Pokojový termostat
Neznám nikoho, kdo by doma nechtěl mít tepelnou pohodu 🙂 Máte-li v domě/bytě nějaké automatické vytápění (automatický kotel na tuhá paliva, plynový kotel, tepelné čerpadlo aj.), je řešení tepelné pohody celkem jednoduché. Avšak vytápíte-li svůj dům např. pomocí kotle na tuhá paliva s ručním přikládáním a to navíc bez jakékoli akumulace a regulace (náš případ), je řešení tepelné pohody značně komplikované.
Reálný příklad: z práce přijdete domu v 16:00 a doma máte teplotu 19 °C, což na můj vkus je zima. V 17:00 hodin roztopíte kotel a teplota v domě začne rychle stoupat až na cca 25 °C ve 22:00, kdy přestanete topit. Tato teplota je zase zbytečně vysoká a na spaní je úplně nevhodná. Od té chvíle teplota v místnosti začne opět klesat až zpátky na 19 °C. Co si budeme povídat, o nějaké tepelné pohodě se v tomto případě hovořit nedá. A právě vytvoření a automatické udržování tepelné pohody bylo motivací k návrhu následujícího pokojového termostatu.
Požadavky na termostat
- termostat bude schopen regulovat teplotu v místnosti během topení v kotli – ovládáním ventilu radiátoru
- termostat bude schopen udržovat nějakou minimální příjemnou teplotu v místnosti i v případě, že se v kotli netopí – ovládáním elektrického přímotopu
- obsluha termostatu bude uživatelsky přívětivá 🙂
Požadavky na termostat velmi dobře ilustruje následující obrázek. Řekněme od 17:00 se zatopí v kotli a teplota v místnosti začne stoupat. Jakmile teplota přesáhne horní hranici pro regulaci teploty pomocí radiátoru: 23,5 °C (světle modrá), termostat radiátor zavře. Klesne-li teplota pod dolní hranici regulace pomocí radiátoru: 23 °C (fialová), termostat opět radiátor otevře. Přestane-li se topit v kotli (cca 22:00), zůstane ventil na radiátoru stále otevřen, avšak již bez efektu. Teplota bude stále klesat, až klesne pod spodní limit regulace přímotopem: 21 °C (červená) a termostat zapne přímotop. Přeroste-li teplota horní limit regulace pomocí přímotopu: 21,5 °C (zelená), termostat přímotop vypne. Pozn. teplotní limity budou nastavitelné.
Výsledkem regulace teploty pomocí termostatu s takovýmto nastavením by mělo být, že teplota v místnosti se bude vždy pohybovat v rozmezí 21 °C až 23,5 °C, namísto původních 19 °C až 25 °C.
Návrh termostatu
Termostat jsem rozdělil do třech samostatných jednotek:
- Hlavní elektronika – termostat
- Ovládání termoelektrické hlavice radiátoru
- Ovládání elektrického přímotopu
Hlavní elektronika - termostat
Srdcem hlavní elektroniky termostatu je procesor STM32F070. K němu jsou pro ovládání připojena standardně 3 tlačítka – NAHORU, DOLU, OK/MENU a pro zobrazování informací OLED displej. Tento systém tří tlačítek považuji za jednoduchý, přehledný, univerzální a pro takto jednoduché systémy tedy ideální.
Pro měření teploty v místnosti slouží čidlo DS18B20. Pravda, toto čidlo se svou přesností ±0.5 °C není ideální volbou pro regulaci teploty v řádu jednotek stupňů, na druhou stranu je levné, spolehlivé, stále velmi dobře dostupné a nechá se koupit i ve voděodolné verzi – no, prostě tato čidla rád používám 😀 A myslím, že zde i přes to vyhoví.
Elektronika má dva výstupy pro ovládání jednotek radiátoru a přímotopu – OPTRON a OPTRON1. Procesor spíná tranzistory T1 a T2 a ty následně ovládají optrony v jednotkách. Rezistory R8 a R12 jsem nakonec osadil hodnotami pouze 12 Ω a hlavní předřadné rezistory pro optrony nechal v ovládacích jednotkách. Nepatrné zahřívání těchto rezistorů způsobovalo zkreslování měřené teploty v místnosti!
Do elektroniky jsem připravil i možnost připojit IR přijímač HX1838 pro dálkové ovládání a 2 LED diody pro možnou signalizaci, avšak tyto možnosti jsem nakonec v této první verzi nezapojil a nevyužil.
Elektroniku je možné napájet přes souosý konektor nebo přes klasickou nasouvací svorkovnici.
Osazená elektronika. Souosý konektor pro napájení jsem nakonec neosadil – elektroniku budu napájet přes nasouvací svorkovnici. K tlačítkům jsem osadil rezistory 12 kΩ namísto 10 kΩ – měl jsem je blíže po ruce 🙂 , jejich hodnota je do značné míry nepodstatná.
Krabička hlavní elektroniky
Krabičku jsem namodeloval ve FreeCADu, jako obvykle, vytisknutelnou na 3D tiskárně. Je to nejjednodušší, krabička je přesně dle potřeby a nemusí se dodatečně upravovat (většinou 🙂 ). Nejraději tisknu z materiálu PETG, jelikož z toho se tiskne nejsnáze – velmi málo se kroutí a smršťuje a mechanické i teplotní vlastnosti jsou dobré. Snad jediná nevýhoda, která mě napadá je, že materiál PETG není nehořlavý ani samozhášivý. Tyto vlastnosti jsou u technických plastů, používaných v elektronice, podstatné a většinou žádané. Nicméně pro nevýkonové aplikace, jako je tato, jsem pro své účely z kritéria samozhášivosti krabičky ochoten ustoupit. Ale obecně samozřejmě vím, že je to nevhodné a potenciálně nebezpečné! Pozn. samozhášivý materiál pro 3D tisk také mám, ale tiskové vlastnosti tohoto materiálu jsou hrozné a proto ho příliš nepoužívám 🙂
Vytištěná krabička.
Elektronika osazená v krabičce.
Ovládání termostatu
Na displeji je v klidu zobrazena pouze putující tečka – aby svit displeje nerušil přes noc a zřejmě se tím i prodlouží životnost OLED displeje. Po stisku libovolného tlačítka se na prvním řádku displeje zobrazí aktuální teplota v místnosti. Na druhém a třetím řádku je šipkou indikováno, čím je prováděna regulace teploty v místnosti – pomocí přímotopu, radiátoru, obojího nebo jestli se netopí. Po delším stisku tlačítka OK se uživatel dostane do menu, kde si může nastavit teploty, na které bude termostat regulovat. Návrat na hlavní obrazovku lze provést delším stiskem tlačítka OK. Nastavené hodnoty se uloží do paměti FLASH procesoru, takže po výpadku napájení a opětovném startu si procesor tyto hodnoty načte z paměti a pokračuje v regulaci dle posledního nastavení 🙂 Displej je aktivní po dobu 60 s od posledního stisku libovolného tlačítka, poté přejde do úsporného režimu a zobrazuje putující tečku.
Pozn. k softwaru: teplotu v místnosti měřím po 2 s a změřené teploty ukládám do pole 50 hodnot, které filtruji mediánovým filtrem. Mediánové filtry se mi zatím ze všech možných filtrů osvědčily nejvíce, doporučuji používat 🙂 Na začátku programu celé pole naplním teplotou 27 °C a nechám ho postupně aktualizovat – více se mi nad tím přemýšlet nechtělo 🙂 Hysterezi termostatu jsem nakonec zvolil 0,7 °C.
Elektronika termoelektrické hlavice radiátoru
K ovládání termoelektrické hlavice radiátoru o příkonu 1,8 W jsem použil usměrněné síťové napětí a tranzistor FET (s triaky nebo tyristory jsou na takto malých výkonech a proudech zbytečné problémy 🙂 ). Hlavici na radiátor jsem použil SEH01-NC od firmy ELEKTROBOCK.
Na DPS jsem nakonec nahradil rezistor R5 diodou! – šlo o to, aby vyfiltrované síťové napětí sloužilo pouze k ovládání FETu a ne k ovládání hlavice. Kdyby se na hlavici dostávalo filtrované napětí, bylo by příliš vysoké (okolo 320 V) a hlavice by zbytečně trpěla. Svítí-li dioda v optronu, tranzistor Q1 je uzavřen a hlavice s ním. Elektronika (svorky OPTRON) je propojená s termostatem přes kabel na svorky OPTRON1. Tranzistor Q1 je možno použít libovolný s povoleným napětím drain-source alespoň 400 V. Rezistor R1 jsem osadil hodnotou 680 Ω.
Osazená elektronika, na pozici R5 je zatím původní rezistor, který jsem vyměnil později, po prvních testech.
Krabička elektroniky termoelektrické hlavice
Jelikož je do této krabičky zavedeno síťové napětí, chtěl jsem, aby krabička byla ze samozhášivého nebo lépe z nehořlavého materiálu. Padla tedy volba na hliníkovou, univerzální krabičku z Aliexpressu za cca 250 Kč (2024). Musím poznamenat, že krabička je velmi kvalitní a za ty peníze mohu jedině doporučit.
Elektronika hlavice radiátoru v krabičce před uzavřením. Z jedné strany krabičky je vyvedeno napájení termostatické hlavice, z druhé strany je přivedeno napájení a ze stejné vývodky je přivedeno i ovládání elektroniky.
Elektronika elektrického přímotopu
Elektronika na ovládání elektrického přímotopu by mohla být stejná jako na ovládání hlavice radiátoru, ale s tím, že přímotop by nemohl být s ventilátorem, jelikož ventilátor by se na stejnosměrné napětí neroztočil! Z toho důvodu je spínání přímotopu řešeno triakem. LED1 má sloužit k signalizaci, že je výstup přímotopu sepnut, ale já jí nakonec neosadil a „překlenul“ rezistorem R1 o hodnotě 680 Ω. Logika spínání je zde obrácená – svítí-li dioda v optronu, je triak sepnutý a přímotop může topit.
Elektronika (svorky OPTRON) je propojená s termostatem přes kabel na svorky OPTRON.
Osazená elektronika pro ovládání elektrického přímotopu. Chladič triaku bude přichycen k hliníkové krabičce pro lepší odvod tepla.
Krabička elektroniky elektrického přímotopu
Krabičku jsem použil shodnou s krabičkou elektroniky termoelektrické hlavice. Elektrický přímotop se zapojí do vyvedené zásuvky.
Shrnutí projektu pokojového termostatu
Pokojový termostat používám jen několik týdnů, ale jsem s ním zatím naprosto spokojen. Elektrický přímotop udržuje minimální teplotu spolehlivě a teplota v místnosti při topení v kotli již nestoupá do závratných výšin a lépe se mi usíná 🙂 Zabudování ovládacích elektronik do hliníkových krabiček a jejich galvanické oddělení od řídící elektroniky termostatu se mi libí 🙂 a zdá se mi i dostatečně bezpečné.
I přes to, že jsem zatím s chováním termostatu spokojen, určitá možná zlepšení mě napadají. Momentálně (verze SW 1.1) má termostat napevno nastavenou hysterezi 0,5 °C. Zcela jistě by nevadilo do nastavení termostatu doprogramovat uživatelsky nastavitelnou hysterezi teploty, např. 0,1 – 1 °C. Nebo regulaci teploty řešit ideálně PID regulátorem, namísto regulátorem dvoustavovým. Takže možnosti pro zlepšení SW by byly. U hardwaru vidím nedostatek např. na DPS termostatu, v nevhodném umístění předřadných rezistorů optronů, které svým zahříváním zkreslovaly měření teploty v místnosti. To však mělo i na stávajících DPS jednoduché řešení v přemístění předřadných rezistorů optronů přímo na DPS jednotlivých ovládacích elektronik.
Podklady pro výrobu pokojového termostatu
Změny v software
- verze 1.1 – hystereze termostatu snížena na původně zamýšlených 0,5 °C