Система обогрева на базе терморегулятора МЕТАКОН-562 и микроконтроллеров фирмы ATMEL

Вопрос экономии энергоресурсов всегда является актуальным. В статье представлена система обогрева, которая позволяет экономить электроэнергию, затрачиваемую на обогрев помещений. В складских и производственных помещениях экономию энергоресурсов можно получить за счёт понижения температуры обогреваемых помещений в вечернее и ночное время, в отсутствие рабочего персонала. Кроме того, любая организация работ в производственных помещениях подразумевает обеденные и технологические перерывы. Таким образом, сэкономить электроэнергию можно, понижая температуру в определённые, заранее заданные интервалы времени.

Сформулируем основные требования к системе обогрева (далее – система):

• система должна автоматически поддерживать в 9 интервалах времени 6 заранее заданных значений температуры (в каждом заданном временно́м интервале – своя температура);
• временно́й диапазон одного интервала программируется от 1 минуты до 24 часов с дискретностью 1 минута;
• в качестве источника тепла применяется тепловая пушка.

Функциональная схема системы показана на рисунке 1. 

Основные узлы: измеритель–регулятор А1 (далее – терморегулятор); плата первого контроллера А2; плата второго контроллера А3; симисторный модуль А4; тепловая пушка А5 (состоит из электронагревателя АН1 и вентилятора АН2).

Временнáя диаграмма, поясняющая алгоритм работы системы, представлена на рисунке 2. 

Система автоматически поддерживает температуру в девяти интервалах времени. Время окончания одного интервала является началом следующего. Рабочий цикл системы составляет 24 часа.

Функцию поддержания заданных температур в системе выполняет терморегулятор МЕТАКОН-562-Р-ТП-0 фирмы «КонтрАвт». В данном терморегуляторе имеется шесть независимых каналов измерения и поддержания заданной температуры № 1…6. Фотография лицевой панели терморегулятора МЕТАКОН-562 приведена на рисунке 3.

Ниже перечислены его основные функции:

• измерение сигнала первичных датчиков, преобразование его в единицы технологического параметра в соответствии с характеристикой датчика и индикация измеренного значения на дисплее;
• масштабирование входного сигнала (раздельное по каждому каналу) и отображение результата измерения в единицах физических величин (только для унифицированных входных сигналов);
• индикация результата измерения по выбранному каналу на 4-разрядном индикаторе;
• возможность автоматической индикации поканальных измерений с фиксированным периодом;
• двух- и трёхпозиционное регулирование и сигнализация; произвольный выбор функции в каждом канале;
• сигнализация аварийных ситуаций при работе прибора, в том числе диагностика обрывов линий подключения первичных датчиков;
• светодиодная индикация состояния дискретных сигналов управления;
• задание параметров работы кнопками на лицевой панели с контролем по цифровому дисплею;
• сохранение параметров прибора в энергонезависимой памяти при отключении напряжения питания;
• защита параметров прибора от несанкционированного воздействия с помощью пароля.

Основные технические характеристики терморегулятора МЕТАКОН-562-Р-ТП-0 приведены в таблице 1. 

Прибор зарегистрирован в Государственном Реестре средств измерений. Терморегулятор имеет множество настроек, но его программирование не вызывает сложностей. Более подробную информацию о приборе можно найти на интернет-странице фирмы-производителя [4].

Принципиальная схема платы контроллера № 1, на которую поступают выходные сигналы терморегулятора, приведена на рисунке 4. 

Плата контроллера № 1 разработана на базе микроконтроллера фирмы ATMEL AT89С51-24PС и 2-строчного знакосинтезирующего ЖК-индикатора DV-16232 FBLY-H/R фирмы Data Vision. ЖК-индикаторы как функциональные узлы отображения информации весьма информативны и позволяют оператору контролировать несколько десятков параметров одновременно.

Плата контроллера № 1 выполняет следующие функции: отсчёт реального времени, индикацию текущего времени в 24-часовом формате (часы-минуты-секунды); установку и коррекцию текущего времени; установку девяти интервалов времени, в которых выходные каналы № 1…7 (выводы 1…7 микроконтроллера DD1) управляются по заданному алгоритму. Окончание любого интервала является началом следующего. Границы интервалов программируются. Проще говоря, на плате контроллера № 1 можно запрограммировать 9 будильников, в момент срабатывания которых включаются (или выключаются) выходные каналы. Время включения каждого будильника (часы-минуты) может быть установлено в 24-часовом формате.

На дисплее ЖК-индикатора HG1 можно одновременно наблюдать текущее время и границы одного из девяти интервалов (время включения и выключения будильника), а также состояние нагрузок (вкл/выкл) в данном интервале. Если текущее время совпало с началом какого-либо интервала, в порт Р1 микроконтроллера DD1 загружается байт управления нагрузками для данного интервала времени.

Следует отметить, что выходных каналов платы – 7, а терморегулятора – 6, то есть канал № 7 платы не задействован. В любом из девяти интервалов времени программно включается только один канал, поэтому интервалы фактически определяют девять режимов работы платы контроллера № 1 – «интервал 1», «интервал 2» и т.д.

Кнопки клавиатуры имеют следующее назначение:

• S1 (Р) – выбор режима работы в замкнутом цикле («интервал 1», «интервал 2», «интервал 3» … «интервал 9»). После подачи питания таймер № 1 сразу переходит в режим «интервал 1»; каждое нажатие данной кнопки переводит его в следующий режим; режимы работы переключаются в порядке возрастания; после «интервал 9» следует «интервал 1»;
• S2 (▲) – увеличение на единицу значения выбранного разряда при установке текущего времени и интервалов, а также принудительное выключение звукового и светового сигналов в начале каждого интервала;
• S3 (◀) – выбор разряда при установке значений во всех вышеуказанных режимах. У выбранного разряда устанавливается курсор, при каждом нажатии на кнопку курсор сдвигается влево на один разряд;
• S4 (▶) – выбор разряда при установке значений. У выбранного разряда устанавливается курсор, при каждом нажатии на кнопку курсор сдвигается вправо на один разряд.

На рисунке 5 приведена фотография ЖК-индикатора в режиме «интервал 1». В каждой строке ЖК-индикатора отображаются 16 символов. 

В таблице 2 подробно представлены разряды дисплея индикатора НG1.

После подачи питания плата контроллера № 1 переходит в режим «интервал 1» (в первом разряде второй строки дисплея индицируется «1»). Только в данном режиме устанавливается или корректируется текущее время. Для этого необходимо кнопками S3 или S4 подвести курсор к изменяемым разрядам текущего времени и кнопкой S2 изменить значение разряда. Для установки начального и конечного значений интервалов необходимо проделать те же операции. Текущее время и флаг RAZ отображаются во всех режимах.

Для программирования выходных каналов необходимо подвести курсор к нужному разряду и кнопкой S2 изменить его значение, как описано выше. Каждое нажатие кнопки S2 в данном случае инвертирует предыдущее состояние разряда («0» на «1» и наоборот). При инициализации после подачи питания во все разряды 10…16 первой строки заносится «0» (каналы отключены). Для разрешения управления каналами необходимо флаг RAZ установить в «1». Для оперативного отключения всех каналов данный разряд следует установить в «0».

При установке текущего времени в режиме «интервал 1» запрещается его отсчёт. Во всех остальных режимах отсчёт текущего времени не запрещается. Изменить флаг RAZ можно только в режиме «интервал 1». Границы интервалов можно перепрограммировать.

Рассмотрим основные узлы принципиальной схемы (см. рис. 4). Питающее напряжение поступает с соединителя Х2. Потребление тока по каналу напряжения +5 В не превышает 250 мА (при отключённой подсветке индикатора HG1). Основой устройства служит микроконтроллер DD1, рабочая частота которого задаётся генератором с внешним резонатором ZQ1 на 10 МГц. Сигнал с выхода 13 микроконтроллера с периодом 1 с включает индикатор HL1. С порта Р0 микроконтроллер DD1 управляет ЖК-индикатором HG1 и – через регистр DD2 – клавиатурой (кнопки S1…S4). Для функционирования клавиатуры также задействован вывод 12 микроконтроллера DD1.

ЖК-индикатор работает в режиме 4-разрядной шины данных, для этого задействована старшая тетрада байта, пересылаемого микроконтроллером в порт Р0. С вывода 22 микроконтроллера DD1 поступает сигнал, информирующий индикатор о типе передаваемых данных (RS=1 – данные, RS=0 – сигнал). С вывода 23 микроконтроллера DD1 поступает строб-сигнал, по перепаду которого из лог. 1 в лог. 0 осуществляется запись данных в индикатор. Данные из индикатора не считываются, поэтому вывод 5 (R/W) подключён к общему проводу. С переменного резистора R4 на вывод 3 индикатора поступает напряжение, уровень которого регулирует контраст формируемого изображения. В примененном 2-строчном индикаторе курсор автоматически сдвигается с первой на вторую строку по достижении сорокового знакоместа. Если дисплей содержит в строке 16 символов, то для перехода на вторую строку необходимо снова устанавливать адрес ячейки видеопамяти индикатора (DD RAM).

В памяти данных микроконтроллера DD1 с адреса 30Н по 35Н, а также с 5АН по 61Н, организован буфер отображения для вывода информации на дисплей индикатора. По своему функциональному назначению, в зависимости от режима работы устройства, адресное пространство буфера разделено на двенадцать групп (см. табл. 3).

После подачи питания на выводе 1 микроконтроллера DD1 через цепь R3 C1 формируется сигнал системного аппаратного сброса микроконтроллера DD1. Затем идёт инициализация программы, в которой настраивается индикатор HG1. При этом происходит очистка его буфера и разрешается отображение курсора. В порт Р1 записываются сигналы уровня лог. 1 (нагрузки выключены).

На плате контроллера № 1 установлены резисторы С2-33Н-0,125 Вт; подойдут любые другие с такой же мощностью и допуском 5%. Резистор R5 типа СП5-2ВА. Конденсаторы С1, С2 – К50-35. У микроконтроллера DD1 и регистра DD2 между цепью +5 В и общим проводом полезно установить блокировочный конденсатор типа К10-17а-Н90-0,1мкФ. Индикатор HL1 типа КИПД 02Б-1К красного цвета.

Конструктивно тепловые пушки (тепловентиляторы) состоят из электронагревателя (нагревательного элемента) и вентилятора. При выключении мощных тепловых пушек, во избежание нагрева корпуса и выхода из строя находящихся на нём элементов управления, необходимо сначала выключить электронагреватель, а потом, с некоторой задержкой, вентилятор. Обдув электронагревателя производится до тех пор, пока температура на выходе тепловой пушки не достигнет температуры окружающей среды. Требуемая задержка при выключении вентилятора зависит от технических характеристик тепловой пушки (мощности, производительности, габаритных размеров и т. д.). Плата контроллера № 2 реализует вышеуказанную функцию, т.е. осуществляет задержку выключения вентилятора. Данный интервал времени программируется.

Плата контроллера № 2 реализует следующие функции:

• задание временно́го интервала на выключение вентилятора с помощью кнопок с контролем по цифровому дисплею (временнáя задержка задаётся от 1 до 999 секунд с дискретностью 1 секунда);
• управление (включение/выключение) с клавиатуры устройства или дистанционное;
• светодиодную индикацию выходных каналов;
• обратный отсчёт заданного интервала времени при выключении тепловой пушки.

Принципиальная схема платы контроллера № 2 для управления тепловыми пушками на базе микроконтроллера AT902313-10PI показана на рисунке 6. 

Канал управления нагревателем с вывода 8 микроконтроллера DD1 (канал управления № 1) собран на транзисторе VT1 и транзисторной оптопаре VT2. Канал управления вентилятором с вывода 9 микроконтроллера DD1 (канал управления № 2) собран на транзисторе VT3 и транзисторной оптопаре VT4. Включение и выключение осуществляется кнопкой S3 (С). Включение каналов визуально контролируется индикаторами VD1, VD2. Дистанционное управление осуществляется с помощью сигнала «ВКЛ» (контакт 1, соединитель Х3).

В интерфейс управления платы контроллера № 2 входят клавиатура (кнопки S1…S3) и блок индикации (дисплей) из трёх 7-сегментных индикаторов HG1…HG3. Кнопки клавиатуры имеют следующее назначение:

• S1 (△) – увеличение на единицу значения при установке времени в секундах. При удержании данной кнопки в нажатом состоянии более 3 секунд, значение времени, индицируемое на дисплее, увеличивается на 5 единиц за 1 секунду;
• S2 (▽) – уменьшение на единицу значения при установке времени в секундах. Соответственно, при удержании данной кнопки в нажатом состоянии более 3 секунд, значение времени, индицируемое на дисплее, уменьшается на 5 единиц за 1 секунду;
• S3 (C) – кнопка включения/выключения реле времени (алгоритм работы в рабочем цикле приведён ниже).

Разряды индикации интерфейса имеют следующее назначение:

• 1 разряд (индикатор НG3) отображает «единицы секунд»;
• 2 разряд (индикатор НG2) отображает «десятки секунд»;
• 3 разряд (индикатор НG1) отображает «сотни секунд».

После подачи питания на выводе 1 микроконтроллера DD1 через цепь R12С5 формируется сигнал аппаратного сброса микроконтроллера DD1. Инициализируются регистры, счётчики, стек, таймер Т/С1, сторожевой таймер, порты ввода/вывода; на дисплее отображается число 001.

Алгоритм работы платы контроллера № 2 в рабочем цикле следующий. После инициализации, на выводах 8 и 9 микроконтроллера устанавливаются лог. 1 (каналы № 1 и № 2 отключены). Далее кнопками S1, S2 необходимо задать временнýю задержку на выключение ΔТ канала № 2; значение отображается на дисплее. При включении кнопкой S3 (или внешним сигналом «ВКЛ») сразу включаются каналы управления № 1 и № 2 (устанавливается лог. 0 на выводах 8 и 9 микроконтроллера DD1), поэтому электронагреватель и вентилятор в тепловой пушке включаются одновременно. При выключении кнопкой S3 (или внешним сигналом «ВКЛ») сразу выключается канал управления № 1 (устанавливается лог.1 на выводе 8 микроконтроллера DD1). Заданное время задержки ΔТ декрементируется с каждой секундой. Как только оно станет равным нулю, выключается канал управления № 2 (устанавливается лог. 1 на выводе 9 микроконтроллера DD1). На дисплее снова отображается заданное значение DТ. Цикл завершён.

С порта В микроконтроллер DD1 управляет клавиатурой (кнопки S1…S3) и динамической индикацией, которая реализована на транзисторах VT1…VT3 и цифровых 7-сегментных индикаторах HG1…HG3. Коды для включения индикаторов HG1…HG3 при функционировании динамической индикации поступают на вход В микроконтроллера DD1. Для функционирования клавиатуры задействован вывод 7 микроконтроллера DD1. Рабочая частота микроконтроллера DD1 задаётся генератором с внешним резонатором ZQ1 на 10 МГц.

При инициализации микроконтроллера DD1 все выводы порта B сконфигурированы как выходы. Выводы PD3, PD6 порта D сконфигурированы как входы, остальные – как выходы. Целесообразно, чтобы цепи питания цифровой части платы контроллера № 2 и управления каналами тепловентилятора (+5 В и +24 В) были гальванически развязаны.

Для перевода устройства в рабочий режим необходимо кнопками S1 (△), S2 (▽) установить интервал времени ΔТ. Для включения каналов № 1 и № 2, как указывалось выше, необходимо нажать на кнопку S3 (С) или установить сигнал «ВКЛ» в лог. 0. Установленное время при этом заносится в ОЗУ микроконтроллера DD1. Разработанная программа на ассемблере занимает порядка 0,72 кбайт памяти программ микроконтроллера. Потребление тока по каналу +5 В не превышает 100 мА, по каналу +24 В – 300 мА.

На рисунке 7 приведена принципиальная схема симисторного модуля с тепловой пушкой. В схеме (см. рис. 7) использованы конденсаторы С3…С7 типа К10-17а, С1, С2, С8 – типа К50-35, резисторы типа С2-33Н-0,125 Вт. Индикаторы HG1…HG3 зелёного цвета типа HDSP-F501. Индикаторы HL1, HL2 – единичные индикаторы типа 3Л341Г. Симисторный модуль включает в себя блоки АВ1…АВ4. Тепловая пушка состоит из электронагревателя АН1 и вентилятора АН2. Симисторные блоки АВ1…АВ3 подключают к сетевому напряжению электронагреватель АН1, симисторный блок АВ4 подключает к сетевому напряжению вентилятор АН2.

В системе использованы симисторные блоки типа БС-440-63/40-Н фирмы «КонтрАвт». Данный блок обеспечивает:

• коммутацию нагрузки;
• гальваническое разделение цепи управления и силовой цепи;
• привязку момента коммутации к переходу напряжения нагрузки через ноль;
• индикацию сигнала управления;
• защиту силового элемента от кратковременных перегрузок по напряжению.

При использовании блока БС-440-63/40-Н обеспечивается дополнительное снижение коммутационных помех за счёт включения силового элемента в момент перехода сетевого напряжения через ноль («нуль-контроль»). Подробную информацию о силовых блоках можно найти на интернет-странице фирмы [4].

Тепловая пушка типа LEISTER LHS PREMIUM 60L оснащена однофазным вентилятором LEISTER ROBUST. Электрообогреватели и вентиляторы LEISTER отличаются низким уровнем шума и рассчитаны на длительный режим эксплуатации. Подробную информацию на данные электронагреватели и вентиляторы можно найти на интернет-странице фирмы [3]. Сетевое напряжение 380 В поступает на блок управления через соединитель Х1. Если необходимо подключить более мощный, трёхфазный вентилятор, то следует задействовать три симисторных блока.

Коммутация устройств системы осуществляется следующим образом: соединитель Х1 платы контроллера № 1 (см. рис. 4) подключается к соединителю Х3 платы контроллера № 2 (см. рис. 6); соединитель Х1 платы контроллера № 2 (см. рис. 6) подключается к соединителю Х1 симисторного модуля (см. рис. 7). При работе с системой необходимо соблюдать требования по электробезопасности.

В дополнительных материалах к данной статье, размещённых рядом с соответствующим материалом на сайте журнала, приведены тексты программ для микроконтроллеров.

Литература

1. Бродин В.Б., Шагурин И.И. Микроконтроллеры: Архитектура, программирование, интерфейс. ЭКОМ, 1999.
2. http://www.tme.pl.
3. http://www.leister.com.
4.  http://www.сontravt.ru.

© СТА-ПРЕСС