Автоматическое управления вентиляцией помещения, схема на МК ATtiny2313A


Схема самодельного устройства, автоматически включающего и выключающего принудительную вентиляцию помещения. Работа устройства осуществляется в зависимости от относительной влажности воздуха в помещении и скорости её изменения. Оно не содержит дефицитных деталей и может быть помещено в стандартный подрозетник для скрытой установки в стене.

Помимо основной функции управление вентиляцией может служить индикатором влажности воздуха в помещении.

В продаже имеются вентиляторы со встроенными датчиками влажности. Как правило, они могут автоматически включаться при превышении заданного порога влажности и выключаться при её снижении до определённого уровня. Однако в течение года относительная влажность воздуха в квартире сильно изменяется.

Например, летом в дождливую погоду она может достигать 70...80 %, а зимой в морозную ночь опускаться до 18%. Поэтому порог включения такого вентилятора приходится регулярно изменять.

Практика показала, что более надёжный признак необходимости включить или выключить вентилятор - скорость изменения влажности в помещении. Когда действует источник повышенной влажности (работает душ в ванной, на кухне готовят пищу), она быстро растёт до некоторого уровня, после чего стабилизируется. Когда источник влажности выключают, она начинает снижаться. Скорость снижения зависит от интенсивности вентиляции и, как правило, намного меньше скорости роста.

В предлагаемом устройстве реализован следующий алгоритм:

  • если влажность растёт со скоростью, превышающей заданный порог, вентилятор включается, при этом запоминается значение влажности, измеренное перед включением вентилятора;
  • если влажность падает со скоростью, превышающей заданную, то запускается таймер, по истечении выдержки которого вентилятор будет выключен;
  • если влажность снижается медленно и порог скорости её спада не достигнут, вентилятор будет выключен, когда влажность упадёт до значения, которое было перед его включением;
  • если по каким-либо причинам влажность не снижается до первоначального уровня, вентилятор будет выключен через 4 ч.

Можно задать и абсолютный порог влажности, при превышении которого вентилятор работает постоянно. Когда влажность опускается ниже этого порога, вентилятор выключается по одному из перечисленных выше условий.

Устройство имеет вход сигнала принудительного включения вентилятора. Он будет выключен через заданное время после снятия этого сигнала.

На этот вход можно подать напряжение, например, с лампы освещения туалета. Если вентилятор для ванной комнаты и туалета общий, то одновременно с проветриванием туалета он "профилактически" проветрит ванную комнату.

Раздельные вентиляторы туалета и ванной можно соединить параллельно.

Технические характеристики

  • Напряжение питания, В .........~220;
  • Максимальный ток, потребляемый вентилятором, А.........3;
  • Пределы измерения и индикации влажности, % ........0.100;
  • Пределы регулировки порогов максимальной влажности, % ...................30.99;
  • минимальной влажности, % ...................30.60;
  • скорости роста влажности, %/мин ................1.50;
  • скорости спада влажности, %/мин ................1.50;
  • Пределы регулировки выдержки таймера, мин........0.60;
  • Выдержка защитного таймера, ч ...........................4;
  • Активный уровень сигнала внешнего управления, В ..... ~220.

Принципиальная схема

Устройство состоит из трёх функциональных модулей: питания, датчика и управления. На рис. 1 изображена схема модулей датчика (выделен штрихпунктирной линией) и управления.

Применён ёмкостный датчик влажности HCH-1000. Он подключён к преобразователю "ёмкость-частота" на интегральном таймере DA1, работающем в режиме генератора импульсов.

В этом генераторе от ёмкости датчика зависит частота колебаний, в результате чего она зависит и от относительной влажности окружающего датчик воздуха. Подробнее о датчике HCH-1000 можно прочитать в документах [1,2].

Модуль управления выполнен на базе восьмиразрядного микроконтроллера DD1 (ATtiny2313A). Информация о работе устройства отображается на трёхразрядном семиэлементном светодиодном индикаторе HG1 в динамическом режиме.

Импульсы с модуля датчика поступают для измерения их частоты на вход таймера-счётчика микроконтроллера.

Схема автоматического управления вентиляцией помещения, собрана на МК ATtiny2313A

Рис. 1. Схема автоматического управления вентиляцией помещения, собрана на МК ATtiny2313A.

Программа пересчитывает частоту им пульсов F в герцах в значение относи тельной влажности воздуха Hr в процен тах по формуле:

расчетная формула

где K_SENS и H_offs - коэффициенты, характеризующие соответственно крутизну и смещение зависимости частоты импульсов от влажности.

Номиналы элементов модуля датчика можно рассчитать под любой ёмкостный датчик влажности с помощью прилагаемой к статье электронной таблицы Excel calibr.xls.

В соответствующие графы таблицы вводят параметры датчика из его документации и задают желаемую частоту колебаний генератора, которую рекомендуется выбирать в пределах 4...7 кГц.

Получив расчётные значения сопротивления, выбирают резисторы ближайших к ним стандартных номиналов и вводят их в таблицу.

Далее в ней появятся рассчитанные значения частоты выходного сигнала для номинальной, минимальной и максимальной влажности и коэффициенты K_SENS и H_offs, которые должны быть записаны в EEPROM микроконтроллера DD1 перед первым включением устройства. По меньшему адресу всегда записывают младший байт 16-разрядного коэффициента.

К разъёму XP1 подключают модуль питания, а разъём XP2 предназначен для программирования микроконтроллера. Управляют прибором с помощью трёх кнопок: SB1 "Ручной/автоматиче-ский режим", SB2 "Меню" и SB3 "Увеличить значение". Диоды VD1-VD3 предотвращают замыкание между собой выходов микроконтроллера в случае одновременного нажатия на несколько кнопок.

Модуль питания

Схема модуля питания изображена на рис. 2. Сетевое напряжение, поступающее на контакты 1 и 3 колодки XT 1, понижается трансформатором T1 до 9 В, выпрямляется диодным мостом VD4 и через интегральный стабилизатор DA2 с выходным напряжением 5 В поступает в цепи питания всех узлов устройства.

К разъёму XS1 подключают разъём XP1 модуля управления, а колодкаXT2 предназначена для подключения модуля датчика в случае его выполнения в виде отдельного узла (об этом будет рассказано ниже). Варистор RU1 и плавкая вставка FU1 защищают устройство от импульсных помех и аварийных повышений сетевого напряжения, а также обеспечивают пожарную безопасность.

Схема модуля питания для автоматической вентиляции помещения

Рис. 2. Схема модуля питания для автоматической вентиляции помещения.

Схема подключения моторов вентиляции и лампы освещения

Рис. 3. Схема подключения моторов вентиляции и лампы освещения.

В состав модуля питания входит также узел коммутации вентилятора, собранный на симисторе VS1 и динисторном оптроне U1, оснащённом внутренним устройством включения фото-динистора только при переходе приложенного к нему переменного напряжения через ноль. Цепь C7,R25,R27,R28 - демпфирующая.

Узел на оптроне U2 служит для преобразования уровня сигнала принудительного включения вентилятора, поступающего с колодки XT1, и его гальванической развязки от цепей модуля управления. На вход PD3 микроконтроллера DD1 поступают импульсы амплитудой около 5 В и частотой 50 Гц, по форме близкие к прямоугольным, которые программа и воспринимает как сигнал включения вентилятора.

Схема подключения внешних цепей к колодке XT1 модуля питания показана на рис. 3. Здесь М1 и М2 - двигатели вентиляторов помещения (их может быть один или несколько). EL1 - лампа освещения этого помещения.

При её включении выключателем SA1 устройство включает и вентиляторы. Чертёж платы модуля управления приведён на рис. 4. На её стороне печатных проводников имеется перемычка для поверхностного монтажа, а на противоположной стороне - несколько обычных проволочных. Прямоугольный вырез на плате предназначен для выключателя SA1 (см. рис. 2).

Предусмотрено место и для установки деталей модуля датчика.

Обратите внимание, что резистор R7 на плате отсутствует, а выход (вывод 3) интегрального таймера DA1 соединён напрямую с входом PD5 микроконтроллера.

Этот резистор необходим только при монтаже модуля датчика на отдельной плате (рис. 5), которую можно расположить там, где необходимо контролировать влажность, соединив её с колодкой XT2 модуля питания (см. рис. 2) трёхпроводным кабелем. В этом случае детали B1, C1-C3, DA1, R1-R4, R6 на плате модуля управления не устанавливают.

Детали и печатная плата

Чертёж платы модуля управления системой вентиляции

Рис. 4. Чертёж платы модуля управления системой вентиляции.

Чертёж платы модуля питания показан на рис. 6.

Монтаж датчика на отдельной плате

Рис. 5. Монтаж датчика на отдельной плате.

Чертёж платы модуля питания для системы управения вентиляцией

Рис. 6. Чертёж платы модуля питания для системы управения вентиляцией.

После монтажа все платы рекомендуется покрыть двумя-тремя слоями влагозащитного лака, например PLASTIK-71. Лакировка платы и элементов модуля датчика обязательна. Но попадание лака или растворителя на чувствительную поверхность датчика, а также прикосновение к этой поверхности руками недопустимо.

Это может вывести датчик из строя. В устройстве применены резисторы типоразмеров 0805 и 1206 для поверхностного монтажа, керамические конденсаторы типоразмера 0805 с диэлектриком X7R. Конденсаторы C2 и C4 - оксидные танталовые типоразмера C, C6 - оксидный алюминиевый К50-35 или подобный, C7 - плёночный К73-17.

Трансформатор T1 - ТПГ-1-9 или другой с напряжением вторичной обмотки (под нагрузкой) 9 В и мощностью не менее 1,5 В-А. Варистор RU1 в корпусе диаметром 7 мм и с классификационным напряжением 430 В. Светодиодный индикатор E30361-I-O-0-W можно заменить другим семиэлементным трёхразрядным с общим анодом элементов каждого разряда.

Двухцветный светодиод HL1 - любой красно-зелёный с общим катодом кристаллов разного цвета свечения. При его выборе необходимо обратить внимание на равномерность жёлтого цвета при одновременной работе двух кристаллов. Желаемый оттенок жёлтого при необходимости устанавливают подборкой резисторов R10 и R11.

Розетка XS1 для соединения модуля питания с модулем управления изготовлена из цанговой панели для микросхемы, от которой отрезана линейка с пятью гнёздами. Выводы гнёзд отогнуты в разные стороны так, чтобы они попали на соответствующие контактные площадки. Штыри вилкиXP1 сделаны из отрезков лужёного провода подходящего диаметра.

Они вставлены в пластмассовую планку от разъёма PLS, а их концы отогнуты аналогично выводам гнёзд розетки XS1. Выключатель SA1 (см. рис. 2) - малогабаритный клавишный с допустимым коммутируемым напряжение ~250 В. Его соединяют с платой модуля питания отрезками провода МГШВ-0,2, изолировав места паек проводов к выводам отрезками термоусаживаемой трубки. Выключатель крепят в отверстии передней панели устройства, а его корпус входит в соответствующее отверстие в плате модуля управления.

Платы модулей управления и питания устанавливают на металлической рамке,прикреплённой к лицевой панели. Внешний вид собранного устройства показан на рис. 7. Его можно вставить в стандартный подрозетник диаметром 65 мм и глубиной 40 мм, предназначенный для скрытой установки в стену.

Напротив датчика влажности, расположенного в модуле управления, в передней панели необходимо просверлить несколько отверстий. Такая конструкция удобна, например, для управления вентиляцией кухни. Однако по соображениям электробезопасности не рекомендуется устанавливать устройство внутри ванной комнаты.

Конструкция модуля управления вентиляцией

Рис. 7. Конструкция модуля управления вентиляцией.

Если датчик находится на отдельной плате, то её помещают в пластмассовую коробку с отверстиями, которую крепят на стене помещения, где контролируется влажность, а основное устройство устанавливают в сухом месте вне этого помещения. Удобно, например, установить устройство на стене между дверьми ванной комнаты и туалета.

Коробку с датчиком располагают в ванной комнате на стене, максимально удалённой от душа, на высоте 2...2,3 м от пола и соединяют с устройством экранированным стереофоническим аудиокабелем. Оплётки проводов кабеля используют как общий провод и подключают к контакту 1 колодки XT2.

Программа и калибровка

Программа микроконтроллера DD1 написана на языке ассемблера в среде AVR Studio. Конфигурацию микроконтроллера следует запрограммировать в соответствии с табл. 1 (внутренний RC-генератор 4 МГц с длительным запуском, предделитель тактовой частоты выключен, срабатывание детектора понижения напряжения питания при 2,7 В).

Разряды, изображённые в табл. 1 на сером фоне, изменять не следует. Во FLAsH-память микроконтроллера загружают коды из файла Vent.hex, а в его EEPROM - из файла Vent.eep.

После этого необходимо прочитать программатором калибровочный коэффициент RC-генератора для частоты 4 МГц и поместить считанное значение в четвёртую ячейку EEPROM.

Когда модуль датчика не подключён, на индикаторе HG1 отображаются три тире. Если по какой-либо причине частота импульсов на выходе модуля датчика соответствует влажности менее 0 %, на индикатор выводится надпись "ErL".

Кнопкой SB1 можно вручную изменять состояние вентилятора. Если он был включён, нажатие на эту кнопку выключит его, а автоматические функции устройства будут заблокированы. На индикатор будет выведена надпись "OFF". Повторное нажатие на кнопку SB1 возвратит устройство в автоматический режим.

При этом состояние вентилятора будет установлено согласно описанному в начале статьи алгоритму, заложенному в программу микроконтроллера.

Если вентилятор был выключен, нажатие на кнопку SB1 принудительно включит его, а на индикатор будет выведена надпись "On". Автоматические функции устройства блокируются и разблокируются аналогично описанному выше случаю.

Таблица 1. Таблица фьюзов микроконтроллера.

Таблица фьюзов микроконтроллера

Нажатиями на кнопку SB2 входят в меню, перебирают его пункты и выходят из него. При первом нажатии включается режим установки максимального порога влажности, при превышении которого вентилятор станет работать непрерывно. На индикаторе отображаются буква "Н" в старшем разряде и текущее значение параметра в остальных двух разрядах (рис. 8).

Изменяют это значение нажатиями на кнопку SB3. Короткое нажатие на неё увеличивает число на единицу. Если кнопку удерживать нажатой, это произойдёт до пяти раз с паузами 0,5 с.

При дальнейшем удержании кнопки паузы между изменениями уменьшатся до 0,1 с и будут оставаться такими до отпускания кнопки. Максимальное значение по его достижении сменяется минимальным, и процесс продолжается.

Показания индикатора Н90

Рис. 8. Показания индикатора Н90.

Показания индикатора 40

Рис. 9. Показания индикатора 40.

Показания индикатора 05

Рис. 10. Показания индикатора 05.

Показания индикатора 03

Рис. 11. Показания индикатора 03.

Показания индикатора 15

Рис. 12. Показания индикатора 15.

Порог включения вентилятора по значению влажности рекомендуется устанавливать достаточно высоким (например, 90 %), чтобы исключить ложные включения и бессмысленную работу вентилятора во влажную тёплую погоду.

Второе нажатие на кнопку SB2 включает режим установки порога выключения вентилятора по влажности. Индикатор принимает вид, показанный на рис. 9. Этот порог рекомендуется задавать в интервале 50-55 %, так как дальнейшее понижение влажности в помещении не имеет смысла.

Третье нажатие на кнопку SB2 включит режим установки порога скорости роста влажности, вид индикатора в котором показан на рис. 10. Рекомендуемое значение порога - 3-6 %/мин. Меньшие значения могут приводить к ложным включениям вентилятора при естественных колебаниях влажности, например, когда в морозный зимний день в ванной открыли кран, чтобы помыть руки.

Большие значения снижают чувствительность устройства, в результате чего вентилятор может оставаться выключенным вплоть до достижения порога включения по влажности.

Четвёртое нажатие на кнопку SB2 включает режим установки порога скорости спада влажности. Индикатор принимает вид, показанный на рис. 11. Эту скорость также рекомендуется устанавливать в пределах 3-6 %/мин.

Пятое нажатие на кнопку SB2 включает в режим установки задержки выключения вентилятора (в минутах) после снятия внешнего сигнала включения либо при спаде влажности со скоростью, превышающей заданную. Индикатор принимает вид, показанный на рис. 12.

Рекомендуемое значение этой задержки - 5-15 мин. Установка нулевого значения означает немедленное выключение вентилятора при регистрации указанных выше событий.

После шестого нажатия на кнопку SB2 устройство вернётся в рабочий режим. Все установленные значения параметров будут записаны в энергонезависимую память (EEPROM) микроконтроллера.

Цвет свечения светодиода HL1 условно показывает текущий влажностный режим в помещении. Зелёный означает нормальную влажность, красный - повышенную. Когда влажность в помещении всё ещё высокая, но снижается со скоростью не менее 1 %/мин, светодиод светится жёлтым цветом.

О работе таймера задержки сигнализирует мигание десятичной запятой в младшем разряде индикатора.

При подаче внешнего управляющего сигнала (включили свет в туалете) включается вентилятор, а на индикатор выводится надпись "ЗАН". Десятичная запятая младшего разряда мигает. Калибровка прибора может быть выполнена по одному или двум образцовым значениям влажности. Упоминавшаяся выше электронная таблица calibr.xls используется при этом для расчёта калибровочных констант.

Первый способ калибровки проще, но менее точен, так как компенсирует только производственный разброс номинальной ёмкости датчика, но не учитывает разброс его крутизны преобразования. Кроме того, в этом случае используется подстроечный резистор R2, сопротивление которого в условиях высокой и постоянно меняющейся влажности может оказаться нестабильным. Это может привести к нарушению калибровки.

Номинальное сопротивление подстроечного резистора должно быть не менее рассчитанного в графе "Минимальное сопротивление подстроечного рез. R2" таблицы. Его заносят в графу "Выбранный номинал подстроечного рез. R2".

После этого значения из граф "Крутизна преобразования (K_SENS) по умолчанию" и "Смещение (H_offs) по умолчанию" заносят в соответствующие ячейки EEPROM микроконтроллера. Подстройкой резистора R2 добиваются совпадения показаний устройства и образцового влагомера.

Калибровка по двум значениям влажности позволяет не только учесть разброс крутизны преобразования датчика, но и отказаться от подстроечного резистора. Вместо него в модуль датчика устанавливают перемычку, а в графе "Выбранный номинал подстроечного рез.

R2" указывают нулевое значение. Аналогично предыдущему способу калибровки в EEPROM микроконтроллера сначала записывают значения K_SENS и H_offs из поля "Рассчитанные параметры генератора". Эти же значения заносят в графы "Текущий коэффициент K_SENS (из EEPROM)" и "Текущий коэффициент H_offs (из EEPROM)".

Если после программирования микроконтроллера и включения прибора на индикатор выводится надпись "ErL" или число "100", необходимо подобрать резистор R3 таким, чтобы на индикаторе отображалась влажность, примерно соответствующая реальной. После этого можно начинать точную калибровку.

В её процессе показания устройства сравнивают с показаниями эталонного измерителя влажности при двух, по возможности максимально различающихся её значениях.

С помощью электронной таблицы вычисляют новые значения калибровочных коэффициентов K_SENS и H_offs и заносят их в EEPROM микроконтроллера по указанным в таблице адресам.

При необходимости калибровку можно повторить несколько раз, предварительно занося в поля "Текущий коэффициент K_SENS (из EEPROM)" и "Текущий коэффициент H_offs (из EEPROM)" электронной таблицы значения коэффициентов, полученные и загруженные в EEPROM при предыдущей попытке.

Рассматриваемая электронная таблица позволяет также проверить правильность работы устройства. Для этого в разделе "Калибровка" необходимо заполнить графы "Текущий коэффициент K_SENS (из EEPROM)" и "Текущий коэффициент H_offs (из EEPROM)", а в разделе "Проверка" ввести измеренное значение частоты на выходе преобразователя.

Будет рассчитано значение влажности, которое должно быть выведено на индикатор при правильной работе. Предполагается, что частота встроенного тактового генератора микроконтроллера имеющимися в нём средствами установлена в точности равной 4 МГц.

При отсутствии точного измерителя влажности калибровка устройства может быть выполнена в домашних условиях с помощью эталонов влажности на основе насыщенных растворов солей. Известно, что в замкнутом объёме над поверхностью такого раствора через некоторое время устанавливается некоторая равновесная относительная влажность.

Она мало зависит от температуры и целиком определяется используемой солью [3]. В табл. 2 приведены характеристики насыщенных растворов некоторых солей, которые можно использовать для калибровки датчика влажности.

В качестве эталона влажности 100 % для проверки правильности калибровки можно использовать герметично закрытый сосуд, частично заполненный тёплой водой и охлаждённый до комнатной температуры.

Таблица 2.

Таблица со значениями влажности

Для проведения калибровки на дно герметично закрывающегося контейнера наливают насыщенный раствор соли. При этом недопустимо наличие на стенках контейнера конденсата или кристаллической соли, не покрытой слоем раствора. На дне контейнера должно оставаться некоторое количество не растворившейся соли - это свидетельствует о насыщении раствора.

Датчик вводят в контейнер таким образом, чтобы на него не попал раствор. Нарушение этого требования может вывести датчик из строя.

Введя датчик, контейнер тщательно герметизируют и оставляют минимум на два часа для стабилизации влажности содержащегося внутри него воздуха. Питание калибруемого устройства при этом должно быть выключено, а в помещении должна поддерживаться постоянная температура. Через два часа на короткое время включают питание устройства и записывают показания.

Аналогичную операцию повторяют для другой эталонной соли. Когда эталонная соль не используется, она должна храниться в сосуде с герметично закрытой крышкой. Такие соли, как LiCl и MgCl2, обычно поглощают влагу из окружающего воздуха, а NaCl и KCl выделяют её.

Печатные платы и прошивка для микроконтроллера - Скачать.

А. Малышев, г. Москва. Р-08-2014.

Литература:

  1. HCH-1000 Series Capacitive Humidity Sensors. - URL:sensing.honeywell.com/index.php?ci_id=54698.
  2. HCH-1000 Series Humidity Sensor Calibration and Output Circuit Data. - URL:sensing.honeywell.com/index.php?ci_ id=47798&la_id=1.
  3. Основные понятия и единицы измерения влажности. - URL:www.microfor.ru/tools/theory/#1.

0 335 На микроконтроллерах
вентилятор вентиляция микроконтроллер avr микроконтроллер автоматика автоматическое управление
Оставить комментарий:

cashback