Prosty sterownik centralnego ogrzewania

Witam

Tym razem przedstawiam mój prosty sterownik do pieca.

Prezentowany układ jest prostym sterownikiem centralnego ogrzewania, większość opcji została na stałe zaszyta w programie aby maksymalnie ułatwić obsługę nawet przez osoby starsze lub oporne na nowoczesne rozwiązania. Układ jest odpowiedzią na wielokrotne pytania odnośnie ulepszenia bądź modyfikacji
starego sterownika. Do prezentacji wskazań został wykorzystany trój-cyfrowy wyświetlacz LED, a dwie główne nastawy (temperatura na piecu i moc wentylatora/dmuchawy) zrealizowane są za pomocą zwykłych potencjometrów obrotowych. Sterownik pracuje w dwóch trybach (letnim i zimowym) pozwalając nastawić się albo na optymalizację pracy pompy tylko pod grzanie wody, albo na wykorzystanie w pełni ciepła zgromadzonego w piecu i bojlerze do ogrzewania domu zimą. Taki sposób sterowania sprawia że układ z powodzeniem pracuje w bardzo prostych instalacjach centralnego ogrzewania, gdzie mamy do czynienia z jedną pompką i brakiem jakichkolwiek zaworów trój-drogowych.

Schemat ideowy sterownika przedstawiony jest na rysunku poniżej. Sercem układu jest mikrokontroler U3 (ATMEGA8-PU), pracujący na wewnętrznym oscylatorze 8MHz. Rezystor R5 (10k) zapewnia poprawną polaryzację wejścia resetu a złącze PROG1 (AVRPROG) umożliwia zaprogramowanie mikrokontrolera. Kondensator C4 (100nF) filtruje wewnętrzne napięcie referencyjne dla przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) wewnątrz mikrokontrolera U3. Komunikaty i zmierzone temperatury prezentowane są na trój-cyfrowym wyświetlaczu siedmio-segmentowym W1 (TOT-5362BMR-B), przystosowanym do multipleksowania. Rezystory R7 (330R), R8 (330R) oraz R10-R15 (330R) ograniczają prąd struktur LED wyświetlacza. Anody W1 sterowane są za pomocą tranzystorów T2-T4 (BC556), których prądy baz ograniczane są za pomocą rezystorów R2-R4 (3,3k). W układzie pracują dwa czujniki temperatury U2 (DS18B20) oraz U4 (DS18B20) pracujące na dwóch oddzielnych magistralach 1-Wire. Rezystory R6 (4,7k) oraz R9 (4,7k) zapewniaja prawidłowe podciąganie szyn danych obu magistral do +5V. Tranzystor T1 (BC556), którego prąd bazy ograniczany jest za pomocą R1 (3,3k), pracuje jako element wykonawczy dla brzęczyka piezo BZ1 (BUZZER), umożliwiając generację sygnałów dźwiękowych.



Potencjometry i przyciski kontrolujące pracę sterownika podłączone są do dwóch kanałów ADC w układzie U3. Elementy R16 (10k), R17 (910R) oraz P1 (10k) tworzą dzielnik i zapewniają poprawne napięcia na wejściu przetwornika w przedziale 0-2.56V. Dzięki takiej konstrukcji jeden kanał przetwornika pozwala obsłużyć zarówno potencjometr P1 jak i mikroprzycisk SW1 (uSw 6mm). Dzięki R17 napięcie na wejściu przetwornika podczas kręcenia potencjometrem zawsze jest większe od ok. 200mV, co pozwala wykryć przypadek wciśnięcia przycisku, które generuje napięcia bliskie 0V. Kondensator C7 (10nF) stanowi prosty filtr napięcia. W drugim kanale przetwornika elementy R20 (10k), R22 (910R), P1, C8 (10nF) i SW2 (uSw 6mm) działają analogicznie, dając drugi element regulacyjny i drugi przycisk.

Elementami wykonawczymi są triaki TR1 (BTA12-600B) i TR2 (BTA12-600B), których prąd bramek ograniczany jest rezystorami R18 (220R) i R21 (220R). Izolację optyczną zapewniają optotriaki OPT1 (MOC3041) i OPT2 (MOC3041), prąd ich diod ograniczany jest przez R19 (100R) i R23 (100R). Diody D1 (LED G) i D2 (LED G) pełnią rolę kontrolek zadziałania układów wykonawczych. Obwody zasilania zbudowane są w oparciu o stabilizator U1 (7805). Kondensatory C1 (100uF/35V), C2 (47uF/25V) oraz C3 (100nF) zapewniają filtrację zasilania i poprawną pracę stabilizatora. Złączem zasilającym jest GP1 (NS25-W2). Elementy J1 (JMP) i J2 (JMP) (nieużywane w podstawowej wersji sterownika) dają pole manewru do rozbudowy układu. Zworki te zostały podłączone do dwóch kolejnych kanałów ADC, co umożliwia zastosowanie podobnych układów jak w przypadku P1 i P2 (10k). Element J3 (JMP) jest dodany nadmiarowo, służy jako złącze masy, w przypadku gdyby piny MISO i SCK na złączu programującym były potrzebne do innego zastosowania.


Obsługa:

Sterownik został tak zaprojektowany aby nie posiadał skomplikowanej procedury ustawień. Nie ma żadnego menu w którym dokonujemy ustawień - większość z opcji została zaszyta na stałe w programie i nie ma konieczności dokonywać żadnych zmian. Podczas normalnej pracy na wyświetlaczu cały czas prezentowana jest temperatura na piecu. Krótkie naciśnięcie przycisku Bojler/Lato/Zima sprawi że będzie można sprawdzić temperaturę na bojlerze. Przytrzymanie tego przycisku przez kilka sekund przełącza tryb pracy pompy: Lato lub Zima.

- Lato (na wyświetlaczu U0) - w tym trybie praca pompy zależy od różnicy między temperaturą na bojlerze a temperaturą na piecu oraz od temperatury minimalnej. Pompa pracuje po przekroczeniu przez piec temperatury minimalnej PmpTmin (typowo 40 stopni) ale tylko w przypadku gdy temperatura na piecu jest większa od temperatury na bojlerze, co najmniej o wartość ustawionej histerezy PmpHistH (typowo 7 stopni). Pompa przestanie pracować gdy ta różnica temperatur będzie mniejsza niż druga histereza PmpHistL (typowo 3 stopnie), lub gdy temperatura na piecu spadnie o wartość PmpHistL poniżej temperatury minimalnej.
- Zima (na wyświetlaczu U1) - w tym trybie praca pompy zależy tylko od temperatury minimalnej. Pompa pracuje po przekroczeniu przez piec temperatury minimalnej PmpTmin (typowo 40 stopni), a przestanie pracować gdy temperatura na piecu spadnie o wartość PmpHistL (typowo 3 stopnie) poniżej temperatury minimalnej.

Za pomocą pokręteł Wentylator i Temperatura dokonujemy odpowiednio regulacji mocy dmuchawy (typowo 30-100%) oraz docelowej temperatury na piecu (typowo 45-90 stopni). Po przekręceniu któregokolwiek z pokręteł na wyświetlaczu pojawi się i będzie migać aktualnie ustawiana wartość. Po kilku sekundach bezczynności sterownik powróci do wyświetlania temperatury na piecu. Za pomocą przycisku Start/Stop sterujemy trybem pracy nadmuchu, który działa niezależnie od ustawienia pompy. Wentylator pracuje w jednym z 3 trybów pracy:

- Stop/Wyłączony (na wyświetlaczu C0) - w tym trybie nadmuch jest wyłączony i zablokowany. Sterownik nie może go uruchomić niezależnie od zmierzonych temperatur i innych jakie panują w układzie. Układ przechodzi do tego trybu po wystąpieniu alarmu lub ręcznym wyłączeniu.
- Stop/Oczekiwanie (na wyświetlaczu C1) - w tym trybie nadmuch jest wyłączony i oczekuje na możliwość automatycznego uruchomienia (przejścia do trybu Praca), co nastąpi gdy na piecu temperatura będzie większa od wartości TAutoS (typowo 50 stopni). Sterownik jest w tym trybie po włączeniu zasilania lub po wypaleniu się opału, gdy temperatura nie wzrasta przez czas IncrTTime (typowo 20 min).
- Praca (na wyświetlaczu C2) - w tym trybie wentylator pracuje na dwa sposoby: praca ciągła i przerywana. Gdy temperatura na piecu jest poniżej temperatury docelowej to dmuchawa pracuje ciągle, z ustawioną wcześniej mocą. Gdy piec osiągnął już żądaną temperaturę to dmuchawa pracuje w trybie przerywanym (przedmuch) na podstawie parametrów BlowDelay (typowo 20 min) i BlowWork (typowo 30 sekund), które oznaczają odpowiednio przerwę i czas pracy przedmuchu.

Działanie przycisku Start/Stop zależy od aktualnego stanu sterownika i trybu pracy nadmuchu. Krótkie naciśnięcie tego przycisku ma trojakie działanie. Jeśli sterownik jest w stanie alarmowym (przekroczenie 90 stopni) to sygnał dźwiękowy zostanie wyłączony. Jeśli nie ma alarmu i nadmuch jest w trybie Praca to dmuchawa zostanie zablokowana (dokładanie opału, na wyświetlaczu miga symbol X). Ponowne krótkie naciśnięcie przycisku Start/Stop przywróci normalną pracę (usunie blokadę) dmuchawy. W obu trybach Stop/... krótkie naciśnięcie przycisku Start/Stop wyświetli aktualny tryb pracy (C0 czy C1). Przytrzymanie tego przycisku przez kilka sekund pozwala przełączyć nadmuch do trybu Praca. Gdy aktualnie sterownik jest w tym trybie pracy, nastąpi jego wyłączenie i przejście do trybu Stop/Wyłączony.


Fotografie:



Strona domowa projektu: http://mirley.net/prosty_sterownik_co.html

Zapraszam do komentowania, krytykowania i zadawania pytań

Naciśniecie start/stop podczas alarmu go wyłączy na określona ilość czasu ? Gdy temperatura będzie dalej rosła alarm włączy się znowu ? Alarm wyłączy się sam po spadku temperatury poniżej wartości progowej ?

naciśnięcie start/stop wyłączy tylko sygnał alarmu, żeby kogoś nie trafiło zanim temperatura opadnie po ingerencji użytkownika.

Stan alarmowy utrzymuje sie cały czas (pompa włączona, wentylator zablokowany) aż do momentu jak temperatura spadnie.

Sygnał dźwiękowy nie właczy sie ponownie, chyba że wcześniej temperatura spadła poniżej alarmowej

Konstrukcja ok jedyne do czego się przyczepię ( mam nadzieje że nie będziesz miał mi tego za złe ) brak gasików rc przy triakach, w ostatnią zimę w moim sterowniku boleśnie się o tym przekonałem że gasiki są BARDZO potrzebne. Po prostu triak włączył się a po "zgaszeniu" diody w opto-triaku triak dalej przewodził ( dmuchawa dalej pracowała ); dopiero po dodaniu RC wszystko było ok. Druga sprawa jak sterujesz wentylatorem - opto-triaki masz włączane w "zerze". Po za tym duży plus za zastosowanie potencjometrów kiedyś też nad tym myślałem ale jakoś tak wyszło że dalej przyciski, jeśli ustawisz temperaturę potencjometrem nie "pływa" ona z czasem?. Proponuję Ci dodać dodatkowe zabezpieczenie - termistor na 85 stopni który fizycznie wyłącza dmuchawę.

Kurczę jakoś nie pomyślałem o gasikach.... w sumie nigdy ich nie stosuję. Może dla tego że jeszcze nigdy mi się triak nie zwarł w taki sposób jak piszesz....

Wentylator sterowany jest PWM od strony uC, częstotliwość ~6Hz, z tym że optotriak sterowany jest w zerze więc jak by sie temu przyjrzeć to jest to takie "dzikie" sterowanie grupowe ale działa całkiem dobrze.

Co do potencjometrów to pierwszy raz je stosuje w sterowniku, nie ma problemu z pływaniem ustawień. po pierwsze przy 10-bit ADC, uwzględniając ograniczenie zakresu poprzez obsługę przycisku wychodzi gdzieś 16 LSB na stopień, musiało by znacznie napięcie się wahać ponad 40mV aby zmienić o stopień, wyjątkiem może być ustawienie na granicy zmiany.... Aby uniknąć problemu, czekam aż zmiana wartości będzie trochę większa ~10LSB aby w ogóle zareagować

Dlatego ja od pewnego czasu jeżeli triak ma sterować czymś innym od żarówki zawsze stosuję triaki 3 kwadrantowe. I czy to stycznik czy silnik jeszcze nie miałem z nimi żadnego problemu. A różnica w cenie groszowa.

A co to takiego " triaki 3 kwadrantowe"? nie miałem z tym styczności

mirley wrote:

A co to takiego " triaki 3 kwadrantowe"? nie miałem z tym styczności

http://www.nxp.com/documents/leaflet/75016004.pdf

dzięki... zawsze mało uwagi poświęcam na stopnie wyjściowe... może czas coś z tym zrobić

mirley wrote:

Co do potencjometrów to pierwszy raz je stosuje w sterowniku, nie ma problemu z pływaniem ustawień

W przypadku potencjometrów ewentualny problem może się ujawnić po dłuższym czasie, na skutek starzenia elementów (procesy chemiczne w ścieżce). Choć raczej grozi to "trzeszczeniem" przy zmianie położenia niż zmianie (istotnej) w stabilnej pozycji. Odrębny problem to zużycie mechaniczne i wynikający z niego chwilowy brak styku, ale to chyba nie ten przypadek

Trzeszczenie nie powinno byc tu problemem, bo jak mowiłem układ kilka razy próbkuje wartość z potencjometru zanim ta zostanie uaktualniona, nie powinno stanowić problemu.

Jeśli chodzi o brak styku to mógłby byc problem, gdyby z jakiegos powodu styk odłączył się na stałe. Wtedy wejście przetwornika będzie wisiało w powietrzy z podłączonym kondensatorem, może to spowodować w zasadzie dowolną wartość przetwornika co mogło by być groźne.

Potencjometru używa się stosunkowo rzadko, z doświadczenia wiem że raz ustawiony układ czasami potrafi być nie ruszany całą zimę, więc zakładam że mechaniczne zużycie raczej nie wystąpi.... Tak czy inaczej można by dołączyć rezystor np 1M od suwaka do końcówki bliżej masy na potencjomerze. Załatwi to problem a nie powinno zmienić za bardzo dzielnika

mirley wrote:

Tak czy inaczej można by dołączyć rezystor np 1M od suwaka do końcówki bliżej masy na potencjomerze.

To z pewnością usunie zagrożenie, które zapewne i tak jest minimalne, a warto się nim zająć jedynie ze względu na możliwe konsekwencje (chaotyczną pracę sterownika).

Nie mam doświadczeń z tym uC, ale tak się zastanawiam, czy możliwe byłoby sprawdzenie softwarowe - gdy z pomiaru wynika zmiana ustawienia można by na chwilę włączyć pullup, wyłączyć go i ponowić pomiar. Przy "błądzącym" napięciu na C zmiana byłaby wyraźna, przy prawidłowym podłączeniu zaniedbywalna (lub przewidywalna).

W sumie to dobry pomysł na softwarowe rozwiązanie problemu. W granicach błędu powinno być takie same wskazanie...

Jeśli macie jeszcze jakie sugestie co do działania programu, proszę pisać. Pozwoli to pewne ulepszenia na przyszłość

Jak realizowane jest wykrywanie zera sieci ?
Na schemacie nie znalazłem elementu który by do tego służył .

Sterowanie w zerze sieci realizowane jest za pomocą optotriaka, nie potrzebna mi w programie wiedza kiedy jest 0 w sieci

mirley wrote:

Sterowanie w zerze sieci realizowane jest za pomocą optotriaka, nie potrzebna mi w programie wiedza kiedy jest 0 w sieci

Ja też nie mogę zrozumieć jak kolego steruje w zerze, jeżeli nie jest ono sczytywane z sieci ?

Seba_smd wrote:

Ja też nie mogę zrozumieć jak kolego steruje w zerze, jeżeli nie jest ono sczytywane z sieci ?

Wystawia nie patrząc na nic kiedy mu przyjedzie ochota a optotriak włącza się dopiero przy przejściu przez 0 (taka uroda modelu MOC3041M)
To nie jest sterowanie fazowe:

mirley wrote:

Wentylator sterowany jest PWM od strony uC, częstotliwość ~6Hz, z tym że optotriak sterowany jest w zerze więc jak by sie temu przyjrzeć to jest to takie "dzikie" sterowanie grupowe ale działa całkiem dobrze.

A Rotary encoder nie byłby lepszy od potencjometru? nawet przycisk ma i nie wymaga portu analogowego.

Enkoder ma swoje zalety i wady, wtedy do dwóch impulsatorów i dwóch przycisków potrzebne jest 6 pinów procesora a nie 2 piny....

Tak na prawde to zastosowanie potencjometrów to debiut w moich projektach. Chciałem się przekonać jak to zadziała w praktyce... Można by nawet spokojnie dac dwa potencjometry na jednym pinie rocka tylko trzeba to jakoś zmyślnie podłączyć

Mam pytanie odnośnie sterowania obciążenia indukcyjnego (wentylator) w zerze - przecież występuje przesunięcie prąd- napięcie, i przy zero napięcia sieci prąd nie będzie zerowy ?

No jasne że nie będzie zerowy ale to w niczym nie przeszkadza dla działania wspomnianej regulacji obrotów, gdyż nie wyłączam triaka w każdym z okresów sieci. Przypomina to raczej regulację grupową