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Régulateur différentiel bricolage



Régulateur différentiel bricolage

Gordy a conçu et construit un contrôleur différentiel à microprocesseur pour contrôler la pompe de son système de chauffe-eau solaire.

Le matériel ci-dessous contient une description complète de la conception, des notes sur ce qui a affecté la conception, les problèmes que vous devez garder à l’esprit si vous utilisez ou modifiez la conception de votre système, les détails de l’assemblage matériel et les listes complètes des logiciels de contrôleur.

Un grand merci à Gordy pour cette description détaillée!

Index des pages

Notes de conception

Régulateur de température différentielle utilisant la technologie Comfile CB210
Construisez un contrôleur numérique pour votre chauffe-eau solaire BuildItSolar à 1 000 $!

20 février 2013
Concept de base:

Design conceptuel:

L’objectif principal du lancement de la conception de ce régulateur était le désir d’atteindre la fiabilité, le faible coût et, si possible, la simplicité. Une défaillance de moins d’une heure peut entraîner la rupture de la tuyauterie dans les collecteurs gelés ou le dépôt d’ensembles collecteurs en raison de températures de stagnation excessives.

La variante maître / esclave Khanh du chauffage solaire BIS $ 1K était à l’origine alimentée par une seule pompe Swiftech MCP655. Lors du test initial, il y a eu des tentatives pour alimenter la pompe avec trois petits panneaux photovoltaïques de 15 watts. Les recherches en ligne ont suggéré que l’alimentation photovoltaïque présentait divers avantages – mais les petits panneaux n’étaient pas assez puissants. Après cela, la batterie vieillissante de la voiture est devenue la source électrique de base de la pompe, et la batterie a été chargée de panneaux PV et de divers chargeurs de verrues muraux. Des tentatives ont été faites pour utiliser des plaques PV pour un contrôle supplémentaire du transfert de puissance à la pompe, mais tôt et tard dans la journée, les plaques d’eau thermale seraient assez chaudes, mais la tension d’alimentation ne serait pas suffisante pour démarrer de manière fiable la pompe. Il est devenu évident qu’un régulateur de température était nécessaire.

Le circuit de comparaison domestique, très simple, a été utilisé pendant la majeure partie de la période initiale de deux ans. Il était basé sur l’ampli opérationnel LM324 et s’est révélé très fiable – mais il a fallu un grand nombre de modifications par essais et erreurs pour y arriver. Compte tenu des différentes situations rencontrées par différentes expériences, il a été décidé de concevoir le contrôleur avec une meilleure précision et une flexibilité améliorée. En utilisant un microcontrôleur assemblé et testé comme noyau central du contrôleur, l’expérimentateur a la capacité de modifier facilement de nombreux aspects du circuit via un logiciel.

Avant l’achèvement du réservoir de stockage solaire, les premiers tests (15 novembre 2010) en plein soleil ont suggéré que le système fournirait une récupération de chaleur respectable (un peu plus de 150 Btu / sq ft / h), avec un débit acceptable d’environ 1, 8 gal (US) par minute.

Notre cas s’est avéré être une situation très difficile pour l’application d’un chauffe-eau solaire pour un ménage. De nombreux aspects sont loin d’être optimaux, et de nombreux aspects ont été repensés et modifiés pour essayer d’améliorer la situation. Le plus gros problème est de loin le manque de soleil, parfois quelques semaines sans soleil passent! Par conséquent, il semblait de la plus haute importance de profiter de toutes les opportunités ensoleillées – quelle que soit la durée.

Il semblait «irréfléchi» d’ajouter une pompe secondaire pour profiter de chaque occasion pour plus de chaleur. La littérature suggère que: (i) la deuxième pompe de la série tend à améliorer la capacité de levage (avec peu d’amélioration du débit), et (ii) la deuxième pompe en parallèle améliore le débit (avec peu d’effet de levage). La tête n’était pas un problème, mais l’amélioration du débit était essentielle. Par conséquent, ce régulateur différentiel a été initialement conçu et construit pour supporter l’activation d’une deuxième pompe parallèle lorsque le collecteur était suffisamment chaud que le réservoir pour justifier l’effort de pompage supplémentaire. Étonnamment, les tests ultérieurs ont montré que la configuration en série de la pompe fournirait un débit légèrement meilleur – mais seulement une amélioration d’environ 20%.

Force est de constater que depuis deux ans les flux baissent! C’était une bonne question. Est-ce peut-être dû à l’augmentation du frottement des tuyaux dans le système (puisque les composants en cuivre exposés ont depuis longtemps perdu leur aspect brillant)? Peut-être que les nouvelles pompes n’étaient pas aussi puissantes que les originales? Peut-être que les débitmètres avaient des performances inexactes ou dégradantes?

Dans tous les cas, les aspects matériels du contrôleur de température différentielle ont permis une stratégie de pompage en série ou en parallèle, et un logiciel programmable pourrait fournir certaines options d’optimisation.

Manette:

Comfile Technology fabrique la gamme de produits de microcontrôleur Cubloc. Les capacités matérielles de cette gamme de produits vont de relativement basiques à entièrement équipées, mais elles sont toutes programmées avec le même progiciel de développement logiciel gratuit. La documentation est excellente – même pour les débutants! Le Cubloc CB210 est un microcontrôleur très simple qui peut être programmé en BASIC et en langages logiques. La tuile assemblée et testée coûte un modeste 30 $. Le contrôleur possède 20 ports d’entrée / sortie, six peuvent être des convertisseurs analogique-numérique 10 bits (A à D) et trois peuvent être des impulsions de modulation de largeur d’impulsion (PWM). Il peut être alimenté de 9 à 12 volts cc dans la configuration ‘EXT’ (en fait 8 V si régulé) ou 5 volts à partir du port USB du PC.

Capteur de température:

Près de la sortie de plomberie du capteur solaire se trouve une thermistance NTC de 40TC Ohm (en fait deux, car une est toujours connectée au thermomètre intérieur / extérieur « Missil » pour une lecture visuelle et une confirmation). Il y a une autre paire de thermiques de 40 km dans le réservoir de stockage solaire (encore une est attachée au thermomètre intérieur / extérieur). La résistance est placée en série avec chaque thermistance de capteur (c’est-à-dire celles coupées du thermomètre), créant deux circuits diviseurs de tension et plaçant une petite tension connue aux bornes des circuits de résistance. À mesure que la résistance de la thermistance diminue à mesure que la température augmente, la tension aux bornes de chaque thermistance peut être mesurée et convertie en une lecture de température. Des thermomètres intacts pour une utilisation intérieure et extérieure sont utilisés pour faciliter l’étalonnage de cette conversion. En bref, si la température extérieure est légèrement supérieure à la température de stockage de l’eau, le contrôleur met en marche la pompe à eau, sinon, la pompe s’arrête.

Interface de commande de pompe:

Le microcontrôleur est un appareil avec une tension à cinq tensions de très faible puissance, il est donc recommandé d’utiliser un circuit d’interface pour piloter des tensions et des courants plus élevés qui sont nécessaires à la plupart des pompes. Diverses pompes CC de faible puissance telles que les pompes de refroidissement de serveur informatique fonctionnent généralement à des tensions d’environ 12 à 14 volts à quelques ampères seulement. Dans ce cas, l’interface peut être soit un transistor bipolaire, soit un MOSFET plus efficace qui pilote directement une pompe ou un relais.

Les circuits à microprocesseur sont très sensibles aux passeurs de tension des circuits de commutation. Les pompes avec une alimentation plus élevée peuvent nécessiter des tensions et / ou des courants CC plus élevés ou le secteur (généralement 115 Vca). Dans de tels cas, une sécurité améliorée de l’isolation électrique d’un relais de qualité ou d’un croisement optiquement isolé avec un état solide, zéro est recommandé.

Détails de conception:

Matériel du contrôleur:
Philosophie globale de conception:

Il peut être tout à fait certain que le circuit d’interface proposé est loin de la conception commerciale optimale. Honnêtement, les critères de conduite étaient (i) les pièces devaient être dans ma poubelle, (ii) pour être reproduites par d’autres, les pièces devaient être facilement accessibles (essentiellement génériques), et (iii) le circuit devait être robuste (ou du moins de s’arrêter facilement) dans le cas de situations opérationnelles très différentes.

Considérations de A à D:

Deux entrées A à D sont utilisées pour échantillonner le capteur de température de thermistance. La tension à ces entrées ne doit jamais être inférieure à moins 0,5 volt ni supérieure à 5,5 volts (en supposant que 5 processeurs alimentent le processeur). Il y a de longs fils entre le capteur de température et le processeur qui ont tendance à agir comme des antennes. On peut s’attendre à ce qu’ils captent 60 Hz de bruit alternatif et radiofréquence qui doivent être ajustés à la fois à la sécurité du processeur et à la précision de la mesure. En pratique, il faut essayer de limiter ces tensions d’entrée A / N entre zéro et 5,0 volts. 2.2 Des condensateurs microfarad sont utilisés dans le circuit pour séparer le tantale pour la filtration et le bruit alternatif et haute fréquence basse fréquence. Dans des situations normales, l’utilisation de ces condensateurs détachables doit être efficace.

Cependant, certaines situations peuvent être trop bruyantes en raison de la proximité de signaux néon et / ou d’équipements inductifs lourds. Dans de telles situations, des diodes zener à polarisation inverse de 5,6 volts (comme dans 1N5339BT) sont souvent utilisées pour limiter les transitions de tension à des niveaux sûrs aux ports d’entrée du processeur. Gardez à l’esprit que ces femmes ont tendance à introduire une non-linéarité supplémentaire dans les mesures de thermistance de A à D – il est préférable de les éviter, sauf si cela est absolument nécessaire.

Notez que les diviseurs de résistance de chaque capteur sont alimentés par plus de 5 volts. Pour maximiser la précision de la conversion analogique-numérique (il n’y a que 1023 intervalles de mesure), il est recommandé d’utiliser autant de balançoires d’entrée de 5 volts que possible. L’astuce consiste à s’assurer que les valeurs de la résistance de limitation de courant et la tension appliquée sont sélectionnées de sorte que la tension à l’entrée A à D ne soit jamais en dehors de la plage de sécurité de zéro à 5 volts – pour toutes les températures de sonde possibles.

Lorsque les thermistances ne consomment rien de plus qu’un courant très minime, elles chauffent – fournissant des lectures de température erronées. Par conséquent, les thermomètres «dollar» de 40 000 ohms ont un avantage significatif par rapport à la thermistance standard de 10 000 ohms. Pour réduire davantage l’effet de l’auto-échauffement, les thermomètres ont tendance à pulser la puissance des thermistances uniquement lors de leur lecture. Avec un contrôleur programmable, c’est aussi simple. Utilisez simplement la broche de sortie pour activer le N MOSFET pour allumer instantanément (pendant la lecture) l’alimentation du capteur.

Considérations relatives à l’interface de la pompe:

Lors du choix d’une pompe, il convient de s’assurer qu’elle a la capacité de fournir le débit souhaité à la hauteur de la «tête». De plus, la température de fonctionnement de la pompe doit être prise en compte. D’autres considérations incluent l’avantage des pompes avec peu de pièces mobiles, une longue durée de vie et de bonnes performances par rapport à l’électricité d’entrée. Les pompes CC basse tension ont l’avantage d’être faciles à utiliser via une batterie de voiture – même si l’alimentation secteur est réduite.

Les pompes sont des charges inductives par nature. Lorsque la pompe est arrêtée, l’alimentation est retournée au circuit. Il faut le couper ou le creuser pour ne pas endommager le disjoncteur! C’est la raison de la diode du redresseur à polarisation inverse sur les deux pompes et l’enroulement de la bobine de relais. Notez que dans des situations de puissance plus élevée, les contacts de relais peuvent avoir tendance à coller – en particulier lors de la commutation de charges CC. Si vous utilisez un relais, privilégiez un relais qui a un degré de contact légèrement plus élevé que prévu dans les conditions.

De nombreuses pompes CC plus récentes sont dotées de commandes de vitesse à semi-conducteur intégrées dans les corps de pompe. Dans de tels cas, il est préférable d’être alimenté par une batterie CC ou du plomb-acide ou une alimentation à découpage régulée de haute qualité (typique pour les ordinateurs portables) ou les deux. L ‘ »adaptateur d’alimentation à froid » est tentant car les capacités d’alimentation et de tension sont généralement bien adaptées pour charger une batterie de voiture avec du plomb dans cette application. Mais la tension de sortie de certains de ces «adaptateurs plus froids» peut être très bruyante avec un transitoire de tension. Si tel est le cas, il est nécessaire d’utiliser en plus la batterie de la voiture dans le circuit (afin d’atténuer ces données transitoires).

La mise en marche de l’entrée 115 V de l ‘«adaptateur de refroidisseur» (ou d’une autre alimentation de 115 V à 13 Vcc) uniquement lorsque la pompe fonctionne efficacement charge la batterie proportionnellement à l’utilisation de la batterie. Empêche la consommation d’énergie et la surcharge. Ce circuit fournit un relais en parallèle avec la pompe principale. Les contacts de ce relais peuvent être utilisés pour commuter le côté «chaud» du câble 115 Vca vers un adaptateur (ou une autre source d’alimentation CC).

Dans de nombreux puissance alternée situations de contrôle, optiquement isolé, transition nulle, état solide peut avoir la priorité sur un relais mécanique. Cependant, beaucoup ne tolèrent pas bien les «CEM inverses» des charges inductives. Pour éviter une défaillance potentielle, il est recommandé de lire attentivement les fiches techniques. Il semble que ce serait l’application parfaite pour un commutateur à semi-conducteurs à transition nulle et optiquement isolé. L’auteur prévient que cela peut ne pas être complètement fiable, selon l’inclusion de « l’adaptateur » – car il y avait des poignées occasionnelles (à la fois en marche et en arrêt) de la pompe. Cette difficulté peut se produire parce que le courant d’entrée CA pour commuter l’alimentation (c.-à-d. Les adaptateurs de dissipateur de chaleur) a généralement de grandes impulsions de courant, ce qui génère à son tour des facteurs de transition «CEM inverses» et, par conséquent, ne ressemble pas au courant alternatif normal dans une charge de «résistance». . En cas de doute, un simple relais est probablement un meilleur choix pour cette application.

Considérations relatives à l’alimentation:

Le diagramme identifie l’utilisation d’une batterie plomb-acide 12 V conventionnelle comme source électrique principale pour le régulateur. D’autres sources d’alimentation sont possibles dans la gamme de 10 à 20 V cc avec un circuit sécurisé. Cela offre une certaine flexibilité pour l’utilisation du PV. Dans l’état «ON», une chute de tension aux bornes du commutateur de pompe MOSFET d’environ un demi-volt peut être attendue. Il convient donc de s’assurer que les pompes peuvent supporter une tension d’alimentation (disons 13v) moins 0,5 V (ou l’équivalent de 12,5 V aux bornes de la pompe).

Logiciel du contrôleur:
Philosophie globale de conception:

Grâce à la conception de logiciels (ou plus précisément de « firmware »), l’intention était d’inclure les nécessités et d’inclure des aspects suffisants pour s’adapter aux situations les plus puissantes – mais sinon, l’intention était de « simplifier les choses »! Un grand nombre de commentaires sont inclus dans le code source pour faciliter la modification en fonction des différentes situations.

Le logiciel est programmé en BASIC. Non, ce n’est pas élégant, mais c’est extrêmement facile à utiliser. L’éditeur propose des conseils de grammaire en ligne, un débogage interactif et une touche « > » très simple à composer, télécharger, enregistrer et exécuter. Tu as fait une erreur? Pas de problème, il peut être reprogrammé environ 10 000 fois!

Mesure et conversion de capteurs de température:

Idéalement, une mesure précise de la température serait souhaitable, mais tous ces capteurs présentent plusieurs inconvénients. Les thermistances NTC souffrent de tolérances de fabrication, d’effets d’auto-échauffement et sont loin d’être linéaires. Dans une plage de température très limitée, une approximation linéaire peut souvent être utilisée, mais la plage de température dans cette application est beaucoup trop grande. Le logiciel source essaie de contourner le problème de non-linéarité en divisant la plage de températures de fonctionnement en six intervalles et en implémentant une approximation linéaire différente pour chaque intervalle. L’équation commune Y = mX + b a été utilisée, où Y est la température, m est la pente, X est la lecture de A à D et b est le décalage. Les intervalles de lecture de A à D et six coefficients pour m et b sont stockés sous forme de constantes dans la mémoire «programme».

Dans le cas où vous décidez d’utiliser différentes thermistances, différentes tensions et / ou différentes résistances dans le circuit diviseur de tension, une feuille de calcul Excel (en fait Open Office 3) est fournie pour générer ces coefficients. Il est averti que bien que le courant de la thermistance d’impulsion dans le tableur puisse être ajusté (probablement pour garantir que la tension d’entrée de A à D se situe dans la plage de 0 à 5,0 volts), vous devez vous rappeler de changer la résistance de 825 ohms en LM317 en fait vous ajustez la tension d’impulsion dans le matériel!

Flexibilité opérationnelle:

La spécification des points de consigne de température différentielle peut être facilement redéfinie par l’utilisateur. Le petit différentiel a tendance à augmenter la récupération de chaleur, mais peut introduire une courte durée de fonctionnement de la pompe, qui à son tour est «dure» sur la ou les pompes, et peut en fait introduire de l’eau de refroidissement dans le réservoir solaire.

La stratégie de fonctionnement du système solaire dans le logiciel peut être personnalisée de plusieurs manières. Par exemple, il existe deux canaux d’alimentation distincts (généralement un pour chaque pompe). Si une seule pompe est utilisée, l’autre canal peut être utilisé pour contrôler le temps de charge de la batterie d’une manière intelligente spécifique à la situation de quelqu’un. De plus, il y a plusieurs ports inutilisés sur la carte processeur en attente de vos innovations!

Conclusion:

Notre projet de chauffe-eau solaire fait face à un certain nombre de limites et de difficultés, notamment le fait que nous avons:

  • de sévères restrictions sur la taille, la hauteur, l’orientation et / ou l’emplacement de nos capteurs et réservoir solaire,
  • difficultés de sortie du flux gravitationnel à grande distance du collecteur vers le réservoir de stockage,
  • distance relativement importante entre le ballon et le chauffe-eau (ECS),
  • ombrage collecteur tôt le matin et en fin d’après-midi,
  • climat relativement froid et
  • de faibles quantités de lumière directe du soleil.

Au cours des deux dernières années, nous avons essayé plusieurs modifications pour surmonter bon nombre de ces problèmes. Un prochain article sur la BRI décrivant les modifications (et nos opinions sur leur succès) est prévu dans un avenir proche. Quels que soient les problèmes auxquels nous sommes confrontés, nous voulons nous assurer que tout le monde pense que notre variante de chauffe-eau solaire BIS de 1 000 $ est un projet réussi et utile. Il n’y a que quelques jours par an où tous nos besoins en eau chaude sont satisfaits. Il est impossible de fournir une aide quelques jours par an. Mais le reste de l’année, il aspire et pompe la plupart de nos besoins en eau chaude – pour une électricité qui coûte environ un dollar par mois. C’est une valeur incroyable pour moins d’une tasse de café!

Le site Web BuildItSolar propose des variantes de chauffe-eau solaires de 1 000 $ adaptées à presque toutes les conditions possibles sur le site. Nous encourageons tout le monde à envisager sérieusement de construire le leur – et maintenant ils peuvent même construire leur propre contrôle de température différentielle.

Nous serions très intéressés par les commentaires ou suggestions d’améliorations que n’importe qui pourrait offrir.

Gord Scale, une école à Adolphustown

Images du contrôleur différentiel et du matériel auxiliaire

régulateur différentiel bricolage

Le différentiel d’installation terminé, le panneau de commande, les capteurs, les compteurs et l’alimentation sont prêts pour l’installation

Images d’interface (cliquez pour agrandir).

Tests de matériel sur banc

Régulateur différentiel dans le boîtier.

Schéma d’interface de carte

Cliquez sur le diagramme pour la taille réelle.

Fichiers source du logiciel

Pour télécharger les fichiers sources de ce projet et découvrir comment obtenir un système de développement logiciel SUBLOC gratuit …

Pour afficher une copie du code source sous forme de page Web …

Exécution d’un logiciel de lecture de capteurs de température

Cette feuille de calcul montre les détails du développement logiciel pour convertir les lectures de tension des thermistances en températures.

Table de programmation thermistance logique de lecture … (fichier avec tableur Excel)

Gordy

Gary juin 2013


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