Краны (обычно шаровые) со встроенным двигателем постоянного тока могут управляться путем переключения одного из их входов: подача питания на один провод открывает кран, а на другой — закрывает его. Этот контроллер может переключать источник питания таким образом на заданное время, при этом простой выключатель «вкл/выкл» просто подключается к входу контроллера.

Основные параметры:

• Включение одной из двух обмоток двигателя постоянного тока привода;
• Регулируемое время включения/выключения для каждого состояния (открытие и закрытие) отдельно в диапазоне от 60 мс до 1 мин;
• Вход: стандартный бистабильный переключатель ВКЛ/ВЫКЛ;
• Два выхода с нагрузочной способностью до 4 А;
• Питание от источника постоянного тока 12 В (или 24 В после модификации – описание в тексте);
• Потребляемый ток: приблизительно 10 мА в режиме ожидания и приблизительно 40 мА при активации реле (при 12 В).

Электромагнитный клапан для жидкостей или газов легко управляется простым переключателем: подача питания на катушку устанавливает клапан в одно положение, а отключение питания (почти) мгновенно меняет положение на противоположное. С краном с электроприводом это не так просто. Если в нем есть встроенные концевые выключатели, можно включить одну из обмоток и оставить ее в этом положении на очень-очень долгое время — двигатель сам выключится.

Ситуация иная, если концевых выключателей нет или вы им не доверяете. В таких случаях необходимо отключать питание двигателя после определенного периода работы, чтобы предотвратить перегрев этого важного элемента. Кому захочется стоять несколько десятков секунд, чтобы снова переключить контакты? Лучше пусть это сделает электроника!

Конструкция

Схема рассматриваемого устройства показана на рисунке 1. К клеммам разъема J1 подключен переключатель, управляющий вентилем. Резистор R1 создает высокий потенциал (приблизительно 5 В) на своих разомкнутых контактах. Резистор R2 уменьшает ток в защитных диодах D1 и D2, которые ограничивают входное напряжение, если в проводах между переключателем и клеммами разъема J1 индуцируется напряжение выше 5 В или ниже потенциала земли цепи. Резистор R3 выполняет аналогичную роль, как и R2, но для диодов, расположенных на входе микроконтроллера, – если D1 и D2 имеют слишком высокое прямое напряжение или реагируют слишком медленно. Кроме того, эти резисторы, наряду с присутствующими в цепи емкостями, увеличивают время нарастания напряжения, что важно для подавления электростатических разрядов и предоставления полупроводниковым диодам времени для реакции.

Рисунок 1. Принципиальная схема устройства. 

Время срабатывания актуатора устанавливается потенциометрами P1 и P2, которые подключены как регулируемые делители напряжения 5 В. Это же напряжение служит опорным для аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера US1. Это обеспечивает точное считывание положения ползунка потенциометра независимо от текущего напряжения питания. Простые низкочастотные RC-фильтры (R4 и C1, R5 и C2) сужают полосу пропускания шума, тем самым сглаживая напряжение, подаваемое на вход аналого-цифрового преобразователя.

Выходом схемы являются контакты двух реле, PK1 и PK2, которые подают питание схемы на один из внешних выводов разъема J3. RC-цепи подавления (33 Ом и 100 нФ) уменьшают искрение контактов при переключении, продлевая срок их службы и снижая уровень электромагнитных помех.

Срабатывание реле обозначается загоранием соответствующего светодиода: LED1 или LED2. Катушки реле управляются насыщенными NPN-транзисторными переключателями, поэтому напряжение питания схемы не критично – в прототипе используются реле с катушками на 12 В, но эти компоненты могут быть рассчитаны и на 24 В.

Упомянутый выше микроконтроллер ATtiny13A-PU управляет всей схемой и отвечает за синхронизацию. При проектировании этой схемы предполагалось, что время работы двигателя привода не критично, поэтому его ядро ​​тактируется встроенным RC-генератором, частота которого находится в пределах нескольких процентов от допустимого значения.

Для корректной работы US1 требуется четко определенное постоянное напряжение, например, 5 В. Оно обеспечивается небольшим линейным стабилизатором 78L05, US2. Потребляемый ток этой схемы достаточно низок, поэтому охлаждение стабилизатора не будет проблемой во всем диапазоне допустимого входного напряжения. Диод D3 защищает систему от повреждений в случае случайной обратной полярности источника питания, а питание следует подключать к клеммам разъема J2. Высокая емкость конденсатора C4 объясняется необходимостью поддержания напряжения питания микроконтроллера при запуске двигателя привода, если используемый в данной системе источник питания имеет высокое внутреннее сопротивление.

Сборка и запуск

Схема была собрана на односторонней печатной плате размером 60 мм x 60 мм. Схема расположения дорожек и схема сборки показаны на рисунке 2. Четыре монтажных отверстия диаметром 3,2 мм каждое расположены на расстоянии 3 мм от края платы.

Рисунок 2. Макет печатной платы.

Рекомендую начинать сборку с самых маленьких компонентов, а именно резисторов и полупроводниковых диодов. Для удобства программирования и замены в случае повреждения рекомендуется использовать разъем для микроконтроллера US1. Собранную схему можно увидеть на фото 1.

Фотография 1. Плата устройства в собранном виде.

При запуске необходимо запрограммировать флэш-память микроконтроллера с помощью предоставленного hex-файла и изменить биты защиты. Вот их новые значения:

Low Fuse = 0x7A
High Fuse = 0xF9

Подробности показаны на рисунке 3, где представлено окно конфигурации BitBurner для этих битов. Изменение битов отключает делитель частоты и активирует детектор пониженного напряжения, который переводит микроконтроллер в состояние сброса, если напряжение питания падает ниже 4,3 В, что значительно снижает риск зависания системы при запуске.

Напряжение питания должно быть в пределах от 9 до 35 В. Оба этих предела необходимы для корректной работы стабилизатора напряжения 78L05. Если двигатель привода рассчитан на 12 В, припаяйте реле с обмотками на 12 В и подайте на схему это напряжение. Если привод оснащен двигателем на 24 В, я рекомендую использовать реле с обмотками более высокого напряжения (например, JQC3FF/241ZS) и подходящий источник питания.

Ток потребления схемы составляет приблизительно 10 мА в режиме ожидания (независимо от напряжения питания) и увеличивается до приблизительно 40 мА при срабатывании одного из реле (при 12 В). Максимальный ток, который может протекать через двигатель привода, составляет 4 А и определяется шириной дорожек на печатной плате.

Правильно запрограммированная схема готова к работе после подключения источника питания к клеммам разъема J2. Поворот ползунка потенциометра P1 или P2 против часовой стрелки сокращает время срабатывания электропривода крана, а поворот по часовой стрелке увеличивает его.

Минимальное время включения/выключения составляет приблизительно 60 мс, а максимальное — приблизительно 60 с — типичные электроприводы совершают полный ход за 15-20 с, поэтому этого диапазона регулировки вполне достаточно в большинстве случаев.

Замыкание клемм разъема J1 открывает вентиль (выход OPEN работает в течение времени, установленного потенциометром P1), а размыкание активирует выход CLOSE, время включения/выключения которого устанавливается потенциометром P2. Если состояние разъема J1 изменяется во время работы одного из выходов, система продолжит работу — выход будет работать в течение всего установленного времени, после чего оба реле на мгновение отключатся, и другой привод будет работать в значительном режиме (если это состояние сохраняется). После включения системы один из выходов (закрытие или открытие вентиля) всегда будет активирован в зависимости от состояния разъема J1.