Pred nedávnom sa mi podarilo dokončiť mikro projekt pre kamaráta, tak by som ho tu rád popísal.
Jedná sa o spínanie pomocnej vykurovacej 3f špirály v akumulátore teplej vody pre podlahové kúrenie.
Na ohrev vody je primárne použité tepelné čerpadlo (TČ), z ktorého obehové čerpadlo naháňa ohrievacie médium do výmenníka a zohrieva vodu v akumulačke. Lenže pri veľmi nízkych vonkajších teplotách je teplotný rozdiel medzi ohrievanou vodou a médiom z TČ malý a tým pádom ohrev trvá neprimerane dlho. V extréme by ani nemusel výkon TČ stačiť. V tom prípade musel vážený operátor vstať z gauča, obuť si papuče, zájsť do kotolne a otočiť termostatom na 3f pomocnej špirále až na doraz. Potom sledoval, ako mu stúpa teplota v akumulačke a vo vhodne odhadnutom okamihu, špirálu vypol, neviem presne ako to robil...
Keďže človek je tvor lenivý, rozhodol sa s tým niečo robiť a spomenul to raz pri pive. Tak som sa mu nanútil, že mu s tým pomôžem, keďže som sa chcel čo-to priučiť a kde sa už lepšie naučíš ako na kamarátovom. Takže slovo dalo slovo, a pustil som sa do práce.
Predstava o tom, na základe čoho vlastne rozhodnúť či zapnúť, alebo nezapnúť špirálu sa časom menila, ale v podstate išlo stále o meranie dvoch teplôt a spínanie jedného výkonového prvku. Rozhodnutie nakoniec padlo na meranie rozdielu teplôt na výmenníku.
Takže takto znelo zadanie:
Keď klesne rozdiel teplôt na výmenníku pod nastavenú hranicu (malý teplotný rozdiel znamená pomalé ohrievanie), označme ju Tz, tak sa zapne špirála a pomôže vodu ohriať. Ak naopak stúpne na hodnotu Tv, ktorá je vyššia ako Tz kvôli zamedzeniu kmitania, tak sa špirála vypne. Takisto sa vypne v prípade, keď sa vypne obehové čerpadlo čepajúce médium do výmenníka. To sa stane vtedy, keď sa dosiahne nastavená teplota v vody v akumulačke. Toto vypnutie riadi TČ. Ešte bolo potrebné ošetriť stav, kedy sa po dlhšom čase TČ zapne a rozdiel teplôt ešte nie je dostatočný. Vtedy špirálu po dobu t0 nespína. Ďalším stavom je moment, kedy TČ odmrazuje, vtedy sa zmení tok energie a zohriatou teplou vodou sa ohrieva médium, ktoré je prečerpávané do TČ a odmrazuje ho. Vtedy je teplota na výstupe výmenníka vyššia ako na vstupe, a špirála sa opäť nezapína. Toľko teda k zadaniu.
Takže som zalovil v krabici zo súčiastkami a pustil som sa do návrhu. Mal som k dispozícii 8bit MCU ATiny85 s 8kB Flash na program 512B EEPROM, a digitálne teplotné čidlá DS18S20. Takže z 5-tich prakticky použiteľných pinov mi 1 obsadili 1-wire teplomery, 1 výstup na ovládanie špirály, a tri zostali voľné. Tie som sa rozhodol vyviesť na kolíkovú lištu, pre prípad, že by bolo potrebné rozšíriť funkcionalitu.
Napájanie ~230V je napojené na motor obehového čerpadla TČ, takže keď sa tento vypne, zariadenie sa vypne a špirála sa vypne tiež. Toto riešenie síce nie je podľa môjho gusta, ale zadávateľ na tom trval. Na napájanie MCU a snímačov je použitý regulovaný AC-DC menič MYRRA s vystupom 5V 4,5W kvôli minimalizácii počtu súčiastok.
Výstupný pin galvanicky oddelený obvodom MOC3021 ovláda triak BT138. Ten zas spína/rozpína 3f stykač napojený na špirálu. Termostat špirály slúži ako ochrana v prípade, že zostane stykač pri poruche zopnutý.
Pri kreslení schémy v Eagle som spravil pár chýb, ktoré som si uvedomil až po vyleptaní DPS, takže som ich musel nejako okabátiť.
V štandardných knižniciach EAGLE som nemal ATTINY85, tak som použil ATTINY13, veď majú rovnaké púzdra... ale prerátal som sa, lebo ATTINY85 som mal v púzdre 8S2 0.209" (EIAJ SOIC) a na vyleptanom plošáku miesto na S8S1 0.150" (JEDEC SOIC). Keďže jediný ATMEL v správnom púzdre som našiel ATTINY13, tak som si razom nedobrovoľne zmenšil FLASH na 1kB a EEPROM na 64B.
Druhá chyba sa vlúdila pri zapojení BT138, kde som poprehadzoval cesty... to som vyriešil preškrabaním DPS, vyhodením kondenzátora a prepojením drôtmi. Fotky sú ešte bez úpravy, tak som to tam dokreslil.
Tak z pre mňa jednoduchého projektu, kde by som použil nejaké knižnice z internetu, sa zrazu stal projekt, kde som sa snažil spraviť čo najúspornejší kód a zmestiť sa do 1kB. Aby toho nebolo málo, potreboval som ešte vyriešiť problém s nedostatkom informácií od zadávateľa. Keďže netušil, v akých číslach sa prakticky pohybujú merané teploty, ani ako dlho trvá TČ, kým je schopné zohrievať vodu a vlastne nič konkrétne o jeho systéme, musel som celé zariadenie spraviť tak, aby mohol parametre meniť sám za behu. Najprv som myslel, že mu požičiam programátor, a naučím ho s ním robiť. Kvôli ISP rozhraniu som spravil dvojposchodovú DPS. Lenže túto myšlienku som neskôr zavrhol, tak okrem ISP som využil 2 z voľných pinov na zjednodušenú sériovú komunikáciu. Na tie som pripojl Bluetooth modul HC-05, a keďže je 5V tolerantný, razom si mohol kamoš naladiť systém cez BT terminál. Konštanty pre program, takisto ako adresy čidiel DS18S20 a kalibračná konštanta interného oscilátora sú uložené v EEPROM kde zostalo ešte hodne miesta. Program v pamäti MCU zaberá 1016B z 1024B, takže aj tam zostalo miesto, tak som ako ďalšie rozšírenie dostal za úlohu do budúcnosti dorobiť webserver
Takže program pracuje nasledovne:
Po zapnutí čaká po dobu nastavenú užívateľom, ktorá je uložená v EEPROM, a nerobí nič.
Po uplynutí tejto doby zmeria vstupnú a výstupnú teplotu na výmenníku, Teplotu meria s rozlíšením 0.5 °C.
Ak je vstupná nižšia ako výstupná, čaká na ďalšie meranie a zároveň pošle údaje o teplotách cez Bluetooth. Doba medzi meraniami je nastavená užívateľom a uložená v EEPROM
Ak je vstupná vyššia ako výstupná, spočíta rozdiel.
Ak je tento nižší alebo rovný ako hodnota Tz, zapne stykač a pošle údaje o teplotách a stav stykača cez Bluetooth.
Ak je tento vyšší alebo rovný ako hodnota Tv, vypne stykač a pošle údaje o teplotách a stav stykača cez Bluetooth.
Ďalšia funkcia je výpis dát z EEPROM cez BT. Odoslaním sekvencie hex čísiel v tvare 61 začiatok, koniec vypíše na termináli hodnoty uložené v EEPROM v zadanom rozsahu adries. Napr. 61 00 3f vypíše celý obsah EEPROM, napr. 61 00 07 vypíše prvých osem Bytov, čo je adresa vstupného čidla.
Na nastavenie parametrov spínača slúži funkcia zápisu hodnoty do EEPROM cez BT.
Odoslaním sekvencie 70 adresa hodnota zapíše udanú hodnotu na adresu v EEPROM, napr. 70 16 0A zapíše hodnotu 0A na adresu 16 v EEPROM. V tomto prípade sa jedná o nastavenie rozdielu teplôt, pri ktorom zopne stykač na 5°C (0x0A = 0d10 - čo pre rozlíšenie 0.5°C znamená 5°C)
Celý mikro projekt mi trval veľmi dlho, keďže som ho robil po nociach a väčšinu času som prespal nad klávesnicou, tak sa aj skončila zima. Stihli sme zariadenie odskúšať, ale nenaladili sme parametre systému. To nás čaká na budúcu zimu.
Najväčším prínosom tohto projektu je ale pre mňa momentálne to, že si dokážem sám naprogramovať sériové rozhranie, sám som sa naučil pracovať s viacerými 1-wire teplomermi na jednej zbernici a dobrý pocit, že som sa zmysluplne pohral s elektronikou.
