Mikroprocesorowy regulator temperatury
P R O J E K T Y
Mikroprocesorowy
regulator temperatury,
część 1
AVT-843
OszczÍdzanie energii jest
dzisiaj koniecznością.
PrzemawiajÄ… za tym zarÛwno
wzglÍdy ekologiczne jak
i ekonomiczne. Te pierwsze
nie zawsze sÄ… rozumiane
i akceptowane. Jednak
wszystko, co wpływa na
Wysokie rachunki za jeden lnej. Takie rozwiÄ…zanie wydaje siÍ
naszÄ… kieszeÒ jest od razu
z podstawowych rodzajÛw energii odpowiednie np. dla sypialni
zauwałane i powoduje
- energiÍ cieplnÄ… - Å›wiadczÄ… o za- w domkach jednorodzinnych,
natychmiastowe działanie.
niedbaniach w dziedzinie jej w sklepach, kioskach, biurach itp.
oszczÍdzania. Nowoczesne techno- Przedstawiony tutaj mikropro-
logie budowania nowych budyn- cesorowy regulator temperatury
kÛw i ocieplania starych pozwalajÄ… umoÅ‚liwia kontrolÍ trzech wartoÅ›-
w sposÛb znaczÄ…cy ograniczyĘ stra- ci temperatury w trzech strefach
ty. Jednak nie jest to kres moł- czasowych (w ciągu doby). Op-
liwoÅ›ci oszczÍdzania. MieszkaÒcy rÛcz tej podstawowej funkcji speÅ‚-
blokÛw - nawet tych ocieplonych nia teÅ‚ rolÍ termometru i zegara.
lub juł dobrze zbudowanych -
mają tropikalne warunki w swoich Opis układu
mieszkaniach, jełeli w środku zi- Do pomiaru i regulacji tempe-
my nastąpi znaczne ocieplenie. ratury wykorzystany został układ
PrzyczynÄ… takiego stanu jest brak DS1620 firmy Dallas Semiconduc-
dobrego systemu regulacji dostar- tor. Jest to scalony cyfrowy ter-
czanej energii w zalełności od wa- mometr i termostat. Układ ten
runkÛw atmosferycznych. Skutek mierzy temperaturÍ w zakresie od
to otwarte okna i ogrzewanie (dośĘ -55 do +125oC i ma wbudowany
drogie) powietrza na zewnątrz. układ termostatu. Nastawione war-
Najlepszym sposobem zapobie- tości regulowanej przez termostat
gania, miÍdzy innymi takim sy- temperatury sÄ… zapisywane w nie-
tuacjom, byÅ‚oby dostarczanie ta- ulotnej pamiÍci EEPROM. DS1620
kiej iloÅ›ci energii, aby utrzymaĘ przystosowany jest do wspÛÅ‚pracy
w pomieszczeniu odpowiedniÄ…, z systemami mikroprocesorowymi.
zadanÄ… temperaturÍ. MoÅ‚na teÅ‚ Wszystkie dane odczytywane
pÛjśĘ dalej. W wielu pomieszcze- z ukÅ‚adu (temperatura, nastawy
niach, w rÛÅ‚nych porach doby termostatu), jak i zapisywane do
moÅ‚e byĘ potrzebna rÛÅ‚na tempe- niego sÄ… przesyÅ‚ane w formie cyf-
ratura. JeÅ‚eli w pewnym okresie rowej za pomocÄ… trÛjprzewodowej
przebywają tam ludzie, to mołe magistrali. Takie rozwiązanie
byĘ ustawiona temperatura poko- znacznie upraszcza układy pomia-
jowa. Po jego opuszczeniu na ru i regulacji temperatury. Nie
dłułszy czas mołna ustawiĘ nił- jest konieczne budowanie analo-
szÄ… temperaturÍ i w ten sposÛb gowych ukÅ‚adÛw i ich kalibracja.
ograniczyĘ zuÅ‚ywanie energii ciep- ZbÍdny jest teÅ‚ przetwornik A/C.
Elektronika Praktyczna 12/99
50
Mikroprocesorowy regulator temperatury
Za pomocÄ… cyfrowej magistrali
mołna przesłaĘ do termometru
nastÍpujÄ…ce komendy:
- Odczyt temperatury. Komenda
ta jest wykorzystywana do po-
miaru temperatury otoczenia.
Temperatura jest przesyłana
w postaci 9-bitowego słowa (kod
U2) z rozdzielczością 0,5oC.
- Zapis TH. KomendÄ… tÄ… zapisuje
siÍ do rejestru gÛrnej tempera-
tury TH termostatu wartośĘ usta-
wiajÄ…cÄ… prÛg przeÅ‚Ä…czania wy-
jścia Thigh. Temperatura jest
zapisywana w formacie 9-bito-
wego słowa (U2).
- Zapis TL. KomendÄ… tÄ… zapisuje
siÍ do rejestru dolnej tempera-
tury termostatu TL wartośĘ usta-
wiajÄ…cÄ… prÛg przeÅ‚Ä…czania wy-
jścia Tlow. Format danych j.w.
- Odczyt TH. KomendÄ… tÄ… odczy-
tuje siÍ zawartośĘ rejestru TH.
Format danych j.w.
- Odczyt TL. KomendÄ… tÄ… odczy-
tuje siÍ zawartośĘ rejestru TL.
Format danych j.w.
- Start przetwarzania. Komenda
ta rozpoczyna pomiar tempera-
tury.
- Zapis konfiguracji. Komenda za-
pisuje rejestr konfiguracji.
W naszym rozwiÄ…zaniu w re-
jestrze konfiguracji przyjÍto: bit
CPU=1 i bit 1SHOT=0. Pomiar
temperatury odbywa siÍ w sposÛb
ciągły i układ pracuje w trybie
ciÄ…gÅ‚ej wspÛÅ‚pracy z mikroproce-
sorem. Do sterowania elementem
grzejnym zastosowano wyjście
Tcom. UmoÅ‚liwia ono regulacjÍ
z pÍtlÄ… histerezy okreÅ›lonÄ… przez
wartoÅ›ci rejestrÛw TL i TH. JeÅ‚eli
temperatura jest niłsza nił TL
(Tcom w stanie ì0î) i roÅ›nie, to
po osiÄ…gniÍciu wartoÅ›ci TH wyj-
Å›cie Tcom przechodzi w stan ì1î.
Jełeli temperatura zacznie teraz
spadaĘ, to wyjście Tcom pozostaje
nadal w stanie ì1î , aÅ‚ tempera-
tura osiągnie wartośĘ TL. Wtedy
Tcom przejdzie znÛw w stan ì0î.
Układ DS1620 umołliwia pomiar
i regulacjÍ temperatury z rozdziel-
czością 0,5oC. W regulatorze tem-
peraturÍ moÅ‚na ustawiĘ co 1oC.
Program sterujÄ…cy na jej podsta-
wie odejmie od tej temperatury
0,5oC i wpisze do TL, oraz doda
do niej 0,5oC i wpisze do TH.
Otrzymamy w ten sposÛb histere-
zÍ o wartoÅ›ci 1oC.
Na przykład, jełeli ustawio-
na temperatura bÍdzie miaÅ‚a
Rys. 1. Schemat elektryczny modułu procesora.
Elektronika Praktyczna 12/99
51
Mikroprocesorowy regulator temperatury
okazji jeden z licznikÛw moÅ‚e byĘ
zwolniony do innych celÛw.
Zdecydowanie został rozsze-
rzony teÅ‚ system przerwaÒ. Op-
rÛcz znanych z 8051 dodano
przerwanie od przetwornika
A/C oraz przerwania zewnÍtrzne
INT2..INT6.
Z przerwaniami powiÄ…zana jest
funkcjonalnie rozbudowana jed-
nostka porÛwnawczo-pomiarowa
(CCU). Jednostka ta jest taktowana
przez timer T2. Naleły tutaj pod-
kreśliĘ, łe działanie i programo-
wanie tego timera jest zdecydo-
Rys. 2. Rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej
wanie rÛÅ‚ne od dziaÅ‚ania T2
modułu procesora.
w 8052.
wartośĘ +18oC, to TL=+17,5oC, Umołliwia on uzyskanie do- Aby ułatwiĘ konstruktorom
a TH=+18,5oC. Dla temperatury kÅ‚adnej prÍdkoÅ›ci transmisji poznanie i wykorzystywanie
-10oC TL=-10,5oC, TH=-9,5oC. 4800bd lub 9600bd dla czÍstotli- wszystkich nowych moÅ‚liwoÅ›ci,
OczywiÅ›cie, moÅ‚na sobie wyobra- woÅ›ci zegara rÛwnej 12MHz. Przy firma Siemens opracowaÅ‚a pakiet
ziĘ inne sposoby ustawiania his-
terezy lub wykorzystanie wyjśĘ
Wykaz elementów - Regulator
Tlow i Thigh. Mołe to zalełeĘ od
PÅ‚ytka bazowa radiator*
przenikalności cieplnej ścian, mo-
Rezystory PÅ‚ytka klawiszy
cy i rodzaju elementÛw grzejnych
R1..R4, R10, R12, R17..R20: 3,3k&! Rezystory
itp.
Jak wspomniano wyłej, układ R5..R8: 510&! POT1 4,7k&!
termostatu pracuje ze sterowni- R9, R11, R16: 1k&! Półprzewodniki
kiem mikroprocesorowym. Zreali- Kondensatory D1..D3: LED 3mm czerwona
zowano go w oparciu o mikrokon-
C1: 1µF/35V tantal D4: LED 3mm zielona
troler SAB80C535 firmy SIEMENS.
C2: 100nF Różne
Jest to układ kompatybilny pro-
Półprzewodniki złącze 20-pinowe do przewodów
gramowo z rodzinÄ… MCS51. Posia-
wstążkowych
U1: 7805
da jednak wiele ciekawych i uły-
przyciski SW1-SW4 4szt
T1..T6: BC547
tecznych rozszerzeÒ.
Różne
Sterowanie tymi rozszerzenia-
Minimoduł 535
ZL1, ZL2: złącza - opis w tekście
mi odbywa siÍ za pomocÄ… nie
Rezystory
ZL3: złącze 20pin do przewodów
wykorzystywanego w MCS51 ob-
wstążkowych R1: 10k&!
szaru pamiÍci SFR. NaleÅ‚y przy
ZL4: złącze 10pin R2: 1k&!
tym pamiÍtaĘ, Å‚e niektÛre z rejes-
ZS1: złącze śrubowe Kondensatory
trÛw SFR wykorzystywane w 8052
podstawka DIL40 2szt (nieprecyzyj- C1, C2: 33pF
zmieniły swoje znaczenie i dzia-
na)
C3: 10µF/16V
Å‚anie.
C4: 1µF/35V tantal
Konstruktorzy Siemensa umieÅ›-
PÅ‚ytka zasilacza
C5..C7: 100nF
cili w nowej jednostce dwa dodat-
Rezystory
Półprzewodniki
kowe dwukierunkowe porty P4
R1: 1&!
U1: SAB80C535
i P5 oraz jeden analogowy P6.
R2: 7,5k&!
Linie portu P6 mogą byĘ dołączo- U2: 74HCT573
R3: 1k&!
ne za pomocÄ… multipleksera do U3: 27C128 (27C64)
Pot1: 1k&!
wejścia 8-bitowego przetwornika
Różne
A/C. NapiÍcie odniesienia prze- Kondensatory
S1: przycisk resetu
twornika mołna uzyskaĘ przez
C1: 2200µF/25V
Q1: rezonator kwarcowy 12MHz
programowe podzielenie zewnÍt- C2: 47µF/25V
goldpiny
rznego napiÍcia odniesienia poda-
C3: 100nF/63V
podstawka PLCC68
wanego na wejście VAREF
Półprzewodniki
podstawka DIL20
(VAGND koÒcÛwka masy napiÍcia
U1: L200
podstawka DIL28
odniesienia). Jełeli nie jest wyko-
D1, D2: 1N4007
LCD: wyświetlacz 2x20 znaków
rzystywany przetwornik, to linie
M1: 1A/100V
*gniazda bezpiecznikowe 2szt.
portu P6 mogą byĘ teł cyfrowymi
OPT: PS2401
*gniazdo sieciowe
liniami wejściowymi. Dla tych,
Różne
*sznur sieciowy
ktÛrzy uÅ‚ywajÄ… portu szeregowego
płytka drukowana
*obudowa plastikowa
wbudowano generator transmisji
ZS1..ZS4: ARK2 i ARK3
* - nie wchodzi w skład kitu
danych.
Elektronika Praktyczna 12/99
52
Mikroprocesorowy regulator temperatury
programowy DAvE. CD-ROM
z tym pakietem mołna było uzys-
kaĘ po wypełnieniu odpowiednie-
go formularza na stronie WWW
Siemensa lub po wysłaniu faksu
do siedziby firmy. DAvE umoł-
liwia w prosty sposÛb zaprogra-
mowanie timerÛw, przetwornika,
priorytetÛw przerwaÒ itp. Wyni-
kiem działania programu są frag-
menty kodu ürÛdÅ‚owego w jÍzyku
C dla kompilatora firmy Keil.
Mikrokontroler ten wydawaÅ‚ siÍ
na tyle atrakcyjny, łe został do
niego zaprojektowany minimoduł.
Schemat modułu pokazano na
rys. 1, a widok jego płytki z roz-
mieszczeniem elementÛw na rys.
2. PÅ‚ytka drukowana jest oczywiÅ›-
cie dwustronna z metalizacjÄ… ot-
worÛw. ModuÅ‚ zawiera niewiele
elementÛw i montaÅ‚ nie powinien
nastrÍczaĘ Å‚adnych trudnoÅ›ci.
Mikrokontroler umieszczony jest
w podstawce do ukÅ‚adÛw w obu-
dowach PLCC68. Trzeba pamiÍtaĘ
o prawidłowym włołeniu tego
ukÅ‚adu w podstawkÍ, gdyÅ‚ wyjÍ-
cie go bez specjalnego przyrzÄ…du
jest dośĘ trudne. Wszystkie syg-
Rys. 4. Rozmieszczenie elementów
Rys. 3. Schemat elektryczny połączeń zewnętrznych. na bazowej płytce drukowanej.
Elektronika Praktyczna 12/99
53
Mikroprocesorowy regulator temperatury
Rys. 5. Schemat elektryczny zasilacza.
nały mikrokontrolera oraz linie wyświetlacza LCD (interfejs 4- sterowania diod sygnalizacyjnych
adresowe zostały wyprowadzone bitowy, sterownik zgodny LED są wyprowadzone na złącze
na boczne złącza. Umołliwi to z HD44780) podłączone są do por- 20-pinowe typu IDC (zaciskane
Å‚atwe podÅ‚Ä…czenie zewnÍtrznej pa- tu P5. Klawiatura zawiera tylko do kabli wstÄ…Å‚kowych). SygnaÅ‚y
miÍci RAM oraz ukÅ‚adÛw peryfe- cztery klawisze: plus (P1.4), mi- termostatu DS1620 sÄ… wyprowa-
ryjnych. nus (P1.3), acc (P1.5) i esc (P1.6). dzone na złącze 10-pinowe typu
W otwory na krawÍdziach pÅ‚yt- UkÅ‚ad DS1620 jest sterowany za IDC. Na pÅ‚ytce bazowej umiesz-
ki naleły wlutowaĘ pozłacane koł- pomocą linii portu P1. Linia P1.0 czony jest teł stabilizator 7805
ki wyciÍte ze zÅ‚Ä…cz typu Cannon. to DQ, linia P1.1 to CLK, linia oraz zÅ‚Ä…cze Å›rubowe do podÅ‚Ä…cze-
OtworÛw jest w sumie 72 (po 36 P1.2 to RST. Tranzystory T1..T4, nia zasilania +12V i sygnaÅ‚u ste-
na kaÅ‚dÄ… stronÍ). W pÅ‚ycie bazo- rezystory R1..R8 i diody D1..D4 rujÄ…cego optotriakiem. Widok
wej naleły wlutowaĘ w odpowied- stanowią układ optycznej sygna- płytki bazowej wraz z rozmiesz-
nim rozstawie rozciÍte podstawki lizacji wÅ‚Ä…czenia lub wyÅ‚Ä…czenia czeniem elementÛw przedstawio-
(nieprecyzyjne). Na jednÄ… stronÍ programu sterujÄ…cego oraz jego no na rys. 4.
wykorzystuje siÍ jednÄ… podstawkÍ faz. Stan wysoki na jednej z linii
DIL40: 20 pinÛw + 16 pinÛw. portu P4.0..P4.3 powoduje Å›wie- Element wykonawczy
Schemat płytki bazowej regu- cenie odpowiedniej diody sygna- i zasilacz
latora przedstawiony jest na rys. lizacyjnej. Rezystory R17..R20 wy- Zastosowany w regulatorze op-
3. Moduł 80535 steruje pracą muszają stan wysoki na liniach totriak PS2401 mołe przewodziĘ
wyÅ›wietlacza LCD (2x20 znakÛw), P4.0..P4.3. prÄ…d o wartoÅ›ci maksymalnej 1A.
obsÅ‚uguje klawiaturÍ, trÛjprzewo- Tranzystory T5, T6 i rezystory Nie nadaje siÍ wiÍc do bezpoÅ›red-
dowy interfejs termometru DS1620 R10..R12 to układ sterowania op- niego sterowania urządzeniami
i układ optycznej sygnalizacji pra- totriaka. Stan niski na wyjściu grzewczymi, poniewał mają one
cy programu regulacji temperatu- Tcom (temperatura za niska) po- moc rzÍdu kilku kilowatÛw. Za-
ry. Linie danych oraz sterujące woduje, łe tranzystor T5 jest łączany prąd ma wtedy wartośĘ
w stanie odciÍcia. Baza tranzysto- kilkunastu lub kilkudziesiÍciu am-
ra T6 jest polaryzowana przez perÛw. Optotriak sÅ‚uÅ‚y do zaÅ‚Ä…-
rezystory R11 i R12. Tranzystor czania elementu wykonawczego
T6 jest w stanie nasycenia (przez dułej mocy np. stycznika. Takie
diodÍ optotriaka pÅ‚ynie prÄ…d - rozwiÄ…zanie ma tÍ zaletÍ, Å‚e ele-
triak zaczyna przewodziĘ). Rezys- ment wykonawczy mołe byĘ
tor R13 ogranicza prÄ…d diody do umieszczony w dowolnym miejs-
wartości ok. 10mA. Kiedy na cu (jak najbliłej grzejnika). Załą-
Tcom jest stan wysoki (tempera- czanie dułych mocy w obudowie
tura za wysoka), to T5 jest w sta- regulatora komplikuje teł kon-
nie nasycenia i potencjaÅ‚ bazy T6 strukcjÍ urzÄ…dzenia (odpowiednie
jest rÛwny 0V. Tranzystor T6 jest gniazda sieciowe i przekroje prze-
w stanie odciÍcia i przez diodÍ wodÛw) oraz powoduje ryzyko
optotriaka nie pÅ‚ynie prÄ…d (triak powstawania zakÅ‚ÛceÒ elektrycz-
nie przewodzi). nych mogÄ…cych spowodowaĘ bÅ‚Íd-
Linie sterujące wyświetlacza, ne działanie regulatora. Optotriak
Rys. 6. Rozmieszczenie elementów
linie klawiatury oraz sygnały do został umieszczony na płytce za-
na płytce drukowanej zasilacza.
Elektronika Praktyczna 12/99
54
Mikroprocesorowy regulator temperatury
Rys. 7. Schemat podłączenia elementów panelu operatora.
silacza, ktÛrego schemat pokazano wania zrealizowany jest na stabi- temperatura bÍdzie siÍ utrzymy-
na rys. 5, a rozmieszczenie ele- lizatorze L200 (U1). NapiÍcie wyj- waÅ‚a do ponownego zaprogramo-
mentÛw na rys. 6. Å›ciowe o wartoÅ›ci 14,5V ustawia- wania regulatora.
JeÅ‚eli chcemy, Å‚eby regulator ne jest potencjometrem Pot1 Do podÅ‚Ä…czenia napiÍcia wtÛr-
działał niezawodnie w kałdych (13,7V na akumulatorze plus spa- nego transformatora, zasilania
warunkach, naleły mu zapewniĘ dek 0,8V na diodzie D1). Dioda płytki bazowej i sterowania opto-
bezprzerwowe zasilanie. W czasie D1 odcina przepływ prądu w kie- triakiem, ładowania baterii oraz
zaniku napiÍcia sieci energetycz- runku stabilizatora w czasie zani- obwodu triaka zastosowano zÅ‚Ä…cza
nej napiÍcie dostarczane jest ku napiÍcia w sieci energetycznej. Å›rubowe.
z bezobsługowego łelowego aku- Rezystor R1 ogranicza prąd wy-
mulatora 12V/1,2Ah. Układ łado- jściowy stabilizatora do wartości Klawiatura
ok. 450mA. Dioda D2 zabezpiecza Na płytce klawiatury (rys. 7)
układ przed skutkami odwrotnego umieszczone są klawisze, diody
podłączenia akumulatora. Akumu- sygnalizacyjne i potencjometr do
lator powinien byĘ połączony za regulacji kontrastu wyświetlacza.
pomocą kabla z bezpiecznikiem. Płytka ta jest połączona z płytką
JeÅ‚eli nie zaleÅ‚y nam na bezprze- bazowÄ… za pomocÄ… przewodÛw
rwowym zasilaniu, to mołna zre- wstąłkowych i złącz typu IDC.
zygnowaĘ z akumulatora. Zanik Wyświetlacz LCD połączony jest
napiÍcia zasilajÄ…cego spowoduje z pÅ‚ytkÄ… klawiszy przewodami wlu-
utratÍ wszystkich ustawieÒ regu- towanymi w odpowiednie punkty
latora. Po pojawianiu siÍ zasilania lutownicze tej pÅ‚ytki (rys. 8).
Rys. 8. Rozmieszczenie elementów
termostat automatycznie zaprogra- Tomasz Jabłoński, AVT
na płytce drukowanej panelu
muje siÍ na wartośĘ +19oC i taka [e-mail]
operatora.
Elektronika Praktyczna 12/99
55