24-V-Thermostatereignisse (Optokoppler + Raspberry Pi) mit Himbeere protokollieren und grafisch darstellen

Es gibt viele Instructables, die zeigen, wie man einen Thermostat herstellt. Aber was ist, wenn Sie bereits einen Thermostat haben und das Ein- und Ausschalten protokollieren oder überwachen möchten? Dieses Instructable zeigt, wie man einen Optokoppler verwendet, um Gleichspannungen auf Logikebene von einem gemeinsamen programmierbaren Haushaltsthermostat zu erhalten, der an ein 24-Volt-Wechselstrom-Heiz- und Kühlsystem angeschlossen ist. Es enthält auch einen Temperatursensor und einen Code, der für die Ausführung auf einem Raspberry Pi geeignet ist, um den Thermostatstatus, Ereignisse und Temperaturen zu protokollieren und grafisch darzustellen.

WARNUNG:Arbeiten mit Elektrizität kann gefährlich sein. Bevor Sie fortfahren, stellen Sie sicher, dass Sie über ausreichende Kenntnisse und Fähigkeiten verfügen, um dieses Projekt sicher abzuschließen. Obwohl ich mein Bestes getan habe, um es sicher zu machen, bin ich nicht verantwortlich, wenn dieses Projekt Ihr Thermostat, Raspberry Pi, HLK-System, Ihre Katze / Ihren Hund brät oder Ihr Haus niederbrennt.

Schritt 1:Sammeln Sie die notwendigen Teile und Werkzeuge

Sie benötigen die folgenden Teile:

• Ein HCPL3700 Optokoppler
• 2x 3,3-kOhm-Widerstände mit einer Nennleistung von 1/2 Watt oder höher (die Nennleistung ist wichtig)
• Ein 10uF, mindestens 10V Kondensator (Elektrolyt ist in Ordnung)
• Ein 0,1 uF Keramikkondensator
• Ein 8-kOhm-Widerstand (oder wahrscheinlicher ein 4,7-kOhm- und 3,3-kOhm-Widerstand in Reihe)
• Ein Raspberry Pi
• Eine Länge von zwei Leitern, isolierter Draht, idealerweise mit einer Art Schnellkupplung
• Grundlegende elektronische Kleinigkeiten wie:
  • Ein Steckbrett
  • Überbrückungsdrähte

Wenn Sie auch den optionalen Temperatursensor bauen möchten, benötigen Sie außerdem:

• Ein ADT7410 Temperatursensor
• Ein SOIC-Breakout-Board
• Ein weiterer 0,1-uF-Keramikkondensator
• 4x 10 kOhm Widerstände

Wenn Sie Ihre eigene Leiterplatte entwerfen und herstellen möchten, benötigen Sie außerdem:

• Ein Schraubblock mit zwei Anschlüssen
• Optional, weibliche Header-Pins zur Aufnahme des SOIC-Breakout-Boards
• Steckerstifte zum Anschluss an ein Pi oder Buchsenstifte zum Anschluss an einen Arduino
• Optional SMD-Versionen der oben aufgeführten Widerstände, um die Gesamtgröße zu reduzieren

Erforderliche Werkzeuge:

• Ein Multimeter

Sonstige Anforderungen:

• Ein 24 VAC Heiz-/Kühlsystem

Softwareanforderungen:

• Python
• Perl (benötigt für HiPi, die für hipi-i2c benötigt wird)
• Plotly-Konto (optional, zum Darstellen von Daten)
• Eagle (kostenlose Version, optional, zum Entwerfen von Leiterplatten)

Schritt 2:Finden Sie heraus, wie Sie sich mit Ihrem Thermostat verbinden

Viele Heiz-/Kühlsysteme im Haushalt werden mit 24 Volt Wechselstrom betrieben. (Diejenigen, die dies nicht tun, liegen außerhalb des Rahmens dieser Anleitung). Programmierbare Thermostate laufen normalerweise entweder ohne Batterien oder verwenden eine Art „Stromraub“-Mechanismus, um sich selbst mit Strom zu versorgen. Die eigentliche Umschaltung erfolgt normalerweise durch ein Relais im Thermostat.

Wir wollen überwachen, ob das Heiz-/Kühlsystem läuft. Um dies zu tun, möchten wir erkennen, ob das Relais Strom fließen lässt oder nicht. Der erste Schritt besteht darin, herauszufinden, welche Drähte überwacht werden sollen. Da die Konventionen für die Thermostatverkabelung variieren, erfordert dies einige Experimente.

Schnappen Sie sich Ihr Multimeter, stellen Sie es so ein, dass es die Wechselspannung misst, und finden Sie heraus, welches Kabelpaar 24 Volt Wechselstrom anzeigt, wenn Ihr Heiz-/Kühlsystem aktiv ist. Stellen Sie sicher, dass dasselbe Paar 0 Volt AC anzeigt, wenn das System inaktiv ist. Beachten Sie, dass Sie möglicherweise mehrere Paare haben, die funktionieren, je nachdem, ob Sie einen Lüfter haben, der automatisch läuft, oder andere Variablen.

Mein Thermostat verwendet fünf Drähte, die mit sechs Kontakten verbunden sind (einer der Drähte ist mit zwei Kontakten überbrückt). Dies bedeutet, dass es 10 mögliche Zweidrahtkombinationen zum Testen gibt, und wir sollten diese Kombinationen testen, wenn das System sowohl ein- als auch ausgeschaltet ist. Es ist wahrscheinlich hilfreich, die Kabelpaare, die Sie testen, auf ein Blatt Papier zu schreiben und sich dann die Spannung (oder deren Fehlen) zu notieren.

Sie können in meinem Fall sehen, dass die tatsächliche Spannung höher ist als die nominellen 24 Volt. Wenn die Heizung eingeschaltet ist, zeigt mein Multimeter fast 29 Volt an dem von mir ausgewählten Kabelpaar an.

Schritt 3:Gewähren Sie sich Zugriff auf das Kabelpaar

Schalten Sie Ihr Heiz-/Kühlsystem aus und überprüfen Sie mit Ihrem Multimeter, ob das Gerät ausgeschaltet ist. Entfernen Sie den Thermostat von seiner Basis und legen Sie die Verkabelung frei. Fügen Sie zwei zusätzliche Drähte hinzu, die mit den Klemmen des Drahtpaares verbunden sind, das Sie im vorherigen Schritt ausgewählt haben.

Um Ordnung zu schaffen, ist es schön, eine Verkabelung zu verwenden, die am anderen Ende in einer Art Schnellkupplung endet, damit der Thermostat bei Bedarf schnell und sicher vom Projekt getrennt werden kann.

Schritt 4:Verdrahten Sie einen Stromkreis, um die Spannung zu messen

Dies ist vielleicht der komplizierteste Teil des Prozesses. Offensichtlich können wir 24 Volt Wechselstrom nicht direkt an einen Raspberry Pi anschließen – etwas muss diese Spannung korrigieren und reduzieren und dies sicher tun.

Dazu können wir einen Optokoppler verwenden. Ein Optokoppler trennt elektrisch zwei separate Stromkreise. In unserem Fall wollen wir das 24 Volt AC Heiz-/Kühlsystem von unserem Raspberry Pi isolieren.

Ich habe mich für den Optokoppler HCPL3700 entschieden, weil er einen Gleichrichter enthält und einen großen Spannungsbereich verarbeiten kann. Insbesondere nimmt es entweder Wechselstrom oder Gleichstrom als Eingang zwischen 5 V und 240 V auf und kann mit einer Versorgung von 2 V bis 18 V betrieben werden. Die Stromanforderungen sind klein genug, um das Gerät direkt über die 3,3-V-Versorgung des Raspberry Pi zu betreiben.

Der beiliegende Schaltplan zeigt, wie ich den HCPL3700 verkabelt habe (Sie können die untere Hälfte des Schaltplans, den Temperatursensor, vorerst ignorieren). WICHTIG:Die beiden 3300-Ohm-Widerstände, die an die AC-Eingangspins angeschlossen sind, müssen eine Nennleistung von mindestens 1/2 Watt haben. Diese beiden Widerstände legen die Triggerschwellen des Optokopplers fest, d. h. die Eingangsspannung, bei der er einschaltet. Einzelheiten zur Auswahl dieser Widerstandswerte finden Sie in diesem Anwendungshinweis.

Der Gleichrichter im HCPL3700 richtet den AC-Eingang gleich, glättet jedoch nicht die gleichgerichtete Sinuswelle. Daher schwingt der Logikausgang ohne weitere Eingangsfilterung schnell, wahrscheinlich mit der Frequenz Ihrer Netzspannung (60 Hz in den USA). Um dies zu vermeiden, platzieren wir einen Kondensator über die DC-Pins des Gleichrichters. Der Anwendungshinweis enthält Einzelheiten zur Berechnung des Wertes dieses Kondensators; ein 10 uF, mindestens 10 V Kondensator reicht aus.

Wie bei vielen ICs empfiehlt der HCPL3700, einen 0,1-uF-Kondensator über seine Versorgungsspannungspins zu legen. Schließlich verwendet der Chip einen Open-Collector-Ausgang, was bedeutet, dass er nur seinen Ausgang auf Low steuert; Um logisch hohe Ausgänge zu sehen, benötigen wir einen Pull-up-Widerstand. Die Berechnung des geeigneten Werts für diesen Widerstand ist eine kleine Herausforderung, da er von den Eigenschaften des Chips und der Eingangspins des Pi abhängt, aber ich habe festgestellt, dass der Standard-Pull-up-Widerstand von 10 kOhm möglicherweise keine ausreichend hohe Spannung erzeugen kann vom Pi als logisches High gelesen werden. Also ging ich mit einem 8k Ohm Widerstand (eigentlich ein 3,3k Ohm und 4,7k Ohm in Reihe). Diese Berechnung basiert jedoch auf Worst-Case-Szenarien; in der Praxis könnte ein 10k-Widerstand gut funktionieren.

Für weitere Details:24V-Thermostatereignisse protokollieren und grafisch darstellen (Optokoppler + Raspberry Pi)