Projekt 1: Heizungsabluft-Steuerung

Worum geht’s

Mein Großvater – früher Ingenieur und heute noch begeisterter Bastler – möchte für seine Heizung eine Schaltung zur Steuerung einer Abluftklappe. Da die Heizung leider keine Möglichkeit bietet, direkt festzustellen, ob der Brenner heizt und so die Abluftklappe ansteuern zu können, wird der Heizvorgang über die Messung der Temperatur in der Nähe des Brenners und des Wasserspeichers erkannt.
Er als Elektrotechnik-Ingenieur wusste nicht, wie man so etwas lösen könnte. Verständlich – damals gab’s noch Röhren und an Mikrocontroller war nicht zu denken.

Da ich aktuell im 5. Semester des Mechatronik-Studiums bin und den Vorlesungsinhalt praktisch vertiefen möchte, entschloss ich mich, dieser Herausforderung nachzugehen und eine solche Schaltung zu entwickeln. Die Inhalte der Vorlesungen Elektrotechnik, Elektronik, Mikroprozessortechnik und Informatik spielen hier eine wichtige Rolle.

Die Idee

Ich entschloss mich, einen analogen Temperatursensor einzusetzen, diesen mit dem einem AD-Wandler eines Microcoltrollers (Modell: ATmega8 von Atmel, heruntergetaktet auf 1 MHz; Im Folgenden: μC) einzulesen, die Bit-Werte in einen Temperaturwert umzurechnen und fortlaufend miteinander zu vergleichen, um einen Temperaturanstieg bzw. -abfall zu erkennen. Je nachdem wird ein Relais angesteuert, mit dem die Klappe geschaltet werden kann. Da ich das Relais nicht direkt an den μC anschließen wollte, um nicht an die Grenze der zu Verfügung stehenden Pin-Leistung zu stoßen, musste eine andere Lösung her. Ich plante einen gesonderten Stromkreis für das Relais, der von einem Transistor geschaltet wird, den ich mit dem μC ansteuere.
Der μC benötigt eine 5 V-Spannungsversorgung und da ich einen Verpolungsschutz für die Versorgungsspannung einbauen möchte, plante ich den Einsatz eines 5 V-Spannungsreglers, vor den eine Diode geschaltet wird. Ein Netzgerät mit 7.5 V versorgt die Schaltung und diverse LEDs zeigen an, was der μC schaltet.
Soweit die Idee.

Die Hardware

Die grobe Planung der Schaltung verlief ganz gut, doch die exakte Auslegung der einzelnen Bauelemente, speziell der Kondensatoren, war schwieriger als ich dachte. Um auf Nummer sicher zu gehen, holte ich mir Unterstützung des Mitglieds „Alloc“ aus der DelphiPRAXiS. Von dem Zeitpunkt an begleitete er das Projekt und half mir bei Fragen weiter.
An dieser Stelle noch einmal vielen Dank. 👍

Nachdem die Auslegung abgeschlossen war, ging es an die Materialbeschaffung. Schön wäre es, das ganze als SMD-Bauweise auszuführen, aber da die Platinen in diesem Fall geätzt werden müssen und ich erstens nicht das nötige Equipment dazu habe und mir es zu kostspielig war, die Platine ätzen zu lassen, entschloss ich mich für die klassische Variante und bestückte und verdrahtete die Bauteile auf einer Lochplatine. Das war zwar etwas größeres (alleine ein günstiges Layout zu finden), aber irgendwann kam das hier heraus:

Auch wenn das nicht so wild aussieht, war’s gar nicht einfach.
Ich dachte nun, mit der Elektronik die größte Hürde des Projekts überwunden zu haben, denn im Programmieren bin ich fit, doch zu früh gefreut …

Die Software

Der μC muss natürlich programmiert werden, da er sonst nutzlos ist. Programmiert habe ich ihn mit der Programmiersprache C und das zog sich viel länger hin, als ich angenommen hatte. Bis ich endlich einmal eine Logik implementiert hatte, die zuverlässig erkennt, dass die Temperatur momentan zu-/abnimmt oder konstant bleibt, vergingen Tage. Es reicht nicht aus, fortlaufend die vom AD-Wandler digitalisierten Werte einzulesen und den aktuellen mit dem zuletzt eingelesenen zu vergleichen, sonden es müssen Temperaturbereiche und weitere Lösungen programmiert werden. Doch hier gehe ich nicht weiter ins Detail, sondern gebe noch ein paar Daten, wie die Software nun arbeitet.

Das Programm liest alle 700 ms die Werte über den AD-Wandler, der mit einer Frequenz von 62.5 kHz arbeitet, ein und verarbeitet diese. Um kleinere Ungenauigkeiten auszugleichen werden mit seiner Frequenz 20 Werte auf einmal eingelesen und daraus das arithmetische Mittel gebildet.
Nach der Umrechnung in die Temperatur und unter Angabe eines Temperaturbereichs wird dann die Änderung ermittelt.
Je nach Änderung werden 3 LEDs und der Transistor zum Schalten des Relais angesteuert.

Technische Daten

  • Versorgungsspannung: 7.5 V – 12 V
  • Leistungsaufnahme (bei 7.5 V): je nach Einstellung und Schaltzustand rund 75 mW – 250 mW
  • Schaltleistung: 20 W
  • Temperaturbereich: -40 °C bis 100 °C
    (Temperatursensor; Was die übrige Schaltung davon hält, weiß niemand g)
  • Temperaturdifferenz, ab der geschaltet wird: ~ 0.5 °C
  • kürzeste Zeit bis zum Schalten: ~ 3.5 s
  • Verpolungsschutz

Inbetriebnahme

Mit einem gewissen Respekt schloss ich die Spannungsversorgung an. Ich rechnete mit einem kleinen Tischfeuerwerk, doch nichts geschah. Weder alle 4 LEDs, die zu Beginn zur Funktionsüberprüfung kurz aufleuchten sollten leuchteten, noch zeigte eine dieser LEDs an, dass der μC arbeitet.
Mit dem Voltmeter ging ich die Schaltung durch und stellte fest, dass am Spannungsregler keine Spannung anliegt.
Da die Spannung am Eingang stimmte und zwischen Spannungsregler und Eingang nur eine Diode geschaltet ist, war klar, dass ich diese versehentlich in Sperrichtung verlötet hatte. Immerhin, die Diode funktioniert schon mal. Nachdem ich diese umgelötet hatte, leuchteten die LEDs und der μC arbeitete.
Kurz nach dem Einstecken roch es plötzlich in meinem Zimmer verbrannt. Weder die Schaltung qualmte noch war ein Bauteil heiß. Bis ich die Ursache gefunden hatte, verging eine Weile: Eine Rank-Pflanze, die auf meinem Schreibtisch steht, wuchs mit einem Ausläufer in den Schirm meiner Schreibtischlampe und kokelte munter vor sich hin. Und exakt in dem Moment, als ich die Schaltung zum ersten Mal testete. 🤦

Wie vorhin erwähnt, stellte ich fest, dass die Schaltung viel zu sensibel arbeitete, doch dabei handelte es sich „nur“ noch um ein Softwareproblem, was nach einigen Tagen auch in den Griff zu bekommen war.

Zum Vertiefen des im Studium vermittelten Wissens ist so etwas ideal. Ich habe sehr viel dazugelernt.
Aus dem Grund spiele ich mit dem Gedanken, in absehbarer Zeit ein neues Projekt dieser Art zu beginnen (evtl. komplett digital) und werde euch dann ebenfalls davon berichten, wenn ich merke, dass dieser Eintrag den ein oder anderen interessiert hat. 🙂

Nächster BeitragRead more articles