Термореле з гістерезисом та управлінням через Wi-Fi

2024-05-16

Вступ.

Термореле - це прилад, що комутує струм основуючись на температурі навколишнього середовища. Термореле можуть мати гістерезис, різну температуру спрацьовування або її налаштування. Використовують їх зазвичай для захисту пристроїв від перегріву або, в деяких випадках, від переохолодження.

У цій статті мова піде про саморобне термореле, яке має нижню та верхню межі спрацьовування (гістерезис) з можливістю їх налаштування, а також може керуватися та моніторитися зі смартфону за допомогою Wi-Fi. Це реле створювалося для того, щоб дистанційно керувати потужним навантаженням (електромотор) на відстані. Проблема, яку цей пристрій вирішив полягає у тому, що електромотор в умовах замкненого приміщення досить швидко гріється до критичних температур, та повинен через деякий час роботи вимикатися та охолоджуватись, перед тим як увімкнутися та продовжити роботу.

Основна частина.

Проектування та збір компонентної бази.

Власне створення термореле під це завдання почалося з проектування плати у САПР DipTrace.

Малюнок. 1 - схема пристрою у САПР DipTrace.

В якості “мозку” пристрою було обрано Wi-Fi модуль ESP8266 ESP-01.

Малюнок. 2 - розпіновка ESP8266 ESP - 01

В основному через його співвідношення ціна/функціонал, цей модуль має 4 порти вводу-виводу, 2 з яких зарезервовано під серійний асинхронний інтерфейс UART, порти GPIO0 та GPIO2 в свою чергу можна використовувати як завгодно, проте за таку ціну, мініатюрні розміри та простоту є деякі “нюанси” :). А саме, на порт GPIO0 під час увімкнення живлення повинна бути подана логічна одиниця (Pull-Up), інакше модуль одразу перейде в режим прошивки. Порто GPIO2 також не такий простий, як здається, він напряму зв’язаний із вбудованим світлодіодом, тому активація світлодіоду (наприклад його моргання, коли модуль запускається) одразу ж подає сигнал і на порт GPIO2. Всі ці особливості було враховано при розробці плати нашого термореле.

Як реле було обрано модуль реле з опторозв’язкою. Цей модуль є нічим іншим, як інтерпретацією фрази “масло масляне”, його сутність зполягає у тому, що для керування високою напругою 220В ми використовуємо реле, яке керується менш високою напругою в 12В, але ця напруга усе ще висока для нашого керуючого пристрою, тому для керування напругою в 12В ми використовуємо напругу 3.3В, що подається на опторозв’язку з фототранзистором, що присутні на цій платі. Дане реле перемикається при подачі логічного 0 на його вхід.

Малюнок. 3 - схема модуля реле з опторозв’язкою.

Керування логікою у нашому пристрої лягає на 2 мікросхеми:

• LM324N - універсальний двоканальний операційний підсилювач постійного струму.
• CD4001BE - чотири логічних елемента 2АБО-НІ, або NOR.

LM324N в нашому випадку виконує функції компаратора, тому, що підключена без зворотного зв’язку. Компаратор у цій схемі використовується для зрівняння аналогового сигналу датчика температури з референсною напругою, що задається потенціометрами R4 та R6 на схемі. Ми використали 2 ОП з 4 на даній платі.

На мікросхемі CD4001BE в свою чергу побудовано мультивібратор типу SR-Latch (Set/Reset Latch), що дозволяє перемикати свій вихід на логічну 1, при подачі логічної 1 на вхід SET, та зберігати цей стан, поки не буде подано логічну 1 на вхід RESET, лише з 1 умовністю - не можна подавати логічну 1 на обидва входи, при цьому вихід буде невизначений. Тут також використовуються лише 2 логічних елемента з 4, інші залишаються непідключеними.

Малюнок. 4 - умовна схема мультивібратора SR-Latch на NOR гейтах

Все інше на схемі, що зазначена вище - тривіальні моменти комутації різноманітної електроніки, резистори, конденсатори, джерела живлення, перетворювачі, перемикачі тощо. Про них нічого цікавого не напишеш. Проте ось список усіх цих компонентів:

• Термістор NTC MF52A1 10кОм - власне датчик, що змінює свій опір в залежності від температури.
• Змінний резистор 20 кОм х2 - потенціометри виставляння референсних напруг для гістерезису.
• DC-DC понижуючий конвертер LM2596 з 4.5-40В до 3-35В - джерело рівня 3.3В в нашій схемі.
• Імпульсне джерело живлення 12В 1.5A - джерело рівня 12В в нашій схемі.
• Термостат KSD9700-5A80-B (NC) 1шт - запобіжний засіб, що вимкне живлення при критичній температурі, якщо наш пристрій дасть збій.
• Резистор 4,7 КОм, Резистор 10 КОм, Конденсатор електролітичний JCCON 470мкФ 16В, Кнопка DIP 4-pin 6x6x4мм, Клемник подвійний 5мм, Тумблер 3-контактний MTS-102, Макетна плата двостороння 90х150мм, Панель SCS-14 для мікросхем DIP-14, Конектор 4pin 2 ряди.

Тепер, коли є схема та всі її компоненти - ми можемо переходити до збирання пристрою.

Збирання пристрою.

Для збирання було обрано макетну плату та метод паяння перемичок з відрізків кабелю 26AWG. Досить грубо виходить, проте підходить для початківця, дешево та сердито. Вся комутація та перемички виконані на зворотній стороні плати.

Мадюнок. 5 - плата з розпаяними компонентами.

Малюнок. 6 - Реле з перемикачем.

Малюнок. 7 - термостат та термістор.

Далі по списку йде написання коду для мікроконтроллеру.

Програмування.

Для програмування ESP8266 використовувалося, думаю, знайоме кожному середовище Arduino IDE.

• код програми

Ми використали ESP8266 як точку доступу Wi-Fi, тобто прямого підключення до мережі інтернет у нас немає, та бути не повинно, доступ до пристрою буде надаватися локально, в радіусі кількадесят метрів. Сам модуль чекає на повідомлення, що повинно прийти йому від клієнта, визначається 2 типи повідомлень: POST та GET, та 3 типи відповідей: відповідь на GET запит, відповідь на POST запит та відповідь 404 Not Found для випадку коли система не знає як відповідати на прислане їй повідомлення. Важливо зазначити, що звертатися до модулю необхідно за його IP адресою, що за замовчуванням є 192.168.0.4

Повідомлення типу GET дізнається про стан нашого приладу, відповіддю на нього є опис станів GPIO0 та GPIO2 на момент прийняття повідомлення. Повідомлення типу POST сприймаються інакше, з цього повідомлення програма витягую значення змінної, що використовує задля виставлення режиму роботи пристрою, яких нараховується 3.

Перший режим роботи, він же у програмі визначений як 0, вручну вимикає апарат, тобто встановлює на вихід GPIO2 логічну 1.

Другий режим роботи, він же 1, вручну вмикає апарат встановленням логічного 0 на GPIO2.

Третій режим є основним, у програмі він визначається під номером 3, у цьому режимі програма на ESP8266 зчитує значення на GPIO0 та виставляє зчитане значення на GPIO2, тобто грубо кажучи слугує мостом між сигналом, що видає наша логіка та модулем реле, GPIO2 = GPIO0.

Для керування режимами зі смартфону було обрано безкоштовний застосунок HTTPS Shortcuts. За допомогою нього на пристрій відсилалися запити GET та POST для керування.

Результат.

Розглянемо симуляцію роботи цього пристрою, адже скласти такий графік для реального пристрою не є можливим за відсутності спеціальних вимірювальних приладів. Готовий пристрій в 3 стані роботи має такі рівнево-частотні характеристики:

Малюнок. 8 - результати роботи пристрою.

Де синя лінія симулює аналоговий сигнал датчика температури, червона та бірюзова лінії показують рівні референсних сигналів, зелена лінія відповідає роботі реле. Реле увімкнуте, поки температура не підніметься до рівня вимкнення, після чого реле залишається вимкнутим доти, доки температура не знизиться до рівня увімкнення і цикл повторюється.

У висновку можна сказати, що за досить низьку ціну та за невеликим прикладенням зусиль було створено прилад, що дозволить спростити життя та попутно дізнатися та попрактикуватися у чомусь новому для себе. І це лише крихітний приклад того, що можна зробити використовуючи досить невеликий набір електроніки та вільного часу.