UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Mihael Sklepić SISTEM ZA KRMILJENJE TALNEGA GRETJA NA SONČNO ENERGIJO Z UPORABO KOLEKTORJEV Diplomsko delo Maribor, september 2014
UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO SISTEM ZA KRMILJENJE TALNEGA GRETJA NA SONČNO ENERGIJO Z UPORABO KOLEKTORJEV Diplomsko delo Študent: Študijski program: Mihael Sklepić univerzitetni študijski program Elektrotehnika Smer: Mentor: Somentor: Lektorica: Elektronika doc. dr. Iztok Kramberger asist. dr. Marko Kos Bojana Samarin, prof. Maribor, september 2014
i
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Iztoku Krambergerju in somentorju asist. dr. Marku Kosu, ki sta mi pomagala in svetovala pri izdelavi diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi vsem ostalim, posebno staršem, sestri in prijatelju Mihaelu Flacu, ki so mi ves čas študija pomagali in dvigovali samozavest. Hvala ii
Sistem za krmiljenje talnega gretja na sončno energijo z uporabo kolektorjev Ključne besede: sistem, krmiljenje, talno gretje, mešalni ventil UDK: 662.997:697.329(043.2) Povzetek Namen diplomskega dela je izdelava nizkocenovnega elektronskega krmilnega sistema za ogrevanje prostora s talnim ogrevanjem. Glavni del sistema je mikrokrmilnik, na katerega bo povezano vse ostalo. Sistem bo omogočal nadzor in vpogled v podatke (temperature) na zaslonu, na katerem bo možno prek uporabniškega vmesnika spreminjati pogoje delovanja sistema. Spreminjanje pogojev in nadzor bosta možna tudi na daljavo s pomočjo mobilnega telefona, saj bo sistem opremljen z GSM/GPRSmodulom. Kot pogoje za vklop in izklop črpalk ter krmiljenje mešalnega ventila oziroma regulacijo bomo uporabili meritve temperature, ki jih bomo zajemali s pomočjo temperaturnih senzorjev. iii
Control system for floor heating based on solar energy using collectors Key words: system, control, floor heating, mixing valve UDK: 662.997:697.329(043.2) Abstract The purpose of this thesis is making of low cost electronic control system for space heating with floor heating. Main part of this system is microcontroller, on wich is connected the rest of the peripherals.system provides control and insight into data (temperature) on the screen, on witch is, through the user interface, possible to change operating conditions of the system. Control and changing of the operating conditions of the system will be posibble on distance, because the system will be equipped with GSM/GPRS module. As conditions for turning off and on the pump as well as controling the mixing valve we will use temperature measurement, which we will include using temperature sensors. iv
KAZALO VSEBINE 1 UVOD... 1 2 TEORETIČNI PREGLED... 2 2.1 Mikrokrmilniki... 2 2.2 Vodilo 1-wire... 2 2.3 Zaslon na osnovi tekočih kristalov... 3 2.4 Standardna serijska komunikacija... 4 2.5 Programski jezik C... 5 3 ZASNOVA SISTEMA ZA KRMILJENJE TALNEGA GRETJA... 6 3.1 Projektne zahteve... 6 3.2 Izbor mikrokrmilnika... 8 3.3 Izbor napajalnika... 9 3.4 Izbor temperaturnega senzorja... 11 3.5 Izbor relejev... 12 3.6 Izbor GSM/GPRS-modula... 13 3.7 Izbor tipk in elektronskega mešalnega ventila... 14 4 IMPLEMENTACIJA SISTEMA ZA KRMILJENJE TALNEGA GRETJA... 16 4.1 Programska oprema na računalniku in načrtovanje tiskanega vezja... 16 4.2 Izdelava ohišja in priključitev temperaturnih senzorjev na mikrokrmilnik... 16 4.3 Priključitev tipk na mikrokrmilnik... 17 4.4 Vgrajena programska oprema... 19 5 PREIZKUŠANJE IN REZULTATI... 23 5.1 Preizkušanje osnovnih elementov vezja... 23 5.2 Merjenje porabe celotnega vezja v različnih stanjih delovanja... 25 6 SKLEP... 27 7 VIRI IN LITERATURA... 28 8 PRILOGE... 29 8.1 Priloga A: Vezalna shema celotnega vezja... 29 8.2 Priloga B: Tiskano vezje v 2D-pogledu... 30 8.3 Priloga C: Tiskano vezje v 3D-pogledu... 30 v
KAZALO SLIK Slika 2.1: Priklop 1-wire naprav... 3 Slika 2.2: Izgled zaslona na osnovi tekočih kristalov LCD 16 x 2... 4 Slika 2.3: Tipični paket pri standardni serijski komunikaciji, sestavljen iz 1 začetnega bita, 8 podatkovnih bitov in 1 končni bit... 5 Slika 3.1: Shema zasnovanega sistema za krmiljenje talnega gretja... 7 Slika 3.2: Mikrokrmilnik Atmega168PA-PU... 9 Slika 3.3: Prednja stran napajalnika TDK-LambdaLS25-5... 10 Slika 3.4: Zadnja stran napajalnika TDK-LambdaLS25-5... 10 Slika 3.5: Temperaturni senzor DS18B20... 11 Slika 3.6: Rele SSRT-240D10... 12 Slika 3.7: Sprednja stran GSM/GPRS-modula SIM900... 13 Slika 3.8: Zadnja stran GSM/GPRS-modula SIM900... 14 Slika 3.9: Tipka... 14 Slika 3.10: Elektronski mešalni ventil NR230-3-S... 15 Slika 4.1: Izdelano ohišje z vgrajenim senzorjem in kablom... 16 Slika 4.2: Splošna shema priklopa temperaturnih senzorjev... 17 Slika 4.3: Odpravljanje napake tipk s Schmittovim trigerjem... 17 Slika 4.4: Splošna shema priklopa tipke na mikrokrmilnik s Schmittovim trigerjem... 18 Slika 4.5: Splošna shema priključitve tipke na mikrokrmilnik z IC-jem MAX6816... 18 Slika 4.6: Diagram poteka za zunanjo prekinitev tipka 1... 19 Slika 4.7: Diagram poteka za zunanjo prekinitev tipka 2... 20 Slika 4.8: Diagram poteka za UART-sprejemno prekinitev GPRS/GSM-modula... 21 Slika 4.9: Diagram poteka glavnega programa... 22 Slika 5.1: Prikaz izpisa temperature na zaslon... 23 Slika 5.2: Izgled stanja za nastavitev na zaslonu... 24 Slika 5.3: Testna plošča z vezjem za testiranje delovanja celotnega sistema... 26 Slika 8.1: Vezalna shema celotnega vezja... 29 Slika 8.2: Tiskano vezje v 2D-pogledu... 30 Slika 8.3: Tiskano vezje v 3D-pogledu... 30 vi
KAZALO TABEL Tabela 5.1: Stanja s pripadajočimi vklopljenimi/izklopljenimi elementi sistema... 25 Tabela 5.2: Poraba moči v posameznih stanjih... 25 SEZNAM UPORABLJENIH KRATIC GND (angl. ground) SSR (anl. Solid State Relay) GSM (angl. Global System or Mobile Communications) GPRS (angl. general packet radio service) RAM (angl. Random Acess Memory) ROM angl. Read Only Memory) LED (angl. Light-emmiting diode) A merska enota za električni tok (amper) Hz merska enota za frekvenco (herz) V merska enota za napetost (volt) UART (angl. Universal asynchronous receiver/transmitter) VDD (angl. supply voltage) A/D in D/A pretvornik (angl. analog /digital & digital/analog converter) LCD (angl. Liquid Cristal Display) IC (angl. Integrated circuit) SPI (angl. Serial Peripheral Interface) vii
1 UVOD V svetu se vse več in več uporabljajo obnovljivi viri energije, kot so sonce, veter in ostali naravni izvori. Sončno energijo lahko uporabljamo na več načinov. Lahko jo uporabljamo za hlajenje in ogrevanje prostorov, dnevno svetlobo, kuhanje, toplo vodo (sanitarno vodo) ter za visokotemperaturne procese v industriji. Solarna tehnologija je značilna kot pasivna ali aktivna glede na način zajema, pretvorbe in distribucije. Aktivne solarne tehnike delujejo na principu fotovoltaike in kolektorjev za izkoriščanje sončne energije. Sončne kolektorje za ogrevanje vode lahko izkoristimo za različne namene. Eden od namenov je tudi talno gretje v prostoru. Pri talnem gretju na sončne kolektorje v nekem prostoru pridemo do več problemov oz. težav. Naprej so težave pri tem, da čez leto, ko je zunanja temperatura 20 C in več, ne ogrevamo prostorov, pač pa želimo toplo vodo izkoristiti na drugačne načine, na primer za tuširanje ali umivanje posode. Drugi problem je pri tem, da sistem za talno gretje potrebuje črpalke vode, ki porabljajo električno energijo in s tem posledično višje stroške. Tretji problem nastopa čez zimo, ko je temperatura pod ničlo, da lahko talno gretje in voda v sistemu zamrzne. Četrti problem nastopa pri tem, da uporabnik mogoče nima vedno fizičnega dostopa do sistema-talnega gretja (npr. ga ni doma) in si želi neki oddaljeni nadzor sistema z mobilnim telefonom. Cilj diplomskega dela je izdelava sistema, ki bo omogočal nadzor in vpogled v podatke (temperature) na zaslonu, na katerem bo možno preko uporabniškega vmesnika spreminjati pogoje delovanja sistema. Spreminjanje pogojev in nadzor bosta možna tudi na daljavo s pomočjo mobilnega telefona, saj bo sistem opremljen z GSM/GPRSmodulom. Kot pogoje za vklop in izklop črpalk ter krmiljenje mešalnega ventila oz. regulacijo bomo uporabili meritve temperature, ki jih bomo zajemali s pomočjo temperaturnih senzorjev. Diplomsko delo je z uvodom sestavljeno iz petih poglavij. Drugo poglavje vključuje teoretični pregled, ki je potreben za razumevanje posameznega dela sistema, kot tudi sistema v celoti. V tretjem poglavju je opisana zasnova celotnega sistema. V četrtem poglavju je opisana implementacija celotnega sistema. V petem poglavju so prikazana preizkušanja in rezultati izdelanega sistema. V šestem poglavju bomo podali zaključek diplomskega dela ter morebitne izboljšave izdelanega sistema za krmiljenje talnega gretja. 1
2 TEORETIČNI PREGLED 2.1 Mikrokrmilniki Mikrokrmilnik je integrirano vezje. Vsak mikrokrmilnik se sestoji iz mikroprocesorja, ki je lahko večjedrni ali enojedrni, pominilnika, vhodno/izhodnih priključkov ter ostalega. Mikrokrmilnik je glavni del vgrajenih sistemov. Zaradi majhne cene, univerzalne uporabe, nizke porabe energije in majhne velikosti ga srečamo v večini elektronskih naprav (mobilni telefon, avtomobil, mikrovalovna pečica, televizija...). V različnih sistemih se lahko uporablja eden ali več mikrokrmilnikov. Na trgu obstaja zelo veliko število različnih družin mikrokrmilnikov. Razlikujejo se po zmogljivosti, velikosti bliskovnega pomnilnika, ferkvenci delovanja, številu vhodno/izhodnih priključkov, periferiji. Pri izboru mikrokrmilnika moramo paziti, da izberemo dovolj zmogljiv mikrokrmilnik z ustreznim številom vhodno/izhodnih priključkov, dovolj pomnilnika in ustrezno periferijo. [1] 2.2 Vodilo 1-wire Vodilo 1-wire je vodilo ki ga je zasnovalo podjetje Dallas Semiconductor. Značilnosti vodila 1-wire: asinhrona komunikacija, izmenično dvosmerna (half-duplex); 2 liniji: signal (D) in masa (GND); signalna linija lahko služi tudi kot napajanje naprave; skupek naprav, povezanih z vodilom 1-wire = MicroLan; ena glavna naprava (angl. master), vse ostale so podrejene (angl. slave); vsaka naprava ima 64-bitno identifikacijsko kodo (od tega 8 bitov za tip in 8 bitov za kontrolno kodo); uporaba: priklop pametnih senzorjev, pomnilnika, analogno/digitalnih in digitalno/analognih pretvornikov, digitalnih potenciometrov,...; 2
izvedba protokola je možna s standardnim UART-vezjem; D-izhod naprav tipa odprt ponor pull-up upor na liniji D (kot pri I 2 C); neaktivna linija D je v stanju visoke napetosti zaradi pull-up upora; 1 = 60us dolg pulz nizke napetosti 0 = 1-15us dolg pulz nizke napetosti; oddajanje sproži glavna naprava s 60us pulzom nizke napetosti; hitrost prenosa: do 16,3 kb/s. [2] [3] linijo. Slika 2.1 prikazuje, kako se 1-wire naprave priklaplajo na Master, VDD-, GND- in D- Slika 2.1: Priklop 1-wire naprav 2.3 Zaslon na osnovi tekočih kristalov LCD-zaslon je zaslon na osnovi tekočih kristalov. Drugi naziv je alfanumerični zaslon. Omogoča izpis števil, črk in nekatere vrste znakov. Vsebuje lastni pomnilnik, ki ima namen shranjevanja podatkov ki se bodo se izpisali na zaslonu. Pomnilnik je tipa DDRAM. Razen pomnilnika vsebuje še inštrukcijske registre za upravljanje z delom zaslona. Inštrukcijski register se ukvarja z inštrukcijami in ukazi, ki so potrebni za delo zaslona. Zaslon vsebuje tri skupine priključkov. 3
Prva skupina priključkov so priključki za napajanje. To so priključki Vss, ki se povezujejo na maso, in Vdd, ki se povezujejo na napetost 5 V. Naslednji priključek je Vee, ki ima namen regulacije kontrasta. Če ne želimo uporabljati kontrasta, ga priklopimo na maso. Druga skupina priključkov so inštrukcijski priključki. Priključek Rs je priključek, prek katerega upravljamo z inštrukcijskim registrom zaslona. S priključkom Rw določamo, ali bomo na zaslon zapisovali, ali pa bomo z zaslona odčitali podatke. Priključek E je priključek za omogočanje dela zaslona. Slika 2.2 prikazuje izgled zaslona na osnovi tekočih kristalov LCD 16 x 2 (16 vrstic x 2 stolpca). Slika 2.2: Izgled zaslona na osnovi tekočih kristalov LCD 16 x 2 2.4 Standardna serijska komunikacija Standardna serijska komunikacija je komunikacija, pri kateri se posamezni biti podatka pošiljajo eden za drugim. Standardna serijska komunikacija sestoji iz oddajne in sprejemne linije. Komunikacijo lahko izvedemo na asinhroni ali sinhroni način. Pri sinhronem načinu poleg sprejemne in oddajne linije pošiljamo še uro za sinhronizacijo, ni pa treba dodajati začetnega in končnega bita. Ura za sinhronizacijo nam omogoča učinkovitejšo komunikacijo in večjo hitrost. Pri asinhronem načinu je pomembno, da sta sprejemnik in oddajnik enako skonfigurirana. Enaka morata biti dolžina podatka, hitrost in dolžina končnega bita. 4
Slika 2.3 prikazuje tipičen paket pri standardni serijski komunikaciji, sestavljen iz 1 začetnega bita, 8 podatkovnih bitov in 1 končnega bita. Slika 2.3: Tipični paket pri standardni serijski komunikaciji, sestavljen iz 1 začetnega bita, 8 podatkovnih bitov in 1 končni bit. 2.5 Programski jezik C Programski jeziki se delijo na nižje in višje programske jezike. Podelitev nižjih programskih jezikov: strojni jezik; zbirni jezik; makro zbirni jezik. Višji programski jeziki: pri rabi mnemonikov mora programer natanko vedeti, kako se posamezni mnemoniki izvajajo; kompleksne operacije je še vedno treba ročno pretvarjati na manj zahtevne, komplesne podatkovne strukture in jih zamenjati z enostavnimi, kajti po navadi stroj pozna le en podatkovni tip, in sicer besedo širine pomnilniške vrstice (mnogokratnika širine); visokonivojski programski jeziki programerju omogočajo pisanje v notaciji, ki je človeku bližja, in se mu hkrati ni treba ukvarjati s specifičnimi lastnostmi strojniškega jezika. [4] Programski jezik C je visokonivojski programski jezik. Spada med abstraktne visokonivojske programske jezike. Omogoča prenosljivost in je dokaj blizu strojne opreme, kar nam veliko pomaga pri programiranju mikrokrmilnikov. 5
3 ZASNOVA SISTEMA ZA KRMILJENJE TALNEGA GRETJA 3.1 Projektne zahteve Preden smo začeli z izdelavo diplomskega dela je bilo treba določiti ključne projektne zahteve. Na podlagi ključnih projektnih zahtev smo izbrali mikrokrmilnik, napajalnik, temperaturne senzorje, releje, GSM/GPRS-modul in tipke. Projektne zahteve: LCD-zaslon velikosti 16 x 2; 2 tipki, ki bosta omogočali nastavitev določenih pogojev in prehod med prikazom temperatur na LCD zaslonu; vklop in izklop 2 črpalk, ki delujeta na izmeničnem napajanju 230 V (maksimalen tok 5 A) pri določenih pogojih; krmiljenje mešalnega ventila, ki deluje na izmeničnem napajanju 230 V (maksimalen tok 5 A) pri določenih pogojih; nadzor sistema na daljavo GSM/GPRS-modul. Na sliki 3.1 je prikazana shema zasnovanega sistema za krmiljenega talnega gretja. 6
Slika 3.1: Shema zasnovanega sistema za krmiljenje talnega gretja Glavni del sistema je mikrokrmilnik, ki skrbi za pravilno delovanje oz. krmiljenje povezane periferije. Na mikrokrmilnik so povezani: zaslon, dve tipki, pet temperaturnih senzorjev, štirje releji in GSM/GPRS-modul. Na zaslonu je možno spremljati temperature posameznih senzorjev, pogoje za vklop/izklop črpalk ter pogoje za krmiljenje elektronskega mešalnega ventila. Z dvema tipkama nastavljamo pogoje za vklop/izklop črpalk ter pogoje za krmiljenje elektronskega mešalnega ventila. S pomočjo temperaturnih senzorjev merimo temperature v celotnem sistemu. Izmerjene temperature zajemamo in primerjamo s predhodno nastavljenimi pogoji za vklop/izklop črpalk in pogoji za krmiljenje elektronskega mešalnega ventila. Ker mešalni ventil in črpalke delujejo na izmenični napetosti, smo jih na krmilnik povezali z releji. GSM/GPRS-modul uporabljamo za nadzor na daljavo. Lahko spreminjamo delovanje celotnega sistema. Z elektronskim mešalnim ventilom na osnovi pogojev preklapljamo kroženje vode med dva načina. V prvem načinu voda kroži med kolektorjem in bojlerjem, v drugem načinu kroži med kolektorjem in 7
izmenjevalcem toplote oz. talnem gretju. Izmenjevalec toplote skrbi, da voda, ki pride iz kolektorja, ne gre direktno v talno gretje. Črpalka 1 na osnovi pogojev črpa vodo med kolektorjem in bojlerjem oz. izmenjevalcem toplote. Črpalka 2 na osnovi pogojev črpa vodo med izmenjevalcem toplote in talnim gretjem. Kolektor, ki se nahaja v sistemu, je zelo učinkovit, kar pomeni, da segreje vodo v oblačnih in zimskih dneh. 3.2 Izbor mikrokrmilnika Mikrokrmilnik je v sistemu za krmiljenje talnega gretja najbolj pomemben del sistema. Zaradi periferije, ki je povezana na mikrokrmilnik, potrebujemo naslednje karakteristike: dva zunanja prekinitvena priključka za dve tipki; standardno serijsko komunikacijo (UART) za povezovanje z GSM/GPRSmodulom; enajst prostih vhodno/izhodnih digitalnih priključkov za povezovanje zaslona; štiri prostih izhodnih digitalnih priključkov za povezovanje štirih relejev; eden prost vhodno/izhodni priključek za povezovanje petih temperaturnih senzorjev. Na osnovi zahtevanih karakteristik smo izbrali mikrokrmilnik Atmega168PA-PU podjetja Atmel. Karakteristike mikrokrmilnika Atmega168PA-PU: 8-bitna AVR -centralna procesna enota; 16 kb bliskovnega pomnilnika; 32 priključkov; maksimalna hitrost delovanja 20 MHz; maksimalno število vhodno/izhodnih priključkov 23; 24 izhodnih prekinitev; dva SPI-komunikacijska kanala; en I2C-komunikacijski kanal; en UART-komunikacijski kanal; en analogni komparator; 8
1 kb statičnega delovnega pomnilnika; 512 B električno zbrisljivega in programiljivega bralnega pomnilnika; delovna napetost od 1,8 V do 5,5 V. [5] Slika 3.2 prikazuje izgled uporabljenega mikrokrmilnika Atmega168PA-PU v sistemu. Slika 3.2: Mikrokrmilnik Atmega168PA-PU 3.3 Izbor napajalnika Pri izboru napajalnika smo opazovali naslednje karakteristike: vhod napajalnika 230 V izmenične napetosti; izhod napajalnika 5 V enosmerne napetosti; napajalnik, ločen od tiskanega vezja krmilnega sistema za talno gretje; minimalni tok 1 A. Na osnovi zahtevanih karakteristik smo izbrali napajalnik TDK-Lambda LS25-5 podjetja TDK naslednjih karakteristik: moč 25 W; izmenična vhodna napetost 230 V; vhodna ferkvenca 50 Hz; področje temperaturnega delovanja od -40 C do +85 C; maksimalen tok 5 A; nastavitev enosmerne izhodne napetostii od 4,5 V do 5,5 V; izkoristek napajalnika 79 %. [6] 9
sistemu. Slika 3.3 prikazuje prednjo stran napajalnika TDK-LambdaLS25-5, ki je uporabljen v Slika 3.3: Prednja stran napajalnika TDK-LambdaLS25-5 sistemu. Slika 3.4 prikazuje zadnjo stran napajalnika TDK-LambdaLS25-5, ki je uporabljen v Slika 3.4: Zadnja stran napajalnika TDK-LambdaLS25-5 10
3.4 Izbor temperaturnega senzorja Pri izbiri temperaturnega senzorja smo na osnovi naslednjih zahtev izbrali temperaturni senzor: senzor mora delovati na enosmerni napetosti 5 V; možnost merjenja temperature od -50 C do +125 C; digitalni senzor; hiter in enostaven priklop na sistem. Na osnovi zahtevanih karakteristik smo izbrali digitalni temperaturni senzor DS18B20 podjetja Maxim Integrated naslednjih karakteristik: uporablja 1-Wire vodilo; vsak DS18B20 senzor ima unikatno 64-bitno serijsko številko shranjeno v pomnilniku; napetost delovanja senzorja je od 3,0 V do 5,5 V; merilna temperatura od -55 C do +125 C (od 67 F do +257 F); nastavitev resolucije 9, 10, 11 ali 12 bitov; ±0,5 C natančnost pri merjenju temperature od -10 C do +85 C; pretvorba temperature v 12-bitno besedo v 750 ms. [7] Slika 3.5 prikazuje izgled izbranega temperaturnega senzorja DS18B20. Slika 3.5: Temperaturni senzor DS18B20 11
3.5 Izbor relejev Pri izboru relejev smo morali zagotoviti naslednje lastnosti: vhodni tok za preklapljanje ne sme presegati 20 ma; vhodna napetost za preklapljanja 5 V enosmerne napetosti iz mikrokrmilnika; izhodna izmenična napetost 230 V; minimalen izhodni izmenični tok 5 A; rele mora biti vzdržljiv za čim večje število preklopov. Na osnovi podanih zahtevanih lastnosti smo izbrali releje SSRT-240D10 podjetja Tyco Electronics naslednjih karakteristik: polprevodniški (SSR) rele; vhodna enosmerna napetost od 3 V do 32 V ali vhodna izmenična napetost od 90 V do 280 V; vhodni tok pri vhodni izmenični napetosti 8,5 ma; vhodni tok pri vhodni enosmerni napetosti 14 ma; maksimalen izhodni tok preklapanja 10 A; LED-indikator. [8] Slika 3.6 prikazuje izgled uporabljenih relejev SSRT-240D10 v sistemu. Slika 3.6: Rele SSRT-240D10 12
3.6 Izbor GSM/GPRS-modula GSM/GPRS-modul mora opravljati dve osnovni nalogi. Mora omogočati sprejemanje in pošiljanje sporočil ter posredovati podatke na mikrokrmilnik sistema, ki jih potem obdela. Izbrali smo GSM/GPRS-modul SIM900 podjetja Simcom, ki deluje na osnovi ATukazov. [9] [10] Slika 3.7 prikazuje sprednjo stran uporabljenega GSM/GPRS-modula SIM900 v sistemu. Slika 3.7: Sprednja stran GSM/GPRS-modula SIM900 sistemu. Slika 3.8 prikazuje zadnjo stran uporabljenega GSM/GPRS-modula SIM900 v 13
Slika 3.8: Zadnja stran GSM/GPRS-modula SIM900 3.7 Izbor tipk in elektronskega mešalnega ventila V sistemu smo uporabili dve tipki, ker smo želeli zajeti čim manjšo število vhodnih prekinitvenih priključkov mikrokrmilnika in čim manjšo kompleksnost nastavitve celotnega sistema. Na sliki 3.9 je prikazan izgled tipke, ki je uporabljena v sistemu. Slika 3.9: Tipka Elektronski mešalni ventil smo izbrali na podlagi naslednjih pogojev: ventil mora biti narejen za temperature od -25 C do +155 C; ventil mora biti zelo zanesljiv; ventil mora delovati na izmenični 230 V napetosti; 14
ventil mora imeti možnost preklopa v dva stanja. Na podlagi podanih pogojev smo izbrali elektronski mešalni ventil NR230-3-S švicarskega podjetja Belimo. Na sliki 3.10 je prikazan izgled elektronskega mešalnega ventila, ki je uporabljen v sistemu. Slika 3.10: Elektronski mešalni ventil NR230-3-S 15
4 IMPLEMENTACIJA SISTEMA ZA KRMILJENJE TALNEGA GRETJA 4.1 Programska oprema na računalniku in načrtovanje tiskanega vezja Program za mikrokrmilnik ter samo programiranje mikrokrmilnika smo delali v programskem okolju Atmel Studio. Tiskano vezje smo načrtovali s pomočjo programske opreme Altium Designer. Pri načrtovanju smo morali paziti na razporeditev kondenzatorjev, ki spadajo k mikrokrmilniku. Vezalna shema celotnega vezja se nahaja v prilogi A, izgled tiskanine v 2D-pogledu v prilogi B, izgled tiskanine v 3D-pogledu pa v prilogi C. 4.2 Izdelava ohišja in priključitev temperaturnih senzorjev na mikrokrmilnik Za temperaturne senzorje smo izdelali ohišja, ki omogočajo merjenje temperature vode v ceveh. Na začetku smo spajkali silikonski kabel, ki je odporen na temperature do 150 C in senzor. Spajkane dele med kablom in senzorjem smo izolirali s termobužirjem. Ohišje smo zapolnili z magnezijevim oksidom, ki zelo dobro prevaja toploto. Na koncu smo nanesli posebno lepilo, ki skrbi, da do senzorja ne pride vlaga. Izdelano ohišje z vgrajenim senzorjem in kablom je prikazano na sliki 4.1. Slika 4.1: Izdelano ohišje z vgrajenim senzorjem in kablom 16
Pri priključitvi temperaturnega senzorja DS18B20 na mikrokrmilnik je treba biti pozoren na razpored priključkov. Slika 4.2 prikazuje splošno shemo priklopa temperaturnih senzorjev DS18B20 na mikrokrmilnik. Slika 4.2: Splošna shema priklopa temperaturnih senzorjev Senzorje smo povezali na priključek PC5 mikrokrmilnika. 4.3 Priključitev tipk na mikrokrmilnik Pri implementaciji tipk v sistem so nastopile težave. Do težav je prišlo zato, ker po pritisku na tipko oz. sprostitvi tipke signal zaniha in mikrokrmilnik zazna, kot da smo tipko večkrat pritisnili. Na začetku smo napako odpravili s Schmittovim trigerjem SN74HC14N, podjetja Texas Instruments. Slika 4.3 prikazuje odpravljanje napake s pomočjo Schmittovega trigerja. Slika 4.3: Odpravljanje napake tipk s Schmittovim trigerjem 17
Slika 4.4 prikazuje splošno shemo priklopa tipke na mikrokrmilnik z Schmittovim trigerjem. Slika 4.4: Splošna shema priklopa tipke na mikrokrmilnik s Schmittovim trigerjem Po dolgem raziskovanju smo našli še boljšo rešitev. Podjetje Maxim Integrated je razvilo posebne IC-je, ki odpravljajo napake tipk. Razvili so tri produkte: MAX6816, MAX6817 in MAX6818. Mi smo uporabili IC MAX6817, ker v sistemu uporabljamo samo dve tipki, omenjeni IC pa prav tako zadosti tej zahtevi. Na sliki 4.5 je prikazana splošna shema priključitve tipke na mikrokrmilnik z IC-jem MAX6816, ki je podoben MAX6817- razlika je le v številu možnih priključitvenih tipk. Slika 4.5: Splošna shema priključitve tipke na mikrokrmilnik z IC-jem MAX6816 Tipke z IC-jem MAX6817 smo priklopili na priključeke PD2 in PD3 mikrokrmilnika. 18
4.4 Vgrajena programska oprema Slika 4.6 prikazuje diagram poteka za zunanjo prekinitev tipko 1. Slika 4.6: Diagram poteka za zunanjo prekinitev tipka 1 Slika 4.7 prikazuje diagram poteka za zunanjo prekinitev tipka 2. 19
Slika 4.7: Diagram poteka za zunanjo prekinitev tipka 2 Slika 4.8 prikazuje diagram poteka za UART-sprejemno prekinitev GPRS/GSMmodula. 20
Slika 4.8: Diagram poteka za UART-sprejemno prekinitev GPRS/GSM-modula 21
Slika 4.9 prikazuje diagram poteka glavnega programa. Slika 4.9: Diagram poteka glavnega programa 22
5 PREIZKUŠANJE IN REZULTATI 5.1 Preizkušanje osnovnih elementov vezja Na začetku smo testirali tipko 2 v stanju prikaza trenutnih temperatur posameznih senzorjev. Ko smo v stanju prikaza posameznih temperatur, se mora po pritisku na tipko 2 na zaslonu izpisati trenutna temperatura naslednjega senzorja. Po večkratnem testiranju smo ugotovili, da tipka 2 pravilno deluje, kar pomeni, da je rezultat testiranja pozitiven. Drugo testiranje smo izvedli tako, da smo segrevali posamezne temperaturne senzorje in na zaslonu gledali, če se temperatura povečuje. Na zaslonu se je temperatura postopno zviševala. Ko smo nehali segrevati, je temperatura začela padati. Na osnovi tega testiranja smo ugotovili, da senzorji pravilno delujejo, kar pomeni, da je rezultat tega testiranja pozitiven. Na sliki 5.1 prikazujemo izgled izpisa temperature na zaslon. Slika 5.1: Prikaz izpisa temperature na zaslon 23
V tretjem testiranju smo preverjali delovanje sistema, ko smo v stanju za nastavitev pogojev. Ko smo v stanju prikaza posameznih temperatur, po pritisku na tipko 1 pridemo v stanje za nastavitev pogojev. Na primer: če smo spremljali trenutno temperaturo 1 po pritisku na tipko 1, pridemo v stanje za nastavitev pogoja temperature 1. Potem s tipko 2 lahko spreminjamo pogoj. Na osnovi tega testiranja smo ugotovili, da sistem pravilno deluje v stanju za nastavitev pogojev. Na sliki 5.2 prikazujemo izgled stanja za nastavitev pogojev na zaslonu. Slika 5.2: Izgled stanja za nastavitev na zaslonu Na koncu smo preverjali delovanje GSM/GPRS-modula. To smo naredili na način, da smo pošiljali SMS-sporočila z mobilnega telefona na modul. S pošiljanjem sporočila»poweroff«smo izklopili obe črpalki ter preklopili mešalni ventil proti bojlerju. S pošiljanjem sporočila»poweron«smo vklopili normalno delovanje sistema programa. S pošiljanjem sporočila»celsius«gsm/gprs-modul nam je poslal nazaj trenutne temperature vseh senzorjev. Na podlagi teh testov smo ugotovili, da GSM/GPRS-modul v celotnem sistemu deluje pravilno ter da so rezultati tega testiranja pozitivni. 24
5.2 Merjenje porabe celotnega vezja v različnih stanjih delovanja Izvedli smo merjenje porabe celotnega vezja v različnih stanjih. Meritev smo izvedli tako, da smo za vsako stanje izmerili in odčitali tri vrednosti električnega toka. Meritve za vsako stanje smo izvedli trikrat, da dobimo bolj natančne rezultate. Iz teh meritev smo izračunali srednjo vrednost električnega toka po enačbi (1.1). Porabo moči smo izračunali z enačbo (1.2). Izmerili smo porabo GPRS/GSM-modula, ki znaša približno 250 mw. Tabela 5.1 Prikazuje stanje, v katerim se sistem lahko nahaja s pripadajočimi vklopljenimi/izklopljenimi elementi celotnega sistema. VKL. MIKROKRMILNIK VKL. DEBAUNCER IN TIPKE VKL. TEMP. SENZORJI (5) VKL. ZASLON VKL. ČRPALAKA 1 VKL. MEŠALNI VENTIL VKL. ČRPALKA 2 VKL. GSM/GPRS MODUL (RELEJ 1) (RELEJ 2 ali RELEJ 3) (RELEJ 3) STANJE 0 X X X X X STANJE 1 X X X X X X STANJE 2 X X X X X X STANJE 3 X X X X X X X STANJE 4 X X X X X X X STANJE 5 X X X X X X X STANJE 6 X X X X X X STANJE 7 X X X X X X X X Tabela 5.1: Stanja s pripadajočimi vklopljenimi/izklopljenimi elementi sistema Tabela 5.2 prikazuje porabo moči v posameznih stanjih. U (V) I 1 (ma) I 2 (ma) I 3 (ma) I povprecna (ma) P (mw) STANJE 0 5 116,8 117,8 124,1 119,57 597,83 STANJE 1 5 124,3 126,5 122,1 124,30 621,50 STANJE 2 5 132,1 126,3 123,9 127,43 637,17 STANJE 3 5 145,4 130,2 157,3 144,30 721,50 STANJE 4 5 148,9 139,7 137,5 142,03 710,17 STANJE 5 5 144,3 145,3 148,2 145,93 729,67 STANJE 6 5 125,8 126,7 123,3 125,27 626,33 STANJE 7 5 158,7 153,3 171,9 161,30 806,50 Tabela 5.2: Poraba moči v posameznih stanjih 25
(1.1) kjer je: Ipovprecna - povprečna izračunana vrednost električnega toka (ma) I1, I2, I3 - izmerjene vrednosti električnega toka (ma) (1.2) kjer je: U - napajalna napetost (V) Ipovprecna - povprečna izračunana vrednost električnega toka (ma) P - moč (W) Slika 5.3 prikazuje testno ploščo z vezjem za testiranje delovanja celotnega sistema. Slika 5.3: Testna plošča z vezjem za testiranje delovanja celotnega sistema 26
6 SKLEP Cilj diplomske naloge je bil izdelati sistem za krmiljenje talnega gretja na sončno energijo z uporabo kolektorjev. Začetne težave smo imeli pri implementaciji tipk, zato smo morali iskati najboljšo možno rešitev. Po dolgem času smo našli rešitev v obliki integriranega vezja. Pri iskanju težav za implementacijo tipk smo se naučili veliko stvari o priključitvi tipk na mikrokrmilnik, preklopnih karakteristikah tipk in vrsti tipk. Veliko koristnega smo se naučili pri izdelavi ohišja za temperaturne senzorje, in sicer vpliv vlage na merjene temperature in vpliv dolžine kabla pri senzorjih. Naslednje težave so nastale pri implementaciji GPRS/GSM-modula v sistem. Težave smo odpravili in se pri tem naučili zelo veliko stvari v zvezi z UART komunikacijo in sistemih za nadzor na daljavo. Izdelava diplomskega dela je bila zanimiva in zelo poučna ter nikakor preprosta zaradi premalo izkušenj s področja mikrokrmilnikov in programiranja teh. Vložili smo veliko volje, truda in dela. Na koncu smo dosegli zadani cilj, kar nam je bila glavna naloga. Izdelani sistem za talno gretje bi lahko nadgradili z zaslonom, občutljivim na dotik, ker bi se izognili tipkam v sistemu. Ker uporabljamo GSM/GPRS-modul, je možno programsko nadgraditi, da imamo oddaljen dostop prek internetne povezave. Zanimivo bi bilo izdelati android aplikacijo, s katero bi imeli celoten nadzor in upravljanje na zaslonu mobilnega telefona. 27
7 VIRI IN LITERATURA [1] Mikrokrmilnik.Wikipedia. http://sl.wikipedia.org/wiki/mikrokrmilnik [23. 8.2014] [2] Procesorski sistemi v telekomunikacijah. Komunikacija v procesorskih sistemih. Univerza v ljubljani. http://fides.fe.uni-lj.si/~arpadb/pstk/predavanje-pstk-6.ppt [23. 8. 2014] [3] 1-Wire. Maxim Integrated. http://www.maximintegrated.com/en/products/comms/one-wire.html [24. 8. 2014] [4] Delitev programskih jezikov. Univerza v Ljubljani. http://colos.fri.unilj.si/eri/racunalnistvo/prog_jeziki_orodja/02delitevprogjezikov/02_deli tevprogramskihjezikov.html [26. 8. 2014] [5] ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P. Atmel. http://www.atmel.com/images/atmel-8271-8-bit-avr-microcontroller-atmega48a- 48pa-88a-88pa-168a-168pa-328-328p_datasheet_summary.pdf [26. 8. 2014] [6] Datasheet LS Series. Tdk-Lambda. http://www.us.tdk-lambda.com/ftp/specs/ls.pdf [26. 8. 2014] [7] DS18B20. Maxim Integrated. http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/ds18b20.pdf [28. 8. 2014] [8] SSRT-240D10. Te connectivity. http://www.te.com/catalog/pn/en/2-1393030-1?rqpn=ssrt-240d10 [28. 8. 2014] [9] Simcom. Sim900. http://www.simcom.us/act_admin/supportfile/sim900_hd_v1.01%28091226%29.p df [29. 8. 2014] [10] AT Commands Sim900. Simcom. http://www.simcom.us/act_admin/supportfile/sim900_atc_v1.00.pdf [02. 9. 2014] 28
8 PRILOGE 8.1 Priloga A: Vezalna shema celotnega vezja Slika 8.1: Vezalna shema celotnega vezja 29
8.2 Priloga B: Tiskano vezje v 2D-pogledu Slika 8.2: Tiskano vezje v 2D-pogledu 8.3 Priloga C: Tiskano vezje v 3D-pogledu Slika 8.3: Tiskano vezje v 3D-pogledu 30
31
32
33