Предлагаемый микроконтроллерный блок управления разработан и изготовлен взамен не обеспечивающего достаточного удобства эксплуатации штатного блока управления электрического котла отопления "ЭВАН ЭПО-7,5/220 B". Он может быть применён и для управления другими электронагревательными приборами.
После покупки и установки котла "ЭВАН ЭПО-7,5/220 B" выявились недостатки блока управления, которым он укомплектован. Главный из них - одновременное включение и выключение трёх установленных в котле электронагревателей. Возникающие при этом броски тока и перепады напряжения в сети настолько велики, что вызывают сбои в работе некоторых, питающихся от неё же, электронных приборов. Случались даже выходы их из строя. Кроме того, мощный контактор, периодически включавший и выключавший нагреватели для поддержания заданной температуры, грохотал на весь дом, а висевший на стене блок, в котором он был установлен, при этом "подпрыгивал", пока не упал и не разбился. Было решено не ремонтировать этот блок, а разработать и изготовить новый, по возможности устранив недостатки и расширив выполняемые функции.
Новый блок управления был сделан четырёхканальным с электронной коммутацией. Три канала управляют нагревателями с разносом по времени, что значительно снижает броски потребляемого от сети тока. Контактор используется лишь для аварийного отключения нагревателей в случае перегрева котла. Четвёртый канал управляет водяным насосом системы отопления. Предусмотрен режим быстрого разогрева котла до заданной температуры при выключенном насосе с последующим его включением для подачи горячей воды в систему отопления.
Новая система, как и старая, стабилизирует температуру воды на выходе из котла, хотя есть возможность переключиться на её стабилизацию на входе. Если подключить к блоку управления датчик температуры воздуха в помещении, система автоматически переходит в режим стабилизации этого параметра.
Схема нового блока управления вместе с датчиками температуры и исполнительными устройствами (нагревателями и водяным насосом) изображена на рис. 1. Систему отопления включают и выключают выключателем SA1, подающим сетевое напряжение на модуль питания. После этого начинают работать все остальные модули блока управления. На нагреватели ЕК1-ЕК3 напряжение 220 В поступает через контактор KM1, автоматы защиты сети SA3-SA5 и модуль симисторных коммутаторов, управляемых сигналами, формируемыми в микроконтроллерном модуле. Тип контактора - NC1 -25. Когда котёл нормально работает, его контакты замкнуты.
Рис. 1.
Цепь управления двигателем M2, приводящим в движение водяной насос, в которую входят автомат SA2 и один из каналов симисторного модуля, отличается лишь тем, что её размыкание контактором KM1 не предусмотрено. Это необходимо, чтобы в случае аварийного отключения нагревателей насос продолжил работать, обеспечивая циркуляцию воды в системе отопления и её ускоренное охлаждение. Теплоотводы симисторов, коммутирующих нагреватели и насос, обдувает двухскоростной компьютерный вентилятор M1 типоразмера 80x80x20 мм с напряжением питания 12 В.
К модулю симисторных коммутаторов подключены двухцветные светодиоды HL1-HL4. Их кристаллы красного цвета свечения включаются при подаче сетевого напряжения на входы соответствующих симисторных коммутаторов, а зелёные - при открывании их симисторов. В последнем случае цвет свечения светодиода становится жёлтым, это сигнализирует о том, что на нагреватель или насос сетевое напряжение подано. Диоды VD1-VD8 защищают светодиоды от обратного напряжения.
Датчики температуры воды на выходе из котла (BK1), на его входе (BK2), а также температуры воздуха в отапливаемом помещении (BK3) подключены к микроконтроллерному модулю через модуль питания и межмодульных соединений. На выводах датчиков BK1 - BK3 смонтированы детали фильтров (соответственно R1C1, R2C2, R3C3). К выводам 1, 2 датчиков и свободным выводам резисторов припаяны, согласно схеме, провода коротких отрезков стандартных USB-кабелей с вилками разъёмов USB-A.
В качестве корпусов для датчиков ВК1 и ВК2 использованы стандартные автомобильные датчики температуры охлаждающей жидкости 19-3828, из которых удалены все "внутренности". Датчики DS18B20 вместе с припаянными к ним деталями и концами кабелей вставлены в образовавшиеся полости и залиты автомобильным герметиком.
После затвердевания герметика датчик ВК1 ввинчивают на место ранее имевшегося датчика температуры воды на выходе из котла. Диаметр и шаг резьбы подходят. Чтобы установить датчик ВК2, необходимо сделать вставку с резьбовым отверстием в трубопроводе, подводящем воду к котлу.
На датчик ВКЗ и конец ведущего к нему кабеля для защиты от внешних воздействий надевают отрезок термоусаживаемой трубки. Этот датчик помещают в удалённом от источников тепла и защищённом от сквозняков месте отапливаемого помещения.
С разъёмом Х5 модуля питания и межмодульных соединений датчики ВК1-ВКЗ соединены кабелями, сделанными из USB-удлинителей с кабельными розетками USB-A. качестве термовыключателя SF1, сигнализирующего о недопустимом перегреве воды, использован ТМ108 - стандартный автомобильный выключатель вентилятора системы охлаждения двигателя. Место для его установки в котле имеется, шаг и диаметр резьбы подходят. Контакты этого выключателя замыкаются, когда температура воды в котле достигает 92 оС, что приводит к немедленному отпусканию якоря контактором KM1 и выключению всех нагревателей. Размыкаются контакты выключателя SF1 при понижении температуры воды до 87 оС.
Для анализа сигналов датчиков и формирования сигналов управления нагревателями и другими устройствами системы применён универсальный микроконтроллерный модуль, описанный в [1], со специально разработанной программой. Чтобы взамен графического ЖКИ подключить к нему светодиодные индикаторы, модуль подвергся небольшой доработке. Удалён регулировавший контрастность ЖКИ подстроечный резистор R15 (нумерация элементов модуля - согласно схеме на рис. 1 в [1]). Освободившиеся в результате этого два контакта разъёма X4 использованы для передачи дополнительных сигналов управления светодиодными индикаторами. Для этого контакт 2 соединён с выходом PC7 (выводом 28), а контакт 18 - с выходом PD7 (выводом 30) микроконтроллера DD1.
Схема подключаемого к микроконтроллерному модулю взамен ЖКИ модуля светодиодной индикации и управления изображена на рис. 2. В нём установлены трёхразрядные семиэлементные светодиодные индикаторы HG1 - HG3 с общим катодом, на которые выводятся сведения о работе котла. Они зависят от выбранного режима работы системы отопления.
Рис. 2.
Информацию для отображения на индикаторах HG1-HG3 микроконтроллер формирует в виде последовательного 24-разрядного кода, который три соединённых последовательно восьмиразрядных сдвиговых регистра преобразуют в параллельный код, подаваемый на аноды элементов индикаторов. Первый из этих регистров находится в микроконтроллерном модуле (DD2 по его схеме). Он обслуживает индикатор HG1. Два других (DD1 и DD2 в рассматриваемом модуле индикации) обслуживают соответственно индикаторы HG2 и HG3. Первым в 24-разрядный регистр загружается значение старшего разряда регистра DD2, последним - значение младшего разряда регистра DD2 микроконтроллерного модуля.
Светодиоды HL1-HL3 модуля индикации отображают сформированные микроконтроллерным модулем сигналы управления нагревателями, соответственно ЕК1, ЕК2 и ЕКЗ. Светодиод HL4 включается, когда температура воды в котле падает, а HL5 - когда она растёт. С помощью кнопок SB1-SB4 переключают режимы работы системы и изменяют их параметры.
Схема модуля симисторных коммутаторов представлена на рис. 3. В нём четыре одинаковых канала. Позиционные обозначения элементов каждого из них снабжены префиксами, совпадающими с номерами каналов. Управляющие сигналы, сформированные мик-роконтроллерным модулем, поступают через разъём X1 на излучающие диоды симисторных оптронов 1U1-4U1, обеспечивающих гальваническую развязку между управляющими и исполнительными цепями.
Рис. 3
Применённые оптроны MOC3063 [2] имеют узлы привязки моментов открывания фотосимисторов к моментам перехода приложенного к ним напряжения через ноль. Это значительно уменьшает уровень коммутационных помех. Исполнительные элементы коммутаторов - мощные симисторы 1VS1-4VS1, установленные на теплоотводах, которые обдувает вентилятор M1 (см. рис. 1).
Узел управления этим вентилятором, подключаемым к разъёму X3, собран на транзисторе VT1. Сигнал включения вентилятора поступает от микроконтроллера на разъём X2 одновременно с появлением на X1 сигнала, включающего любой из нагревателей, а снимается спустя установленное время после выключения последнего из работавших нагревателей. Это обеспечивает быстрое охлаждение нагревшихся симисторов.
Все силовые входы (через резисторы 1R5-4R5) и выходы (через резисторы 1R6-4R6) каналов коммутации соединены c разъёмом XP4, к которому подключают светодиоды-индикаторы подачи сетевого напряжения на входы (контакты XT1-XT4) коммутаторов и его появления на контактах разъёма X5, к которым подключены нагреватели и насос.
На рис. 4 изображена схема модуля межмодульных соединений и питания маломощных узлов. Трансформатор Т1 понижает сетевое напряжение 220 В до 15 В, которое затем выпрямляет диодный мост VD1. После сглаживания пульсаций конденсаторами С2 и С3 выпрямленное напряжение стабилизируют интегральные стабилизаторы DA1 и DA2. Первый выдаёт напряжение 12 В для питания реле K1 и вентилятора М1 (см. рис. 1), второй - 5 В для питания микроконтроллерного модуля. В модуле питания находится также узел управления контактором аварийного отключения нагревателей, состоящий из транзистора VT1 и реле K1.
Рис. 4.
Разъём ХЗ соединяют с микроконт-роллерным модулем, а Х4 - с датчиками температуры. На разъём Х5 выведены сигналы управления нагревателями и насосом, а также питающие напряжения для модуля коммутации.
Детали каждого модуля блока управления котлом монтируют на отдельной печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертёж платы микроконтроллерного модуля имеется в [1]. Подстроечный резистор R15 на ней не устанавливают, а контакты 2 и 18 разъёмаX4 соединяют с указанными ранее выводами микроконтроллера перемычками из изолированного провода. Других доработок не требуется.
Продолжение следует
Литература
1. Киба В. Универсальный микроконтрол-лерный модуль с графическим ЖКИ. - Радио, 2010, № 3, с. 28-30.
2. 6-pin DIP zero-cross phototriac driver optocoupler. - http://mkpochtoi.narod.ru/ MOC3061_MOC3062_MOC3063_zerocross_ ds.pdf.
Автор: В. Киба, г. Каменск-Шахтинский Ростовской обл.