Registrar y graficar eventos de termostato de 24V (optoacoplador + Raspberry Pi) usando frambuesa

Hay muchos Instructables que muestran cómo hacer un termostato. Pero, ¿qué pasa si ya tiene un termostato y desea registrar o monitorear cuándo se apaga y se enciende? Este Instructable muestra cómo usar un optoacoplador para obtener voltajes de CC de nivel lógico de un termostato programable doméstico común que se conecta a un sistema de calefacción y refrigeración de 24 voltios de CA. También incluye un sensor de temperatura y un código adecuado para ejecutarse en una Raspberry Pi para registrar y graficar el estado, los eventos y las temperaturas del termostato.

ADVERTENCIA:Trabajar con electricidad puede ser peligroso. Antes de continuar, asegúrese de tener la comprensión y las habilidades adecuadas para completar este proyecto de manera segura. Si bien he hecho todo lo posible para que sea seguro, no soy responsable si este proyecto fríe su termostato, Raspberry Pi, sistema HVAC, su gato / perro o incendia su casa.

Paso 1:Reúna las piezas y herramientas necesarias

Necesitará las siguientes piezas:

• Un optoacoplador HCPL3700
• 2x resistencias de 3,3 kOhm, con una potencia nominal de 1/2 vatio o superior (la potencia nominal es importante)
• Un condensador de 10 uF, mínimo 10 V (el electrolítico está bien)
• Un condensador cerámico de 0,1 uF
• Una resistencia de 8 kOhmios (o, más probablemente, una resistencia de 4,7 kOhmios y 3,3 kOhmios en serie)
• Una Raspberry Pi
• Una longitud de dos conductores, cable aislado, idealmente con una desconexión rápida de algún tipo
• Posibilidades y fines electrónicos básicos, como:
  • Una placa de pruebas
  • Cables de puente

Si también desea construir el sensor de temperatura opcional, también necesitará:

• Un sensor de temperatura ADT7410
• Una placa de ruptura SOIC
• Otro capacitor cerámico de 0.1 uF
• 4 resistencias de 10 kOhmios

Si desea diseñar y fabricar su propia placa de circuito, también necesitará:

• Un bloque de tornillos de dos terminales
• Opcionalmente, clavijas de encabezado hembra para aceptar la placa de conexión SOIC
• Pines de encabezado macho para conectar a un Pi, o pines de encabezado hembra para conectarse a un Arduino
• Opcionalmente, versiones SMD de las resistencias enumeradas anteriormente para reducir el tamaño general

Herramientas necesarias:

• Un multímetro

Otros requisitos:

• Un sistema de calefacción / refrigeración de 24 VCA

Requisitos de software:

• Python
• Perl (necesario para HiPi, que se necesita para hipi-i2c)
• Plotly account (opcional, para graficar datos)
• Eagle (versión gratuita, opcional, para diseñar PCB)

Paso 2:Descubra cómo interactuar con su termostato

Muchos sistemas domésticos de calefacción / refrigeración funcionan con 24 voltios de CA. (Aquellos que no están fuera del alcance de este Instructable). Los termostatos programables generalmente funcionan con baterías o usan algún tipo de mecanismo de "robo de energía" para alimentarse. La conmutación real generalmente se realiza mediante un relé dentro del termostato.

Queremos controlar si el sistema de calefacción / refrigeración está funcionando. Para hacer esto, queremos sentir si el relé está permitiendo que fluya energía o no. El primer paso es averiguar qué cables monitorear. Dado que las convenciones de cableado del termostato varían, esto requiere algo de experimentación.

Tome su multímetro, configúrelo para medir voltaje CA y averigüe qué par de cables lee 24 voltios CA cuando su sistema de calefacción / aire acondicionado está activo. Asegúrese de que este mismo par lea 0 voltios de CA cuando el sistema esté inactivo. Tenga en cuenta que puede tener varios pares que funcionarán, dependiendo de si tiene un ventilador que se ejecuta automáticamente u otras variables.

Mi termostato usa cinco cables, conectados a seis contactos (uno de los cables está puenteado a dos contactos). Esto significa que hay 10 posibles combinaciones de dos cables para probar, y debemos probar estas combinaciones cuando el sistema está encendido y apagado. Probablemente sea útil escribir los pares de cables que está probando en una hoja de papel, luego anote el voltaje (o la falta del mismo) a medida que avanza.

Puede ver en mi caso, el voltaje real es más alto que los 24 voltios nominales. Cuando la calefacción está encendida, mi multímetro lee casi 29 voltios en el par de cables que he seleccionado.

Paso 3:obtenga acceso al par de cables

Apague la energía de su sistema de calefacción / enfriamiento y use su multímetro para verificar que la energía esté apagada. Retire el termostato de su base, dejando al descubierto el cableado. Agregue dos cables adicionales que se conecten a los terminales del par de cables que eligió en el paso anterior.

Para poner las cosas en orden, es bueno usar cables que terminen en algún tipo de desconexión rápida en el otro extremo, de modo que el termostato se pueda desconectar del proyecto de manera rápida y segura cuando se desee.

Paso 4:Conecte un circuito para medir el voltaje

Ésta es quizás la parte más complicada del proceso. Obviamente, no podemos conectar directamente 24 voltios de CA a una Raspberry Pi; algo debe rectificar y reducir ese voltaje y hacerlo de manera segura.

Podemos usar un optoacoplador para lograr esto. Un optoacoplador aísla eléctricamente dos circuitos separados. En nuestro caso, queremos aislar el sistema de calefacción / refrigeración de 24 voltios CA de nuestra Raspberry Pi.

Elegí usar el optoacoplador HCPL3700 porque incluye un rectificador y puede manejar una amplia gama de voltajes. Específicamente, toma CA o CC como entrada, en cualquier lugar de 5 V a 240 V, y puede funcionar con un suministro de 2 V a 18 V. Los requisitos actuales son lo suficientemente pequeños como para ejecutar el dispositivo directamente desde el suministro de 3.3V de la Raspberry Pi.

El esquema incluido muestra cómo conecté el HCPL3700 (puede ignorar la mitad inferior del esquema, que es el sensor de temperatura, por ahora). IMPORTANTE:las dos resistencias de 3300 ohmios conectadas a los pines de entrada de CA deben tener una potencia nominal de al menos 1/2 vatio. Estas dos resistencias establecen los umbrales de activación del optoacoplador, es decir, el voltaje de entrada al que se encenderá. Para obtener detalles sobre la selección de estos valores de resistencia, consulte esta nota de aplicación.

El rectificador del HCPL3700 rectifica la entrada de CA, pero no suaviza la onda sinusoidal rectificada. Por lo tanto, sin ningún otro filtrado de entrada, la salida lógica oscilará rápidamente, probablemente a la frecuencia de su voltaje de línea (60 Hz en los EE. UU.). Para evitar esto, colocamos un condensador a través de los pines de CC del rectificador. La nota de aplicación tiene los detalles de cómo calcular el valor de este condensador; un condensador de 10 uF, mínimo de 10 V es suficiente.

Como muchos circuitos integrados, el HCPL3700 sugiere colocar un capacitor de 0.1 uF en sus pines de voltaje de suministro. Finalmente, el chip emplea una salida de colector abierto, lo que significa que solo baja su salida; Para ver las salidas lógicas altas, necesitamos una resistencia pull-up. Calcular el valor apropiado para esta resistencia es un desafío, ya que depende de las características tanto del chip como de los pines de entrada de Pi, pero descubrí que la resistencia pull-up estándar de 10k Ohm podría no producir un voltaje lo suficientemente alto. para ser leído como un nivel lógico alto por el Pi. Por lo tanto, elegí una resistencia de 8k Ohm (en realidad, una de 3.3k Ohm y 4.7k Ohm en serie). Sin embargo, este cálculo se basa en el peor de los casos; en la práctica, una resistencia de 10k podría funcionar bien.

Para obtener más detalles:Registre y grafique eventos de termostato de 24 V (optoacoplador + Raspberry Pi)