Двухпозиционный (ON/OFF) контроллер с термопарой на MAX6675

Состав системы
Как работает
Кнопки управления
Индикация LCD
Подключение
Что нужно для проекта
Возможные проблемы
Скетч

Это простейшая система управления подогревом (включить/выключить), которая использует в качестве измерителя температуры термопару типа К на микросхеме MAX6675.

Двухпозиционный (ON/OFF) контроллер

Что может данная система управления. Она включает и выключает подогреватель при заданных температурах. Выдает сигнализацию по высокой и низкой температуре. Все события выводятся на LCD-дисплей. Система позволяет настраивать все необходимые параметры и записывать их в память Arduino. В системе есть полностью ручной режим (включение/выключение).

СОСТАВ СИСТЕМЫ

PLC Arduino UNO с шилдом Sensor Shield v 5.0 (питание 7-12 В постоянного тока), LCD-дисплей с шиной I2C, DC-DC конвертер для питания реле и дисплея, реле включения и выключения подогревателя и реле сигнализации, кнопочный пост с тремя кнопками и температурный преобразователь MAX6675. Термопару можно использовать штатную, установленную на системе подогрева.

Обратите внимание, на сайте есть страничка, как сделать преобразователь для термопары типа К самостоятельно. Хотя я рекомендую использовать MAX6675.

При подаче питания на Arduino контроллер замерит текущую температуру объекта. При снижении температуры ниже заданной минимальной контроллер подаст питание на реле включения подогревателя, а при превышении заданной максимальной выключит реле. В случае, если текущая температура уйдет за пределы заданной минимальной или максимальной уставки, будет подано питание на реле сигнализации. При неисправности термодатчика вы можете переключиться в ручной режим и сами включать и выключать подогреватель.

Двухпозиционный (ON/OFF) контроллер

Управлять системой можно с помощью трех кнопок : НАСТРОЙКИ, ВВЕРХ и ВНИЗ. Рассмотрим их функции подробно :

Кнопка НАСТРОЙКИ

При нажатии этой кнопки вы попадете в меню настроек и будете циклично переходить по пунктам меню. После последнего пункта меню вы снова вернетесь на основной экран (показания температуры). Изменение параметров осуществляется кнопками ВВЕРХ и ВНИЗ. Все цифровые параметры имеют верхнюю и нижнюю границы, за которые вы выйти не сможете. Изменение цифровых параметров сразу принимается системой, подтверждение не нужно. Обратите внимание, верхнюю и нижнюю границы, а также значение по умолчанию вы можете сами изменять в скетче.

Пройдемся по пунктам меню Настройки.

• 1 MinTemp XXºC (minimum temperature) : температура включения подогревателя в ºC. Значение по умолчанию - 29ºC. Нижняя граница - 0ºC, верхняя - 980ºC.
• 2 MaxTemp XXºC (maximum temperature) : температура выключения подогревателя в ºC. Значение по умолчанию - 33ºC. Нижняя граница - 0ºC, верхняя - 999ºC.
• 3 AlarMin XXºC (alarm minimum temperature) : температура активации сигнализации по низкой температуре в ºC. Значение по умолчанию - 28ºC. Нижняя граница - 0ºC, верхняя - 990ºC.
• 4 AlarMax XXºC (alarm maximum temperature) : температура активации сигнализации по высокой температуре в ºC. Значение по умолчанию - 40ºC. Нижняя граница - 0ºC, верхняя - 999ºC.
• 5 AlarmDiff (alarm temperature differential) : дифференциал сигнализации в ºC. Значение по умолчанию - 0ºC. Нижняя граница 0ºC, верхняя 990ºC.
• 6 TempCor (temperature correction) : поправка температуры в ºC. Значение по умолчанию - 0ºC. Нижняя граница -100ºC, верхняя +100ºC. Эта поправка добавляется к замеренной температуре. Если поправка отличается от нуля, в нижней строчке появится восклицательный знак.
• 7 Alarm ON/OFF включение или выключение сигнализации по температуре. Значение по умолчанию - ON (сигнализация включена). При включенной сигнализации и выходе температуры за пределы уставок подается питание на реле сигнализации, а на LCD выводится "TLow" - низкая температура или "THigh" - высокая температура. При отключенной сигнализации реле срабатывать не будет, но текст на экране все равно появится.
• 8 Auto/Man переключение между автоматическим и ручным режимом. Значение по умолчанию - Auto (автоматический режим). При переходе в ручной режим реле подогревателя отключается.
• 9 Heater ON/OFF включение или выключение подогревателя. Значение по умолчанию - OFF (выключен). Этот пункт меню работает только в ручном режиме.
• 10 ReadSet. (UP) : чтение настроек из энергонезависимой памяти Arduino. При нажатии кнопки ВВЕРХ настройки из памяти PLC перейдут в оперативную. Обратите внимание, в настройки записываются только цифровые параметры (пункты 1 - 6).
• 11 SaveSet. (UP) : запись настроек в энергонезависимую память Arduino. При нажатии кнопки ВВЕРХ текущие параметры запишутся в постоянную память PLC. Обратите внимание, в настройки записываются только цифровые параметры. При перезагрузке контроллера (выключение - включение) именно эти настройки загрузятся в программу.
• 12 Default (UP) : загрузка значений по умолчанию (пункты 1 - 6). При нажатии кнопки ВВЕРХ параметры, определенные в начале скетча, загрузятся в оперативную память PLC (в текущие настройки). Эта функция может быть полезна, когда вы запутались в регулировках и хотите все вернуть в исходное положение. Но есть и еще одна причина ее использования. Если вы на одну и ту же плату Arduino постоянно записываете скетчи разных проектов, возможна ситуация, когда параметры одного проекта запишутся в настройки другого. Конечно, это можно исправить, но представьте, что в параметре, где должно быть, например, число 10, стоит 32000. Вручную кнопками ВВЕРХ или ВНИЗ корректировать это очень долго, проще сбросить настройки к заводским, а уже затем их подправить.

Кнопки ВВЕРХ-ВНИЗ

Этими кнопками меняются значения параметров.

Верхняя строчка :

"Auto ON" - автоматический режим, подогрев включен

"Auto OFF" - автоматический режим, подогрев выключен

"Manual ON" - ручной режим, подогрев включен

"Manual OFF" - ручной режим, подогрев выключен

"TLow" - сигнализация по низкой температуре

"THigh" - сигнализация по высокой температуре

Нижняя строчка :

"Temp=XX.XXºC" - текущая температура в ºC

"!" - введена поправка температуры (отличается от 0)

в режиме настроек : пункты меню настроек

Здесь приведено соединение всех элементов системы управления, Arduino (через шилд) и самого подогревателя. В виде схемы подключение представлено ниже.

Подключение подогревателя

Плата Arduino и Sensor-shield

• питание Arduino : от адаптера 7-12VDC (2A)
• питание шилда (перемычка убрана) : от адаптера 7-12VDC (2A) через понижающий DC-DC преобразователь типа LM2596 (не менее 2А)
• LCD-дисплей 1602 + модуль I2C : питание от шилда (подсоединяем GND и VCC к любым свободным пинам G и V цифровых входов), SDA (I2C) - A4 (шилд), SCL (I2C) - A5 (шилд)
• реле включения/выключения подогревателя : сигнал от Arduino - цифровой пин 9, питание от шилда (подсоединяем GND и VCC реле к пинам G и V пина 9)
• реле сигнализации : сигнал от Arduino - цифровой пин 8, питание от шилда (подсоединяем GND и VCC реле к пинам G и V пина 8). Контакты реле вы можете подключить к общесудовой сигнализации или сделать местную
• сигнал от кнопки НАСТРОЙКИ : вход в Arduino - цифровой пин 7. Пины + и - кнопочного поста, общие для всех кнопок НАСТРОЙКИ, ВВЕРХ, ВНИЗ, подсоединяем к любым свободным пинам V и G цифровых входов. Линию сигнала и земли шунтируем резистором 10кОм
• сигнал от кнопки ВВЕРХ : вход в Arduino - цифровой пин 6. Линию сигнала и земли шунтируем резистором 10кОм
• сигнал от кнопки ВНИЗ : вход в Arduino - цифровой пин 5. Линию сигнала и земли шунтируем резистором 10кОм
• сигнал от термопреобразователя MAX6675 к Arduino : SCK - цифровой пин 2, CS - цифровой пин 3, SO - цифровой пин 4. Питание к любым свободным пинам G и V цифровых входов
• входы от термопары типа К к клеммам + и - на термопреобразователе MAX6675

Подогреватель

Настоятельно рекомендуется подключать подогреватель через контактор, катушку которого питать от реле системы. Реле включения/выключения подогревателя : COM - источник питания с напряжением аналогичным катушке контактора подогревателя, NO - клемма катушки контактора подогревателя (например А1). Минусовой или нулевой провод контактора можно оставить штатный.

Схема подключения подогревателя

• PLC Arduino UNO (datasheet) - 1 шт
• Sensor Shield v 5.0 (datasheet) - 1 шт
• понижающий DC-DC преобразователь типа LM2596 (не менее 2А) (datasheet) - 1 шт
• LCD-дисплей 1602 (datasheet) + модуль I2C - 1 шт
• термопреобразователь MAX6675 (datasheet)
• реле одноканальное (катушка 5VDC) (datasheet) - 2 шт
• кнопка тактовая с колпачком (datasheet) - 3 шт
• резистор 10 кОм (0,25 Вт) - 3 шт
• макетная плата под пайку 30х55 - 1 шт (для монтажа кнопок)
• стойка мама-мама М3х15 - 8 шт (для монтажа LCD-дисплея и самодельного термопреобразователя)
• гайка М3 - 50 шт и более в зависимости от способа крепления вышеуказанных элементов
• болт М3х15, М3х10 - 20 шт и более
• провод Dupont мама-мама или папа-мама (20 см) - 30 шт и более в зависимости от типа пинов соединяемых элементов
• провод типа AWG - 50 см (соединение штекер - DC-DC преобразователь - Sensor Shield)
• штыревой соединитель 40pin - 1 шт
• штекер питания DC 2.1 мм с клеммной колодкой папа и мама - 1 пара (для подключения шилда)
• кусок оргстекла или т.п. - 20х30 см (для монтажа всех элементов)
• болт М6х15 и гайка - 4 шт (ножки оргстекла)

Главная проблема, возникшая при полевых испытаниях, большая чувствительность Arduino к электромагнитным полям (плата зависает). Это явление возникает при коммутации через реле токов переменного напряжения 220 В и более. В этом случае вынесите реле К1 на расстояние не менее полуметра от платы.

Ниже представлен скетч системы управления. В этом окне он неудобочитаем, поэтому скачать его в формате ino вы можете по этой ссылке.

Для работы этого скетча вам понадобятся дополнительные библиотеки :

• EEPROM.h - библиотека работы с памятью (она нужна для чтения и записи наших настроек в энергонезависимую память Arduino). Это стандартная библиотека, она входит в комплект среды программирования Arduino IDE.
• Wire.h - библиотека для работы с протоколом I2C. Это тоже стандартная библиотека, ее устанавливать не нужно.
• LiquidCrystal_I2C.h - библиотека для работы с LCD по протоколу I2C. Скачать.
• max6675.h - библиотека работы с преобразователем MAX6675 для термопар типа К. Скачать.

Если есть возможность, проверьте эти библиотеки на наличие обновлений.