Log en grafiek 24V thermostaatgebeurtenissen (Optocoupler + Raspberry Pi) met framboos

Er zijn veel Instructables die laten zien hoe je een thermostaat maakt. Maar wat als je al een thermostaat hebt en je wilt loggen of monitoren wanneer deze uit- en aan gaat? Deze Instructable laat zien hoe je een optocoupler gebruikt om gelijkspanningen op logisch niveau te verkrijgen van een gewone huishoudelijke programmeerbare thermostaat die wordt aangesloten op een 24 volt AC-verwarmings- en koelsysteem. Het bevat ook een temperatuursensor en een code die geschikt is voor gebruik op een Raspberry Pi om de status, gebeurtenissen en temperaturen van de thermostaat te loggen en in een grafiek te zetten.

WAARSCHUWING:Werken met elektriciteit kan gevaarlijk zijn. Voordat u doorgaat, moet u ervoor zorgen dat u over voldoende begrip en vaardigheden beschikt om dit project veilig te voltooien. Hoewel ik mijn best heb gedaan om het veilig te maken, ben ik niet verantwoordelijk als dit project je thermostaat, Raspberry Pi, HVAC-systeem, je kat/hond of je huis afbrandt.

Stap 1:Verzamel de benodigde onderdelen en gereedschappen

Je hebt de volgende onderdelen nodig:

• Een HCPL3700 optocoupler
• 2x 3.3 kOhm weerstanden, nominaal 1/2 watt of hoger (het wattage is belangrijk)
• Een condensator van 10uF, minimum 10V (elektrolytisch is prima)
• Een keramische condensator van 0,1 uF
• Een weerstand van 8 kOhm (of, waarschijnlijker, een weerstand van 4,7 kOhm en 3,3 kOhm in serie)
• Een Raspberry Pi
• Een lengte van twee geleiders, geïsoleerde draad, idealiter met een soort snelkoppeling
• Basis elektronische kansen en punten, zoals:
  • Een breadboard
  • Jumperdraden

Als je ook de optionele temperatuursensor wilt bouwen, heb je ook nodig:

• Een ADT7410 temperatuursensor
• Een SOIC breakout-bord
• Nog een keramische condensator van 0,1 uF
• 4x 10 kOhm weerstanden

Als u uw eigen printplaat wilt ontwerpen en vervaardigen, heeft u ook het volgende nodig:

• Een schroefblok met twee klemmen
• Optioneel, vrouwelijke header-pinnen om het SOIC-breakoutboard te accepteren
• Mannelijke header-pinnen om aan te sluiten op een Pi, of vrouwelijke header-pinnen om aan te sluiten op een Arduino
• Optioneel, SMD-versies van de hierboven genoemde weerstanden om de totale grootte te verkleinen

Vereiste hulpmiddelen:

• Een multimeter

Andere vereisten:

• Een 24 VAC verwarmings-/koelsysteem

Softwarevereisten:

• Python
• Perl (nodig voor HiPi, nodig voor hipi-i2c)
• Plotly-account (optioneel, voor grafische gegevens)
• Eagle (gratis versie, optioneel, voor het ontwerpen van PCB's)

Stap 2:Zoek uit hoe je verbinding kunt maken met je thermostaat

Veel huishoudelijke verwarmings-/koelsystemen werken op 24 volt wisselstroom. (Degenen die niet buiten het bestek van deze Instructable vallen). Programmeerbare thermostaten lopen meestal op batterijen, of gebruiken een soort "power-stealing" -mechanisme om zichzelf van stroom te voorzien. Het daadwerkelijke schakelen wordt meestal gedaan door een relais in de thermostaat.

We willen controleren of het verwarmings-/koelsysteem draait. Om dit te doen, willen we voelen of het relais stroom doorlaat of niet. De eerste stap is uitzoeken welke draden moeten worden gecontroleerd. Aangezien de bedradingsconventies van de thermostaat variëren, vereist dit wat experimenteren.

Pak uw multimeter, stel deze in om wisselspanning te meten en zoek uit welk paar draden 24 volt wisselstroom aangeeft wanneer uw verwarmings-/koelsysteem actief is. Zorg ervoor dat hetzelfde paar 0 volt wisselstroom aangeeft wanneer het systeem inactief is. Houd er rekening mee dat je mogelijk meerdere paren hebt die werken, afhankelijk van of je een ventilator hebt die automatisch draait, of andere variabelen.

Mijn thermostaat gebruikt vijf draden, verbonden met zes contacten (een van de draden is verbonden met twee contacten). Dit betekent dat er 10 mogelijke combinaties van twee draden zijn om te testen, en we moeten deze combinaties testen wanneer het systeem zowel aan als uit staat. Het is waarschijnlijk handig om de dradenparen die u aan het testen bent op een vel papier te schrijven en vervolgens de spanning (of het ontbreken daarvan) te noteren.

Je kunt in mijn geval zien dat de werkelijke spanning hoger is dan de nominale 24 volt. Als de verwarming aan staat, geeft mijn multimeter bijna 29 volt aan over het paar draden dat ik heb geselecteerd.

Stap 3:Geef uzelf toegang tot het paar draden

Schakel de stroom naar uw verwarmings-/koelsysteem uit en gebruik uw multimeter om te controleren of de stroom is uitgeschakeld. Verwijder de thermostaat van de basis, zodat de bedrading zichtbaar is. Voeg twee extra draden toe die worden aangesloten op de klemmen van het paar draden dat u in de vorige stap hebt gekozen.

Om het overzichtelijk te houden, is het handig om bedrading te gebruiken die aan de andere kant eindigt in een soort snelkoppeling, zodat de thermostaat indien gewenst snel en veilig van het project kan worden losgekoppeld.

Stap 4:Sluit een circuit aan om de spanning te meten

Dit is misschien wel het meest gecompliceerde deel van het proces. Het is duidelijk dat we 24 volt AC niet rechtstreeks op een Raspberry Pi kunnen aansluiten - iets moet die spanning corrigeren en verlagen en dit veilig doen.

Hiervoor kunnen we een optocoupler gebruiken. Een optocoupler isoleert elektrisch twee afzonderlijke circuits. In ons geval willen we het 24 volt AC verwarmings-/koelsysteem isoleren van onze Raspberry Pi.

Ik koos ervoor om de HCPL3700 optocoupler te gebruiken omdat deze een gelijkrichter bevat en een breed scala aan spanningen aankan. In het bijzonder heeft het AC of DC als invoer nodig, overal van 5V tot 240V, en kan het werken op een voeding variërend van 2V tot 18V. De huidige vereisten zijn klein genoeg om het apparaat rechtstreeks van de 3.3V-voeding van de Raspberry Pi te laten werken.

Het meegeleverde schema laat zien hoe ik de HCPL3700 heb aangesloten (je kunt de onderste helft van het schema, dat is de temperatuursensor, voorlopig negeren). BELANGRIJK:de twee weerstanden van 3300 Ohm die op de AC-ingangspennen zijn aangesloten, moeten een nominale waarde hebben van ten minste 1/2 watt. Deze twee weerstanden stellen de triggerdrempels van de optocoupler in, d.w.z. de ingangsspanning waarbij deze wordt ingeschakeld. Zie deze toepassingsopmerking voor meer informatie over het selecteren van deze weerstandswaarden.

De gelijkrichter in de HCPL3700 corrigeert de AC-ingang, maar strijkt de gelijkgerichte sinusgolf niet glad. Dus, zonder verdere invoerfiltering, zal de logische uitvoer snel oscilleren, waarschijnlijk met de frequentie van uw lijnspanning (60 Hz in de VS). Om dit te voorkomen, plaatsen we een condensator over de DC-pinnen van de gelijkrichter. De toepassingsnota bevat de details over het berekenen van de waarde van deze condensator; een condensator van 10 uF, minimaal 10V is voldoende.

Zoals veel IC's, stelt de HCPL3700 voor om een ​​condensator van 0,1 uF over de voedingsspanningspinnen te plaatsen. Ten slotte maakt de chip gebruik van een open-collectoruitgang, wat betekent dat hij zijn uitgang alleen laag maakt; om logisch-hoge outputs te zien, hebben we een pull-up-weerstand nodig. Het berekenen van de juiste waarde voor deze weerstand is een beetje een uitdaging, omdat het afhangt van de kenmerken van zowel de chip als de ingangspinnen van de Pi, maar ik ontdekte dat de standaard 10k Ohm pull-up-weerstand mogelijk geen voldoende hoog voltage kon produceren te lezen als een logische high door de Pi. Dus ging ik met een weerstand van 8k Ohm (eigenlijk een 3,3k Ohm en 4,7k Ohm in serie). Deze berekening is echter gebaseerd op worstcasescenario's; in de praktijk zou een weerstand van 10k prima kunnen werken.

Voor meer details:Log en grafiek 24V thermostaatgebeurtenissen (Optocoupler + Raspberry Pi)