Глава 4. Разработка аппаратной части контроллера водоснабжения.

Система Умный дом

Приступим к разработке первого устройства системы ”Умный дом” контроллера водоснабжения.

Предыдущая глава     Список статей     Следующая глава

Контроллер водоснабжения устанавливается в месте ввода в дом или квартиру водопроводной трубы. В трубу врезается моторизированный шаровый кран и, по необходимости, датчики протечки, давления и расхода воды.

 

Устройство выполняет следующие функции:

  • открывает и закрывает вводной кран по требованию центрального контроллера;
  • контролирует состояние датчиков протечки и перекрывает воду в случае аварии;
  • периодически закрывает и открывает кран для предотвращения его ”закисания”;
  • индицирует состояние крана и датчиков протечек;
  • передает на центральный контроллер:
    • состояние крана и датчиков протечек;
    • расход воды;
    • давление воды;
    • состояние датчиков охраны;
    • напряжение линии питания.

Для выполнения всех этих задач необходимо подключить к контроллеру:

  • моторизированный шаровый кран;
  • датчик давления воды;
  • датчик расхода (потока) воды;
  • датчик протечки;
  • светодиоды и кнопки для индикации и управления в автономном режиме;
  • стандартный шлейф для подключения датчиков охраны;
  • неплохо было бы иметь возможность подключения дополнительных датчиков.

Все эти компоненты системы необходимо как-то подключить к плате Ардуино. Контроллер водоснабжения собственно и состоит из платы Arduino Nano и схемы согласования его с внешними устройствами.

Давайте разработаем для каждого элемента системы схему подключения к плате Ардуино, и только затем будем создавать функциональную и принципиальную схемы контроллера. Сейчас мы просто не представляем, какие управляющие сигналы необходимы.

 

Управление шаровым краном с электроприводом.

Сложнее всего управлять краном. На Али Экспресс есть недорогие моторизированные латунные краны трех вариантов:

  • CR01 – двигатель с двумя выводами, без датчиков;
  • CR02 - двигатель с тремя выводами, без датчиков;
  • CR05 – двигатель с двумя выводами, с датчиками крайних положений.

Михаил выбрал моторизированный шаровый кран с датчиками крайних положений. На Али Экспресс кран маркируется CR05.

Моторизированный шаровый кран

С точки зрения электрики кран представляет собой двигатель постоянного тока и два датчика крайних положений с общим проводом.

Схема моторизированного шарового крана

Если подать на двигатель напряжение одной полярности, то кран открывается. Напряжение другой полярности – закрывает кран. Датчики ОТКРЫТ и ЗАКРЫТ, при достижении краном крайних положений, замыкают соответствующие выводы устройства на общий провод.

Краны бывают с управляющим напряжением 5 и 12 В. Михаил выбрал вариант с питанием 12 В.

Еще из электрических параметров нас интересует ток потребления двигателя – 100 мА.

Для управления краном будем использовать 2 электромагнитных реле. Это самый простой вариант.

Принцип управления двигателем крана

У схемы 4 состояния:

  • Оба реле в неактивном состоянии (как на рисунке) – двигатель выключен, напряжение на нем равно 0.
  • Сработало левое реле – на двигателе напряжение положительной полярности, кран открывается.
  • Сработало правое реле – на двигателе напряжение отрицательной полярности, кран закрывается.
  • Оба реле сработали – двигатель выключен, на обмотке нет напряжения. Это состояние не рабочее, но безопасное.

В качестве реле будем использовать модуль из двух реле с оптоизолированным управлением.

Модуль реле Ардуино

Вот схема одного канала модуля.

Схема модуля реле Ардуино

Реле срабатывает при замыкании входа In1 на землю.

В качестве электромагнитного реле в модуле используются устройства типа SRD-05VDC-SL-C.

Это реле и определяет выходные параметры модуля:

  • Рабочие ток и напряжение коммутации:
    • для активной нагрузки (cosϕ=1):
      • 10 А 28 В постоянного тока;
      • 10 А 240 В переменного тока.
    • для индуктивной нагрузки (cosϕ=0,4):
      • 5 А 28 В постоянного тока;
      • 5 А 120 В переменного тока.
  • Максимально допустимое напряжение:
    • 110 В постоянного тока;
    • 250 В переменного тока.

Для нас более чем достаточно. Мы собираемся коммутировать напряжение 12 В и ток 100 мА.

Для управления двигателем крана нам необходимы 2 сигнала ОТКРЫТЬ (включает левое реле) и ЗАКРЫТЬ (включает правое реле).

Останавливать двигатель крана мы должны по срабатыванию датчиков крайних положений. Значит необходимо подключить к микроконтроллеру датчики.

В случае если микроконтроллер вовремя не остановит двигатель, например, при отладке программы, то произойдет катастрофа. Кран сломается. Поэтому, неплохо было бы сделать аппаратную блокировку двигателя при срабатывании датчиков крайних положений крана.

Еще одна защита от поломки крана – контроль тока двигателя. Когда кран упирается в крайние положения, ток, потребляемый двигателем, резко повышается. Если контролировать ток, то можно вовремя отключить реле и спасти кран.
Насколько эффективна будет эта защита – не знаю. Повышение тока происходит также в момент пуска двигателя или его закисания. Поэтому необходимо сделать задержку срабатывания защиты на повышения тока. Как это скажется на эффективности защиты – пока неясно. Но такая защита позволяет предотвратить поломку крана даже при обрыве проводов подключения к датчикам крайних положений. Если она будет работать эффективно, то можно будет отказаться от аппаратной блокировки сигналов управления реле. Поэтому давайте сделаем контроль тока, а потом проверим и решим, как его использовать.

Для управления краном в автономном режиме (на месте установки) необходимо добавить 2 кнопки ОТКРЫТЬ и ЗАКРЫТЬ.

Кран открывается и закрывается довольно долго (8 секунд). Давайте добавим светодиод, который будет индицировать состояние крана:

  • открыт – светится;
  • открывается – мигает часто;
  • закрывается – мигает редко.

Все вышеописанные функции реализует эта схема. К сожалению, модуль реле управляется не совсем удачно для этой задачи, поэтому блокировку удалось сделать только с помощью дополнительных транзисторов. Может, кто-то создаст более простую схему.

Схема подключения моторизированного крана CR05

Микроконтроллер управляет модулем реле через транзисторные ключи VT1 и VT2. При срабатывании датчика крана, через диод VD1 или VD2 на землю замыкается база соответствующего транзистора, и работа двигателя останавливается даже при активном сигнале управления.

Аноды диодов VD1 и VD2 можно подключить к нижним выводам резисторов 1 кОм модуля реле. В этом случае можно отказаться от элементов VT1, VT2, R1 и R2. Модулем реле можно управлять непосредственно от выводов платы Ардуино. Схема упрощается, но надо припаиваться к внутренним точкам платы модуля. В этом случае реле включаются низким уровнем на выводах платы Ардуино.

В качестве датчика тока используется резистор R8. При выбранном сопротивлении (1 Ом) рабочему току двигателя 100 мА соответствует напряжение 0,1 В. Высокая точность измерения нам не нужна, зато падение напряжения на датчике будет небольшим. Фильтр R9 С1 необходим для увеличения помехозащищенности измерителя тока и сглаживания пульсаций – последствий коммутаций обмоток ротора.

Кнопки, датчики крана подключаем с подтягивающими резисторами 2 кОм.

 

Датчик давления воды.

Михаил выбрал датчик давления USP-G41-1.2, который на Али Экспресс обозначается “Ultisolar Pressure Sensor Transmitter DC 5V G1/4 0-1.2 MPa / 0-174 PSI For Water Gas Oil”.

Измеритель давления жидкости USP-G41-1.2

Датчик преобразует давление жидкости в выходное напряжение с линейной зависимостью:

  • давлению 0 соответствует напряжение 0,5 В;
  • давлению 1,2 мПа соответствует напряжение 4,5 В.

Продавец датчика давления USP-G41-1.2 заявляет следующие параметры.

Параметр Значение
Напряжение питания 5 В
Выходное напряжение 0,5 … 4,5 В
Ток потребления не более 10 мА
Рабочий диапазон давления 0 … 1,2 мПа
Максимально допустимое давление 2,4 мПа
Предельное давление на механическое разрушение 3 мПа
Рабочий диапазон температур 0 … 85 C°
Погрешность измерения ± 1,5 % полного диапазона преобразования
Температурная погрешность ± 3,5 % полного диапазона преобразования
Время реакции не более 2 мс

Подключается датчик через трех контактный разъем.

Распиновка USP-G41-1.2

Датчик имеет стандартный аналоговый интерфейс 5 В. Т.е. выходным параметром является напряжение с верхним значением 5 В. На такое напряжение рассчитаны аналоговые входы платы Ардуино. Подключим датчик через RC фильтр.

Схема подключения USP-G41-1.2 к Ардуино

Постоянная времени RC цепи 10 мс. Конечно, мы сделаем еще цифровую фильтрацию измеряемого напряжения.

 

Датчик расхода воды.

Выбор пал на датчик расхода воды YF-B6.

Измеритель потока воды YF-B6

Измеритель потока воды YF-B6

На последнем рисунке видно, что в кране установлена крыльчатка, которая вращается потоком воды. Чем интенсивнее поток, тем быстрее вращается крыльчатка. На ее валу установлен постоянный магнит, на корпусе – датчик Холла. Таким образом, скорость вращения крыльчатки, а значит и расход воды, преобразуется в частоту выходных импульсов датчика.

Для определения расхода воды нам придется подсчитывать количество импульсов. Чтобы узнать интенсивность потока воды – будем измерять период выходных импульсов.

Продавец датчика расхода воды YF-B6 заявляет следующие параметры.

Параметр Значение
Скорость потока 1 … 30 литров/минута
Частота выходных импульсов F = 6,6 * Q ± 5%, где Q – поток литров/минута
F = 11 * Q (по другим данным)
Напряжение питания 3 … 24 В
5 … 15 В (по другим данным)
Потребляемый ток 15 мА
Предельно-допустимое давление 1,5 мПа
1,75 мПа (по другим данным)
Рабочая температура -40 … +80 C°
Скважность выходных импульсов 50 % ± 10 %
Напряжение высокого уровня выходного сигнала (питание 5 В) не менее 4,7 В
Напряжение низкого уровня выходного сигнала не более 0,5 В

При питании устройства напряжением 5 В, выходной сигнал датчика – это логический сигнал с КМОП уровнями (0 … 5 В). Поэтому подключим датчик к дискретному входу платы Ардуино. Может, появится необходимость использовать датчик другого типа. А подобные устройства часто делают с выходом типа ”открытый коллектор”. Поэтому добавим подтягивающий резистор и подключим датчик как кнопку.

Подключается датчик через разъем XH2.5-3P.

Контакт Цвет провода Сигнал Назначение
1 Красный Vdd Питание
2 Черный Vout Выход
3 Желтый GND Общий

 

Датчик протечки воды.

С этим датчиком не совсем все ясно. Пока Михаил планирует поставить вот такое устройство.

Измеритель уровня воды

В моем партнерском магазине такие датчики продаются всего по 30 руб.

Там они названы - датчики уровня воды. Выходной аналоговый сигнал пропорционален глубине погружения рабочей поверхности датчика. Если его расположить горизонтально, то есть надежда, что устройство определит, что пол в помещении покрывается водой.

Характеристики датчика уровня воды.

Параметр Значение
Напряжение питания 3 … 5 В
Потребляемый ток не более 20 мА
Выходной сигнал (эмпирические данные) 2 В – контакт с водой;
3,2 В – полное погружение рабочей поверхности
Рабочая температура 10 … 30 C°
Влажность окружающей среды 10 … 90 % без конденсата
Габариты 62 x 20 x 8 мм

Подключим устройство к аналоговому входу контроллера, подобно датчику давления.

 

Стандартный охранный шлейф.

Такой способ подключения охранных извещателей подробно описан в уроке 17. Возьмем его схему без изменений.

Схема охранного шлейфа

 

Измерение напряжения питания контроллера.

Локальные контроллеры системы ”Умный дом” питаются от отдельной сети 12 В. Напряжение, которое “дойдет” до контроллеров зависит от длины линии питания и сечения проводов линии. Интересно, какое напряжение питания контроллеров будет в реальных условиях. Можно для этого добавить цепь измерения напряжения питания.

Резисторный делитель

Это резисторный делитель напряжения. При указанных на схеме значениях  сопротивления резисторов контроллер будет измерять напряжение до 25,5 В.

 

Функциональная схема контроллера.

Теперь мы знаем, что и как подключать к плате Ардуино. Можно назначить конкретные выводы.

Функциональная схема контроллера водоснабжения

 

Принципиальная схема контроллера водоснабжения.

Остается согласно функциональной схеме подключить к плате Arduino Nano все разработанные выше узлы. Задача практически формальная.

Принципиальная схема контроллера водоснабжения

Схема получилась не маленькой. Но она рассчитана на максимальную конфигурацию подсистемы. Вы можете оставить только необходимые вам компоненты.

 

Таблицы подключения. Окончательный вариант схемы.

Мы создаем реальное устройство, к которому будем подключать различные датчики, исполнительные механизмы, локальную сеть и т.п. С Михаилом решили, что для подключения внешних устройств будем использовать клеммные колодки.

Поэтому необходимо определить конкретные контакты для каждого сигнала. Для начала отобразим это с помощью таблиц.

1. Подключение локальной сети, питания. Разъем PWR-LINE

Клеммная колодка, контакт Обозначение сигнала Назначение
X1-1 A RS-485 Сигнал A интерфейса RS-485
X1-2 B RS-485 Сигнал B интерфейса RS-485
X1-3 GND Питание – 12 В, общий провод RS-485
X1-4 + 12 В Питание + 12 В

2. Датчики. Разъем SENSOR2.

Клеммная колодка, контакт Обозначение сигнала Назначение
X2-1 Шлейф + Сигнал + охранного шлейфа
X2-2 Шлейф - Сигнал - охранного шлейфа

3. Датчики. Разъем SENSOR1.

Клеммная колодка, контакт Обозначение сигнала Назначение
X3-1 OUT датчик давления Сигнал OUT датчика давления
X3-2 Vcc датчик давления Питание Vcc датчика давления
X3-3 GND датчик давления Сигнал GND датчика давления
X3-4 OUT датчик протечки Сигнал OUT датчика протечки
X3-5 Vcc датчик протечки Питание Vcc датчика протечки
X3-6 GND датчик протечки Сигнал GND датчика протечки
X3-7 OUT датчик потока Сигнал OUT датчика потока
X3-8 Vcc датчик потока Питание Vcc датчика потока
X3-9 GND датчик потока Сигнал GND датчика потока

4. Резерв, расширение. Разъем RESERVE

Клеммная колодка, контакт Обозначение сигнала Назначение
X4-1 Вход резерв 1 Резервный аналоговый вход 1
X4-2 Вход резерв 2 Резервный аналоговый вход 2
X4-3 Выход резерв 1 Резервный цифровой выход 1
X4-4 GND Общий провод
X4-5 GND Общий провод
X4-6 + 5 В Выход питание + 5 В
X4-7 + 12 В Выход питание + 12 В

5. Подключение моторизированного крана. Разъем VALVE

Клеммная колодка, контакт Обозначение сигнала Назначение
X5-1 + двигатель Вывод + двигателя крана
X5-2 - двигатель Вывод - двигателя крана
X5-3 открыт Датчик открыт
X5-4 закрыт Датчик закрыт
X5-5 общий Общий провод датчиков

 

Согласно этим таблицам Михаил нарисовал окончательный вариант схемы контроллера водоснабжения.

Схема контроллера водоснабжения.

Когда Михаил соберет и установит контроллер, он даст мне фотографии устройства, и я дополню ими статью.

 

В следующей главе будем разрабатывать программное обеспечение контроллера водоснабжения.

Предыдущая глава     Список статей     Следующая глава

11 комментариев на «Глава 4. Разработка аппаратной части контроллера водоснабжения.»

  1. Эдуард, добрый день.
    По крану CR05. Посмотрите как я подключал концевики, может и Вам подойдет такой вариант​​​​​​​.
    http://greentalk.ru/blogs/entry/573-%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0-%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B8%D0%BB%D1%8F%D1%86%D0%B8%D0%B8-%D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%B5%D1%80%D1%81%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D0%B8-%D0%BB%D1%8E%D0%B1%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D1%81%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%B8%D1%86/

  2. Кран CR01 не имеют выводы датчиков, но концевики положения ротора у них есть и они разрывают питание двигателя в крайних положениях. По этому можно использовать для управления только два провода, а замеряя ток в цепи мотора можно определить работает он или нет.

  3. Добрый день.
    Спасибо за доступное изложение материала. Отсутствие практики в схемотехнике не даёт мне возможность «читать налету».
    Мои вопросы несколько дилетантские.
    Правильно ли я понял, что шлейф А2 введён для дополнительных охранных устройств помимо упомянутых в общей схеме?
    Резерв А6 и А7 — оставлены на будущее. Для чего там присутствует группа RC?

    • Здравствуйте!
      Шлейф для дополнительного контроля двери, окна помещения установки контроллера.
      Выводы A6 и A7 Arduino Nano убогие. Они могут работать только как аналоговые входы. Я отвел их для подключения других датчиков, измерения аналоговых сигналов и т.п.
      RC цепочки — простейший фильтр.

  4. Здравствуйте! По мимо Датчика расхода воды все равно придется ставить обычный счетчик воды опломбированный водоканалом, может поставить стандартный с импульсным выводом?( возможно ли такой подключить к ардуино?). По цене дешевле обойдется, чем датчик и счетчик.

    • Здравствуйте!
      А вход для расходомера и рассчитан на импульсный выход. Стандартный счетчик можно подключить к этому входу.

  5. Здравствуйте! Для обнаружения протечек можно использовать датчик давления. При закрытом шаровом кране измерять падение давления в системе.

    • Здравствуйте!
      Михаил так и предлагает. Только надо знать, что все краны закрыты.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *