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Système de gestion de la chaleur utilisant un microcontrôleur pic

Ce projet était la première phase du développement d’un contrôleur pour un système de plancher chauffant à air. Le microcontrôleur utilisera les entrées des thermostats, thermocouples, débitmètres et pressostats pour contrôler le fonctionnement des pompes et des vannes afin d’améliorer l’efficacité du système dans son ensemble.

Cette idée de projet est venue d’un ami qui a récemment construit une maison qui utilise une chaudière extérieure au bois pour le chauffage. Il a exprimé sa déception quant à l’efficacité du système existant et a souhaité avoir plus de contrôle sur le fonctionnement du système. Cela m’a semblé être une bonne application de ce que j’ai appris dans ce cours. L’objectif principal est d’améliorer l’efficacité du système, en raccourcissant le temps de fonctionnement des pompes, tout en chauffant correctement la maison. Cela réduira la consommation d’électricité et de bois.

Système de contrôle de la chaleur,,

La mise en œuvre de ce projet implique une grande quantité de travail en dehors du microprocesseur. Par conséquent, j’ai lié la portée de ce projet académique uniquement à la logique du contrôle. Pour mettre cela en œuvre dans la maison, je devrai construire un circuit pour transférer la logique de commande aux tensions nécessaires au fonctionnement des vannes, pompes et capteurs. Pour vérifier et valider la logique du contrôleur comme il fonctionnait comme souhaité, j’ai construit un tableau de bord qui modélise les entrées et sorties du système. Cette carte a été utilisée pour éliminer les erreurs de contrôle pendant le développement et était un moyen pratique de présenter ce projet à la fin du semestre. Des interrupteurs à bascule ont été utilisés pour modéliser 5 thermostats, des diviseurs de tension réglables ont été utilisés pour les thermocouples, un circuit de minuterie 555 a été utilisé pour le débitmètre et des LED pour toutes les sorties.

L’objectif principal de ce projet est d’améliorer l’efficacité de chauffage d’une maison qui utilise le rayonnement du chauffage par le sol. Cet objectif permettra de réaliser plusieurs améliorations par rapport au système actuel. Les cinq principales mises à niveau ici sont comparées aux figures 2 et 3 montrant le système avant et après:

  1. La pompe extérieure sera contrôlée en fonction de la demande de chaleur et d’eau chaude sanitaire
  2. L’ancien système de cette pompe était toujours allumé
  3. Chaque vanne s’ouvrira l’une après l’autre pour maximiser le débit dans une seule boucle. Cela réduira le temps nécessaire pour apporter de la chaleur dans la zone et, espérons-le, réduira la durée de fonctionnement des pompes.
  4. L’ancien système pouvait ouvrir plusieurs vannes en même temps. Plus il y a de soupapes ouvertes, plus il faudra de temps pour chauffer une boucle. Toutes les boucles ne peuvent pas chauffer à la même vitesse.
  5. L’échangeur de chaleur du grenier sera chauffé en fonction de la température actuelle et si la centrale de traitement d’air fonctionne (pour réduire / empêcher la condensation).
  6. L’ancien système de chauffage est constamment salé au grenier à 20 minutes de marche puis 40 minutes de repos. Cela s’est produit indépendamment de la température au-dessus ou si le dispositif de contrôle de l’air fonctionnait.
  7. Un capteur de pression et un débitmètre seront ajoutés pour détecter si une fuite ou un blocage s’est produit. Le système s’arrêtera si l’une de ces conditions est détectée.
  8. Il n’y avait aucune fonction de sécurité dans l’ancien système.
  9. Le système fournira au propriétaire des données en temps réel, y compris: événements de pompe / vanne, mesures de thermocouple. Ces données peuvent être analysées pour ajuster le fonctionnement du système afin d’améliorer encore son fonctionnement.
  10. Ancien système Il n’y a eu aucune rétroaction sur le fonctionnement du système.

Équations

Thermocouples La plage de notre ADC est de 0 à 5 V, mais nos plages de températures attendues sont: 60-180degF pour les capteurs chauds et 0-100 pour le capteur du grenier. Par conséquent, nous avons basculé la plage attendue sur la plage ADC. Les équations suivantes sont la valeur initiale avec laquelle nous commençons le développement. Chacun des thermocouples sera étalonné une fois dans le système réel.

Calcul du BTU À chaque impulsion du débitmètre, nous lirons l’interrupteur d’alimentation et l’interrupteur de retour du système de chauffage, obtiendrons le calcul du BTU, puis additionnerons toutes les valeurs du BTU. À la fin du cycle pour cette vanne, envoyez la somme des BTU pour enregistrer l’ordinateur, cela nous permet également de faire en sorte que la résolution de la boucle dans chaque zone attire plus de chaleur. Ensuite, du côté informatique, nous pouvons appliquer des statistiques pour trouver le temps / les boucles maximales de consommation de chaleur et envoyer une demande de chauffage en un cycle une heure ou deux avant la demande (prédiction).

À chaque impulsion du débitmètre, nous calculerons:

Où:

W = 8,3 lb / 75,3 = 0,11 lb / impulsion

Parce que notre débitmètre génère 75,3 impulsions par gallon

Cp = 1

t = (composéu – connecterdehors)

Structure logique

Le cœur de cette conception tournait autour de la possibilité de fournir de la chaleur à certaines zones de la maison, tandis que les pompes fonctionnent aussi peu que possible, et aussi de ne pas pomper court. Pour ce faire, nous chauffons une seule boucle du système à un instant donné. Après l’ouverture d’une vanne pour permettre au liquide chaud de traverser la boucle, le thermocouple est surveillé du côté retour. Une fois que la température sortant de la boucle approche de la température d’entrée, il n’y a guère de valeur pour que plus de liquide chaud s’écoule à travers elle. Une fois que la boucle s’est réchauffée, elle continuera à conduire la chaleur vers le sol. En d’autres termes, il y a peu de retour sur investissement dans le fonctionnement de la pompe pour déplacer le liquide chaud à travers la boucle déjà chaude. Nous utilisons donc cela pour décider quand passer à la boucle suivante.

Lorsqu’il y a une demande active de chaleur dans la maison, la pompe interne est toujours activée pour éviter les mouvements courts. Puisqu’il était maintenu dessus, il était important de s’assurer qu’au moins une valve était toujours ouverte pendant qu’elle était ouverte. Le chronogramme de la figure 5 montre comment les vannes sont activées une par une, tout en s’assurant qu’au moins une est ouverte pendant que la pompe fonctionne. Il est également représenté sur ce schéma (vert) lorsque la boucle se réchauffe, la transition vers la vanne suivante commence. La température n’est pas connue aux points de transition lorsque plusieurs vannes sont ouvertes.

En plus du système de contrôle de la chaleur interne, il existe un échangeur de chaleur qui est utilisé pour répondre aux besoins en eau chaude sanitaire. Cela se fait en préchauffant l’eau froide sortant du puits avant qu’elle n’entre dans le chauffe-eau. La nouvelle fonctionnalité de ce contrôleur est simplement surveillée par un thermocouple situé près de l’échangeur de chaleur domestique. Lorsque cette température descend en dessous du seuil (indiquant que de l’eau sort du puits), nous mettons en marche une pompe externe pour chauffer cet échangeur.

Enfin, deux fonctions de sécurité ont été ajoutées au nouveau système. Tout d’abord, un capteur de pression est placé dans la conduite principale à l’intérieur de la maison. Cela permettra de détecter les fuites dans le système. Si une fuite est détectée, nous fermons immédiatement les vannes et la pompe interne pour réduire la quantité de liquide qui peut être perdue dans les murs / plafond de la maison. Deuxièmement, un débitmètre sera surveillé pour assurer le mouvement de l’eau et la détection des blocages possibles. Un exemple de cela peut se produire si la vanne ne s’ouvre pas. Une fois que nous avons ouvert la valve et mis en marche les pompes, le fluide devrait s’écouler, donc des impulsions devraient être envoyées. Si nous ne voyons pas ces impulsions après l’ouverture de la valve, nous pouvons déclarer qu’un blocage s’est produit.

Compensation matérielle / logicielle

Le seul compromis fait pour ce projet a été l’utilisation d’un oscillateur de 8 MHz à l’intérieur de l’appareil. J’ai des pads pour un oscillateur externe sur la carte, mais j’ai décidé de ne pas l’utiliser. La seule limite de temps dont nous disposons est le traitement du calcul BTU chaque fois qu’une impulsion est détectée à partir du débitmètre. Le débitmètre (FTB4607) émet 75 impulsions / gallon, et nous attendons jusqu’à 8 gallons / min. Cela signifie que nous pourrions avoir jusqu’à 600 impulsions / min OU 1 impulsion toutes les 10 ms. 8 MHz est assez rapide pour le travail relativement lent que nous effectuons et un timing précis n’est pas crucial.

Relation avec les normes disponibles

La seule norme applicable à cette conception est le protocole série RS232. Pour y parvenir, j’ai utilisé les fonctions USART intégrées de la micropuce et de l’émetteur-récepteur série MAX232 pour transférer le protocole à des niveaux logiques que le PC peut interpréter.

Discutez des brevets existants, des droits d’auteur, des marques de commerce pertinentes pour le projet

Il existe plusieurs dispositifs différents pour contrôler les systèmes de chauffage. Ces appareils sont très chers et je n’ai pu localiser aucune unité capable de contrôler les pompes, les vannes et ils ont également des données en temps réel envoyées à l’interface PC. Il faudrait deux ou trois appareils différents pour effectuer les contrôles que ce microprocesseur fait. Certaines conceptions prennent le contrôle du système en mettant en place une pompe dédiée à chaque zone voire à chaque boucle! Étant donné que ces pompes sont de l’ordre de 300 $, cela peut être coûteux. Les pièces nécessaires à ce régulateur coûtent moins cher que l’ajout d’une pompe supplémentaire.

Les applications industrielles ont des commandes similaires à cette conception, mais rien n’existe dans une faible mesure pour un usage résidentiel. Les contrôleurs industriels prennent généralement une salle pleine d’équipement et des milliers de dollars pour la mise en œuvre.

Le bouche à oreille a incité plus de gens à manifester leur intérêt pour cette solution peu coûteuse pour réduire la consommation de bois et d’électricité. Pour l’instant, je n’ai pas de données pour montrer combien seront les économies réelles, mais beaucoup seront curieux de connaître les résultats que cela apportera. J’espère avoir cette information dans un an après que le système fonctionne en interne. Pour le moment, j’estime qu’il existe un marché pour ce type de contrôleur résidentiel bon marché, mais je ne sais pas vraiment comment procéder.

Des choses chatouilleuses

La première chose délicate que j’ai rencontrée au cours de ce projet a été la construction d’un tableau de démonstration. Comme la conception était très simple (3) circuits intégrés, certains commutateurs, LED et une poignée de composants discrets, j’ai décidé de graver ma propre carte. L’apparence de la planche était assez avancée et la navigation chimique n’était pas difficile. Mais après que la planche a été sculptée et remplie, j’ai dû retirer la planche non fonctionnelle qui en résultait. Plusieurs problèmes ont été facilement décelés à l’aide d’un compteur multidirectionnel numérique, comme des shorts directs et une houe. Ensuite, pour être encore plus intéressant, j’ai utilisé tous les nouveaux outils de développement. Donc, lorsque je n’ai pas pu programmer le premier code de test, il était difficile de dire si c’était un problème sur la carte ou mon erreur lors de l’utilisation de l’outil. Après quelques jours frustrants, cela s’est avéré être un peu des deux.

Choses qui n’ont pas fonctionné

La première chose qui n’a pas fonctionné, ce sont les accessoires internes de l’appareil. Lors de la création de la disposition de la carte, j’ai scanné la fiche technique de l’appareil pour voir s’il prend en charge les mouvements internes. Mais une fois que j’ai développé le code, j’ai trouvé que des commutateurs simulant la rupture de la demande du thermostat. En poursuivant, j’ai découvert que l’appareil ne supporte que les mouvements faibles sur le port B et que j’utilise des commutateurs sur plusieurs ports. J’aurais dû être plus prudent lors de l’examen précédent de la fiche technique. Ainsi, plusieurs résistances supplémentaires devaient être placées sur la carte pour stabiliser les valeurs de commutation.

Système de contrôle de la chaleur

Une autre chose qui n’a pas bien fonctionné était mon insertion de vis. Dans une tentative d’utiliser le rez-de-chaussée sur ma planche, j’ai laissé beaucoup de place pour qu’un petit morceau de fil soit soudé des deux côtés pour créer une connexion électrique entre les deux couches de cuivre. J’ai rencontré des problèmes dans plusieurs domaines parce que j’ai rempli plusieurs composants de pied plus grands (c’est-à-dire des prises) avant de souder tous mes visas en place. Pour cette raison, je n’ai pas rempli toutes les vis et j’ai dû recourir à quelques fils mous enroulés autour de la carte. La prochaine fois, je me souviendrai de remplir tous ces petits fils avant tout.

Facilité d’utilisation de vous et d’autres personnes

Ce prototype a une sortie de données brutes sur une connexion série. L’idée est de récupérer ces données sur l’ordinateur pour les analyser. Ce n’est pas très élégant, mais je pense que ça fait l’affaire. En matière de modification logique ou de reprogrammation, ce système n’est pas accessible au public. Actuellement, la seule façon de modifier une logique est de creuser dans le code source et de recompiler, puis de reprogrammer l’appareil. Ceci est acceptable car j’ai l’intention d’être la seule personne à modifier n’importe quel code, il n’y a donc pas besoin d’une interface plus complexe.

Cette phase du projet visait à construire un prototype pouvant contrôler un système de chauffage résidentiel. Le prototype avait deux objectifs: des moyens à faible coût / à faible risque d’obtenir la preuve de concept et le développement de logiciels. Toutes les interfaces sont simulées avec de simples interrupteurs, potentiomètres et LED. Le panneau prototype était également un moyen pratique de montrer au professeur ce sur quoi je travaillais depuis le mois dernier.

L’environnement logiciel utilisé pour cette phase du projet était MPLAB IDE v8.63 avec compilateur MCC18 et programmeur / redresseur PICkit 2. Tout le code est écrit en c et est acheminé vers un microcontrôleur PIC 18F4520 qui reposait sur un PCB personnalisé. Le code est organisé selon les principaux domaines suivants

Pour plus de détails: Système de gestion de la chaleur

Vous pouvez également trouver le projet / poste actuel en utilisant:

  • système de geyser d’eau utilisant un microcontrôleur
  • description détaillée de la fonction de microcontrôleur dans le contrôleur de chauffage LCD
  • images du régulateur de chaleur
  • contrôle du chauffage avec microcontrôleur

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