Термостат

Термостат.

Необходимые материалы

Плата Arduino Nano — 1 шт.

Термосопротивление (термистор) B57861-S 103-F40 (можно любой NTC-типа с сопротивлением 10 кОм при 25°С) — 1 шт.

Твердотельное реле CX240D5R или аналогичное (подробности см. в тексте) — 1 шт.

Резистор 2,7 кОм — 1 шт.
Подстроечный резистор 10 кОм — 1 шт.
Сигнальный светодиод любого цвета с резистором — 1 шт.

image-Термостат-2

 

Мы будем ориентироваться на конструкцию термостата для аквариума.

 

Потому не станем задерживаться на подробностях конструктивного оформления разных деталей, а сосредоточимся на особенностях схемы и программы. Конструкцию, которую мы здесь разработаем, можно, конечно, применять не только в качестве термостата для аквариума, но и в любом другом случае, где требуется поддержание температуры на заданном уровне. Например, на ее основе можно соорудить простейший термостат для калибровки датчиков температуры (см. следующую главу) или устройство климат-контроля, подобное тому, что устанавливается в автомобилях.

Принципиальная схема термостата приведена на рисунке на следующей странице. Для разнообразия мы здесь будем сразу строить схему на Arduino Nano вместо Uno. Полученный макет можно будет причесать и использовать в качестве готового устройства. Обратите внимание, что на схеме обмотка реле К1 условно присоединяется прямо к цифровому выходу Arduino, что, конечно же, на самом деле не так. Указанное на схеме твердо тельное реле CX240D5R фирмы Crydom представляет собой довольно сложную конструкцию, состоящую из оптического излучателя на входе (обычного светодиода с резистором), который включается подачей на него напряжения от 3 до 15 вольт. Этот светодиод через оптический канал внутри реле управляет включением мощного тиристорного ключа, допускающего пропускание тока до 5 ампер при напряжении (в том числе и переменном) до 240 вольт.

 

 

 

При 5 вольтах вход данного реле будет потреблять ток около 15 мА, что укладывается в возможности Arduino, потому можно обойтись без дополнительного ключевого транзистора. Твердо- тельное реле в этой схеме можно заменить на обычное электромагнитное с напряжением управления 5 вольт. Но для него придется дополнительно ставить управляющий транзисторный ключ, потому что обмотки электромагнитных реле потребляют достаточно большой ток. В продаже имеются специально приспособленные для управления от Arduino релейные модули, в которых такой ключ уже установлен. Они гораздо дешевле твердотельного реле и могут быть использованы в этой схеме, но в этом случае при достаточно мощной нагрузке может возрасти количество электрических помех, которые будут излучаться в момент переключения реле.   .

 

image-Термостат-3

Конструкция из постоянного (R1) и подстроечного (R2) рези- сторов, подключенных последовательно с термосопротивлением (термистором) Rt, предназначена для подгонки порога срабатывания реле при изменении температуры. Напомним, что подстроечныйрезистор (см. рисунок слева) отличается от обычного переменного тем, что движок у него вращается маленькой отверткой, а не руками. Поэтому его, во-первых, можно установить точнее, во-вторых, трудно случайно сбить установленную настройку.

image4-термостат

 

Выбранный нами термистор B57861-S, как и все термисторы так называемого NTC-типа, в отличие от обычных датчиков, имеет отрицательную зависимость сопротивления от температуры.Подробности для любознательных: зависимость сопротивления термисторов от температуры.
Так как нам в программе придется иметь дело с числами, которые выдает подключенный к АЦП термисторный датчик, то неплохо поточнее знать, что они собой представляют. График зависимости сопротивления NTC-термистора от температуры представляет собой нелинейную падающую кривую, показанную на графике внизу. Она описывается экспоненциальным уравнением и для всех термисторов имеет одинаковый вид, различаясь только в конкретных числах по вертикальной оси.

 

image-Термостат-7

Потому для характеристики термистора достаточно знать его сопротивление при одной определенной температуре. Обычно приводят значение при 20 или 25 градусах Цельсия. Для выбранного нами термистора B57861-S, для которого и составлен этот график, сопротивление при 25 градусах будет равно 10 кОм. Сопротивления при других температурах можно рассчитать или узнать из таблиц, которые приведены в фирменной документации. Для данного термистора таблица зависимости будет выглядеть так (из документации фирмы EPCOS AG):

image-Термостат-8

image-Термостат-9

 

Из таблицы мы можем сделать вывод что в указанных транзисторов R1 и R2 пределы регулировки порога срабатывания реле составят приблизительно от 20 до 60 градусов. Эти точки соответ- ствуют значениям сопротивления R1+R2 при крайних положениях движка подстроечного резистора. Конечно, для аквариума такой диапазон не требуется — он рассчитан на любые применения схемы, где требуется поддержание температуры выше комнатной. Для более тонкой подгонки диапазона регулировки можно изменить величины резисторов: для смещения нижнего предела вверх надо уменьшать сопротивление переменного резистора R2, для смещения верхнего предела вниз — увеличивать сопротивление

В этой схеме не следует уменьшать сопротивление R1 ниже значения 2 кОм. Если стоит задача регулировки температур выше 60 градусов, то следует или выбрать термистор большего сопротивления, или изменить схему подключения термистора так, чтобы ток через него не превышал 1 миллиампера. В противном случае возможен перегрев термистора протекающим током, что прежде всего приведет к искажению показаний. При температурах выше 100–120 градусов вместо обычных термисторов следует применять специальные высокотемпературные термисторы или вообще датчики другого типа.

Светодиод  предназначен для наглядного контроля состояния схемы: он будет зажигаться одновременно со срабатыванием реле. Без него подобные схемы настраивать крайне неудобно, особенно когда нагрузкой служит нагреватель, температура которого может меняться с большим запаздыванием.

Несмотря на такое затянувшееся вступление, программа термостата в соответствии с подобной схемой окажется совсем несложной. Создадим новый скетч, назовем его termostat и впишем туда следующие строки:

В заключение нужно сказать, что по принципу устройства и схеме подключения термостат ничем не отличается от многих других регуляторов подобного рода. Их еще принято называть релейными (или, если совсем грамотно, двухпозиционными), потому что выходной сигнал у них работает по принципу реле: либо включен, либо выключен. Ничего не изменится ни в схеме, ни даже в программе, если вместо термистора подключить, например, фоторезистор и управлять не нагревателем, а включением и выключением освещения. Естественно, в этом случае придется изменить пороги включения и выключения и подобрать величину постоянного резистора, ограничивающего ток че- рез фотосопротивление (см. «Световой терменвокс» в Эксперименте 5). Также нужно подумать над тем, в какое плечо делителя включать фотосопротивление (к питанию или к «земле»), чтобы свет включал- ся именно при наступлении темноты, а не наоборот. Но без учета этих мелких исправлений схемы термостата и автомата управления освещением оказываются одинаковыми и такими же, как и у любого другого релейного регулятора.

Код:

#define termPin A0 // Аналоговый вход термистора

#define relayPin 2 // Выход управления реле

#define ledPin 3 // Выход управления светодиодом

void setup()

{

pinMode(relayPin, OUTPUT); //оба цифровых вывода – на выход

pinMode(ledPin, OUTPUT);

}

void loop()

{

// Считываем показания термистора и сравниваем

// их с пороговыми значениями в середине диапазона АЦП

if (analogRead(termPin) > 510) {

// Если температура низкая (сопротивление

// термистора высокое), включаем нагреватель и светодиод

digitalWrite(relayPin, HIGH);

digitalWrite(ledPin, HIGH);

}

if (analogRead(termPin) < 490) {

// Если температура высокая – выключаем

digitalWrite(relayPin, LOW);

digitalWrite(ledPin, LOW);

}

}

 

 

 

 

 

 

В заключение нужно сказать, что по принципу устройства и схеме подключения термостат ничем не отличается от многих других регуляторов подобного рода. Их еще принято называть релейными (или, если совсем грамотно, двухпозиционными), потому что выходной сигнал у них работает по принципу реле: либо включен, либо выключен. Ничего не изменится ни в схеме, ни даже в программе, если вместо термистора подключить, например, фоторезистор и управлять не нагревателем, а включением и выключением освещения. Естественно, в этом случае придется изменить пороги включения и выключения и подобрать величину постоянного резистора, ограничивающего ток через фотосопротивление (см. «Световой терменвокс» в Эксперименте 5). Также нужно подумать над тем, в какое плечо делителя включать фотосопротивление (к питанию или к «земле»), чтобы свет включал- ся именно при наступлении темноты, а не наоборот. Но без учета этих мелких исправлений схемы термостата и автомата управления освещением оказываются одинаковыми и такими же, как и у любого другого релейного регулятора.

В заключение нужно сказать, что по принципу устройства и схеме подключения термостат ничем не отличается от многих других регуляторов подобного рода. Их еще принято называть релейными (или, если совсем грамотно, двухпозиционными), потому что выходной сигнал у них работает по принципу реле: либо включен, либо выключен. Ничего не изменится ни в схеме, ни даже в программе, если вместо термистора подключить, например, фоторезистор и управлять не нагревателем, а включением и выключением освещения. Естественно, в этом случае придется изменить пороги включения и выключения и подобрать величину постоянного резистора, ограничивающего ток через фотосопротивление (см. «Световой терменвокс» в Эксперименте 5). Также нужно подумать над тем, в какое плечо делителя включать фотосопротивление (к питанию или к «земле»), чтобы свет включал- ся именно при наступлении темноты, а не наоборот. Но без учета этих мелких исправлений схемы термостата и автомата управления освещением оказываются одинаковыми и такими же, как и у любого другого релейного регулятора.

 

 

Поделись с друьями:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *