Контроллер управления кухонной электроплитой. Регулятор мощности и таймер отключения

Алгоритм Брезенхема является одним из старейших алгоритмов в машинной графике. Казалось бы, как можно применить алгоритм построения растровых прямых при создании домашней паяльной печи? Оказывается можно, причем с очень достойным результатом. Забегая вперед, скажу, что данный алгоритм очень хорошо скармливается маломощному 8-битному микроконтроллеру. Но обо всем по порядку.

Алгоритм Брезенхе́ма - это алгоритм, определяющий, какие точки двумерного растра нужно закрасить, чтобы получить близкое приближение прямой линии между двумя заданными точками. Суть алгоритма заключается в том, чтобы для каждого столбца X (см. рисунок) определить какая строка Y ближе всего к линии, и нарисовать точку.

Теперь посмотрим как подобный алгоритм поможет нам при управлении ТЭНами в электропечи.

ТЭН питается от сетевого напряжения 220В/50Hz. Взглянем на график.

При подаче такого напряжения в чистом его виде на вход электронагревателя мы получим на выходе 100% мощность нагрева. Все просто.

Что будет если подать на вход ТЭНа только положительную полуволну сетевого напряжения? Правильно, мы получим 50% выходной мощности нагрева.

Если подать каждую третью полуволну, мы получим 33% мощности.

В качестве примера возьмем 10% градацию выходной мощности и временной отрезок в 100мс, что равносильно 10 полуволнам сетевого напряжения. Нарисуем сетку 10х10 и представим, что ось Y это ось значений выходной мощности. Проведем прямую от 0 до необходимого значения мощности.

Прослеживаете зависимость?
Увеличив временной отрезок до 1 сек, можно получить градацию выходной мощности в 1%. Получится сетка 100х100 со всеми вытекающими.

А теперь о приятном:
Алгоритм Брезенхема можно построить в цикле таким образом, чтобы на каждом шаге по оси X просто отслеживать значение ошибки, которое означает - вертикальное расстояние между текущим значением y и точным значением y для текущего x . Всякий раз, когда мы увеличиваем x , мы увеличиваем значение ошибки на величину наклона. Если ошибка превысила 0.5, линия стала ближе к следующему y , поэтому мы увеличиваем y на единицу (читай - пропускаем одну полуволну напряжения), одновременно уменьшая значение ошибки на 1.

Такой подход легко сводится к циклическому целочисленному сложению (об этом позже, при описании алгоритма работы МК в следующей статье), что несомненный плюс для микроконтроллеров.

Я намеренно не стал грузить вас формулами. Алгоритм элементарный, легко гуглится. Я лишь хочу показать его возможность применения в схемотехнике. Для управления нагрузкой будет использоваться типовая схема подключения симисторной оптопары MOC3063 с детектором нуля.

При таком подходе есть ряд преимуществ.

• Минимальные помехи в сети из-за частых коммутаций большой нагрузки, включение/выключение будет происходить в моменты перехода напряжения через ноль.
• Очень простой алгоритм - все вычисления сводятся к работе с целыми числами, что хорошо для микроконтроллера.
• Нет необходимости городить детектор перехода напряжения через ноль (привет MOC3063). Даже если МК будет просто дергать ногой по таймеру, открывая оптопару, ошибка будет не критичной.

Продолжение следует.

Введение На производстве (в системах автоматизированного управления), в быту зачастую необходимо использовать регулировку мощности, подаваемую на нагрузку. Как правило, нагрузка работает от сети переменного тока. Поэтому задача несколько усложняется, в сравнении с регулировкой мощности нагрузки, работающей на постоянном напряжении. В случае работы нагрузки на постоянном напряжении применяют широтноимпульсную модуляцию (ШИМ), и изменяя скважность соответственно изменяется и мощность, подаваемая на нагрузку. Если использовать управление с помощью ШИМ для регулировки мощности в сети переменного тока, ключ через который регулируем сигнал (например, симистор) будет открываться и пропускать в нагрузку части синусоиды, имеющие разную мощность. Элементная база и сборка регулятора Рис.1. Электрическая принципиальная схема регулятора Для реализации данного проекта были использованы: Pinboard на AVR микроконтроллере ATmega16, симистор Philips BT138 12А, диодный мост DB105, оптосимистор MOC3022, оптопара PC817, сопротивления 220 Ом - 10 кОм, потенциометр 5 кОм. Подключение элементов показано на рис.1. Принцип работы устройства Данный регулятор предназначен для работы с активной нагрузкой, подключаемой к сети напряжением 220 В. Для определения начало каждой полуволны используется оптопара. Таким образом, на выходе детектора нуля получаем короткие положительные импульсы в момент, когда напряжение в сети проходит через 0. Сигнал с детектора нуля подключен на вход внешнего прерывания МК, чтобы определять начало новой полуволны и открывать симистор на необходимое время или на определенное количество полупериодов. Для отпирания симистора на его управляющий электрод подаётся напряжение через оптосимистор относительно условного катода. Фазовый метод При фазовом методе, изменяя значение задержки таймера посредством АЦП микроконтроллера (в нашем случае потенциометром), соответственно изменяем задержку открытия симистора после начала полуволны. Чем больше задержка, тем меньшая часть полуволны будет пропущена на нагрузку и соответственно получаем меньшую мощность, и наоборот. Зная частоту тактирования микроконтроллера, рассчитана задержка. При частоте сетевого напряжения 50 Гц время полупериода составит 0,01 секунды. То есть, если симистор открыт через 0,003 сек, будет пропущено приблизительно 2/3 полуволны, и мощность составит 70%. Если симистор будет открыт без задержки, то пропущена вся полуволна, и выходная мощность составит 100%. Была реализована программа с применением фазового метода управления нагрузкой. Программирование осуществлялось на языке С++ в среде CodeVisionAVR. Показания с осциллографа на нагрузке приведены на рисунке 2. Рис.2. Регулировка мощности фазовым методом Расчет задержки на открытие симистора Так как функция напряжения не линейная, то есть площадь под синусоидой при одном и том же интервале времени будет разной, соответственно и мощность будет разная. Поэтому задержка была рассчитана с учетом нелинейности напряжения. На рисунке 3 показана синусоида сети и интервалы задержки, рассчитанные в таблице 1. Показаны первые пять из ста (в процентах) значений задержки. Рис.3. Регулировка фазовым методом Таблица 1 Расчет задержек на открытие симистора Номер точки полуволны Время в микросекундах Синус точки 0 0 0 1 638 0,199 2 903 0,279 3 1108 0,341 4 1282 0,391 5 1436 0,435 Метод Брезенхема Существует также метод регулировки мощности, основанный на принципе подачи на нагрузку нескольких полупериодов сетевого напряжения с последующей паузой (Рис.4). Моменты коммутации симистора совпадают с моментами перехода сетевого напряжения через ноль, поэтому уровень радиопомех резко снижен. Применение микроконтроллера позволило использовать для равномерного распределения импульсов алгоритм Брезенхема. Однако наблюдается пониженная частота коммутации тока в нагрузке в сравнении с фазовым управлением. Предпочтителен для управления нагрузкой большой мощности (от 1 кВт). Была реализована программа, и также как и в фазовом методе по АЦП изменялось количество пропущенных полупериодов. Был выбран диапазон пропускание от каждой полуволны до пропускания одной полуволны к десяти. На рисунке 4 показаны изображения с осциллографа реализации регулятора методом Брезенхема. Рис.4. Регулировка мощности методом Брезенхема Заключение Регулятор универсален, что дает возможность применить его как в быту, так и в промышленности. Наличие микроконтроллерного управления позволяет быстро перенастроить систему, что обуславливает гибкость устройства. Два алгоритма управления позволят применять регулятор в широких диапазонах мощностей.

Алгоритм Брезенхема является одним из старейших алгоритмов в машинной графике. Казалось бы, как можно применить алгоритм построения растровых прямых при создании домашней паяльной печи? Оказывается, можно, причем с очень достойным результатом. Забегая вперед, скажу, что данный алгоритм очень хорошо скармливается маломощному 8-битному микроконтроллеру. Но обо всем по порядку.

Алгоритм Брезенхе́ма - это алгоритм, определяющий, какие точки двумерного растра нужно закрасить, чтобы получить близкое приближение прямой линии между двумя заданными точками. Суть алгоритма заключается в том, чтобы для каждого столбца X (см. рисунок) определить какая строка Y ближе всего к линии, и нарисовать точку.

Теперь посмотрим, как подобный алгоритм поможет нам при управлении ТЭНами в электропечи.

ТЭН питается от сетевого напряжения 220В/50Hz. Взглянем на график.

При подаче такого напряжения в чистом его виде на вход электронагревателя мы получим на выходе 100% мощность нагрева. Все просто.



Что будет если подать на вход ТЭНа только положительную полуволну сетевого напряжения? Правильно, мы получим 50% выходной мощности нагрева.



Если подать каждую третью полуволну, мы получим 33% мощности.

В качестве примера возьмем 10% градацию выходной мощности и временной отрезок в 100мс, что равносильно 10 полуволнам сетевого напряжения. Нарисуем сетку 10х10 и представим, что ось Y это ось значений выходной мощности. Проведем прямую от 0 до необходимого значения мощности.

Прослеживаете зависимость?
Увеличив временной отрезок до 1 сек, можно получить градацию выходной мощности в 1%. Получится сетка 100х100 со всеми вытекающими.

А теперь о приятном:
Алгоритм Брезенхема можно построить в цикле таким образом, чтобы на каждом шаге по оси X просто отслеживать значение ошибки, которое означает - вертикальное расстояние между текущим значением y и точным значением y для текущего x . Всякий раз, когда мы увеличиваем x , мы увеличиваем значение ошибки на величину наклона. Если ошибка превысила 0.5, линия стала ближе к следующему y , поэтому мы увеличиваем y на единицу (читай - пропускаем одну полуволну напряжения), одновременно уменьшая значение ошибки на 1.

Такой подход легко сводится к циклическому целочисленному сложению (об этом позже, при описании алгоритма работы МК в следующей статье), что несомненный плюс для микроконтроллеров.

Я намеренно не стал грузить вас формулами. Алгоритм элементарный, легко гуглится. Я лишь хочу показать его возможность применения в схемотехнике. Для управления нагрузкой будет использоваться типовая схема подключения симисторной оптопары MOC3063 с детектором нуля.

При таком подходе есть ряд преимуществ.

• Минимальные помехи в сети из-за частых коммутаций большой нагрузки, включение/выключение будет происходить в моменты перехода напряжения через ноль.
• Очень простой алгоритм - все вычисления сводятся к работе с целыми числами, что хорошо для микроконтроллера.
• Нет необходимости городить детектор перехода напряжения через ноль (привет MOC3063). Даже если МК будет просто дергать ногой по таймеру, открывая оптопару, ошибка будет не критичной.

Продолжение следует.

Алгоритм Брезенхема является одним из старейших алгоритмов в машинной графике. Казалось бы, как можно применить алгоритм построения растровых прямых при создании домашней паяльной печи? Оказывается, можно, причем с очень достойным результатом. Забегая вперед, скажу, что данный алгоритм очень хорошо скармливается маломощному 8-битному микроконтроллеру. Но обо всем по порядку.

Алгоритм Брезенхе́ма - это алгоритм, определяющий, какие точки двумерного растра нужно закрасить, чтобы получить близкое приближение прямой линии между двумя заданными точками. Суть алгоритма заключается в том, чтобы для каждого столбца X (см. рисунок) определить какая строка Y ближе всего к линии, и нарисовать точку.

Теперь посмотрим, как подобный алгоритм поможет нам при управлении ТЭНами в электропечи.

ТЭН питается от сетевого напряжения 220В/50Hz. Взглянем на график.

При подаче такого напряжения в чистом его виде на вход электронагревателя мы получим на выходе 100% мощность нагрева. Все просто.



Что будет если подать на вход ТЭНа только положительную полуволну сетевого напряжения? Правильно, мы получим 50% выходной мощности нагрева.



Если подать каждую третью полуволну, мы получим 33% мощности.

В качестве примера возьмем 10% градацию выходной мощности и временной отрезок в 100мс, что равносильно 10 полуволнам сетевого напряжения. Нарисуем сетку 10х10 и представим, что ось Y это ось значений выходной мощности. Проведем прямую от 0 до необходимого значения мощности.

Прослеживаете зависимость?
Увеличив временной отрезок до 1 сек, можно получить градацию выходной мощности в 1%. Получится сетка 100х100 со всеми вытекающими.

А теперь о приятном:
Алгоритм Брезенхема можно построить в цикле таким образом, чтобы на каждом шаге по оси X просто отслеживать значение ошибки, которое означает - вертикальное расстояние между текущим значением y и точным значением y для текущего x . Всякий раз, когда мы увеличиваем x , мы увеличиваем значение ошибки на величину наклона. Если ошибка превысила 0.5, линия стала ближе к следующему y , поэтому мы увеличиваем y на единицу (читай - пропускаем одну полуволну напряжения), одновременно уменьшая значение ошибки на 1.

Такой подход легко сводится к циклическому целочисленному сложению (об этом позже, при описании алгоритма работы МК в следующей статье), что несомненный плюс для микроконтроллеров.

Я намеренно не стал грузить вас формулами. Алгоритм элементарный, легко гуглится. Я лишь хочу показать его возможность применения в схемотехнике. Для управления нагрузкой будет использоваться типовая схема подключения симисторной оптопары MOC3063 с детектором нуля.

При таком подходе есть ряд преимуществ.

• Минимальные помехи в сети из-за частых коммутаций большой нагрузки, включение/выключение будет происходить в моменты перехода напряжения через ноль.
• Очень простой алгоритм - все вычисления сводятся к работе с целыми числами, что хорошо для микроконтроллера.
• Нет необходимости городить детектор перехода напряжения через ноль (привет MOC3063). Даже если МК будет просто дергать ногой по таймеру, открывая оптопару, ошибка будет не критичной.

Продолжение следует.

Алгоритм Брезенхема является одним из старейших алгоритмов в машинной графике. Казалось бы, как можно применить алгоритм построения растровых прямых при создании домашней паяльной печи? Оказывается можно, причем с очень достойным результатом. Забегая вперед, скажу, что данный алгоритм очень хорошо скармливается маломощному 8-битному микроконтроллеру. Но обо всем по порядку.

Алгоритм Брезенхема - это алгоритм, определяющий, какие точки двумерного растра нужно закрасить, чтобы получить близкое приближение прямой линии между двумя заданными точками. Суть алгоритма заключается в том, чтобы для каждого столбца X (см. рисунок) определить какая строка Y ближе всего к линии, и нарисовать точку.

Теперь посмотрим как подобный алгоритм поможет нам при управлении ТЭНами в электропечи.

ТЭН питается от сетевого напряжения 220В/50Hz. Взглянем на график.

При подаче такого напряжения в чистом его виде на вход электронагревателя мы получим на выходе 100% мощность нагрева. Все просто.




Что будет если подать на вход ТЭНа только положительную полуволну сетевого напряжения? Правильно, мы получим 50% выходной мощности нагрева.




Если подать каждую третью полуволну, мы получим 33% мощности.


В качестве примера возьмем 10% градацию выходной мощности и временной отрезок в 100мс, что равносильно 10 полуволнам сетевого напряжения. Нарисуем сетку 10х10 и представим, что ось Y это ось значений выходной мощности. Проведем прямую от 0 до необходимого значения мощности.

Прослеживаете зависимость?
Увеличив временной отрезок до 1 сек, можно получить градацию выходной мощности в 1%. Получится сетка 100х100 со всеми вытекающими.

А теперь о приятном:
Алгоритм Брезенхема можно построить в цикле таким образом, чтобы на каждом шаге по оси X просто отслеживать значение ошибки, которое означает - вертикальное расстояние между текущим значением y и точным значением y для текущего x . Всякий раз, когда мы увеличиваем x , мы увеличиваем значение ошибки на величину наклона. Если ошибка превысила 0.5, линия стала ближе к следующему y , поэтому мы увеличиваем y на единицу (читай - пропускаем одну полуволну напряжения), одновременно уменьшая значение ошибки на 1.

Такой подход легко сводится к циклическому целочисленному сложению (об этом позже, при описании алгоритма работы МК в следующей статье), что несомненный плюс для микроконтроллеров.

Я намеренно не стал грузить вас формулами. Алгоритм элементарный, легко гуглится. Я лишь хочу показать его возможность применения в схемотехнике. Для управления нагрузкой будет использоваться типовая схема подключения симисторной оптопары MOC3063 с детектором нуля.

При таком подходе есть ряд преимуществ.

• Минимальные помехи в сети из-за частых коммутаций большой нагрузки, включение/выключение будет происходить в моменты перехода напряжения через ноль.


• Очень простой алгоритм - все вычисления сводятся к работе с целыми числами, что хорошо для микроконтроллера.


• Нет необходимости городить детектор перехода напряжения через ноль (привет MOC3063). Даже если МК будет просто дергать ногой по таймеру, открывая оптопару, ошибка будет не критичной.

Продолжение следует.