На наших дорогах еще много автомобилей выпуска прежних лет с ручным управлением отопителем салона. Частоту вращения вентилятора печки у этих машин выбирают переключателем, а водяным кранов или заслонкой управляют посредством тросовой тяги. Это, конечно, не очень удобно, так как отвлекает от управления автомобилем. Автор этой статьи разработал и установил на свой "Москвич-412" блок автоматизированного управления отопителем и после успешной его эксплуатации в течение нескольких лет счел целесообразным предложить описание этого блока широкому кругу читателей журнала.
     Автомат управления отопителем был разработан для обеспечения безопасности и увеличения комфортности управления автомобилем. Блок может быть применен на автомобилях практически любых моделей и марок, у которых отопитель использует тепловую энергию охлаждающей жидкости.
     Схема автомата показана на рис. 1. Устройство предусматривав г шес^тиступенное регулирование частоты вращения вентилятора отопителя — от нулевой (вентилятор остановлен) до пятой — и автоматическое управление электрокраном, работающим в режиме открыт—закрыт. Этого достаточно для поддержания температуры в салоне на заданном уровне.
     Вообще говоря, системе отопления салона автомобиля присущ естественный недостаток — значительная тепловая инерционность. Дело в том, что после закрывания электрокрана теплообменник отопителя еще сохраняет некоторое время повышенную температуру, а так как продувка продолжается, температура в салоне продолжает повышаться. После остывания салона происходит обратное — тепло начинает поступать не сразу, а через отрезок времени, необходимый для разогревания печки.
     Уменьшить влияние инерционности системы на температурный режим салона удалось применением двух датчиков температуры и выбором их месторасположения. Один из них установлен в воздуховоде отопителя на выходе теплообменника, второй — около кронштейна салонного зеркала заднего вида. Пределы регулирования температуры — от 15 до 30 °С; их можно изменить в программе, задав значения для переменных T min и Т mах.
     Устройство состоит из нескольких функциональных узлов. Основные из них — три. Первый — собственно блок управления, в который входят микроконтроллер DD1, стабилизаторы напряжения DA1 и DA2, транзисторы VT4 и VT5, управляющие электрокраном, VT6—VT8, управляющие вентилятором отопителя, звуковой излучатель НА1.
     Второй — датчики температуры ВК1 и ВК2, соединенные с блоком управления четырехпроводным кабелем с разъемами Х1 и Х2 (использованы четырехпроводный удлинитель телефонной линии и розетка с двумя гнездовыми разъемами). Датчики обмениваются информацией с микроконтроллером по интерфейсу I2C.
     Третий узел — ручка управления, внутри которой расположены три цифровых светодиодных индикатора HG1 — HG3, отображающих температуру, и пять плоских светодиодов HL1—HL5, условно показывающих установленную ступень частоты вращения вентилятора. Цифровые индикаторы и светодиоды образуют круглой формы табло, размещенное на переднем торце ручки.
     Также внутри ручки смонтированы две микросхемы, содержащие каждая по два сдвиговых регистра. Эта группа регистров обеспечивает "расшифровку" сигналов, поступающих от микроконтроллера, для отображения информации в удобочитаемом виде
     Кроме перечисленного, внутри ручки установлены ИК излучающие диоды VD1, VD2, образующие совместно с фототранзисторами VT1, VT2 оптодатчик направления вращения ручки, с помощью которого можно оперативно изменять задаваемый уровень температуры в салоне и частоту вращения вентилятора отопителя. Поворотом ручки по часовой стрелке температура или частота вращения увеличивается, против часовой стрелки — уменьшается.
     И наконец, в ручке установлена кнопка SB1 с парой контактов, при замыкании которых автомат переходит в режим установки перечисленных параметров. Для этого нужно нажать на ручку о^т себя вдоль оси. После такого кратковременного нажатия можно устанавливать новое значение температуры. Длительное нажатие дает возможность корректировать работу вентилятора. После отпускания ручки она под действием пружин возвращается в исходное состояние, а устройство переходит в нормальный режим работы.
     Сигналы с оптодатчика обрабатываются программно. Фототранзисторы VT1, VT2 "освещаются" поочередно, при этом на входах RB6 и RB7 микроконтроллера уровень 1 меняется на 0. Последовательность комбинаций сигналов на входах RB6 и RB7 получается такой: 11 01 10 11. Это порождает некоторое неудобство в пользовании — необходимость поворачивать ручку с определенной скоростью, обеспечивающей правильную обработку сигналов. Но приноровиться к этому нетрудно. К тому же для удобства введена звуковая индикация при обработке микроконтроллером указанной последовательности сигналов оптодатчика. Короткий — около 0,25 с — звуковой сигнал подтверждает, что команда принята.
     Управляемые узлы — это электрокран РКНУ.8109030 (применяется на автомобилях "Волга", "Газель” последних лет выпуска), установленный в патрубок водоотводящего шланга теплообменника отопителя, и электровентилятор. Электрокран имеет два фиксированных положения. Встроенный в него блок контроля ограничивает потребляемый ток. Блок имеет два управляющих входа. При подаче сигнала низкого уровня на один из них электрокран закрывается, на другой — открывается. Длительность управляющего сигнала — около 1 с.
     Вентилятор — на схеме его электродвигатель обозначен М1 — из комплекта отопителя. Имеющийся резисторный узел регулирования частоты вращения нужно демонтировать.
     При включении питания происходит инициализация микроконтроллера DD1, определяющая, какие выводы будут работать как входы, а какие — как выходы. Модуль компараторов и источник образцового напряжения отключены. Разрешается прерывание от таймера TMR0.
     Затем запускается инициализация датчиков температуры ВК1 и ВК2. Они настраиваются на непрерывное преобразование температуры. В процессе инициализации датчиков в соответствии с интерфейсом проверяется "ответ датчика" и в случае их отказа (или одного из них) или нарушения связи с ними в служебном регистре flag2 ставятся соответствующие флаги. Кроме этого, ставится также флаг, по которому в дальнейшей работе программы происходит вызов подпрограммы реконфигурации датчиков, что позволяет при восстановлении связи с ними обеспечить работу всей системы в целом без отключения и повторчого включения питания блока.
     Далее из энергонезависимой памяти в регистры ОЗУ (общего назначения) переносятся значения, сохраненные ранее или записанные при загрузке микроконтроллера: частоты вращения вентилятора, установленной температуры, служебного регистра, разряды которого определяют режим работы блока управления flag2, и регистра выбора автоматического или ручного управления вентилятором.
     По завершении перечисленных этапов в течение примерно 3 с на индикаторы HG2 и HG3 выводятся значения установленной ранее температуры, индикатор HG1 отображает вид управления вентилятором — буквы "Р" или "А" (о них ниже). Число включенных светодиодов группы HL1—HL5 указывает выбранную ступень частоты вращения вентилятора. В течение этих трех секунд питание на электровентилятор не подается, что благоприятно сказывается при зимнем пуске двигателя поскольку отсутствует дополнительная нагрузка на батарею аккумуляторов. Указанный промежуток времени назовем для определенности установочным режимом.
     Затем происходит самостоятельный переход в основной режим, в котором примерно каждые 3 с программа микроконтроллера вызывает подпрограмму чтения информации о температуре датчиков и согласно принятому алгоритму принимает решение открывать или закрывать электрокран.
     Алгоритм работы блока таков: пока температура в воздуховоде или в салоне ниже, чем требуется, электрокран открыт; как только салон прогревается до установленного уровня, электрокран закрывается, микроконтроллер запоминает температуру в воздуховоде и поддерживает ее на этом уровне, периодически проверяя температуру в салоне и корректируя, если необходимо, пределы регулирования температуры в воздуховоде в ту или иную сторону.
     В этом состоит преимущество описываемого блока перед серийными, работающими с одним датчиком температуры (например, устанавливаемыми на автомобилях ВАЗ десятого семейства). Блок с двумя датчиками позволяет исключить ситуацию, возникающую в межсезонье: когда при прохладной погоде салон автомобиля нагревается выше заданной температуры и когда отопитель подает холодный воздух, пока не остынет датчик.
     Для уменьшения числа проводов, соединяющих блок управления и ручку, а также для упрощения монтажа в устройстве применена динамическая индикация, которая организована путем прерываний от таймера TMR0. Через определенные промежутки времени происходит последовательное выведение информации на индикаторы HG1 — HG3. От микроконтроллера она в последовательном коде поступает на сдвиговый регистр DD2, к которому подключены знакообразующие элементы индикаторов, что позволяет определенными сочетаниями элементов формировать изображение цифр и букв.
     Второй сдвиговый регистр DD3 посредством инверторов на транзисторах VT1—VT3 управляет катодами цифровых индикаторов и анодами светодиодов HL1—HL5. Из-за инерции зрения мерцание индикаторов незаметно.
     В основном режиме индикаторы HG1—HG3 отображают температуру в салоне автомобиля, а светодиоды HL1—HL5 — выбранную частоту вращения вентилятора (см. табл. 1).
     Поворотом ручки управления можно установить желаемую частоту вращения. Поворот по часовой стрелке увеличивает частоту на одну ступень, против — уменьшает. При остановленном вентиляторе все светодиоды выключены.
     Для того чтобы изменить температуру, которую блок должен поддерживать необходимо перейти из основного режима в установочный, для чего кратковременно (не более чем на 1 с) нажимают на ручку от себя, при этом замыкаются контакты кнопки SB1.
     В установочном режиме индикаторы HG2 и HG3 показывают число от 15 до 30 — установленную ранее температуру. Поворачивая ручку, изменяют число (по часовой стрелке оно увеличивается, против — уменьшается), тем самым устанавливают желаемую температуру. Шаг установки (переход ручки от одного фиксированного положения к очередному) — 1 °С.
     Как было сказано ранее, в установочном режиме индикатор HG1 отображает буквы Р или А. Они обозначают вид управления частотой вращения вентилятора: Р — ручное управление, А — автоматическое. При ручном управлении нужную ступень задают поворотами ручки, а при автоматическом предусмотрены два фиксированных значения: при открывании электрокрана (т. е. когда идет нагревание салона) устанавливается вторая ступень, а при закрывании (охлаждение салона) — первая.
     Это позволяет быстрее нагревать салон и более равномерно охлаждать. Для выбора желаемого вида управления вентилятором необходимо, войдя в установочный режим, нажать на ручку и удерживать ее нажатой более 1 с. На табло символы "Р" и "А" будут сменяться с периодом примерно 1 с. Выбрав требуемый вид управления, ручку отпускают
     В установочном режиме можно также принудительно открыть или закрыть кран. Например, когда необходимо заменить в системе охлаждающую жидкость, электрокран должен быть открыт. Или если возникает необходимость прекратить протекание охлаждающей жидкости через теплообменник отопителя по тем или иным причинам, то кран закрывают.
     Чтобы закрыть электрокран, необходимо, поворачивая ручку против часовой стрелки, установить крайнее значение температуры — число 15. Следующий поворот ручки закроет кран. Открывают его таким же образом, только поворачивают ручку по часовой стрелке и устанавливают число 30. На индикаторах HG2 и HG3 появляются штрихи — условное изображение повышающейся или понижающейся стечением времени температуры (см. табл. 1). При принудительном управлении электрокраном автоматическое управление вентилятором недоступно, индикатор HG1 будет отображать только букву Р.
     После того как в установочном режиме перестали поворачивать ручку и/ или отпустили ее, запускается таймер микроконтроллера на время примерно 3 с. По истечении указанного времени блок возвращается в основной режим и индикаторы HG1—HG3 показывают значение температуры в салоне.
     Если в установочном режиме было выбрано автоматическое управление вентилятором, то при изменении частоты его вращения вручную в основном режиме (что обычно связано с необходимостью получения большей производительности вентилятора) автоматическое управление отменяется, т. е. при открывании или закрывании электрокрана частота вращения меняться не будет.
     Как уже было сказано, микроконтроллер считывает температуру обоих датчиков. Выход из строя одного из них (или потеря связи с ним) позволяет сохранить работоспособность системы, при этом блок поддерживает на заданном уровне температуру работающего датчика: салонного или установленного в воздуховоде. В такой ситуации процедуры установки требуемой температуры в установочном режиме и вида управления вентилятором не отличаются от описанных выше.
     А вот в основном режиме на табло температура с работающего датчика начинает периодически сменяться символом "Уп1", если работает датчик ВК1, установленный в воздуховоде ("Уп1" означает "управление печкой от ВК1"), или "Уп2", если работает датчик ВК2 в салоне. Это позволяет определить, по температуре какого датчика выполняется управление.
     Выход из строя или отсутствие связи с обоими датчиками также не фатален для системы. В этом случае в основном режиме табло отображает условное изображение состояния электрокрана: открыт или закрыт (штрихи в табл. 2), которое можно интерпретировать как повышающуюся или понижающуюся с течением времени температуру. На табло условное изображение периодически сменяется символом "1Е2". Его можно расшифровать как ошибка (Error) обоих датчиков.
     А в установочном режиме возможно только изменять состояние электрокрана: если он открыт, то поворотами ручки кран закрывают, и наоборот. Автоматическое управление вентилятором недоступно.
     Во всех описанных случаях управляющие сигналы на электрокран поступают только в основном режиме, что позволяет исключить возможность многократного открывания/закрывания крана в процессе установки требуемой температуры или изменения его состояния.
     Для управления вентилятором применено ШИ регулирование. Импульсы управления транзистором VT8 формирует микроконтроллер. Изменением ширины (длительности) импульсов удается регулировать эффективное напряжение на электродвигателе М1 вентилятора от нуля до напряжения бортовой сети. Для согласования уровней напряжения на выходе микроконтроллера и на затворе транзистора VT8 предусмотрены промежуточные транзисторы VT6, VT7. Пять ступеней частоты вращения вентилятора позволяют обеспечить требуемую эффективность обдува лобового стекла автомобиля и обогревания салона при минимуме акустического шума.
     В процессе работы блока в энергонезависимой памяти микроконтроллера сохраняются значения регистров, опи санные выше. На рис. 2 показан фрагмент схемы, который с учетом доработки программы микроконтроллера позволяет сохранять информацию в памяти EEPROM контроллера только по выключению питания. На печатной плате блока предусмотрены места для установки элементов этого фрагмента. Но в программе, находящейся в архиве статьи, такая функция не реализована, запись в память EEPROM микроконтроллера происходит сразу после изменения сохраняемых параметров. Поэтому для работы с этой программой вместо диода VD4 на плату надо впаять проволочную перемычку, а остальные элементы фрагмента на рис. 2 не устанавливать.
     Чертеж печатной платы блока управления представлен на рис. 3. Плата изготовлена из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм и установлена в пластмассовую коробку, на крышке которой с наружной стороны закреплены три теплоотвода — стабилизаторов DA1, DA2 и транзистора VT8 Если конструкция коробки позволяет обеспечить эффективный внутренний конвекционный поток воздуха, теплоотводы стабилизаторов могут быть размещены непосредственно на плате.
     Ручка управления выполнена как отдельный узел, установлена на приборной панели автомобиля на месте переключателя вентилятора и соединена с блоком управления жгутом проводов. Устройство ручки упрощенно показано на рис. 4. Все ее компоненты размещены на трех платах круглой формы, смонтированных одна за другой.
     На лицевой (передней) плате 16 диаметром 28 мм установлены цифровые индикаторы HG1—HG3 (12), светодиоды HL1—HL5 (11), а также излучающие ИК диоды VD1, VD2 (18) — они припаяны со стороны печати. Чертеж лицевой платы показан на рис. 5. Для пайки соедини тельных проводов на ней предусмотрены фольговые площадки. Выводы 1 и 6 цифровых индикаторов соединены короткими отрезками изолированного провода. За лицевой платой соосно расположена средняя 8 (диаметром также 28 мм).
     Ее чертеж представлен на рис. 6. На ней размещены сдвиговые регистры DD2, DD3 (9), транзисторы VT9—VT11 (10) и резисторы R22—R36. Все элементы припаяны со стороны печатных проводников. Через два отверстия диаметром 2 мм поток ИК излучения должен проходить от лицевой платы к задней.
     Обе платы скреплены между собой и с осью ручки 19 винтом М2,5 (15). Расстояние между платами определено распорной втулкой (17) с осевой длиной
     На задней плате 4 (ее диаметр — 31 мм, а чертеж — на рис. 7) смонтированы фототранзисторы VT1, VT2 (20) и кнопка SB1 (7). Плата прикреплена к основанию ручки (6) двумя винтами М2,5 (5). Между платой и основанием установлены подпружиненные фиксатор(21,22) и толкатель (на рисунке не виден). Все три платы — 1, 8 и 16 изготовлены — из фольгированного текстолита толщиной 1,5 мм. Конструкция ручки такова, что ее корпус 13 может перемещаться на 1 мм вдоль оси в направлении основания и нажимать на кнопку SB1, а также вращаться вокруг оси. Угловое позиционирование обеспечивает подпружиненный фиксатор, который сферической головкой входит в зенковки отверстий для оптодатчиков. Поворачивание ручки в ту или иную сторону приводит к последовательному освещению фототранзисторов оптодатчика. Ось ручки, основание и  платы при вращении ручки остаются неподвижными. Табло, размещенное на лицевой плате, прикрыто спереди защитной пластиной 14 из прозрачного органического стекла. Чертежи деталей ручки представлены на рис. 8. Ось ручки 19 и основание 6 лучше выточить из стали Ст 10, но подойдет и латунь ЛС-59. Собственно ручка 13 - из латуни или алюминиевого сплава. Для фиксатора 21 и толкателя подойдут текстолит, гетинакс, винипласт, органическое стекло. В автомобиле собранную ручку крепят стандартной гайкой 2 (рис.4) М10х1, предварительно уложив под основание изолирующее кольцо 3 из гетинакса или стеклотекстолита.
     Термодатчики ВК1 и ВК2 смонтированы каждый на небольшой печатной плате, размеры и форма которых определены местом их установки. Чертеж печатных проводников плат отличается только соединением адресных выводов. После монтажа датчиков их выводы и печатные проводники необходимо покрыть слоем влагозащитного лака.
     Взамен датчиков температуры DS1632+(DS1631) можно применить  DS1621, при этом в тексте программы необходимо в строке "movlw 0x51" заменить 0x51 на "0хЕЕ и заново создать HEX-файл. В остальном протоколы указанных датчиков совпадают.
     Сдвиговые регистры DD2 и DD3 применены в корпусах для поверхностного монтажа. Резисторы R22—R36, размещенные на передней плате ручки, — для поверхностного монтажа, типоразмера 1206.
Материал взят из: Журнала Радио 2010 №9

В архиве исходный код программы и прошивка

pechka.rar [12,92 Kb] (cкачиваний: 294)