звуковой сигнал режима программирования, индикатор загорается на полную яркость и отображает надпись «Prg».

Функции кнопок в режиме программирования:

В режиме программирования каждая кнопка имеет свои определенные функции

При нажатии на кнопку SA1 в режиме программирования, происходит выбор программируемого параметра, при этом на индикаторе отображается краткое символическое имя параметра.

«Ont» – выбор включенных датчиков температуры;

«Int» – выбор датчика, температура которого выводится на индикатор;

«PHt» – выбор датчика, температура которого сравнивается с заданными пределами (выбор датчика управления);

«Ht_» – установка максимально допустимой температуры;

«CEr» – выбор количества повторных запросов к датчикам до отключения терморегулятора, при возникновении ошибок;

«InS» – переустановка датчиков;

«dFt» – установки параметров по умолчанию.

При нажатии на кнопку SA2 в режиме программирования, происходит настройка программируемого параметра, при этом на индикаторе отображаются настройки параметра программирования.

При нажатии на кнопку SA3 в режиме программирования, происходит сохранение последнего измененного параметра в EEPROM микроконтроллера. При этом устройство переходит в режим выбора программируемого параметра. Если после изменения параметра кнопкой SA2 не будет нажата кнопка (SA3), изменения в EEPROM не сохраняются.

При нажатии на кнопку SA4 в режиме программирования, происходит выход из режима программирования, при этом подается звуковой сигнал, и на индикаторе отображается текущая температура от запрограммированного датчика.

Для дистанционного управления терморегулятором предусмотрен пульт, передающий одну из шести команд по ИК каналу. С пульта передаются следующие команды:

· выключить терморегулятор;

· включить терморегулятор;

· увеличить верхний предел температуры;

· уменьшить верхний предел температуры;

· увеличить нижний предел температуры;

· уменьшить нижний предел температуры;

Звуковые сигналы.

При любом событии терморегулятор выдает звуковой сигнал.

При нажатии на любую кнопку, при входе в альтернативный режим, при входе в режим программирования и выходе из него, а также при получении команды от ПДУ звучит один короткий сигнал.

При включении и выключении терморегулятора звучат два длинных сигнала.

При возникновении ошибок звучат четыре коротких сигнала.

Ошибки в работе.

При работе терморегулятора могут возникать различные ошибки, связанные с сильными наводками или помехами от электросети, понижениями температуры до отрицательных значений (например зимой, при выключенном терморегуляторе), выходом из строя термодатчиков. При этом устройство однозначно выключает нагревательный элемент, подает звуковой сигнал, и выводит на индикатор номер ошибки.

«Er1» – не отвечает термодатчик 1;

«Er2» – не отвечает термодатчик 2;

«Er3» – общая ошибка на линии;

«Er4» – ошибка инициализации;

«Er5» – отрицательная температура;

«Er6» – максимальная температура;

Для того, чтобы сбросить ошибку, следует выключить на несколько секунд терморегулятор кнопкой SA1 и потом включить кнопкой SA2.

Если часто повторяются ошибки 1–3, можно программно увеличить число повторных обращений к термодатчикам (параметр CEr).

Программирование:

Вход в режим программирования

Для входа в режим программирования следует нажать и удержать в течении 3с кнопку SA4. При этом терморегулятор подает звуковой сигнал, и на индикаторе отображается надпись «Prg».

Выбор параметра

При нажатии на кнопку SA1 происходит поочередный выбор программируемого параметра. Назначение каждого параметра будут описаны ниже.

Изменение параметра

При нажатии на кнопку SA2 происходит изменение выбранного параметра. Если после изменения параметров нажать на кнопку SA1 (выбор параметров) или SA4 (выход из программирования), то выбранный параметр не будет сохранен.

Сохранение параметра

Для сохранения измененных параметров следует нажать кнопку SA3. При этом, последний измененный параметр будет сохранен в памяти микроконтроллера, устройство перейдет в режим выбора параметра, и на индикаторе отобразится символическое имя следующего программируемого параметра.

Выход из режима программирования

Для выхода из режима программирования следует нажать кнопку SA4. При этом устройство подает звуковой сигнал и переходит в режим, который был включен до входа в режим программирования.

Программируемые параметры

Выбор включенных датчиков температуры [Ont].

В терморегуляторе находится встроенный термодатчик, для измерения температуры воздуха в помещении. К разъему XP1 подключается выносной термодатчик, который располагается в зоне нагрева. Можно программно включить один из термодатчиков или оба датчика одновременно.

Для выбора включенных термодатчиков необходимо войти в режим программирования, как описано выше, выбрать кнопкой SA1 параметр «Ont», затем нажатием на кнопку SA2 выбрать включенные термодатчики.

При каждом нажатии на кнопку изменения параметра на индикаторе отображаются включенные датчики:

«1 _ _» – включен датчик 1

«_ _ 2» – включен датчик 2

«1 _ 2» – включены оба датчика

Для сохранения параметров необходимо нажать кнопку SA3.

!ВНИАМНИЕ! Если включен только один термодатчик, то в меню программирования будут недоступны пункты «Int» (выбор датчика, температура которого выводится на индикатор) и «PHt» (выбор датчика, температура которого сравнивается с заданными пределами).

Выбор датчика, температура которого выводится на индикатор [Int].

Поскольку терморегулятор может работать с двумя датчиками, можно программно выбрать, от какого термодатчика будет отображаться температура на индикаторе.

Для выбора индикации от датчика необходимо войти в режим программирования, как описано выше, выбрать кнопкой SA1 параметр «Int», затем нажатием на кнопку SA2 выбрать номер термодатчика, температура которого будет отображаться на индикаторе.

При каждом нажатии на кнопку изменения параметра на индикаторе отображаются номер термодатчика, температура которого отображается на индикаторе:

«_ 1 _» – отображается температура от датчика 1

«_ 2 _» – отображается температура от датчика 2

Для сохранения параметров необходимо нажать кнопку SA3.

Выбор датчика, температура которого сравнивается с заданными пределами [PHt].

Поскольку терморегулятор может работать с двумя датчиками, можно программно выбрать термодатчик, температура которого будет сравниваться с заданными пределами, соответственно от этого термодатчика будет происходить управление нагревательным элементом.

Для выбора датчика, от которого будет происходить управление необходимо войти в режим программирования, как описано выше, выбрать кнопкой SA1 параметр «PHt», затем нажатием на кнопку SA2 выбрать номер датчика, температура которого будет сравниваться с заданными пределами.

При каждом нажатии на кнопку изменения параметра на индикаторе отображаются номер термодатчика, от которого будет происходить управление нагревательным элементом:

«_ 1 _» – управление нагревателем от датчика 1;

«_ 2 _» – управление нагревателем от датчика 2.

Для сохранения параметров необходимо нажать кнопку SA3.

Обратите внимание, можно задать управление нагревательным элементом от термодатчика 2, а отображение температуры на индикаторе от датчика 1. При этом важно запомнить, как вы настроили терморегулятор.

Установка максимально допустимой температуры [Ht_].

Для предотвращения перегрева нагревательного элемента и для защиты терморегулятора от перегрева в случае аварии, можно программно установить температуру, при которой терморегулятор однозначно отключит нагревательный элемент.

Кроме того, эта температура является максимально допустимой для регулирования, то есть, при задании верхнего предела температуры, невозможно установить верхний предел больше, чем температура, заданная в этом параметре.

Для установки максимальной температуры необходимо войти в режим программирования, как описано выше, выбрать кнопкой SA1 параметр «Ht_», затем нажатием на кнопку выбора параметра SA2 выбрать максимальную температуру.

При каждом нажатии на кнопку изменения параметра на индикаторе отображаются заданная максимальная температура с шагом +5^ОС. Пределы установки максимальной температуры от 0^ОС до +125^ОС.

Для сохранения параметров необходимо нажать кнопку SA3.

Число повторных запросов при ошибке [Cer].

В терморегуляторе для измерения температуры используются электронные интегральные датчики DS18B20, работающие по протоколу 1-Wire. При обращении к этим датчикам из-за сильных электромагнитных помех могут возникать ошибки. При возникновении ошибки программа микроконтроллера повторно обращается к датчикам. Если после нескольких повторных запросов датчики не отвечают, или выдают неправильные данные, терморегулятор переходит в режим ошибки. Количество повторных обращений к датчикам можно изменить программно.

Для выбора количества повторов при ошибках необходимо войти в режим программирования, как описано выше, выбрать кнопкой SA1 параметр «CEr», затем нажатием на кнопку SA2 выбрать количество повторных запросов.

При каждом нажатии на кнопку изменения параметра на индикаторе отображаются количество повторных запросов при ошибке. Количество запросов можно задать от 3 до 10 повторов.

Для сохранения параметров необходимо нажать кнопку SA3.

Переустановка датчиков (инсталляция) [Ins]

Каждый датчик температуры DS18B20 имеет свой уникальный серийный номер. Поэтому при замене любого термодатчика необходимо произвести определение его серийного номера – переинсталляцию.

Для проведения переинсталляции необходимо войти в режим программирования, как описано выше, выбрать кнопкой SA1 параметр «InS», затем нажатием на кнопку выбора параметра SA2 разрешить переинсталляцию.

При каждом нажатии на кнопку изменения параметра на индикаторе отображаются символ запрета или разрешения переинсталляции:

« n » – переинсталляция запрещена;

« Y » – переинсталляция разрешена.

Для сохранения параметров необходимо нажать кнопку SA3. При этом микроконтроллер выполняет операцию поиска серийного номера устройства. Программа микроконтроллера написано таким образом, что серийный номер встроенного датчика и выносного датчика записываются в EEPROM строго в свои ячейки.

!Внимание! При замене выносного датчика переинсталляцию необходимо провести один раз. При замене встроенного датчика переинсталляцию необходимо произвести дважды, в строго определенной последовательности:

- отключить выносной датчик температуры;

- произвести переинсталляцию;

- подключить выносной датчик температуры;

- произвести переинсталляцию повторно.

Установка параметров по умолчанию [dFt].

Если вы запутались в системе программировании или что либо не получается, предусмотрена возможность сброса всех программных параметров по умолчанию в «заводские» установки. При этом сбрасываются также заданные пределы температуры регулирования и установки яркости индикатора.

Для сброса настроек необходимо войти в режим программирования, как описано выше, выбрать кнопкой SA1 параметр «dFt», затем нажатием на кнопку SA2 разрешить сброс настроек.

При каждом нажатии на кнопку изменения параметра на индикаторе отображаются символ запрета или разрешения сброса настроек:

« n » – сброс запрещен;

« Y » – сброс разрешен.

По умолчанию параметры установлены следующим образом:

- выбор включенных термодатчиков (Ont) – включен встроенный датчик 1;

- выбор индикации температуры от термодатчиков (Int) – не доступен (отображается температура встроенного датчика);

- выбор датчика управления нагревателем (PHt) – не доступен (управление происходит от встроенного датчика);

- максимальная температура (Ht_) +60^ОС;

- число повторных запросов при ошибке (CEr) 3;

- нижний предел температуры +18^ОС;

- верхний предел температуры +22^ОС;

- яркость 100%;

- терморегулятор выключен.

Для сохранения параметров необходимо нажать кнопку SA3.

Конструкция:

Конструктивно терморегулятор выполнен на двух печатных платах. В качестве корпуса использован одинарный выключатель фирмы «Viko», точнее от выключателя используется только рамка и клавиша.

На печатной плате 1 размещаются микроконтроллер (DD1), индикатор (LED1), кнопки управления (SA1–SA4), фотоприемник (DA1), встроенный датчик для измерения температуры воздуха (DA2), звуковой излучатель (EP1) и стабилизатор напряжения +5В (DA6).

На плате 2 размещаются разъем подключения питания и нагревательного элемента, разъем выносного термодатчика, оптопара (DA4), симистор (VS1) и часть блока питания – DC/DC преобразователь (DA5). Для отвода тепла от симистора, на наго устанавливается алюминиевый радиатор. Между собой платы соединяются гибкими проводниками.

В клавише выключателя высверлено отверстие для фотодатчика и вырезано прямоугольного отверстие для индикатора. Кроме того, в нижней и верхней кромке вырезаны по три вертикальных прорези для свободного протока воздуха и измерения температуры в помещении.

Плата 1 имеет внутренние размеры клавиши, по углам к плате приклеены кусочки ластика, которые после полной сборке и отладке устройства, приклеиваются клеем к клавише выключателя. Кроме того, в центре платы вклеена медная втулка с резьбой М2,5. Кнопки управления SA1 – SA4 установлены на плате с противоположной стороны установки индикатора. Таким образом, получается, что клавиша выключателя с платой опирается на четыре кнопки, как на ножки. За счет свободного крепления клавиши с платой, при нажатии на углы клавиши происходит нажатие одной из четырех кнопок. То есть, пользователь нажимает не на кнопку, а на угол платы, при этом нажимается кнопка установленная под соответствующим углом клавиши.

Плата 2 имеет размеры стальной рамки выключателя. В ней высверлены продольные отверстия для крепления к монтажной коробке. В центре платы высверлено отверстие диаметром 3мм. При сборке терморегулятора, через это отверстие проходит винт, который соединяет платы между собой, при этом винт не затягивается, а только придерживает платы одну над другой так, чтобы кнопки опирались на плату, но при этом небыли нажаты. В местах прилегания толкателей кнопок на плате 2 приклеены отрезки ПВХ трубки, диаметром 6 – 7 мм., и высотой 1 мм. Это сделано для того, чтобы клавиша с платой 1 не проворачивались и не смещались вниз.

Для крепления пластмассовой рамки на плате 2 просверлены 4 отверстия, диаметром 2 мм. В них вставлены и приклеены отрезки медной проволоки длинной 4 – 5 мм. В самой рамке, возле ребер жесткости, приклеены отрезки ПВХ трубок заподлицо с рамкой.

При монтаже, сначала к разъемам подключаются все провода, затем устанавливается теплоотвод, терморегулятор устанавливается в монтажную коробку и крепится к ней монтажными шурупами через радиальные отверстия. После чего, надевается рамка. Она с некоторым усилием надвигается на выступающие отрезки проволоки, которые должны попадать внутрь отрезков ПВХ трубок.

Кнопки управления расположены следующим образом:

Пульт дистанционного управления собран на двухсторонней печатной плате. Корпус покупной. На плате установлены две батарейки от компьютера. На нижней крышке пульта приклеена медная перемычка, для соединения батарей.

На ПДУ кнопки располагаются следующим образом:

Модификация (что еще можно добавить):

При разработке, планировалось ввести блок измерения тока, потребляемого нагревательным элементом. На принципиальной схеме терморегулятора выделены красным цветом три дополнительных модуля. В качестве датчика выступает катушка из медного провода, намотанная поверх провода, идущего от симистора к нагрузке. В качестве экспериментов предполагалось из трех вариантов выбрать один. На печатной плате 1 предусмотрены места для установки элементов всех трех блоков датчиков.

Но! Поскольку заказчик жестких требований не предъявлял, а время сдачи проекта подходило к концу, то эти блоки опробованы небыли.

Для тех, кому будет интересно поэкспериментировать, есть широкие возможности…

При этом предполагается, что АЦП микроконтроллера постоянно измеряет ток от датчика. Алгоритм работы предполагался следующий:

Если нагреватель выключен – тока в цепи быть не должно, иначе ошибка (пробой управляющего ключа)!

Если нагреватель включен – ток в цепи есть, но он не превышает заданный максимальный предел;

Если нагреватель включен и ток в цепи больше максимального предела – ошибка (короткое замыкание в нагревательном элементе)!

Если нагреватель включен, и тока в цепи нет – ошибка (обрыв в нагревательном элементе)!

Дерзайте, удачи!!!

Примечания!

Дополнительные сведения по установке и монтажу можно прочитать в этой инструкции.

Файлы проекта:

Прошивка для терморегулятора

Прошивка EEPROM терморегулятора

Прошивка для ПДУ, вариант1 (при нажатой кнопке команда передается постоянно)

Прошивка для ПДУ, вариант2 (при нажатой кнопке команда передается один раз)