Термостат на arduino с управлением нагрузкой. Еще один термостат на Arduino, но с OpenTherm. Как все начиналось

Читая первую часть заголовка многие из вас, наверняка, подумали – еще один термостат на многострадальной Arduino. И… Это правда – да, это очередной термостат для очередного котла, очередного дома, но правда это только отчасти – в статье я не хочу концентрироваться на самом устройстве – их (статей) действительно предостаточно. Несомненно, я опишу термостат, но больше хотел бы рассказать о том, как я связывал сам микроконтроллер с котлом. Итак, кому интересно – прошу…

Как все начиналось

Прежде всего хочу сказать, что я нисколько не программист и с настоящим микроконтроллером дела до этого не имел. Мое первое знакомство с МК AVR (да и вообще с МК) было еще в старшей школе, когда мне захотелось узнать, как же все-таки работает эта загадочная штука. Я прочел несколько статей и с тех пор в памяти у меня остались лишь отрывки, которые можно было описать всего двумя словами – DDR и PORT – на этом мои познания и обрывались. Потом был универ, 5-й курс – «Программирование микроконтроллеров» где мы все познакомились с MSC51 в виртуальной среде. Тут уже были и прерывания, и таймеры, и все остальное. Ну, вот с таким багажом знаний я и пришел к проблеме. Закончим на этой автобиографической ноте и перейдем к более интересной части.

Итак, собственно, с чего началось создание термостата – после установки автономного отопления с газовым котлом, я, как и многие, столкнулся с обычными проблемами – температура в доме очень зависела от погоды на улице – мороз – в квартире холодно, нужно увеличивать температуру теплоносителя в батареях, потеплело – наоборот. Такие танцы с бубном меня не сильно устраивали, т.к. регулировка котла осложнялась тем, что он был установлен за дверцей, а дверца подперта микроволновкой, на которой лежала куча хлама. Ну, вы поняли – иголка в яйце, яйцо в утке и т.д.

Решалась эта проблема очень просто – датчиком OTC (Outside Temperature Compensation), который подключается к котлу и позволяет ему автоматически подстраивать температуру теплоносителя в зависимости от уличной температуры. Проблема, казалось бы, решена, но чтение сервис-мануала на котел (Ferolli Domiproject C24D) быстро растоптало мою надежду – подключение датчика внешней температуры в данной модели не предусмотрено. Все? Все. И вот, наверное, можно было бы закончить, но летом в котле в грозу до сих пор непонятным мне способом сгорает плата управления, и разговаривая с сервис-мэном (плату в последствии отремонтировали) я спросил, возможно ли подключение OTC на мой котел? Он ответил, что подключают, используя внешние термостаты. Это отложилось у меня в памяти, но я не особо на этом концентрировался до наступления холодов, а дальше всё таже проблема.

Листая все ту же сервисную инструкцию, но уже с целью посмотреть, как же подключается термостат, я заметил, что на те же клеммы подключается «OpenTherm регулятор». Тут-же я понял – вот ОНО! Поиск в Google «OpenTherm Arduino» же меня опять огорчил – ничего особо толкового. Был монитор сообщений, но это не то – мне и слушать, то нечего – нужен именно термостат.

Термостат на Arduino

Давайте соорудим для начала на Arduino что‑нибудь простенькое. В главе 12 мы уже изобретали термостаты на чисто аналоговых компонентах. Теперь посмотрим, как можно привлечь к этому полезному в хозяйстве делу цифровую технику.

Мы уже упоминали (см. главу 18 ), что в состав AVR‑контроллеров входит 10‑разрядный многоканальный АЦП. На платах Arduino его выводы специально помечены, как аналоговые входы (буквой А с цифрами от нуля до пяти). Заметьте, что они могут быть задействованы и как обычные цифровые с номерами от 14 до 18, и мы в таком качестве ими еще воспользуемся. Один из этих входов мы как раз и применим для измерения температуры, а управлять подключением нагрузки будем с одного из цифровых выходов.

Итого нам понадобятся:

□ плата Arduino Uno (годится и любая другая);

Я термистор в качестве датчика температуры. Подойдет, например, имеющийся

□ «Амперке» В57164‑К 103‑J с номинальным сопротивлением 10 кОм при 25 °C – именно его характеристики приведены в главе 13 в качестве иллюстрации к свойствам термисторов;

□ переменный резистор 10 кОм, постоянный резистор 620 Ом;

□ исполнительное реле – электромагнитное (обязательно с усилительным транзисторным ключом, см. далее) или твердотельное.

В продаже имеются модули на основе 5‑вольтовых электромагнитных реле, специально подогнанных под управление от выходов Arduino. Электромагнитные реле сами по себе требуют довольно большого тока управления (и он тем больше, чем мощнее реле, – непосредственно от логики могут работать только самые маломощные герконовые реле), потому во всех подобных релейных модулях обязательно имеется транзисторный усилительный ключ. Например, в «Амперке» продается такой модуль на основе реле HLS8L‑DC5V‑S‑C. Если вас электромагнитное реле не устраивает, и вы стремитесь к предельной простоте схемы, то можно поискать твердотельные реле – подойдут, например, CX240D5R фирмы Crydom или аналогичные с напряжением срабатывания 3‑15 В. У них ток управления составляет около 15 мА при 5 вольтах на входе, что допустимо для AVR, потому их управляющий вход можно подключать к цифровому выводу Arduino напрямую. Правда, при напряжении 220 вольт коммутировать нагрузку мощностью больше киловатта CX240D5R не может, но нам в данной задаче больше и не требуется.

Схема термостата на Arduino Uno показана на рис. 21.2.

Рис. 21.2. Схема термостата на Arduino Uno

На схеме обмотка реле К1 (с нормально разомкнутыми контактами) условно присоединяется прямо к цифровому выходу Arduino – подразумевается, что либо это упомянутое ранее твердотельное реле с нужными характеристиками, либо просто управляющий вход готовой платы релейного модуля. Для контроля состояния схемы одновременно с нагревателем срабатывает светодиод. Программа термостата в соответствии с подобной схемой крайне проста:

Величины резисторов подогнаны под указанный термистор В57164‑К с номинальным сопротивлением 10 кОм при 25 °C (103‑J). В соответствии с программой срабатывание реле будет происходить вблизи значения на выходе АЦП, равного 500. Это составляет примерно середину 10‑разрядного диапазона (вся шкала – 1024 градации), т. е. такое значение установится при приблизительном равенстве верхнего и нижнего сопротивлений относительно входа АО (напряжение на этом входе тогда составит примерно 2,5 вольта).

Обратите внимание, что обе функции if не заканчиваются привычным else . Для предотвращения дребезга в программу введен гистерезис: реле включается при превышении значения кода 510, а выключается при снижении до значения 490. В промежутке оно будет сохранять предыдущее состояние. Двадцать единиц кода (то, что в главе 12 мы называли зоной нечувствительности ) соответствуют примерно 10 милливольтам, т. е. гистерезис при температуре в пределах 30–40 градусов составит чуть меньше одной десятой градуса (проверьте сами с помощью табл. 13.1 из главы 13 ).

Установка температуры срабатывания с помощью резистора R2 при таких параметрах возможна в пределах примерно от 22 до 96 °C. Разумеется, на практике такой широкий диапазон регулировки не требуется, потому целесообразно номинал R2 уменьшить. Величина R1 подбирается так, чтобы R1 и номинальное значение R2 в сумме составляли сопротивление термистора при нижнем значении желаемого диапазона температур (в соответствии с табл. 13.1). Для более точной подгонки можно провести калибровку и изменить пороговые значения в программе, измеряя установившуюся температуру обычным термометром.

Если вы примените в этой схеме другие датчики, то не забудьте про знак температурного коэффициента. Обычный диод или транзистор в диодном включении (как в схемах из главы 13 ) также имеют отрицательный наклон характеристики, потому для них в программе придется поменять только числовые значения порога срабатывания. А вот полупроводниковые датчики типа ТМР35 (см. главу 13 ) или просто металлические термометры сопротивления (как в конструкции из главы 17 ) имеют положительный температурный коэффициент, поэтому условия срабатывания придется изменить на обратные. Причем не просто поменять «больше» на «меньше» и наоборот, а изменить и соотношение порогов для гистерезиса – в новой ситуации нагреватель должен будет включаться, если значение меньше меньшего порога, а выключаться – если больше большего.

Принципиальная схема самодельного четырехканального термостата с отображением температур, построен на основе Arduino UNO, LM325 и с дисплеем 1602А, позволяет управлять четырьмя раздельными нагрузками.

Здесь описывается модернизированный вариант устройства, который кроме пассивного измерения и индикации температуры еще может управлять четырьмя нагревателями, с целью поддержания заданной температуры в четырех разных местах, в которых в первом варианте было возможно только измерение температуры.

Работа четырехканального термометра и его программы очень подробно описана в предыдущей статье (Л.1), поэтому здесь речь будет только об изменениях для реализации работы четырехканального термостата.

Принципиальная схема

Принципиальная схема показана на рис.1.

Рис. 1.Принципиальная схема термостата на Arduino UNO, LM325 с дисплеем 1602А.

В отличие от первой схемы (Л.1) здесь присутствуют четыре транзисторных ключа, нагруженных на обмотки реле К1-К4, управляющие четырьмя различными нагревательными устройствами (Н1-Н4). Управляющие команды на эти ключи поступают от четырех цифровых портов D9-D12 платы ARDUINO UNO.

Программа

Программа приведена в таблице 1.

Таблица 1.

Первое отличие в том, что заданы порты для управления нагревателями. Это порты D9-D12, заданы они здесь:

pinMode(12, OUTPUT);

pinMode(11, OUTPUT);

pinMode(10, OUTPUT);

pinMode(9, OUTPUT);

Можно выбрать другие свободные цифровые порты, после подключения индикатора остались еще D8 и D13. Но автор выбрал именно эти: D9, D10, D11, D12. Второе отличие в том, что для управления нагревателями используется компараторная функция if. В строках:

if(temp < -15)digitalWrite(12, HIGH);

if(temp > -15)digitalWrite(12, LOW);

if(tempi < 1)digitalWrite(11, HIGH);

if(tempi > 1)digitalWrite(11, LOW);

if(temp2 < 20)digitalWrite(10, HIGH);

if(temp2 > 20)digitalWrite(10, LOW);

if(temp3 < 10)digitalWrite(9, HIGH);

if(temp3 > 10)digitalWrite(9, LOW);

В этих строках указывается при какой температуре, какой логический уровень должен быть на соответствующем порту. Например, при температуре первого датчика (Т1) ниже -15°С на порту D12 будет логическая единица. При температуре второго датчика (Т2) ниже 1°С на порту D11 будет логическая единица.

При температуре третьего датчика (ТЗ) ниже 20°С на порту D10 будет логическая единица. При температуре четвертого датчика (Т4) ниже 10°С на порту D9 будет логическая единица. Конечно, температуры можно задать и совсем другие, - любые, которые нужны для конкретного применения данного прибора.

Более того, уже в готовом устройстве, при необходимости их легко изменить. Для этого нужно подключить персональный компьютер к USB-порту платы ARDUINO UNO и загрузить программу с другими данными по температурным порогам. В принципе, для этого можно предусмотреть на корпусе готового прибора разъем USB.

Обычно, в «типовом» терморегуляторе есть петля гистерезиса, то есть, цепь, которая создает разницу между тепера-турой включения нагревателя и температурой его выключения. Это нужно для того чтобы нагреватель включался / выключался не очень часто. Особенно это важно, если нагревателем управляет электромагнитное реле.

Потому что контакты реле не рассчитаны на такой режим работы, и могут быстро выйти из строя от подгорания из-за искрения. Но гистерезис вносит погрешность в работу термостата. Здесь было решено не создавать гистерезис, а для того чтобы контакты реле переключались не слишком часто просто замедлить работу прибора. Для этого в строке:

время индикации увеличено до трех секунд. В результате, измерения повторяются с периодом в три секунды, и в любом случае, реле не может переключаться чаще, чем один раз в три секунды.

Детали

Электромагнитные реле К1-К4 можно применить любые с обмотками на 12V и контактами, достаточно мощными для управления конкретными нагревателями.

Выходные каскады можно сделать и по другим схемам, например, на оптоси-мисторах. В этом случае, к соответствующим портам платы ARDUINO UNO подключаются, через токоограничительные резисторы, светодиоды оптосимис-торов или, так называемых, «твердотельных реле».

Каравкин В. РК-08-17.

Литература: 1. Каравкин В. - Четырехканальный термометр на ARDUINO UNO, РК-06-17.