Miniaturowy termostat cyfrowy

Główną wadą elektronicznych termostatów analogowych jest najczęściej utrudnione ustawianie temperatury – najczęściej mamy jeden potencjometr przypisany do temperatury środkowej, czasem stosowany jest również drugi do ustawiania histerezy. Znalezienie prawidłowego położenia tych elementów regulacyjnych potrafi być niełatwym zadaniem, zaś najczęściej sprowadza się do wielokrotnego ochładzania oraz podgrzewania termistora. Stabilność takiego rozwiązania również nie jest zbyt wysoka – termistor, podobnie jak potencjometry czy inne elementy w torze analogowym mogą zmieniać swoje parametry z upływem czasu. Jest to rozwiązanie dobre, lecz mało dokładne.

Zaprezentowany układ to termostat cyfrowy, lecz nie zawiera relatywnie dużego i drogiego wyświetlacza, który przecież jest potrzebny tylko raz: przy ustawianiu żądanych wartości temperatur. Jego funkcję pełni… zwykły woltomierz, który podłącza się do określonych zacisków. Zależność między napięciem a temperaturą można wyliczyć z prostych równań matematycznych, z którymi poradzi sobie nawet prosty kalkulator w telefonie.

Budowa i działanie

Schemat ideowy omawianego układu znajduje się na rysunku 1. Napięcie zasilające należy podłączyć do zacisków złącza J1. Jest ono filtrowane przez kondensatory C1 i C2, zaś dioda D1 chroni układ przed uszkodzeniem w razie odwrotnego podłączenia źródła zasilania. Tym napięciem zasilana jest cewka przekaźnika PK1 oraz prosty stabilizator liniowy US1, który dostarcza stabilnego napięcia o wartości 5 V do zasilania układów cyfrowych. Moc tracona w stabilizatorze jest niewielka, zatem nie ma potrzeby stosowania w jego miejscu przetwornicy impulsowej.

Rysunek 1. Schemat ideowy miniaturowego termostatu cyfrowego

Cyfrowy czujnik temperatury typu DS18B20 należy podłączyć do zacisków złącza J2. Napięcie zasilające ten czujnik jest filtrowane przez dolnoprzepustowy filtr RC. Obwód ten składa się z rezystora R1 oraz kondensatorów C5 i C6. Dla ochrony wejścia mikrokontrolera przed uszkodzeniem spowodowanym przepięciami na linii sygnałowej zostały dodane diody ograniczające napięcie do zakresu –0,3…+5,3 V. Rezystor R2 ogranicza prąd tych diod. Z kolei rezystor R4 ogranicza prąd diod zabezpieczających wbudowanych w mikrokontroler, gdyż ich napięcie przewodzenia może być nieco niższe niż użytych BAT85.

Rezystor R3 jest wymagany do prawidłowego działania magistrali komunikującej się z czujnikiem: umożliwia pojawienie się na niej wysokiego stanu logicznego. Jest on wymagany przez producenta tego czujnika.

Wyjściem układu są styki zwierne (NO i COM) przekaźnika, doprowadzone do zacisków złącza J3. Aby zmniejszyć ich iskrzenie w czasie przełączania i ograniczyć emisję zakłóceń elektromagnetycznych, między wspomniane styki został włączony prosty obwód gasika RC. Składa się on z szeregowo połączonego kondensatora C7 z rezystorem R5. Taki obwód sprawdza się zarówno przy przełączaniu prądu przemiennego (AC), jak i stałego (DC). Świecenie diody LED1 sygnalizuje załączenie przekaźnika. Dioda D4 zabezpiecza tranzystor T1 w momencie jego zatykania – zwiera impuls generowany przez samoindukcję, ponieważ zamyka drogę dla prądu płynącego przez cewkę przekaźnika.

Potencjometry P1 i P2 dzielą napięcie 5 V służące do zasilania mikrokontrolera US2. Dzięki nim można ustawić progi przełączenia tego termostatu, co szczegółowo zostanie wyjaśnione dalej. Przetwornik analogowo/cyfrowy mikrokontrolera jest zasilany z tego samego napięcia, co potencjometry, więc jego zakres przetwarzania będzie obejmował pełne 10 bitów rozdzielczości. Proste dolnoprzepustowe filtry RC (R9+C8 i R10+C9) zawężają pasmo szumowe, przez co wygładzają napięcie trafiające na wejście przetwornika analogowo/cyfrowego. Złącze J4 umożliwia pomiar ustawionych wartości napięć, co odpowiada progom zadziałania układu. Dioda LED2 wskazuje stan komunikacji termostatu z cyfrowym czujnikiem temperatury.

Montaż i uruchomienie

Układ został zmontowany na jednostronnej płytce drukowanej o wymiarach 55×50 mm. Jej schemat został pokazany na rysunku 2. W odległości 3 mm od krawędzi płytki znalazły się cztery otwory montażowe, każdy o średnicy 3,2 mm.

Rysunek 2. Schemat płytki PCB

Montaż proponuję rozpocząć od elementów o najmniejszej wysokości obudowy, czyli rezystorów małej mocy i diod. Niektóre rezystory będą zamontowane w pionie, trzeba mieć to na uwadze podczas planowania kolejnych etapów montażu. Pod mikrokontroler US2 proponuję zastosować podstawkę, by można go było łatwo zaprogramować oraz wymienić w razie uszkodzenia. Zmontowany układ można zobaczyć na fotografii tytułowej.

Na etapie uruchamiania jest konieczne zaprogramowanie pamięci Flash mikrokontrolera dostarczonym wsadem oraz zmiana jego bitów zabezpieczających na takie wartości: Low Fuse = 0xE2; High Fuse = 0xDC. Szczegóły są widoczne na rysunku 3, który pokazuje wygląd okna konfiguracji tych bitów w programie BitBurner. W ten sposób zostanie wyłączony preskaler sygnału zegarowego oraz włączy się Brown-Out Detector, który wprowadzi mikrokontroler w stan zerowania, jeżeli jego napięcie zasilające spadnie poniżej 4,3 V. To znacznie zmniejsza ryzyko zawieszenia się układu podczas uruchamiania.

Rysunek 3. Szczegóły ustawienia bitów zabezpieczających

Do zasilania powinno służyć napięcie stałe o wartości około 12 V, a dokładniej z przedziału 10...16 V. Takie granice uwzględniają zakres prawidłowej pracy przekaźnika (z uwzględnieniem spadku napięcia na diodzie D1 i tranzystorze T1) w temperaturze 20°C. Warto, aby owe napięcie było dobrze filtrowane, a najlepiej stabilizowane. Pobór prądu przy 12 V wynosi około 12 mA przy wyłączonym przekaźniku oraz około 40 mA, kiedy jego cewka zostanie załączona. Można zastosować przekaźnik PK1 z cewką na napięcie 24 V, co przesunie zakres akceptowalnego napięcia zasilającego w górę – to jedyna modyfikacja. Maksymalne napięcie zasilające układ wynosi 35 V ze względu na konieczność zapewnienia prawidłowych warunków pracy stabilizatorowi US1.

Poprawnie zaprogramowany układ jest gotowy do działania po podłączeniu czujnika typu DS18B20 do zacisków złącza J2 oraz ustawieniu żądanych progów zadziałania przekaźnika przy użyciu potencjometrów P1 i P2. W tym celu należy zmierzyć napięcie zasilające układ (wyprowadzenia +5 V i GND w złączu J4) i obliczyć wartości napięć odpowiadające progom ON i OFF według wzoru:

Napięcie zasilające Uzas będzie wynosiło około 5 V, zaś jego dokładną wartość dobrze jest zmierzyć woltomierzem. Offset 55°C wynika z konieczności przesunięcia zakresu pracy użytego czujnika cyfrowego (–55…+125°C) do zakresu napięć dodatnich, a 180°C to szerokość tego zakresu.

Układ automatycznie rozpoznaje tryb chłodzenia oraz grzania. Jeżeli temperatura załączenia (ON) jest wyższa niż wyłączenia (OFF), to układ rozpoznaje to jako tryb grzania i załącza przekaźnik PK1, gdy temperatura spada poniżej progu wyznaczonego przez potencjometr ON. Wyłączenie jego styków następuje po przekroczeniu temperatury zadanej potencjometrem OFF. Jeżeli wystąpi odwrotna sytuacja, czyli temperatura OFF będzie wyższa niż ON, to jest to tryb chłodzenia – przekaźnik załącza się po wzroście temperatury powyżej progu OFF i wyłącza po spadku poniżej progu ON. W ten układ nie wbudowano żadnej histerezy, więc można te progi ustawić dowolnie blisko siebie, licząc się też z częstymi przełączeniami przekaźnika PK1.

Dioda LED2 wskazuje stan pracy układu. Jeżeli świeci światłem ciągłym, to odczyty z czujnika cyfrowego są poprawne. Ich aktualizacja następuje co około 750 ms. W przeciwnym razie, jeżeli czujnik nie działa poprawnie (przykładowo, odczepił się przewód od złącza J2 lub wystąpiło zwarcie), dioda ta błyska krótkimi impulsami świetlnymi. Dioda LED2 sygnalizuje załączenie cewki przekaźnika, co jest równoznaczne ze zwarciem jego styków.

Zaciski złącza J3 należy potraktować jak styki przełącznika mechanicznego, który odłącza zasilanie od sterowanego urządzenia. Z uwagi na szerokość ścieżek, znajdujących się na powierzchni laminatu, płynący przez nie prąd nie powinien przekraczać natężenia 5 A. Jeżeli zachodziłaby potrzeba przełączania większych prądów, warto skorzystać z zewnętrznego stycznika, którego cewka będzie sterowana za pośrednictwem złącza J3. Dopiero ten stycznik załączy urządzenie o dużej mocy.

Michał Kurzela, EP