Например TDA7294

РадиоКот > Схемы > Цифровые устройства > Бытовая техника

Устройство управления системой подогрева водопроводных труб

Автор: Aheir
Опубликовано 14.03.2012.
Создано при помощи КотоРед.

Посвящается моему деду, 2 марта ушедшему из жизни.
Это устройство разработано по его просьбе, изготовлено и смонтировано при его живейшем интересе и участии…

Проблема холодного водоснабжения у меня на даче решена своеобразно. Поскольку в поселке имеется водопровод, но по ряду причин внутрь дома его затащить не удалось, на территории участка установлена водяная колонка (кто не знает, это, по сути, торчащая из земли труба с краном)). Естественно, все не так трагично (это я о трубе с краном), в моем случае колонка оформлена в виде симпатишного деревянного постамента, чем-то напоминающего Мойдодыра). И все бы хорошо, но имеется неприятность, характерная для всех колонок: при минусовой температуре, если ей постоянно не пользоваться, колонка счастливо замерзает… В народе известны способы отогревания, типа паяльной лампы и т.п., но это явно не наш метод, поэтому для борьбы с этим неприятным явлением был приобретен специальный греющий кабель CEPG от Nelson Easyheat:

Он бывает самой разной длины, мне достаточно было 4м – такой и взял (CEPG-04). Кабель представляет собой… кабель, как ни странно. С одной стороны – стандартная вилка, далее – термостат-размыкатель, включающий нагреватель при температуре меньше 3С и выключающий при температуре больше 13С, ну и основная часть – двухметровый нагреватель, по внешнему виду мало чем отличающийся от обычного провода. Этот нагреватель представляет собой просто проводник с увеличенным сопротивлением, что при протекании по нему тока приводит к выделению тепла из расчета (по данным производителя) 13,5-16Вт на погонный метр при питании 220В, что для моего 4-х метрового кабеля дает примерно 65Вт мощности.
Вот здесь я немного и задумался относительного того, стоит ли греть трубу до 13С. Ясно, что для поддержания воды в трубе в жидком состоянии достаточно существенно меньшей температуры, а вот при нормальном «минусе» в окружающей среде и возникновении, например, каких-то проблем с термоизоляцией до 13С трубу можно и не нагреть никогда, т.е. один раз включившись, нагреватель выключится только при потеплении. При этом, скажем, около половины времени он будет работать, по сути, вхолостую, т.е. нагрелся до, например, 6С и висит в этом положении: ни прогреть не может, ни выключиться (термостат не дает). А мог бы отключиться и дать трубе остыть до 1-2С – совершенно без последствий.
На основе этого определим ряд требований к системе управления. Сложные алгоритмы управления (пропорциональное регулирование и т.п.) здесь без надобности. Нужно уметь измерять температуру в нескольких точках и настраивать температурные пороги срабатывания. Логично разделить систему на головную и исполнительную часть (ну не бегать же по зиме на улицу каждый раз, если что). Вот этим и будем руководствоваться.
Для исполнительной части (условно – силовой) появилась такая схема:

 

Микроконтроллер ATMega16 (обязательно наличие АЦП, что было, то и взял) с кварцем 10МГц, первичное питание 12В, линейный стабилизатор до 5В на LM7805. Для связи с внешним миром – RS485 на микросхеме DS75176. Управление нагревателем с помощью симистора BTB16 в паре с оптосимистором MOC3043 (подходит любой с детектором нуля). Поскольку нагрузка невелика, я позволил себе отказаться от демпфирующих цепей в силовой части в обвязке симистора. Измерение температуры осуществляется выносными датчиками на основе микросхем TMP36 (аналоговый выход, напряжение пропорционально температуре), датчики подключаются к разъемам U15-U17 (6-ти контактные телефонные розетки). Имеется несколько светодиодов для индикации состояния, два из них подключаются к разъему программирования МК на проводах с целью установки на корпусе устройства. Файл печатной платы в конце статьи, в собранном виде оно выглядит так:

 

 

Конструктивно оформлено в корпусе из пластиковой распределительной коробки, будучи установленным непосредственно внутри колонки со всеми подключенными проводами выглядит так:

Синие провода – 4-х жильная витая пара, которой подключены выносные датчики температуры.
Всего имеется 3 датчика, один из них измеряет температуру окружающей среды, два других установлены на трубе (один - «нижний» - чуть ниже поверхности земли, второй – «верхний» - на кране в самой верхней части конструкции. Пару слов по поводу установки. Сам нагревательный провод размещен на трубе и закреплен стяжками согласно рекомендациям производителя. Датчики примыкают к трубе в местах, не подвергающихся непосредственному нагреву проводом. Все гидро-, тепло- и электроизолировано.
К оконечному устройству приходят 3 кабеля: силовой (220В), низковольтного питания (12В) и сигнальный (RS485). Два последних выполнены телефонным кабелем, силовой провод – NYM, все это жгутом прокинуто воздушной линией с дальнейшим вводом в дом и подключением к головному устройству. Общая длина линии – 12м.
Теперь о головном устройстве. Конструктивно оно разделено на 3 платы. Основная:

 

Микроконтроллер ATMega8 с кварцем на 10МГц, 485-ый интерфейс, датчик TMP37 для измерения локальной температуры, микросхема RTC (реально в устройстве применена DS1307, просто M41T81 совпадает с ней по разводке), разъемы для подключения питания (5 и 12В раздельно, поставил входной Molex от старого винчестера), выходные разъемы для питания исполнительной части и интерфейса к ней.

Вторая плата:

 

Сдвиговые регистры и транзисторные ключи для реализации динамической индикации.
Последняя плата:

 

Светодиодный дисплей на 4 знакоместа, кнопки и индикаторные светодиоды.
Платы выглядят вот так:

 

 

Думаю, уже понятно, что платы предназначены для сборки в этажерку:

Светодиоды показались ну уж больно яркими, так что пришлось притушить их термоусадкой.)
Все это затевалось ради возможности разместить устройство вот в таком корпусе для крепления на DIN-рейку:

 

Что, в свою очередь, дало возможность разместить все железо в стандартном щитке:

Помимо контроллера, там же установлен защитный автомат и устройство защитного отключения (электронное, но все же лучше, чем вообще без него). Кроме того, там разместился блок питания с выходными напряжениями 5 и 12В для контроллера и исполнительного устройства (применен встраиваемый БП от DVD-проигрывателя). Автомат полностью отключает устройство, УЗО отключает только нагреватель, позволяя работать слаботочной части в режиме измерения температуры.
Теперь по алгоритмам работы.
Силовая часть, она же – исполнительное устройство, постоянно измеряет температуру всех датчиков в основном цикле. При получении команды (запрос данных) устройство запаковывает и отправляет «голове» данные по температуре во всех точках, устанавливает состояние нагревателя (вкл/выкл) в зависимости от принятых данных и сохраняет в памяти (в т.ч. – в энергонезависимой) температурные пороги включения и выключения нагревателя. В зависимости от состояния нагревателя красный светодиод может гореть непрерывно (нагреватель включен), плавно менять яркость (нагреватель выключен) или мигать (авария, перегрев). Каждая принятая команда отображается вспышкой зеленого светодиода. В случае потери связи устройство переходит в автономный режим, в котором управление нагревателем осуществляется на основе последних сохраненных порогов температуры. Алгоритм простой: температура по любому из датчиков (кроме внешней температуры, конечно) стала ниже порога – включить нагреватель, оба датчика нагрелись до верхнего порога – выключить нагреватель. Имеется защита от перегрева (программная), ну а на крайний случай у нагревательного кабеля есть свой собственный термостат.
Головное устройство раз в секунду инициирует обмен данными с исполнительным. В основном режиме на дисплее попеременно отображаются время и температура на улице (температура – только если есть связь с исполнительным устройством). Короткие нажатия на кнопки 1..3 (нажатия озвучиваются пищалкой) приводят к индикации локальной температуры, температуры верхнего и нижнего датчиков соответственно. Долгое нажатие на кнопку №3, подтвержденное однократным звуковым сигналом, вызывает процедуру установки температурных порогов. Кнопки 1 и 2 - +/- значения, кнопка №3 – запись значения. Сначала выставляется нижний порог, затем верхний, можно выставить температуры в диапазоне 3-9С, при этом пороги не могут отличаться один от другого менее, чем на 3 градуса. У меня сейчас стоят пороги 3-7С.
Долгое нажатие на кнопку №3, подтвержденное двукратным звуковым сигналом, вызывает процедуру установки времени, долгое нажатие с тройным сигналом – принудительное безусловное включение и выключение нагревателя.
Первый зеленый светодиод горит постоянно после включения устройства. Второй светодиод коротко вспыхивает при акте информационного обмена с исполнительным устройством или мигает при потере связи. Красный светодиод отражает текущее состояние нагревателя.
Алгоритм управления нагревателем не отличается от такового в автономном режиме исполнительного устройства (см. выше).
Все написано на Си в CVAVR, фьюзы, как уже понятно, нужно настроить на работу от внешнего кварца, BOD лучше включить, т.е. что-то такое:

 

Система была изготовлена и смонтирована осенью, отработала без сбоев и замечаний всю зиму. Даже в самые сильные морозы (а до –27С доходило) водяная колонка не замерзала, показания всех датчиков находились в положительной зоне шкалы. Конечно, о надежности системы говорить несколько преждевременно, но тем не менее свою основную задачу она выполняет исправно.

 


Файлы:
печатные платы P-CAD
прошивки и исходники CVAVR


Все вопросы в Форум.


ID: 1194