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Die hier vorgestellte Steuerung ist eines unserer größeren Projekte mit einer Entwicklungs- und Testzeit von über einem Jahr. Es handelt sich um eine vollwertige Klimasteuerung für bis zu drei Messstellen mit grafischem Display, integrierten Datenlogger und DCF77-Funkuhrmodul. Es können bis zu vier Verbraucher (Lüfter, Entfeuchter etc.) angeschlossen werden.

Diese Steuerung ist speziell ausgelegt zur Belüftung feuchter Räume, beispielsweise von Kellerräumen und funktioniert im praktischen Betrieb seit über drei Jahren tadellos. Im Anhang befinden sich für alle Nachbauer die Schaltpläne und Layoutdateien zur freien Verfügung (ohne Firmeware) im KICAD-Format.

Für alle Interessierten bieten wir diese Steuerung auch als Bausatz in unserem Shop an.

 

Technische Eckdaten:

Frei parametrierbare Steuerung durch Dualprozessorsystem auf Basis der RISC Mikroprozessoren von ATMEL

  • ATMega128 und ATMega16 mit einer Geschwindigkeit von bis zu 16 MIPS
  • Taskgesteuerte Messwerterfassung und Regelung über modifizierte Zweipunktregelung mit Hysterese auf Basis absoluter Luftfeuchtewerte und Temperatur
  • Anschluss von bis zu drei hochgenauen Klimasensoren für Temperatur- und Feuchtigkeitsmessung vom Typ SHT11 oder SHT15 mit integrierter Sensorheizung
  • Grafik LCD Display mit 240x128 Punkten zur Ausgabe der Sensorwerte, Konfiguration und grafischen Anzeige der Verlaufswerte
  • Menüführung über Drehgeber, Taster und PC
  • Bis zu vier Steuerungsausgänge für externe Geräte, beispielsweise Belüftungsabschieberung bzw. Lüfteransteuerung
  • Batteriegepufferte Echtzeituhr und DCF77 Funkuhrmodul
  • RS232 für Verbindung zum PC (Parametrierung und Daten) via USB
  • 4x512 kBit EEprom zur Langzeitdatenspeicherung
  • diverse Alarmfunktionen mit akustischer und visueller Ausgabe
  • Betriebsspannung: 10-15V, Stromaufnahme: typ. 120mA / max. 250mA
  • Schnittstellen: RS232 (USB), I2C-Bus (intern), DCF77-Funkmodul mit Realtimeclock

 

 

Allgemeines Grundprinzip:

Das Grundprinzip einer elektronischen Lüftungssteuerungen basiert analog auf den erläuterten physikalisch Prinzipien. Dazu besteht eine elektronische Lüftungssteuerung aus wenigstens der Steuerzentrale, einem Innen- sowie einem Außensensor, sowie ein oder mehreren elektrisch angetrieben Lüftungssystemen.

 

 

Aus den gemessenen Sensordaten Temperatur und relative Luftfeuchte berechnet die Steuerungszentrale automatisch die absoluten Luftfeuchtewerte. Eine Entfeuchtung und damit eine Ansteuerung der vorhandenen Lüfter erfolgt prinzipiell nur, wenn die Außenluft trockener als die Innenluft ist (es muss ein deutlich ausgeprägtes Gefälle der absoluten Luftfeuchte vorhanden sein). Damit wird unter anderem verhindert, dass bei feuchtem Außenklima wieder feuchte Luft zurück in den Raum transportiert wird.

Weiterhin erfolgt eine energieoptimierte Lüftung durch die Kontrolle der Außen- und Innentemperaturen, so dass Wärmeverluste aus dem Innenraum weitestgehend vermieden werden.  Da eine auf diesen Prinzipien arbeitende automatische Steuerung die vorhandenen, natürlichen Gegebenheiten (jahreszeitlich bedingte Temperaturunterschiede und Niederschläge) ausnutzt und somit keine weitere Energie für Heizung, Kühlung, Entfeuchtung benötigt, handelt es sich außerdem um ein äußerst ökonomisches Verfahren.

Schaltungsbeschreibung und Funktion:

Die Steuerungszentrale besteht aus mehreren Modulen, die untereinander über verschiedenen Bussystem miteinander kommunizieren wie folgendes Blockschaltbild zeigt.

 


Als Mainprozessor IC1 kommt ein mit 16MHz getakteter ATMega128 zur Anwendung. Er bildet das Herz der Steuerungszentrale und kontrolliert alle angeschlossenen Module. Da es sich hierbei um einen echten RISC-Prozessor handelt ist es möglich, in Echtzeit bis zu 16 Millionen Befehle zu verarbeiten. Zusätzlich ist dieser Prozessor interruptfähig, d.h. es ist möglich unverzüglich auf außerordentliche Ereignisse, beispielsweise Tastatureingaben oder neue Messwerte, zu reagieren.

Beim Start läuft der Prozessor nach einer Initialisierung der Steuerungsein- und ausgänge in einer Endlos-Taskschleife. Innerhalb dieser Schleife werden zyklisch folgende Aufgaben ausgeführt:

    • Sensoransteuerung
    • Messwerterfassung und Berechnung
    • Zweipunktregelung mit Hysterese
    • Ansteuerung der Relaisausgänge
    • Verwalten des internen Kurzzeitspeichers
    • Grafikdarstellung
    • Interruptauswertung
    • Datenspeicherung EEprom
    • Synchronisation Realtimeclock und DCF77
    • Kommunikation mit PC
    • Alarmauswertung

 Typische Durchlaufzeiten liegen im Bereich von 0,1ms pro Schleifendurchlauf, dh. die o.g. Aufgaben werden mehrere tausend Mal pro Sekunde abgearbeitet. Die Kommunikation zwischen dem Hauptprozessor und den anderen Modulen erfolgt entweder über die I2C- oder RS232-Schnittstelle. Zur Entlastung des Hauptprozessors kann dieser Rechenaufgaben an den direkt angeschlossenen Coprozessor IC10 vom Typ ATMega16 delegieren. Den prinzipiellen Steuerungsalgorithmus zeigt das folgende Ablaufdiagramm: 

 


Nach der Erfassung der Sensormesswerte für relative Luftfeuchte und Temperatur (jeweils im Innen- und Außenbereich) wird aus diesen Werten die absolute Luftfeuchte berechnet. Die ermittelten Werte werden im prozessorinternen Kurzzeitspeicher abgelegt und im grafischen Display in einer Trendanzeige visualisiert.

Anschließend ermittelt der Prozessor, ob ein Lüftungsbedarf (relative Luftfeuchte im Innenraum größer als der vorgegebenen Sollwert) vorhanden ist. Ist dies der Fall wird als nächstes berechnet, ob der absolute Luftfeuchtigkeitsgradient ausreichend groß ist, d.h. ob die Außenluft deutlich trockener als die Innenluft ist. Wenn zusätzlich die gemessenen Temperaturen innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte liegen, werden Zuluft und Abluft automatisch eingeschaltet ansonsten deaktiviert.

 


Das eingesetzten DCF77-Standardmodul besteht aus einem abgesetzten DCF77-Empfänger in Miniaturbauweise inklusive DCF-Antenne. Das empfangene Signal wird direkt in den Mainprozessor eingespeist und von diesem in einer Interruptroutine 80 mal pro Sekunde verarbeitet. Das resultierende Signal steuert wiederum die interne Softclock des Taskmanagers  als auch eine batteriegepufferte Realtimeclock IC9 auf Basis eines DS1307. Typische Werte für das Einrasten der internen Uhrzeit auf das DCF77-Signal liegen bei gutem Empfang im Bereich 3-10 Minuten. Eine Visualisierung des Empfangs zur Ausrichtung des Empfangssignals erfolgt über das Grafikdisplay möglich.

Als Messwertspeicher kommen vier serielle EEProm (IC4 bis IC7) vom Typ 24C512 zur Anwendung. Bei diesem Baustein handelt es sich um einen bidirektionales EEProm mit garantierten 100.000 Schreibzyklen. Der Adressraum ist zu 8x64kBit organisiert. Dies ergibt einen Datenspeicher von insgesamt 2 MBit. Die Kommunikation mit dem Mainprozessor geschieht über den I2C-Bus, wobei jedem der vier EEProm hardwaremäßig eine eigene Adresse zugeordnet wird, so dass alle vier EEProms separat angesprochen werden können.

Im Speicherzyklus werden pro Datensatz gespeichert: Datum, Uhrzeit, Temperatur, relative und absolute Luftfeuchte aller Sensoren. Je nach gewählten Speicherintervall (einstellbar im Bereich von 1 bis 120 Minuten) ergibt sich eine Aufzeichnungsdauer von knapp zwei Jahren. Die gespeicherten Daten bleiben auch nach einem Stromausfall dauerhaft erhalten. Über das PC-Interface lassen sich die Daten als File auslesen, löschen, archivieren und grafisch auswerten.

 


Die Kommunikation zwischen Steuerungszentrale bzw. Mainprozessor und einem angeschlossenen PC erfolgt über die asynchrone RS232-Schnittstelle. Die Signalwandlung übernimmt ein Interfacebaustein IC3 vom Typ FT232, welcher die Signale der internen Prozessorschnittstelle auf einen virtuellen USB-Port umleitet. Die Stromversorgung erfolgt dabei direkt über die USB-Schnittstelle des PC’s.

Über das PC-Interface erfolgt sowohl die Parametrierung der Steuerungszentrale, als auch das Auslesen des Datenspeichers. Als Software auf dem PC kann dafür jedes beliebige Terminalprogramm verwendet werden. Die Eingaben entsprechender Tastaturkommandos (siehe Kapitel Bedienung) werden vom Mainprozessor dabei in Steuerungsbefehle umgesetzt. In der anderen Richtung erfolgt die Ausgabe der Daten (beispielsweise der Messwertspeicher) am Bildschirm und in einer Logdatei.

Weiterhin ermöglicht das PC-Interface ein unkompliziertes Firmewareupdate des Mainprozessors und damit die Anpassung der Steuerungsalgorithmen. Der Mainprozessor verfügt dazu über einen integrierten Bootloader, bei dessen Aktivierung eine neue Firmewareversion direkt vom PC in den Prozessor überspielt werden kann.

 


Für die Ansteuerung der externen Verbraucher, beispielsweise von Rohreinschublüftern, stehen bis zu vier Relaisausgänge vom Typ G5V1 (K1 bis K4) mit einer angelegten Schaltkontaktspannung von 5V zur Verfügung die über Treibertransistoren direkt vom Mainprozessor geschaltet werden. Ausgangsseitig schalten diese Steuerungsrelais die vorhandene 12V-Versorgungsspannung auf die Schließerkontakte zur RJ45-Buchse J3.

Über ein geschirmtes Kabel kann diese Steuerspannung weitergeleitet werden zu 12V-Lastrelais (mit 220V Schließerkontakten), an welche die Verbraucher angeschlossen werden können.  Auf diese Weise lässt sich eine saubere Potentialtrennung zwischen Steuerstromkreis der Steuerzentrale und dem gesteuerten Stromkreis an den Lüftern erzielen.

 

Download (KiCAD)

Belüftungssteuerung.rar