Sistem inteligent de control al temperaturii apei menajere [311146]

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAȘOV

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ

ȘI ȘTIINȚA CALCULATOERELOR

DEPARTAMENTUL DE INGINERIE ELECTRICĂ SI FIZICĂ APLICATĂ

Programul de studii de licență: [anonimizat]-

Absolvent: [anonimizat]: Șef Lucr. Dr. Ing. MOTOAȘCA Septimiu

2016

CUPRINS

Capitolul 1 INTRODUCERE…………………………………………………………………………………….2

1.Energia solară………………………………………………………………………………………………3

2.Tema de proiectare……………………………………………………………………………………….3

2.1 Captatorul solar………………………………………………………………………………4

2.2 Rezervor de colectare………………………………………………………………………6

2.3 Pompa de recirculare………………………………………………………………………7

2.4 Senzori de temperatură…………………………………………………………………..8

Capitolul 2

Aspecte teoretice………………………………………………………………………………………………………..9

Arduino ……………………………………………………………………………………………………9

Orientarea captatorului…………………………………………………………………………….10

Capitolul 3

Rezolvarea temei de proiectare………………………………………………………………………………….15

1. Platforma de dezvoltare………………………………………………………………………………15

2. Senzor de temperatură brick ( LM 50 )……………………………………………………….22

3. Display LCD………………………………………………………………………………………………24

4. Pompă de recirculare………………………………………………………………………………….28

5. Electrovalvă cu trei căi……………………………………………………………………………….31

6. Schema circuitului electric………………………………………………………………………….33

7. Programul Arduino……………………………………………………………………………………34

Etapele dezvoltării proiectului…………………………………………………………………………………..44

Metode de siguranță………………………………………………………………………………………………..48

Capitolul 4

Concluzii și contribuții personale……………………………………………………………………………..51

Anexe

Anexa 1 – Codul sursă

Anexa 2 – Schema electrică Arduino

Anexa 3 – Foaie de catalog LM50

Anexa 4 – Foaie de catalog pompă de recirculare

Anexa 5 – Foaie de catalog electrovană cu trei căi

INTRODUCERE

La nivel global clădirile reprezintă 40% [anonimizat] 35 % din totalul de energie. Având în vedere potențialul de a economisi energia în mediul construit ar contribui foarte mult la reducerea consumului de energie la nivel național. Consumatorii majori de energie din clădiri sunt sistemele de încălzire, ventilație și aer condiționat (HVAC). La evaluarea costurilor unei clădiri noi, sistemele HVAC pot reprezenta între 30% și 50% din costuri în cazul clădirilor comerciale, și de la 5% la 10% în cazul locuințelor.

Utilizarea surselor de energie regenerabilă pentru asigurarea necesarului de energie al unei clădiri reprezintă o soluție pentru rezolvarea problemelor identificate în domeniul clădirilor. Astfel, pe lângă reducerea dependenței de combustibili fosili se vor observa și avantaje precum:

Reducerea cheltuielilor pentru energia termică utilizată pentru încălzirea spațiilor și preparare a apei calde menajere;

Creșterea temperaturilor interioare cu un nivel redus al consumurilor energetice

Reducerea poluării mediului[2]

Populația planetei este în creștere continuă, acest lucru conduce la o creștere a necesarului de energie, dar si a consumului de energie.

Principala sursă de energie utilizată în momentul de față este reprezentată de combustibili fosili in proportie de 75%. Acest tip de combustibil are efecte poluante asupra mediului dar poate avea si efecte nocive asupra omului.

Soluția gasită în prezent pe planurile principale de cercetare a proiectelor naționale si internaționale este creșterea gradului de utilizare a surselor de energii regenerabile și maximizarea eficienței de conversie a acestor energii.

Radiația solară este valorificată sub formă de energie termică cu ajutorul sistemelor de colectoare solar termice, rezultatele fiind apa caldă menajeră și căldura necesară menținerii unei anumite temperaturi în spațile construite. Deși costurile de achiziție a acestor sisteme este unul ridicat( aproximativ 5% din populația Terrei și le-ar putea asuma) există programe guvernamentale și proiecte de finațare a sistemelor de valorificare a energiilor regenerabile ( Programul „Casa Verde” în România). [3]

Energia solară este energia electromagnetică generată de soare in urma reacției de fuziune nucleară. Ea stă la baza întregii vieți de pe pământ și reprezintă aproximativ 420 trilioane kWh.

O listă parțială a aplicațiilor energiei solare cuprinde încălzirea și răcirea spațiului cu ajutorul arhitecturii solare, furnizarea de apă potabilă prin distilare și dezinfecție, iluminatul, producerea de apă caldă, gătitul cu ajutorul energiei solare și căldura de proces de înaltă temperatură utilizată în scopuri industriale. Pentru a utiliza energia solară, se folosesc de obicei panourile solare.

În ultimul timp energia solară a început să fie din ce în ce mai folosită din punct de vedere tehnic, mai ales in obținerea energiei electrice.[9]

Energia solară poate fi folosită sa genereze următoarele tipuri de energie:

electrică prin intermediul panourilor fotovoltaice

termică prin intermediul pompelor de căldură

termică prin intermediul panourilor solare termice

Tema proiectului

Proiectul prezentat in continuare reprezintă un sistem inteligent de control al temperaturii apei dintr-un sistem de producere a apei calde menajere .

Am ales această temă deoarece în ultima perioadă energiile regenerabile au inceput să căștige teren în comparație cu energiile convenționale. Energia solară este reînoibilă și ușor de produs.

Acest sistem urmărește să controleze întreg sistemul de producere a apei calde cu ajutorul unor senzori de temperatură și a unor pompe de recirculare.

Sistemul conține:

Captator plan cu tuburi vidate

Rezervor de colectare (boiler)

Pompă de recirculare a apei

Senzori de temperatură

Panou de control

La nivelul acoperișului este montat un captator solar cu tuburi vidate care are rolul de a capta energia solară si de a o transforma in energie termică. Prin intermediul unei pompe apa este tranportată la rezervoarele de colectare a apei calde aflate in interiorul camerei tehnice. Sistemul este este controlat în întregime de un panou de control care cu ajutorul unor senzori montați în diferite locuri, și cu ajutorul unei logici de comandă.

Panoul de control este capabil să adune informații de la mai mulți senzori si să controleze pompe de recirculare și vane cu trei căi sau rezistența electrică. La dorința utilizatorului se poate creea și un program care poate asista si centrala termică.

Captatoare solare

Elementul principal al unui sistem activ de captare a energiei solare, îl reprezintă captatorul solar. Prin intermediul său se realizează conversia din radiația electromagnetică in energie termică. Tehnologiile cele mai folosite in privința captatoarelor sunt:

Captatoare plane fără vitrare

Captatoare plane cu vitrare

Captatoare cu tuburi vidate

Captatoarele plane cu tuburi vidate

Aceste captatoare sunt alcătuite dintr-o suprafață absorbantă „îmbrăcată”

într-un înveliș selectiv vidat din sticlă. Randamentul acestui tip de panou este foarte ridicat datorită pierderilor mici. Pentru a realiza transferul termic de la suprafața absorbantă este folosit principiul vaporizării unui lichid care se află în contact cu suprafața caldă. Căldura este recuperată la capătul tubului, în timp ce vaporii condensează si se intorc înapoi în stare de lichid.

Se definește randamentul instantaneu al captatorului ca fiind raportul dintre energia primită de acesta și energia solară incidentă pe captator. [8]

Un captator solar plan este arătat în figura următoare. Radiația solară trece prin sticlă și vine în contact cu suprafața absorbantă, cu proprietăți fizice specifice, o mare parte din energie fiind absorbită și transferată agentului termic din conducte, pentru a fi transportat spre folosire sau conservare. Placa absorbantă este izolată termic, cu

excepția feței, pentru a reduce pierderile de căldură. Conductele care transportă agentul termic sunt lipite și sudate de placa absorbantă sau pot fi integrate ca parte componentă a plăcii absorbante. Conductele sunt conectate la ambele capete de două conducte comune de diametru mai mare, de obicei orizontale.

Captatorul trebuie orientat direct către ecuator, cu fața către sud în emisfera nordică și către nord în emisfera sudică . Unghiul de înclinare optim al captatorului este egal cu latitudinea zonei, cu variații de 10 – 15 grade, depinzând de aplicație.

Captatorii solari au rolul de a absorbi cât mai multe radiații solare, de a transmite căldura convertită din radiații la lichidul termic cu pierderi minime de căldură către atmosferă. Pentru a maximiza colectarea de energie, placa absorbantă a captatorului trebuie să aibă un strat de înveliș cu proprietăți de absorbție ridicată a radiației (lungimi de unde mici) și emisie scăzută pentru lungimi de unde mari. Un astfel de strat de înveliș de pe placa absorbantă se numește suprafață selectivă.

Capacitatea de absorbție a suprafeței selective pentru radiații cu lungimi de unde mici depinde de natura și culoarea stratului, respectiv de unghiul de incidență. De obicei se utilizează culoarea neagră dar și alte culori precum mov, albastru închis. [7]

Figura 1: Sectiune captator cu tuburi vidate[8]

Rezervor de colectare

Boilerul sau rezervorul de colectare reprezintă un vas care are rolul de a colecta apa caldă obținută în urma procesului de încălzire indiferent de tipul acestuia. În cazul de față procesul fiind de incălzire a apei cu ajutorul radiației solare.

Acest rezervor este un vas care are un anumit volum de apă. În interiorul acestuia se afla o serpentină care este conectată la panourile solare. Încălzirea apei din interiorul vasului se face prin transfer termic de la serpentine la apă. În serpentine se află un agent termic de obicei antigel.

Cu cât sistemul de obținere a apei calde este mai complex acest vas de colectare poate avea mai multe serpentine si dacă se dorește să se încălzească apa si cu ajutorul curentului electric se poate monta si o rezistență electrică.

Cea de-a doua serpentină are rolul de a aduce un aport de incălzire la sistemul de calorifere.

Figura 2: Rezervor de colectare apă caldă[13]

Pompă de recirculare a apei

Pompa de recirculare are rolul de a împinge agentul termic prin conducte cu scopul de a realiza transferul termic. Acest agent termic este încălzit la nivelul captatorului solar si răcit la nivelul boilerului. Această pompă este acționată de un motor alimentat de la rețea de 230 V. Caracteristicile pompelor sunt exprimate prin puterea pompei, cantitatea de apă recirculată pe oră și înălțimea la care poate să ridice apa.

Figura 3: Pompă de recirculare a apei[16]

Senzorii de temperatură

În aplicația mea ca sensor de temperatură se folosește sensor de tip termorezistență. Aceste termorezistoare funcționează pe baza creșterii rezistivității la creșterea temperaturii. Metalele tipice folosite la realizarea termorezistoarelor sunt platina (-200 …+850°C), nichelul (-60 … +150°C) și cuprul (-50 … +150°C). Platina este cel mai folosit material, datorită gamei mari de temperaturi, stabilității și rezistenței la agenți chimici de coroziune.

Figura 4: Senzor temperature PT1000[10]

Constructiv, termorezistoarele pot fi:

– cu teacă de protecție (din cupru, oțel carbon sau oțel inoxidabil);

– fără teacă de protecție, pentru măsurători de laborator.

Termorezistoarele se realizează în două variante:

– bobinate

– miniatură, prin depunere pe suport ceramic. [11]

Capitolul 2

ASPECTE TEORETICE

Arduino

Arduino a început în 2005, ca un proiect al unui student al Institutului de Interacțiune a Designului din Ivrea, Italia. La acea vreme studenții foloseau o plăcuță de dezvoltare BASIC Stamp, care costa 100 de dolari, ceea ce era considerat foarte scump pentru studenți. Massimo Banzi, unul dintre fondatori, era student la Ivrea. Numele "Arduino" provine de la un bar din Ivrea, locul unde o parte din fondatori obișnuiau să se întâlnească.

Studentul columbian Hernando Barragán a creat platforma de dezvoltare Wiring care a servit ca bază pentru Arduino. După finalizarea platformei Wiring, mai multe versiuni, mai light și mai ieftine au fost create și puse la dispoziția comunităților open-source.

O plăcuță Arduino este compusă dintr-un microcontroler Atmel AVR de 8-, 16- sau 32-biți (deși începând cu 2015, s-au folosit microcontrolere de la alți producători) cu componente complementare care facilitează programarea și încorporarea în alte circuite. Un aspect important la Arduino este că acesta dispune de conectori standard, care permit utilizatorului să conecteze plăcuța cu procesorul la diferite module interschimbabile numite shield-uri. Unele shield-uri comunică cu Arduino direct prin pinii digitali sau analogici, dar altele sunt adresabile individual prin magistrala serială I²C permițând utilizarea mai multor module în paralel.[6]

Arduino este una dintre cele mai simplu de utilizat platforme cu microcontroller. Te poți gândi la el ca la un minicalculator, fiind capabil să culeagă informații din mediu și să reacționeze la acestea.

Această platformă are un sistem bine dezvoltat în jurul său. Orice fel de informație ai nevoie să culegi din mediul exterior, sau orice fel de conexiune cu dispozitive ai nevoie , există șansa să găsești dispozitive compatibile cu această platformă care să îți vină în ajutor.

Astfel, dacă discutăm despre preluarea de informații din mediu, mai jos sunt doar câteva exemple de senzori : senzori ce determină nivelul de alcool în aerul respirat, senzor de incediu, gaz GPL, monoxid de carbon, accelerații ale dispozitivelor în mișcare, curent consumat de diverse dispozitive casnice, forța de apăsare, gradul de rotire, cartele RFID, distanțe, nivel de iluminare, direcția nordului, prezența umană, sunet, temperatură, umiditate, presiune atmosferică sau video. Dacă ne referim la posibilitatea de a ne conecta cu alte sisteme, există plăci de rețea Ethernet pentru Arduino capabile să comunice informații prin

Internet, dispozitive capabile să transmită date prin conexiune radio, plăci de rețea WIFI, dispozitive GSM pentru Arduino (capabile să trimită / recepționeze SMS-uri, să inițieze apeluri de voce sau să trimită date prin rețeaua 3G) sau conectori Bluetooth pentru conectarea Arduino cu telefonul mobil sau laptop. În zona mecanică, există motoare de curent continuu (utilizate pentru robotică), motoare pas cu pas (utilizate de obicei în zona industrială) sau servomotoare, controlate foarte exact. Pentru afișarea informațiilor preluate, există ecrane LCD pentru Arduino, începând cu cele mai simple (LCD text cu 16 caractere) pâna la ecran LCD grafice. În prima parte a acestei cărți vom dezvolta integrarea Arduino cu fiecare dintre dispozitivele pe care le-am amintit mai sus .[1]

Orientarea captatorului solar

Pentru un randament ridicat al conversiei de energie la nivelul captatorului solar este necesară o orientare corectă a acestuia față de soare. Scopul acestei orientări este Acela de a minimiza unghiul de incidență dintre raza solară și normală la panou. În acest scop vin în ajutor tot felul de sisteme de orientare automată a panourilor. În cadrul acestui proiect panoul este fixat pe acoperișul clădirii sub un anumit unghi.

Zona urbană Brașov se află în central- estică a României, la 25°36’ longitudine estică și 45°39’ latitudine nordică. Aflată în Depresiunea Brașov , prin poziția sa geografică, prezintă limite naturale clare datorată masivelor muntoase ce se află în jurul depresiunii.[2]

Informații generale privind poziționarea panourilor solare

Poziționarea panourilor solare are o importanță deosebită din punct de vedere al randamentului energetic al instalației solare. Studiul poziționării se referă în general la alegerea unghiurilor de montaj al panoului solar și la analizarea zonelor de umbră, atât a celor create de rândurile de panouri solare, cât și a celor generate de obstacolele aflate în afara câmpului. În anumite cazuri, constrângerile impuse de poziționare sunt în număr atât de mare încat este mai bine să se renunțe la realizarea unei instalații solare si să se opteze pentru alte tipuri de investiție.

Azimutul și înclinarea panoului solar

Cantitatea anuală de energie solară obținută depinde de modul în care colectorul este expus traiectoriilor zilnice ale soarelui (pe durata tuturor celor 365 de zile ale anului). Acest fapt depinde de două unghiuri în care este montat colectorul:

– Orientarea (denumită „Azimut”): definește îndepărtarea de Sud (în emisfera noastră)
– Înclinarea: definește gradul de înclinare a colectorului

Figura 5: Unghiuri de orientare a panourilor solare[12]

Expunerea medie zilnică la lumina solară corespunzătoare lunii corespunzătoare (kW/m2 zi) poate fi calculată pentru o suprafață orientată și înclinația în orice mod, printr-o procedură definită de norma UNI 8477, partea I. Oricum, există numeroase programe gratuite sau simple foi de calcul care permit calcularea influenței pe care unghiurile mai sus menționate o au asupra cantității de energie solară anuală și lunară pentru toate zonele geografice. Fără a intra in detaliile calculelor analitice deja descrise în normă, vă oferim câteva indicații general valabile si utile pentru o corectă poziționare a câmpului colector în funcție de tipul de aplicație solară aleasă.

– Orientarea Y: Orientarea spre sud (Y=0°) reprezintă condiția ideală, obținându-se astfel cea mai mare cantitate de energie atât pe o bază anuală cât si lunară. Acolo unde este posibil, pentru orice tip de aplicație, este întotdeauna de preferat ca azimutul să fie egal cu 0°. Anumite aplicații anuale sau în primul rând de vară (de exemplu, pentru încălzirea piscinelor și a apei menajere) implică îndepărtări majore de la condiția ideală fără pierderi importante de energie. Alte aplicații proprii doar anotimpului rece (de exemplu integrarea în instalații de încălzire), tocmai datorită faptului că prevăd exploatarea energiei solare în perioadele cu expunere redusă la lumina solară, sunt extrem de sensibile la îndepărtările față de sud.

– Înclinația ß: Unghiul de înclinație optimă depinde în mare măsură de utilizarea instalației solare. Unghiurile optime de înclinație sunt mai reduse pentru producția de apă caldă și pentru încălzirea piscinei, deoarece țin cont de înălțimea cea mai ridicată a soarelui în timpul verii. Unghiurile optime de înclinație pentru integrarea în instalații de încălzire a mediului ambient sunt in schimb mai mari dat fiind faptul că sunt prevăzute pentru poziția mai joasă a soarelui în anotimpurile de tranziție.

În fiecare zi a anului, soarele urmează o traiectorie pe bolta cerească ale cărei coordonate principale, azimutul si elevația, sunt reprezentate în grafic. În același grafic sunt reprezentate azimutul și gradul de elevație al unor potențiale obstacole situate în apropierea unei anumite instalații solare. Prin urmare, graficul permite stabilirea intervalelor de timp și a zilelor în care instalația solară nu este expusă în mod direct luminii solare. Se poate astfel evalua cantitatea anuală de energie care lipsește. Și în acest caz, pentru tratarea exclusiv analitică, se vor consulta textele specifice.[12]

Figura 6: Traiectoria soarelui pe parcursul unui an [12]

În următorul tabel sunt prezentate valori lunare ale temperaturilor maxime, minime și medii pentru zona urbană Brașov înregistrate de stația meteo Delta-T

Radiația solară pe suprafețele colectoarelor fixe orientate spre Sud

Pentru zona Brașov se recomandă o orientare spre Sud a colectorului datorită faptului că se află în emisfera nordică. Unghiul optim de înclinare a depinde de latitudinea zonei în care se montează.

Trebuie menționat că se poat alege unghiuri diferite de înclinație in funcție de necesitățile lunare de captare a energiei solare astfel încât să se realizeze maximizarea eficienței de captare.

În acest sens, în figura urmatoare sunt prezentate valorile lunare ale unghiurilor de elevație pentru care eficiența de captare a radiației globale este maximă.

Așadar în funcție de posibilitățile constructive pe care le oferă soluția mecanismului de orientare adoptat, și în funcție de perioadele de interes în care se dorește funcționarea colectorului în regim de sarcină maximă, proiectantul are posibilitatea alegerii unei valori convenabile pentru

unghiul de elevație. [2][12]

Figura 7: Valorile lunare ale unghiurilor de elevație pentru care se obțin eficiențele maxime de capture a radiației[2]

Figura 8: Domeniul lunar de valori ale unghiului de elevație pentru care se obțin valori maxime ale eficienței de captare a energiei[2]

Capitolul 3

REZOLVAREA TEMEI DE PROIECTARE

Componente utilizate

ARDUINO MEGA ADK

Figura 9: Arduino Mega ADK [4]

În scopul punerii în practică a cestui controler de temperature am

folosit o platforma de dezvoltare de tip Arduino MEGA ADK. Acest tip de placă conține un procesor Atmel ATmega 2560. Acest tip de placă are o interfață pentru dispozitivele care folosec Android. Similar cu Uno sau cu alt tip de placă, cei de la Arduino folosesc un convertor USB-serial pentru programarea procesorului.

Alimentare

Arduino MEGA ADK se poate alimenta prin intermediul conexiunii USB sau se poate folosii o sursă externă de alimentare.

Sursa externa de alimentare poate fi un alimentator de current continuu cu transformator de la reteaua de 230V CA sau o baterie. Conexiunea cu placa se face prin intermediul unei mufe de alimentare de 2.1 mm centru-pozitiv. Alimentarea de la baterie se poate face si prin intermediul pinului Vin si Gnd. Sursa de alimentare trebuie sa poată furniza 1.5 A necesar controlului senzorilor si actuatorilor conectatați la placă. Dacă avem telefonul mobil sau alt dispozitiv conectat la portul USB destinat acestor dispositive, care este descărcat va tinde să se încarce prin intermediul acestei plăci.

Placa poate funcționa cu o sursă externă de putere de 5,5 V până la 16 V. Dacă placa este alimentată la o tensiune mai mica de 7 V atunci pe pinul de 5 V există posibilitatea să avem mai putin de 5 V. În cazul în care alimentăm placa la tensiune mai mare de 12 V atunci regulatorul de tensiune se poate supraîncălzi si se poate deteriora. Tensiunea recomandată este între 7 V si 12 V.

Pinii de alimentare sunt următorii:

-Vin- Tensiunea de intrare a plăcii atunci când folosește altă sursă decât cea de 5V de la USB. Placa poate furniza tensiune prin acest pin sau poate fi alimentat prin acest pin de la o baterie.

-5 V- Acest pin emite o tensiune de 5 V de la regulatorul de tensiune de 5 V indiferent de la ce sursă de tensiune este alimentată placa, fie că e alimentată de la USB fie că este alimentată dintr-o sursă externă. Nu se recomandă alimentarea plăcii prin intermediul acestui pin deoarece se bypasează regulatorul de tensiune și se poate deteriora placa.

-Gnd- Acesta este pinul de masa. Este comun pe toată placa de dezvoltare.

-IOREF- Acest pin de pe placa Arduino furnizează tensiune de referință cu care operează microcontrolerul.

Memoria

MEGA ADK are 256 KB de memorie flash pentru stocarea de cod ( din care 8 KB este utilizată pentru bootloader ) , 8 KB SRAM și 4 KB de EEPROM ( care pot fi citite și scrise cu biblioteca EEPROM ) .

Intrări și ieșiri

Arduino Mega are 50 de pini digitali. Fiecare din acești pini poate fi configurat prin intermediul programului dacă să fie intrare sau ieșire folosind funcția pinMode().Fiecare PIN poate oferi sau de a primi un maxim de 40 mA și are o rezistență pull – up intern ( deconectat implicit ) de 20-50 kohmi. Unii din acești pini pot avea si alte funcții.

– Serial: 0 ( RX ) și 1 ( TX ) ; Serial 1 : 19 ( RX ) și 18 ( TX ) ; Serial 2: 17( RX) și 16 ( TX ) ; Serial 3 : 15 ( RX ) și 14 ( TX ) . Este folosit pentru a primi ( RX ) și transmite date seriale ( TX ) TTL .

– Întreruperile externe : pin 2 ( întrerupere 0 ) , pin 3 ( ​​întrerupe 1 ) , pin 18 ( întrerup 5 ), pin 19 ( întrerup 4 ) , pin 20 ( întrerup 3 ) și pin 21 ( întrerup 2 ) . Acești pini pot fi configurați pentru a declanșa o întrerupere la o valoare mică , o margine în creștere sau în scădere, sau o modificare a valorii .

– PWM : pinul 2 până la pinul 13 și pinul44 până la pinul 46. Acești pini furnizează o tensiune de ieșire PWM de 8 biți.

– SPI : pin 50 ( MISO ) , pin 51 ( Mosi ) , pin 52 ( SCK ) , pin 53 ( SS ) . Acești pini suportă comunicare SPI folosind biblioteca SPI .

– LED : 13. Există un LED poziționat pe placă conectat la pinul digital 13. Atunci când PIN-ul are valoara 1, LED-ul este aprins, atunci când PIN-ul este LOW , este oprit .

– TWI : pin 20 ( SDA ) și pin 21 ( SCL ) . Suport de comunicare TWI

Acești pini sunt pinii de comunicație prin magistrala bidirecțională I2C.

Arduino MEGA ADK are 16 intrări analogice , fiecare dintre ele oferă 10 biți de rezoluție ( adică 1024 valori diferite) . În mod implicit se măsoară de la Gnd până la 5 volți .

Există pe placă si o serie de alti pini.

AREF . Tensiunea de referință pentru intrări analogice .

Reset. Acest pin este folosit pentru a reseta placa.[4]

Figura 10: Configurare pini Microcontroler [4]

Specificații

Comunicații

Mega 2560 Placa are o serie de facilități pentru a comunica cu un computer, un alt bord, sau alte microcontrolere. Windows va avea nevoie de un fișier .inf, dar mașinile OSX și Linux vor recunoaște placa ca un port COM automat. Software-ul Arduino (IDE) include un monitor de serie care permite unor date simple textuale să fie trimise la și de la bord.

O bibliotecă de Software Serial permite comunicarea serială pe oricare dintre pini digitali ai modelului Mega 2560.

Arduino mega poate comunica cu alte dispositive si prin magistrala I2C. această magistrală este o magistrală bidirecțională care are în componența sa două linii de comunicație: SDA (Serial data) si SCL ( Serial clock). Această magistrală a fost creată prima dată de Philips și este o magistrală bidirecțională cu două linii care poate realiza un control eficient între circuite integrate. Dispozitivele care o astfel de magistrală incorporate, prezintă o interfață care le permite să comunice direct, prin intermediul magistralei I2C.

Caracteristici standard ale magistralei

Are doar două fire SCL, SDA

Fiecare dispozitiv ce este conectat la magistrală se poate adresa software în orice moment, având o adresă unică

Oricare dispozitiv master poate funcționa ca emițător master sau ca receptor master

Avantajele magistralei I2C

Nu este necesară proiectarea unei interfețe deoarece aceasta este deja integrată în controler. Interfața on-chip.

Aceleași tipuri de circuite integrate pot fii utilizate in aplicații diferite.

Într-un circuit care funcționează cu această magistrală se pot adăuga sau scoate alte dispositive fără ca acest lucru să afecteze alt circuit.

Plăcile circuitului imprimat au dimensiuni mult mai mici.

Simplifică conectarea circuitelor, microcontrolerele având mai puțini pini.

Caracteristici fizice [4]

Lungimea maximă și lățimea Mega 2560 PCB sunt 4 și 2.1 inch, respectiv, cu mufa conector USB și putere de extindere dincolo de fosta dimensiune. Trei găuri pentru șuruburi permit placa să fie atașată la o suprafață.

Această placă este concepută pentru a fi compatibilă fizic si cu alte plăci cum ar fi UNO, etc. Pinii sunt așezați in aceleași locuri pentru a se putea cupla mecanic între ele diferite plăci.

Figura 11: Îmbinare placi Arduino[14]

Resetare automată software

Mega 2560 este proiectat într-un mod care îi permite să fie resetat prin software-ul care rulează pe un computer conectat. Una dintre liniile de control a fluxului de hardware (DTR) a ATmega8U2 este conectat la linia de resetare a ATmega2560 printr-un condensator 100 nanofarad. Atunci când această linie se afirmă, linia de resetare scade suficient de mult pentru a reseta cipul. Software-ul Arduino (IDE) folosește această capacitate pentru a vă permite să încărcați codul prin simpla apăsare pe butonul de încărcare în mediul Arduino. Acest lucru înseamnă că bootloader-ul poate avea un timp de expirare mai scurt, deoarece scăderea DTR poate fi bine coordonate cu începerea încărcării.

Această configurare are și alte implicații. În cazul în care Mega 2560 bord este conectat fie la un calculator care rulează Mac OS X sau Linux, se resetează de fiecare dată când o conexiune este făcută prin USB.

Mega 2560 conține o urmă care poate fi tăiată pentru a dezactiva auto-resetarea. Contactele de pe fiecare parte a urmelor se pot suda împreună pentru a-l reactiva. Este etichetat "RESET-EN".[4]

În Anexa 2 se poate vedea schema electrică a acestei plăci de dezvoltare.

Figura 12: RESET-EN

Senzorii de temperatură

Una dintre cele mai întâlnite aplicații este măsurarea temperaturii. Cel mai des întâlnit

fenomen în măsusrarea temperaturii este dilatarea termică. Acest principiu stă la baza termometrelor din sticlă și cu lichid în el. Pentru a transforma energia termică in semnal electric se folosesc senzori rezistivi, termoelectrici, optici și piezoelectrici.

Când senzorul este introdus într-un lichid sau mediu în care trebuie măsurată temperatura, va exista un schimb de căldura între sensor și mediu.

Un sensor tipic de temperatură de contact are urmatoarele elemente:

Un material senzitiv – care este reprezentat de un element care iși modifică propietățile în funcție de temperatură. Materialul trebuie să aibă căldură specifică mică și o conductivitate termică ridicată.

Contactele sunt reprezentate de fire sau plăci conductive ce asigură comunicarea dintre senzor și circuitul electronic. Contactele trebie să aibă o conductivitate termică și o rezistența electrică cât mai mică.

Un strat protector ce separă elemental senzitiv de mediul exterior. Acest material trebuie să fie perfect etanș să nu permită lichidului să pătrundă în interiorul său, să aibă o rezistență termică cât mai mică și să fie un bun izolator.

Senzorul de temperatură brick este o componentă care sesizează nivelul temperaturii lichidului ce tranzitează instalația panourilor. În cadrul proiectului sunt folosiți 5 astfel de senzori care vor monitoriza temperatura în diferite locuri a instalației. Pe baza informației acestor senzori procesorul nostru va controla intregul sistem.

Figura 13: Senzor de temperatură brick [17]

Acest tip de sensor de temperature folosește un circuit integrat LM 50. Acesta poate sesiza o temperatură cuprinsă în intervalul -40°C și +125°C, utilizând o singură sursă pozitivă. Tensiunea de ieșie a senzorului este proporțională cu temperatura.(10mV/°C). Datorită tensiunii de offset circuitul poate să citească temperaturi negative fără utilizarea unei surse negative. LM 50 nu necesită calibrare externă pentru a detecta temperatura cu o precizie de 3°C. Ieșirea lineară, tensiunea de offset, si calibrarea din fabrică simplifică circuitele cerute într-un singur mediu de alimentare în cazul în care este necesară citirea temperaturilor negative.

Figura 14: SOT-23- Configurație pini [20]

Caracteristici

– calibrat direct în grade Celsius

– ieșire liniară cu scală de 10 mV/°C

– precizie de ±2°C la temperatura 25°C

– interval de funcționare -40°C și +125°C

– adecvat pentru aplicații la distanță

– cost redus

– funcționează în intervalul de tensiune 4.5V la 10V

– curent de scurgere de ordinul microamperilor

– nivevel scăzut de autoîncălzire

Aplicații

– Industria auto

– Calculatoare

– Imprimante

– Aparatură medicală

Limitele maxime sunt: [20]

Figura 15: Senzor temperatură brick , arduino uno [17]

Foaia de catalog a elementului principal a acestui senzor (LM50) se găseste în Anexa 3.

Display-ul LCD

LCD-urile sunt făcute pentru a afișa imagini arbitrare, sau imagini fixe cu un conținut scăzut de informație.

Acestea sunt utilizate într-o gamă foarte largă cum ar fii: televizoare, monitoare de calculator, calculatoare de bord, display-uri de aeronave din cabina de pilotaj și semnalizare. Ele sunt comune în dispozitive de consum , cum ar fi DVD playere , dispozitive pentru jocuri , ceasuri , calculatoare, și telefoane , și s-au înlocuit cele cu tub catodic cu raze ( CRT ) . Acestea sunt disponibile într -o gamă mai largă de dimensiuni ale ecranului decât CRT și ecranele cu plasmă.

Consumul redus de energie electrică permite ca acesta să fie utilizat în echipamente electronice alimentate cu baterii. Este un dispozitiv optic modulat electronic alcătuit din orice număr de segmente care controlează un strat de cristale lichide și îmbrăcat în fața unei surse de lumină ( iluminare din spate ) sau reflector pentru a produce imagini color sau alb-negru.

Cristale lichide au fost descoperite pentru prima dată în 1888.

Fiecare pixel al unui LCD de obicei este format dintr-un strat de molecule aliniate între doi electrozi transparenți și două filtre de polarizare ( paralele și perpendiculare ) , axele de transmitere care sunt ( în majoritatea cazurilor ), perpendiculare între ele. Înainte de aplicarea câmpului magnetic, moleculele de cristale lichide sunt orientate la suprafața electrozilor. Într-un dispozitiv de răsucire nematică, direcțile de aliniere la suprafața electrozilor sunt perpendiculare una pe cealaltă. Datorită acestui lucru aranjarea moleculelor se realizează într-o structură elicoidală. Prin controlul tensiunii aplicate la nivelul stratului cu cristale lichide în fiecare pixel , lumina poate fi lăsată să treacă prin diferite cantități , astfel, constituind diferite niveluri de gri . Majoritatea LCD-urilor actuale utilizate în televizoare, monitoare și smartphone-uri care au matrice de pixeli de înaltă rezoluție pentru a afișa imagini arbitrare folosind iluminare din spate și cu un fundal întunecat atunci când nu este afișată nicio imagine. Pentru aceste lucruri sunt folosite aranjamente diferite.

Atât materialul cu cristale lichide și materialul stratului de aliniere conține compuși ionici. Dacă un câmp electric de un anumită polaritate este aplicat pentru o perioadă lungă de timp, acest material ionic este atras de suprafețe și degradează performanța dispozitivului. Acest lucru este evitat fie prin aplicarea unui curent alternativ fie prin inversarea polarității câmpului electric.

Display-urile pentru un număr mic de cifre individuale și / sau simboluri fixe (ca în ceasuri digitale și calculatoare de buzunar ) pot fi puse în aplicare cu electrozi independenți pentru fiecare segment. Din moment ce panourile LCD nu produc lumina lor proprie , ele au nevoie de lumină exterioară pentru a produce o imagine vizibilă. [18]

Metodele de iluminare din spatele LCD-urilor sunt:

CCFL (cold cathode fluorescent lamps)- Panoul LCD este iluminat , fie cu ajutorul a două lămpi fluorescente cu catod rece amplasate la marginile opuse ale ecranului sau o matrice de CCFL paralelă în spatele ecranului.

EL-WLED – Panoul LCD este luminat de un rând de LED-uri albe plasate la una sau mai multe margini ale ecranului . Un difuzor de lumină este apoi folosit pentru a răspândi lumina uniform pe întreaga suprafață a ecranului. Din 2012 , acest design este cel mai popular în monitoare de calculator staționar. Acestă metodă permite cel mai subțire display.

WLED array – Panoul LCD este luminat de o gamă completă de LED-uri albe plasate în spatele unui difuzor în spatele panoului.

Această metodă este folosită in televizoarele LCD de lux.

RGB-LED – Similar cu o matrice WLED, cu excepția panoului care este luminat cu o gamă completă de LED-uri RGB. Culorile sunt mai bune la acest tip si se folosește de obicei la monitoarele pentru procesare grafică

Avantaje

Este compact și ușor

Consumul de energie este scăzut si este dependent de nivelul de luminozitate. De obicei consumul unui display de monitor mai vechi este de aproximativ 20% – 30% din energia consumată de aparat, în timp ce la cele mai noi este de 10% – 15%.

Nu emite căldură mare în timpul funcționării

Nu distorsionează imaginile

Este foarte subțire în comparație cu vechile aparate cu tub catodic, lucru ce permite amplasarea lui cât mai departe de ochii utilizatorului.

Nivelul de radiații este mult mai mic decât în cazul dispozitivelor CRT

Se pot construi cu orice dimensiuni.

Marginile ce îl înconjoară pot fi foarte subțiri.

Dezavantaje

Unghiul de vizualizare este redus. Nu se poate privi din anmite unghiuri deoarece imaginea este distorsionată.

Pot aparea pixeli morți sau blocați in timpul fabricării sau pe parcursul funcționarii acestuia

Se pierde contrastul în medii cu temperature ridicate.

Nu se poate vizualiza dacă soarele bate în ecran.

Pierderea de luminozitate și timpi de răspuns mult mai mari în medii cu temperaturi scăzute

Controlerul de temperatură prezintă si un afișaj LCD (liquid-crystal display) care are scopul de a afișa temperatura apei din boiler sau temperatura de la nivelul panourilor. Acest display va fi montat pe cutia controlerului de temperatură . Acest shield este alimentat la o tensiune de 5 V care se poate lua din pinul de 5 V al Arduino si pinul Gnd. Acest tip de display comunică cu placa Arduino cu ajutorul a 2 fire. Comunicația se realizează prin intermediul magistralei de comunicație I2C. Dispozitivele care sunt conectate la magistrală au o adresă unică și funcționează ca receptor sau ca emițător. Un driver LCD ca cel care este folosit și în acest proiect nu poate fi decât receptor, el nu poate fi emițător.

Figura 16: Shield pentru comunicație pe magistrala I2C al LCD-ului cu Arduino [17]

Figura 17: LCD 20X4 [17]

Pompa de recirculare agent termic

Pompa este o mașină care transformă energia mecanică provenită de la un motor electric în energie hidraulică.

Panourile solare sunt folosite in instalții pentru a produce apă caldă menajeră sau pentru a aduce un aport la încălzirea locuinței. Pentru acest lucru este nevoie și de o pompă de circulație a agentului termic din interiorul panoului solar.

Pentru alegerea a astfel de pompă este nevoie ca acesta să îndeplinească urmatoarele condiții:

Trebuie să poată fucționa cu agenți antiîngheț ( antigel ).

Trebuie să poată funcționa la temperaturi înalte.

Trebuie să poată funcționa la variații mari ale temperaturii agentului termic.

Pompa de recirculare a apei funcționează pe principiul diferenței de temperatură dintre temperatura la nivelul captatorului solar si temperatura din boilerul de acumulare.

De exemplu diferența de temperatură de pornire este setată la 10°C si cea de oprire este de 5°C, daca temperatura parții inferioare a rezervorului de colectare este de 20°C, pompa va porni doar în momentul în care temperatura la nivelul panoului solar atinge 30°C, iar când temperatura scade la 25°C pompa se va opri. Această diferența de temperatură poate fi setată de către utilizator.

Pompa de circulație se alege în funcție de următorii parametrii:

Înălțimea de pompare a lichidului care se notează cu Hp și este dată în metri coloana de apă (mca). Această înălțime de pompare este dată de diferența de nivel dintre refularea pompei si punctul cel mai înalt unde trebuie să ajungă apa dacă pe traseu nu are obstacole sau impedimente. Această înălțime de pompare ne sugerează automat și presiunea minimă la care trebuie să lucreze pomnpa.

Debitul pompei care se masoară în metri cubi/ora sau litri/minut. Debitul pompei se stabilește în funcție de instalația în care lucrează aceasta. De exemplu pentru un apartament se consideră un debit de 20 de litri/minut iar pentru o vilă cam de 30 de litri/minut. [19]

Figura 18: Pompă de recirculare agent termic WILO STAR STG 25/6 [19]

Pentru mai multe detalii despre acest element, Anexa 4 vine în ajutor. Această anexa se gasește la sfarsitul proiectului.

Caracteristici tehnice: [19]

Compatibilitate electromagnetică: EN 61800-3

Emitere de perturbații: EN 61000-6-3

Rezistență la perturbații: EN 61000-6-2

Reglarea turației: trei trepte de turație

Tip de protecție: IP 44

Clasa de izolație: F

Rețea de alimentare: 1~230 V

turație: 1250 – 2350 / 1700 – 2650 / 2150 – 2750 rot/min.

Putere nominală a motorului: 24 W/16,5W/9,5 W

Putere consumată 1~ 230 V: 41 / 54 / 63 W

Intensitate la 1~230 V: 0,18 / 0,23 / 0,28 A

Intensitate max.: 0,28A/0,23A/0,18 A

Interval de temperatură: -10-110 ° C ( pe termen scur : 120 ° C )

Electrovalvă cu trei căi

Funcția acestui element de circuit este acela de a comuta un robinet care se afla montat pe axul unui servomotor, între 2 poziții. Se folosește ca metodă de siguranță la supraîncălzirea vasului de stocare principal. Când temperatura apei din boilerul principal ajunge la temperatura maximă setată, această vană este alimentată și iși schimbă poziția. Agentul termic este plimbat prin alt traseu de catre unitatea de pompare. În schema de principiu a proiectului avem și două astfel de elemente. Sunt acționate de un motor electric și pot funcționa în două poziții, indiferent dacă vana este acționată de motor sau manual.

Aceste electrovalve sunt echipate și cu dispozitive de acționare manuală. Când alimentarea electrică a fost întreruptă, comutatorul manual este poziționat ca în Figura 19 a): calea A închisă, calea B deschisă. Obturatorul sferic menține calea A închisă datorită forței exercitate de către debitul de lichid ce provine de pe retur. Când servomotorul este conectat la rețeaua electrică acesta acționează asupra obturatorului sferic pentru a închide calea B într-un timp aproximativ de 20 de secunde și îl menține atât timp cât servomotorul este sub tensiune (Figura 19 b)). Când alimentarea electrică este oprită, obturatorul sferic revine la poziția inițială în 6 secunde.

Figura 19: a) poziție inițială cu motor nealimentat

b) poziția a doua când mororul este alimentat

[15]

Controlul manual se face cu ajutorul unei pârghii aflată pe partea dreaptă a servomotorului. Aceasta este folosită pentru a poziționa obturatorul într-o poziție intermediară. Modul de funcționare este folosit mai ales când se trece la golirea sau umplerea instalatiei hidraulice.[15]

Caracteristici tehnice :

Tensiunea de alimentare:  220 V, 50 Hz (disponibile și variantele cu alimentare la 24V, 110 V)

Putere absorbită:  5÷6 W

Presiunea nominală:  10 Kg/cm2

Temperatura de lucru a fluidului: +5÷110 oC

Timpul nominal de deschidere:  20 sec

Timpul nominal de închidere:  6 sec

Figura 20: Electrovalvă cu trei căi [15]

Informațiii suplimentare se găsesc în Anexa 5.

Schema circuitului electric

Schema circuitului cuprinde o placă Arduino Mega ADK , cinci senzori de temperatură. Ledurile din imagine simbolizează ieșirile. Am ales să simbolizez ieșirile în acest mod deoarece se poate observa mai bine în cadrul proiectului când iesirea respectivă devine 1 sau 0. Schema este facuta în programul „Fritzing” deoarece acest program oferă pe langă posibilitate da a realiza legăturile electrice cu ajutorul firelor, componentele sunt redate grafic la fel ca în realitate. Rezistențele din schemă deservesc la scăderea tensiunii la bornele ledurilor deoarece ledurile folosite în machetă sunt leduri de 3V iar tensiunea de alimentare este de 5V. Datorită acestui lucru am înseriat cu ledurile câte o rezistență de 220 Ω.

În imagine se mai găseste și un display de 20 de caractere pe rând si 4 rânduri ( 20X4 ).

Acest display comunică cu placa de dezvoltare prin intermediul magistralei I2C.

Figura 21: Schema electrică a circuitului

Progamul Arduino

Arduino oferă un mediu de dezvoltare integrat (IDE), care este o aplicație cross-platform, scrisă in JAVA. Acesta are origini în mediul de dezvoltare pentru limbajul de programare Processing și în proiectul Wiring. Este proiectat pentru a introduce programarea în lumea artiștilor și a celor nefamiliarizați cu dezvoltarea software. Include un editor de cod cu funcții ca evidențierea sintaxelor, potrivirea acoladelor și spațierea automată, și oferă mecanisme simple cu un singur click, pentru a compila și a încărca programele în plăcuța Arduino. Un program scris în IDE pentru Arduino se numește sketch.

Arduino IDE suportă limbajele de programare C și C++ folosind reguli speciale de organizare a codului. Arduino IDE oferă o librărie software numită Wiring, din proiectul Wiring, care oferă multe proceduri comune de intrare și ieșire. Un sketch tipic Arduino scris în C/C++ este compus din două funcții care sunt compilate într-un program executabil cu o execuție ciclică:[5]

setup(): o funcție care este rulată o singură dată la începutul programului, când se inițializează setările.

loop(): o funcție apelată în mod repetat până la oprirea alimentării cu energie a plăcuței.

În continuare voi prezenta celele mai semnificative părți ale codului încarcat în dispozitivul de control.

În prima parte a codului sunt prezentate bibliotecile necesare pentru anumite dispozitive a controlerului cum ar fii display-ul.

O următoare etapă în alcătuirea programului este declararea și setarea ieșirilor sau a intrărilor.

Ieșirile sunt folosite pentru a acționa anumite elemente, cum sunt în cazul nostru ieșirile digitale folosite la aprinderea ledurilor sau pentru cuplarea releelor. Un exemplu de astfel de iesire digitală de poate vedea în continuare:

int pompa = 23;

pinMode( pompa, OUTPUT);

În acest exemplu este declarată o variabilă de tip int care reprezintă ledul verde ce simbolizează pompa de recirculare. Acestei variabile i se atribuie pinul digital notat cu 23.

În următoarea linie se poate observa ca această iesire este setată ca fiind iesire (OUTPUT).

În cadrul acestui proiect nu se folosesc intrări digitale ci doar analogice. Analogicele sunt folosite pentru senzorii de temperatură. Acești senzori de temperatura masoară temperatura iar pe pinul out redau o tensiune variabilă în funcție de temperatură. Această tensiune este convertită pentru a ușura utilizatorul într-o valoare cuprinsă între 0 si 1023. Un astfel de exemplu este și următorul:

int tempT1 = A0;

Aici se poate observa că senzorul tempT1 îi este atribuită intrarea analogică A0.

Următoarea etapă a codului este inițializarea pinilor. Prin această inițializare se înțelece că în momentul pornirii dispozitivului pinii declarați trebuie să fie inițializați, adică sunt 0 sau 1.

digitalWrite(pompa , LOW);

digitalWrite(sursacaldura1 ,HIGH);

Toate aceste etape se întâmplă inainte și în funcția „ setup „ . În cadrul acestei funcții mai este declarat formatul display-ului și pornit iluminatul lui.

lcd.begin(20, 4);

lcd.setBacklight(HIGH);

Funcția „loop” este rulată continuu. Din acest motiv în cadrul ei este cea mai importantă parte a codului. Acestă parte o pot numii chiar logică de funcționare a sistemului. Aici se poate seta de către utilizator orice prag de temperatură sau compara mai multe temperaturi pentru funcționarea sistemului după nevoile personale. În cadrul proiectului această funcție începe cu citirea temperaturilor indicate de cei 3 senzori.

Serial.print("Temperatura1: ");

float temp1 = readTempInCelsius(5,0);

Serial.print(temp1);

Serial.println("C");

Serial.print("Temperatura2: ");

float temp2 = readTempInCelsius(5,1);

Serial.print(temp2);

Serial.println("C");

Serial.print("Temperatura3: ");

float temp3 = readTempInCelsius(5,2);

Serial.print(temp3);

Serial.println("C");

delay(1000);

Se poate observa că citirea temperaturii se face cu ajutorul funcției de citire a temperaturii „readTempInCelsius(5,0);”. Funcția de temperatură este apelată cu ajutorul numelui său iar ce observăm între parantezele rotunde sunt două variabile. În continuare este prezentată funcția:

float readTempInCelsius(int count, int pin)

{

float temperaturaMediata = 0;

float sumaTemperatura = 0;

for (int i =0; i < count; i++) {

int reading = analogRead(pin);

float voltage = reading * 5.0;

voltage /= 1024.0;

float temperatureCelsius = (voltage – 0.5) * 100 ;

sumaTemperatura = sumaTemperatura + temperatureCelsius;

}

return sumaTemperatura / count;

}

După cum spuneam mai sus apelarea funcției se face prin atribuirea a două valori între paranteze rotunde care setează valoarea celor două variabile „(int count, int pin)”. Prima dintre ele semnifică numarul de valori mediate ale temperaturii. Pentru a minimiza erorile de citire a temperaturilor funcția mediază un număr de valori, setat de utilizator. A doua variabilă reprezintă numarul intrării analogice pe care se face citirea temperaturii. Din cauză că Arduino redă temperatura prin intermediul unei valori cuprinsă între 0 si 1023, în cadrul funcției se poate observa un algoritm de transformare din această valoare în grade Celsius.

După citirea temperaturilor, putem spune că începe logica de control a temperaturii.

Acest sistem funcționează pe baza unei diferențe de temperatură. Această diferență de temperatură este dată de diferența valorilor temperaturilor de la nivelul panoului solar și a boilerului. Dacă această diferență crește peste 5 °C pompa de recirculare este pornită. Pompa este oprită în momentul în care această diferență scade sub 3 °C . Logica de control mai cuprinde o condiție. Dacă temperatura boilerului principal, în cazul nostru boilerul de apă caldă menajeră depășește valoarea de 50 °C atunci electrovana cu trei căi va comuta traseul agentului termic.

diftemp = temp1-temp2;

if ( diftemp > 5 && tempboiler <= 50)

{

digitalWrite(sursacaldura2,HIGH);

digitalWrite(sursacaldura3,HIGH);

digitalWrite(pompa,HIGH);

digitalWrite(vana,LOW);

digitalWrite(led1r,HIGH);

digitalWrite(led2r,HIGH);

digitalWrite(led3r,HIGH);

digitalWrite(led4r,HIGH);

digitalWrite(led5r,HIGH);

digitalWrite(led6r,LOW);

digitalWrite(led7r,LOW);

digitalWrite(led1a,HIGH);

digitalWrite(led2a,HIGH);

digitalWrite(led3a,HIGH);

digitalWrite(led4a,HIGH);

digitalWrite(led5a,LOW);

digitalWrite(sursacaldura1 ,LOW);

}

else if ( diftemp > 5 && tempboiler > 50)

{

digitalWrite(sursacaldura1 ,HIGH);

digitalWrite(pompa,HIGH);

digitalWrite(vana,HIGH);

digitalWrite(led1r,HIGH);

digitalWrite(led2r,HIGH);

digitalWrite(led3r,LOW);

digitalWrite(led4r,LOW);

digitalWrite(led5r,LOW);

digitalWrite(led6r,HIGH);

digitalWrite(led7r,HIGH);

digitalWrite(led1a,HIGH);

digitalWrite(led2a,HIGH);

digitalWrite(led3a,LOW);

digitalWrite(led4a,LOW);

digitalWrite(led5a,HIGH);

digitalWrite(sursacaldura2,LOW);

digitalWrite(sursacaldura3,LOW);

delay(5000);

}

else if ( diftemp<3 )

{

digitalWrite(sursacaldura2,LOW);

digitalWrite(sursacaldura3,LOW);

digitalWrite(sursacaldura1,HIGH);

digitalWrite(pompa,LOW);

}

Codul complet se poate vedea la sfârșitul proiectului în Anexa 1.

Etapele dezvoltării proiectului

În primul rând pentru realizarea acestui controler a fost nevoie de o cutie de plastic cu dimensiunile 300×220 mm. Pe capacul cutiei au fost montate:

un display 20X4 caractere folosit pentru a afișa temperatura din boiler

leduri roșii care indică traseul apei calde. Cutia a fost găurită iar ledurile au fost montate în găuri.

leduri albastre pentru a indica traseul apei reci (retur)

leduri verzi care indică funcționarea pompei si a vanei cu 3 căi.

Figura 22: Capacul cutiei

În interiorul cutiei am montat Arduino Mega ADK, prins pe o placă de montaj cu găuri alături de modulul de relee care deservesc la cuplarea surselor de căldură și alături de un modul de rezistențe de 220 Ω ½ W care deservesc la scăderea tensiunii de alimentare a ledurilor de la 5V la 3V. Toate acesta se pot vedea în imaginea următoare:

Figura 23: Modulul de control

În cadrul proiectului am anvut nevoie de încă un modul de alimentare a surselor de căldură. Am fost nevoit să folosesc aceste surse pentru a încălzii senzorii de temperatură. În imagine se pot observa următoarele elemente:

șir de borne pentru a putea alimenta sursa la o tensiune de 230V

pentru protecția sistemului am montat si 2 socluri de siguranță. Siguranțele folosite sunt de 2A.

Iar pe lateralul cutiei avem montat un întrerupător pentru a putea porni sau opri sursa de căldură

Sursa de căldură folosită este o rezistență de putere de 4,8 kΩ ceramică. Aceasta este realizată din 2 rezistețe înseriate de 2,4 kΩ

Figura 24: Sursa de căldură

O penultimă etapă a fost pozționarea modulului de control în cutie. Acesta a fost așezat deasupra modului de încălzire ca în imaginea ce urmează.

Figura 25: Pozitionarea elementelor în cutie

O ultimă etapă este așezarea senzorilor de temperatură în apropierea surselor de căldură. Ei vor fi așezați pe un suport metalic cu ajutorul unui șurub de fixare. Acest suport metalic se poate observa în următoarea imagine.

Figura 26: Imagine finală a proiectului

Metode de siguranță

Pe parcursul funcționării dispozitivului, pot apărea diferite probleme. Pentru ca aceste probleme să nu ducă la defectarea dispozitivului sau să nu perturbe funcționarea corectă a instalației, trebuie să protejăm aparatul. Nefuncționările corespunzătoare pot fi de diferite tipuri.

Probleme ce pot apărea:

lipsa tensiunii de alimentare

lipsa agentului termic din instalație

supraîncălzirea sistemului

Aceste probleme sunt dependente una de cealaltă în sensul că dacă una dintre ele apare, se poate întampla să ducă la apariția alteia.

Lipsa tensiunii de alimentare

Dacă pe parcursul funcționării sistemului intervine, putem spune că este cel mai urât caz deoarece sistemul nu mai poate fi controlat. În acest caz are următoarele efecte:

controlerul rămâne fără alimentare ceea ce conduce la lipsa controlului

pompa de recirculare rămâne fără alimentare și nu mai poate realiza răcirea captatorului solar.

Alimentarea electrovanelor cu 3 căi nu mai este posibilă

Metode de prevenire

Pentru cazul în care apare lipsa de tensiune a înregului imobil în care sistemul este montat există o soluție. Se poate monta un sistem UPS care este dotat cu baterii. Această soluție este una care implică costuri suplimentare. Este o metodă de prevenție bună în cazurile în care lipsa tensiunii este redusă ca durată. Timpul de funcționare a UPS-lui este dat de puterea instalată și de capacitatea bateriilor.

O altă metodă este montarea unei supape de presiune. Încadrey această metodă aici deoarece lipsa tensiunii duce la întreruperea alimentării cu energie a pompei care duce la supraîncălzirea captatorului. Supapa de siguranță deservește la eliberarea agentului termic în cazul în care sistemul atinge presiunea reglată pe supapă. Creșterea temperaturii în sistem duce la creșterea presiunii în sistem.

O ultimă metodă este montarea unui vas de expansiune. Acest vas de expansiune poate prelua un surplus de volum datorat unei creșteri bruște de temperatură. Acest surplus de volum este limitat de capacitatea vasului. Poate compensa o perioada scurtă în care nu avem alimentare.

Lipsa agentului termic în instalație

Se poate întâmpla ca în timpul fucționării să întâmpinăm o problemă care poate conduce la lipsa agentului termic în sistem. Acest lucru poate fi produs în urma spargerii unei țevi. Problemele ce pot apărea în urma acestui caz sunt următoarele:

Arderea pompei de circulație a agentului datorită lipsei lichidului care lubrifiază și rulmenții rotorului pompei

Deteriorarea senzorilor de temperatură datorită supraîncălzirii acestuia.

Metode de prevenire

Ca metoda de prevenire a acestor cazuri se poate folosi un presostat montat pe circuitul pompei care sesizează lipsa presiunii în instalație și poate alarma utilizatorul și chiar să oprească pompa de recirculare. Se poate seta un prag de presiune care ne alarmează doar și un prag de presiune sub care oprim pompa.

Supraîncălzirea sistemului

Această problemă poate apărea din cauza a mai mulți factori. Unul dintre factori este lipsa tensiunii de alimentare. Acest caz este prezentat mai sus unde găsim și metodele de prevenire. Un alt factor poate fi lipsa agentului termic. În acest caz este o problemă deoarece lipsa agentului termic în instalație duce la imposibilitatea răcirii sistemului. Dacă captatorul nu este dotat cu sistem de umbrire a acestuia este imposibil să prevenim supraîncălzirea.

Un ultim factor este soarele. Dacă capacitatea de stocare este prea mică pentru energia termică captată de panou într-o zi însorită, atunci poate apărea supraîncălzirea.

Metode de prevenire

Aceste metode sunt folosite pentru cazurile normale de supraîncălzire normală datorată energiei termice. Toate metodele de prevenție includ electrovana cu 3 căi. Funcționarea si rolul acesteia au fost prezentate mai sus.

O primă metodă de prevenire este puffer-ul. Puffer-ul este un vas de stocare a apei calde cu un volum ridicat >200, 300 l provenite de la încălzirea locuinței. Acest vas poate avea serpentină care este folosită în cazul nostru pentru legarea panourilor solare. Dacă vasul nostru principal (boilerul) destinat apei menajere ajunge la temperatura dorită, electrovana cu trei căi trebuie să schimbe traseul agentului termic pentru a preveni supraîncălzirea. Agentul termic va fi plimbat prin puffer pentru a răci panoul. Pe timpul iernii acest lucru este dorit deoarece aduce un aport la încălzire. Se poate monta un sistem cu panouri solare cu scopul principal acela de a aduce un aport la încălzirea locuinței, iar obținerea apei calde menajere fiind un scop secundar.

Altă metodă de prevenire a supraîncălzirii este schimbătorul de căldură pentru încălzirea piscinei. Piscina poate fii folosită ca metoda de prevenție și iarna și vara. La fel ca în cazul prezentat anterior și piscina poate fii scopul principal al sistemului solar.

Capitolul 4

CONCLUZII , CONTRIBUȚII PERSONALE ȘI

DEZVOLTĂRI ULTERIOARE

Sistemul inteligent de control al temperaturii apei menajere este un sistem special dezvoltat să poată menegeria toate sursele de obținere a apei calde menajere. Acest sistem poate controla atât sistemul de panouri solare prezentat mai sus, cât și alte surse de producere a apei calde. Sursele posibile sunt centrala termica cu lemne sau alți combustibili fosili, rezistența electrică montată pe boiler. În funcție de nevoile personale sistemul se poate configura în diferite combinații.

Sistemul prezentat mai sus este un sistem inteligent de control al temperaturii apei menajere cu sistem de panouri solare și centrală termică. Logica de control a acestui sistem a fost realizată de mine.

Dezvoltări ulterioare a sistemului

Ca dezvoltări ulterioare doresc să adaug o rezistență termică pentru producerea apei calde în perioadele fără soare, sau pe perioada nopții. Sistemul va încorpora o rezistență de 2000W montată pe boilerul destinat apei menajere și controlată prin intermediul unui releu. Bobina releului este de 5V si poate fi alimentată cu ajutorul plăcii de dezvoltare Arduino.

O a doua dezvoltare pentru viitor este un sistem de orientare automată a captatoarelor solare în funcție de unghiul de incidență a razelor soarelui. Această adaptare a sistemului este destul de costisitoare dar randamentul captării energiei solare crește considerabil. Dacă randamentul de producere a apei calde crește putem presupune că va trebui să avem ce să facem cu apa obținută

Din acest motiv sistemul va trebui să controleze și temperatura apei piscinei. Sistemul, cu ajutorul unui schimbator special de căldură poate încălzi apa din piscină

Toate aceste adaptări presupun un cost destul de ridicat.

De ce acest sistem și nu altul?

Un prim avantaj al acestui sistem este faptul că prețul controlerului nu se ridică mai sus de 700 de RON.

Un al doilea avantaj este faptul că utilizatorul îl poate configura după bunul plac cu un minim de cunoștințe in domeniu.

Un alt avantaj este faptul că dacă sistemul se dezvoltă, sau dorim să modificăm ceva la sistem nu trebuie cumpărat alt controler de temperatură. Se pot monta câți senzori avem nevoie.

Acest procesor nu este destinat doar controlului panourilor, ci poate controla cum am spus mai sus și alte surse de obținere a apei calde.

BIBLIOGRAFIE

[1]. ARDUINO pentru începători/ robofun.ro

[2]. Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei cladiri/ Cristina Șerban/Universitatea Transilvania din Brassov/2012

[3]. Optimizarea orientării colectoarelor solar-termice plane funcție de necesarul energetic al unei clădiri/ Veronica-Elvira Dombi/Universitatea Transilvania din Brassov/2011

[4]. https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560

[5]. http://arduino.cc

[6]. https://ro.wikipedia.org/wiki/Arduino

[7].http://stiintasiinginerie.ro/wp-content/uploads/2014/01/12-STUDIU-COMPARATIV-AL-CAPTATORILOR-SOLARI.pdf

[8] http://instal.utcb.ro/site/proiectecoordonare/serefen/cs.pdf

[9].http://www.rets-project.eu/UserFiles/File/pdf/respedia/07%20Solar%20energy%20Photovoltaics/07-Solar-energy–Part-I–Photovoltaics_RO.pdf

[10]. http://www.nedavi-solar.ro/steca_senzor_temperatura_PT1000.html

[11]. http://ep.etc.tuiasi.ro/site/Senzori_si_Traductoare/Cursuri/senzori_5.pdf

[12].http://www.calorserv.ro/articole/panouri-solare/proiectare-dimensionarea-instalatiilor- solare

[13]. http://www.istgrun.ro/page/boilere-solare-inox-7

[14]. http://www.robotshop.com

[15].http://www.calorserv.ro/produse/Elemente-de-Automatizari/Vane-cu-3-cai/electrovalva-cu-motoras-sf-15-220-v-MUTSF15

[16]. http://www.tools.store.ro/pompe-si-hidrofoare-5c/pompe-circulatie.html

[17]. https://www.robofun.ro/?gclid=CIa0tYLruc0CFQhuGwod6nwHcw

[18]. https://en.wikipedia.org/wiki/Liquid-crystal_display

[19].https://atacsolutions.com/manufacturers/wilo/circulation-pump/star-stg/wilo-star-stg.html

[20]. http://www.ti.com