電子工作５０ – 足温器の製作（その２）−１６Ｆ６８８を使ってコントロール
概要
前の電子工作４９の所謂マニュアル式足温器は普通に使う分には十分である。ＰＩＣ愛好者としてはそれでは物足りないので、温度コントロールを自動化し同時に過熱をソフト的に検知・防止する機能を加えたものを製作することにした。何となく元々簡単なものを意図的に複雑にしている感もあるが、とにかく製作してみたかったと云うのが本音。
注意： 危険なので製作は自分の責任で行うこと。
製作にあたって；
１） ＰＩＣの特性をうまく利用すること。
２） 安全性が高いこと。
３） 材料費があまりかからないこと。
回路図
回路図を下に示す。前の電子工作４９と大きく違う点は調光器を除いて代わりにPICを使う制御部を導入したことである。火花を発せず長寿命なSSR (Solid State Relay)が発熱部の２個の電球のON/OFFを行う。全体の制御にはピンの数が手頃な16F688を使った。温度センサは２個使い、一つは希望する温度の設定と制御に、もう１個は何かの理由でプラスチックカバー内が過熱した場合にシステムを完全に停止させる目的に使う。この温度センサは外付けの抵抗の値によって決まる温度で出力ピンがLowからHighに変化する特性を持つもので、例えば可変抵抗器（ボリューム）を使って抵抗値を変えてやるとその値に相当する温度で出力ピンの状態が反転する。これをPICで検知してSSRのON/OFFにつなげる。抵抗値を大きくとると高い温度で反転が起き、逆に小さくとるとより低い温度で反転を起こす（電子工作３９参照）。可変抵抗値を大まかに知るために２連（同軸）の可変抵抗器の別の１個と６つのLEDを使って表示させる。今回使った下表のように２連の可変抵抗器の間には抵抗値に若干のずれがある。Ｒ２がＲ１より少し大きい（下の回路図参照）。例えば、温度センサの反転温度を６０°Ｃに設定しようとすると要求される抵抗値（Ｒ２）は１４３ＫWである。この時に同軸上で回転するもう一つの可変抵抗器の抵抗値（Ｒ１）は１３４ＫWと若干低い。この値の時に分圧器からＰＯＲＴＡ．０に入るＶｉｎ（Ｖ）の値は１．４４Ｖである。つまり、ＡＤＣ入力電圧Ｖｉｎ=１．４４Ｖは温度センサ１の６０°Ｃおける反転出力に対応するということである．個の関係を利用してＶｉｎを６個のＬＥＤで分類表示して間接的に温度設定を行う。
２連ボリュームの２つの可変抵抗器の特性： 温度センサの反転温度と抵抗値Ｒ２と関係、
抵抗値Ｒ２とＲ１の差、 Ｒ２、Ｒ１とＰＯＲＴＡ．０に入るＶｉｎ（Ｖ）の関係
|
温度°Ｃ |
100 |
95 |
90 |
85 |
80 |
75 |
70 |
60 |
50 |
40 |
30 |
20 |
10 |
|
R2 (KW) |
180 |
175 |
170 |
165 |
162 |
155 |
151 |
143 |
133 |
125 |
116 |
109 |
101 |
|
R1 (KW) |
169 |
164 |
159 |
155 |
152 |
144 |
141 |
134 |
127 |
117 |
108 |
101 |
93 |
|
Vin (V) |
0.46 |
0.62 |
0.76 |
0.87 |
0.96 |
1.19 |
1.25 |
1.44 |
1.67 |
1.93 |
2.19 |
2.41 |
2.61 |
Ｒ１： ２連ボリュームの軸側の抵抗器、 Ｒ２： ２連ボリュームの軸の奥側の抵抗器
温度センサ１のＲ１の値は電源をＯＦＦの状態で外に出したTerminalにテスタ棒を当てて測定できる。過熱検知温度を設定する温度センサ２のＶＲｌｉｍｉｔの抵抗値も同じく電源をＯＦＦの状態で外に出したTerminalにテスタ棒を当ててＶＲｌｉｍｉｔのスクリューをドライバーで回して設定できる。
＜＜各部品の詳細＞＞
１） ＰＩＣ １６Ｆ６８８
２） 小型電球X2： 口金口径１４ｍｍ、１００W９０W （National）全高８５ｍｍ、１００W４０W （メーカ不明）全高６０ｍｍ
３） ソケットX2： 磁器製 口径１４ｍｍ ＜PS>E JET 300W 3A
４） 電動ファン： DC12V ０．１A F３８ｍｍ
５） 熱フューズ： ９４°C
６） 基板： 硬質木 Ｌ２７ＸＷ１８．５ＸＴ１．０ｃｍ
７） プラスチックカバー： ダイソ- Ａ８０ バスケット３６ ポリプロピレン製（１２０°ＣまでＯＫ） Ｌ２６ＸＷ１７．５ＸＨ１３ｃｍ
８） ACアダプタ： DC６V ２５０ｍA、 ＤＣ５Ｖ １Ａ（昔のＺＩＰドライブに付属していたもの）
９） ＳＳＲ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｗ Ｒｅｌａｙ） D2W202F 2A２４０ＶＡＣ
１０） 温度センサ ＴＣ６２２ＥＰＡ ｘ ２
１１） ２連ボリューム （可変抵抗） Ｌｉｎｋｍａｎ ２００Ｋ ０．００５Ｗ （マルツパーツ館 \180）
１２） 多回転半固定ボリューム たて型 ２００Ｋ ２５回転 （ＶＲlimit）
１３） 電子ブザー ＨＤＢ０ＬＦＰＮ
１４） タイマ； 市販品“時間が来ると切れる”機能の付いたもの
１５） ダンボールボックス： Ｌ４２ＸＷ４０ＸＨ３５ｃｍ（現在使っているもの）
一番上の青色のものが２連ボリューム、中央部の黒いのがＳＳＲ、その前に６個のＬＥＤ（うち白い１個は点滅ＬＥＤ０）、
ＳＳＲの下にブザーが見える。ＬＥＤ列の前に１４ピンの１６Ｆ６８８、その左斜め上に多回転半固定ボリュームが見える
足温器の外観。左右のスペースに足を入れ毛布をかける 発熱部の基板。左斜め上に２個の温度センサが組込んである
温度センサの拡大図。ガラスファイバーでカバーし
ＯＮ／ＯＦＦの繰返し時間を多少遅らせている
実験１
温度センサ１と２を載せた基板をガラスファイバーで覆い、その中に温度計の薄いサーミスタ検知部を差し込んでＬＥＤ０からＬＥＤ５まで変化させた時温度がどう変化するか測定した。同時に段ボールボックスの手前内壁付近の温度も測定した。その結果、どの温度範囲でも２−３°Ｃの温度変化で３０−６０秒位の間隔で電球の点滅が繰り返されることが分かった。
|
選択したLED |
ＬＥＤ１ |
ＬＥＤ２ |
ＬＥＤ３ |
ＬＥＤ４ |
ＬＥＤ５ |
|
温度センサ部ＯＮ−ＯＦＦ温度範囲（°Ｃ） |
３２-３５ |
４３-４６ |
５４-５６ |
６１-６４ |
６５-６８ |
|
段ボール手前側内壁温度 （°Ｃ） |
２８ |
３３ |
３８ |
４２ |
４８ |
結果＆コメント
１） 温度センサからの６本の線を、電球を点灯するための電源線と一緒にビニールテープできつく束ねて動かしたところノイズを拾って誤動作を起こした。症状は： ＯＮ／ＯＦＦが一気に決まらずに何度か繰り返した後に落ち着く。どの温度レンジでも頻繁にシステムがシャットダウンした。束を解いて分離したら正常に戻った。なかなかの難問でオシロなどを使ってやっと解決した。
２） ２連ボリュームは２００ＫWなので、計算では温度センサに取付けた場合は１１９°Ｃまでコントロールが可能になる。しかし、実際は最高で７５°Ｃ位に設定するので１５５ＫW位までしか使わない。その上の範囲は必要ない。そこで点滅式ＬＥＤ０を設置して２連ボリュームを回し過ぎないように注意を促している。ＬＥＤ０を選択してしまった場合、ボリュームの回転につれて次第に温度センサ１からＯＵＴ出力反転温度が上がり理論上最大１１９°Ｃ位まで達する。しかしその前に温度センサ２（今回は７５°Ｃに設定）が動作してシステムをシャットダウンさせる。実際電球の総ワット数が１３０Ｗと比較的小さく、さらにボックスと毛布との隙間などからの放熱で１１９°Ｃ位まで上昇することはない。上昇しても最高で熱フューズの溶解温度９４°Ｃ位までと思われる。
３） ０−２００ＫWを６つの範囲に分け６個のＬＥＤで表示している。どれか１個のＬＥＤが点灯し続けている場合でもわずかなボリュームの回転によってＲ２の変化があり温度センサ１のＯＵＴ出力が反転する温度が変わる。
４） 異常過熱などによってシステムがSｈｕｔｄｏｗｎした場合、Reset SWを押して元に戻す。
５） 安全上勿論“時間が来る切れる”タイマは絶対必要で、その他に熱フューズと今回の温度センサ２を使った過熱検知・防止ルーチン、合計３つの対策で万全を期している。
６） 温度センサ２からＯＵＴ出力が反転する温度を７５°Ｃに設定した。したがってＶＲｌｉｍｉｔ値は１５５ＫKWに調整した（電子工作３９参照）。
７） 足湯に入っているような感じでなかなか快適！
８） 納豆や甘酒の造りの保温器などにも使えそう。
９） タイマを除いた総材料費は２０００円ほど。
１０） （追加１２．３） プログラムの改良で、１連ボリュームと温度センサを各々１個、ＡＤＣ無しの１２Ｆ６２９を使って今回の機能を満たせそう。過熱の場合はＨｉｇh（電球ＯＮ）の状態が連続するので、例えばＨｉｇhが１５分続いたらＥＮＤにスキップするようにする。一方正常な状態ではＨｉｇｈとＬｏｗの状態は一定時艱ごとに繰り返すので、二つの違いを区別するようなルーチンをつくればよい。
プログラム
このプログラムでは温度センサ１のＯＵＴ出力を設定する抵抗値Ｒ２を６つのＬＥＤs、すなわちＬＥＤ０、ＬＥＤ１−５を使って目視出来るようにしたのが肝心なところ。さらに温度センサ２のＯＵＴ出力を使って足温器内部が異常に過熱した場合にシステムを停止させるようにして安全性を高めた。
プログラムのフローチャート
‘********************************************
'FootHeater16F688a.bas - 2010.11.26 - works well
'16F688 with internal clock 4MHz (default)
'Controlling a foot heater
'********Pin connections************
'Pin 1: Vdd (5V) ‘今回は１４ピン全てを使った
'Pin 14: Vss (GND)
'Pin 2: PORTA.5: output - connected to SSR
'Pin 3: PORTA.4: input - connected to LED0
'Pin 4: PORTA.3: input - connected to Reset
'Pin 5: PORTC.5: output - connected to buzzer via Tr
'Pin 6: PORTC.4: output - connected to LED1
'Pin 7: PORTC.3: output - connected to LED2
'Pin 8: PORTC.2: output - connected to LED3
'Pin 9: PORTC.1: output - connected to LED4
'Pin 10: PORTC.0: output - connected to LED5
'Pin 11: PORTA.2: input - connected to OUT of Temp Sensor2
'Pin 12: PORTA.1: input - connected to OUT of Temp Sensor1
'Pin 13: PORTA.0: input - analogue input of 0-5.0V from divider(200kVR)
'Power supply - AC adaptor 5.14V 1A
'****** Program ********
Define ADC_BITS 10 '10-bit ADC used 以下ＡＤＣの設定を含めた初期設定
Define ADC_CLOCK 3 'Internal clock used ?
Define ADC_SAMPLEUS 50 'Sample timing
ADCON0=%10000011
'=131 (decimal) 'bit7=1(right justified),bit6=0(volt refer-Vdd),
'bit5-4=0(unimplemented),bit3-2=00(channel0-An0),
'bit1=1(starts right away),bit0=1(on operation)
ANSEL=%00000001 'AN0 of A/D used
CMCON0=7 'turns off comparator function
TRISA=%00001111 '0-5.0V input from divider
TRISC=%00000000 'all are outputs
Vin var word 'AD input value
TempIN var PORTA.1 'Temp input (OUT from Temp Sensor1) 温度センサ１からのOUT出力 − ２連ボリュームの位置で決まる
TempINshut var PORTA.2 'Temp input (OUT from Temp Sensor2) 温度センサ２からの過熱時のOUT出力 − VRｌｉｍｉｔで調整する
SSRSW var PORTA.5 'SSRSW - ON/OFF of SSR(Solid State Relay) ＳＳＲをＯＮ／ＯＦＦスイッチ
Buzzer var PORTC.5 ‘ブザーを鳴らすピン
LED0 var PORTA.4 'ON/OFF of LED0
LED1 var PORTC.4 'ON/OFF of LED1
LED2 var PORTC.3 'ON/OFF of LED2
LED3 var PORTC.2 'ON/OFF of LED3
LED4 var PORTC.1 'ON/OFF of LED4
LED5 var PORTC.0 'ON/OFF of LED5
m var byte
n var byte
TempINshut=0
SSRSW=0
Buzzer=0
Loop:
Adcin 0, Vin ‘Read ADC value from Channel 0
Pause 5 'Wait 5ms
'Selecting temperature ranges for heating ２連ボリュームの１個からの入力を電圧の形で読込み以下の６つの範囲で分け、該当するＬＥＤを点灯させる。それから設定した反転温度が大体何度かが分かる
If (230>=Vin) Then LED0ON '230 - 1.12V - 72C 230 <- (1024/5V) * 1.12V この1.12Vは分圧器Ｒ１＝１４２ＫWで７２°Ｃ位に相当しＰＯＲＴＡ．０への入力電圧となる
If (230<Vin) AND (Vin=<256) Then LED1ON '258 - 1.25V - 70C
If (256<Vin) AND (Vin=<295) Then LED2ON '295 - 1.44V - 60C
If (295<Vin) AND (Vin=<342) Then LED3ON '342 - 1.67V - 50C
If (342<Vin) AND (Vin=<395) Then LED4ON 'This description using 'AND' is very important!
If (395<Vin) Then LED5ON '395 - 1.93C - 40C 40°Ｃ以下では電球は頻繁には点灯しない
'Indicating temperature ranges selected on LED0-5
LED0ON: High LED0: Low LED1: Low LED2: Low LED3: Low LED4: Low LED5 ‘only LED0 turned to ON
Pause 10 '10 ms 2010.11.30 maybe not necessary? これ必要ないかも？
Goto TempINCheck
LED1ON: Low LED0: High LED1: Low LED2: Low LED3: Low LED4: Low LED5
Pause 10
Goto TempINCheck
LED2ON: Low LED0: Low LED1: High LED2: Low LED3: Low LED4: Low LED5
Pause 10
Goto TempINCheck
LED3ON: Low LED0: Low LED1: Low LED2: High LED3: Low LED4: Low LED5
Pause 10
Goto TempINCheck
LED4ON: Low LED0: Low LED1: Low LED2: Low LED3: High LED4: Low LED5
Pause 10
Goto TempINCheck
LED5ON: Low LED0: Low LED1: Low LED2: Low LED3: Low LED4: High LED5
Pause 10
Goto TempINCheck
TempINCheck: 'Checking the state of TempIN ここで温度センサ１からのOUT出力をチェック
If TempIN=1 Then
Pause 10
SSRSW=0 'SSR -> OFF If TempIN=1 OUT出力＝１ならＳＳＲＳＷをＯＦＦにする
Else
SSRSW=1 'SSR -> ON If not TempIN=1 OUT出力＝０ならＳＳＲＳＷをＯＮにする （電球が点灯する）
Endif
If TempINshut=1 Then ShutOFF ‘もし温度センサ２からのOUT出力＝１なら過熱状態なのでＳhutOFFへ飛べ、そうでなければＬｏｏpへ飛べ
Goto Loop
ShutOFF: ‘過熱時にシステムをｓｈｕｔｄｏｗｎする
SSRSW=0 'SSR -> OFF ＳＳＲＳＷをＯＦＦにする
For m=0 to 2 ‘時間稼ぎルーチン、途中ＬＥＤ1を点滅させ、ブザーを間欠的に鳴らす
For n=0 to 100
High LED1
Pause 250 '0.25 sec
Low LED1
Pause 250
High Buzzer
Pause 100 '0.1 sec
Low Buzzer
Pause 100
Next n
Next m
End
'****** End of Program ********
'Note:
'melabs U2 Programmer's
configurations １6F688
'FOSC – INTOSCIO; WDTE - Enable; Power-up Timer - Disable
'MCLRpin – Reset ; BODEN - Enable; Internal External Switｃh Over – Enable, Fail-Safe Clock Monitor – Enable, CD - Disable;Dtata EPPROM – Disable
簡易型足温器の製作 （２０１０．１２．８）
上記の足温器をもうちょっと簡単に出来ないかと考えて製作してみたものである。
留意点は；
１） 温度の設定はボリューム（可変抵抗）のみで行う
２） 温度センサは１個だけ使う
３） 温度制御には２個の１２Ｆ６２９を使う。１個は本来のＯＮ−ＯＦＦ温度制御に、もう１個は過熱検知の目的に使う。
下に回路図を示す。 上記の１６Ｆ688を使ったものと違って、温度の設定はＬＥＤ（６個）の表示ではなくボリュームの回転位置（角度）を見ながら行う。これでプログラムも簡単になる。温度センサからのＯＵＴ信号（Ｈｉｇｈ or Low）を１２F629Aに取込んでプログラムでSSRのON/OFFを行う。もう１個の１２F629Bは同様にＯＵＴ信号（Ｈｉｇｈ or Low）を取込んでプログラムでSSRのON状態が一定時間以上続いた場合に１２F629Aに信号を送ってシステムの動作を停止させる役目を果たす（過熱検知.・防止）。割込みなどの使い方まだ良く分からないので、１２F629を１個使ってはどうしても実現できなかった。
実験中： 上部の小さきブレッドボードに載っているのが温度センサ、この部分がプラスチックカバー
の中に入る。本体とは４本の線で結ばれる。下に２個の１２F６２９、SSR、VRなどが見える。
結果＆コメント
１） 実際に回路を組んで動かしてみたらキチンと動作した。
２） １２F629B用のプログラムの中でFor m=1 to 20の20を３倍の６0（１５分）にし、If Ｌ>=18 Then OverHeatDetecdのＬ>=18をＬ>=５５位にすると、１５分毎に過熱チェックをすることになる。より実用的であろう。
３） 割込みを使って１個の１２F629で事足りる気がするが、具体的にどうするかは目下検討中。
プログラム
以下に示すように、１２F629Aと１２F629Bの各々に別のプログラムが必要である。
１２F629A用のプログラム
温度センサOUTからのHｉｇｈ or Ｌｏｗ信号をTempINでチェックしながらＳＳＲをＯＮ/OＦＦする。同時に１２Ｆ５２９Ｂからの過熱信号OverHeatINも常時チェックしている。OverHeatIN＝１の場合、ShutOFFに飛んでシステムを停止させる。
'FootHeaterSimpleA.bas - 2010.12.7 works OK
'Program for 12F629A
'********Pin connections************
'Pin 1: Vdd (5V)
'Pin 8: Vss (GND)
'Pin 7: GPIO.0: input 温度センサOUTからの入力
'Pin 4: GPIO.3: input - MCLR
'Pin 5: GPIO.2: output - to LED(Y)
'Pin 2: GPIO.5: output - to +Pin of SSR
'Pin 3: GPIO.4: input - from 12F629B (GP5)
'****** Program ********
CMCON=7 'Comparator off
TRISIO=%011001
TempIN var GPIO.0
SSRSW var GPIO.5
OverHeatIN var GPIO.4
LED var GPIO.2 'LED(Y) Yellow
m var byte
n var byte
SSRSW=0
LED=0 'essential これ重要！
Loop:
If TempIN=1 Then
SSRSW=0
Else
SSRSW=1
Endif
If OverHeatIN=1 Then ShutOFF ‘１２Ｆ６２９Ｂからの過熱信号チェックし、ＨｉｇｈならＳｈｕｔＯＦＦに飛んでシステムの動作を停止させる
Goto Loop
ShutOFF:
SSRSW=0 'SSR -> OFF
For m=0 to 2 ‘ＬＥＤ（Ｙ）を点滅させる
For n=0 to 100
High LED
Pause 250 '0.25 sec
Low LED
Pause 250
Next n
Next m
High LED 'Keep LED(Y) ON until reset‘ＬＥＤ（Ｙ）を点灯したままで終わる
End
'****** End of Program ********
'Note:
'melabs U2 Programmer's
configurations １6F688
'FOSC – INTOSCIO; WDTE - Enable; Power-up Timer - Disable
'MCLRpin – Reset ; BODEN - Enable; Internal External Switｃh Over – Enable, Fail-Safe Clock Monitor – Enable, CD - Disable;Dtata EPPROM – Disable
１２F629B用のプログラム
温度センサOUTからのHｉｇｈ or Ｌｏｗ信号を１５秒毎に２０回（１５ｘ２０＝３００秒＝５分）TempINでチェックし、Ｈｉｇｈの成分とＬｏｗの成分をそれぞれ積算する。もしＬｏｗの成分（ＳＳＲがＯＮ）が２０回のうち１８回以上だったら（したがってＨｉｇｈの成分は２０回のうち２回）、加熱時間が非加熱時間（ＳＳＲがＯＦＦ）比べて異常に長い（連続して加熱し続けている）と判断して、Ｈｉｇｈ信号をＧＰ５より１２Ｆ６２９ＡのＧＰ４に送る。ただそれがけの役目（過熱検知）をこのＰＩＣは果たす。
'FootHeaterSimpleB.bas 2010.12.7 - overheat checking program
'Program for 12F629B
'********Pin connections************
'Pin 1: Vdd (5V)
'Pin 8: Vss (GND)
'Pin 7: GPIO.0: input - from OUT of Temp Sensor
'Pin 4: GPIO.3: input - MCLR
'Pin 5: GPIO.2: NC
'Pin 2: GPIO.5: output - to GP5 of 12F629A
'Pin 3: GPIO.4: NC
'****** Program ********
CMCON=7 'Comparator off
TRISIO=%001001
TempIN var GPIO.0
OverHeatOUT var GPIO.5
H var byte
L var byte
m var byte
TempIN=0
HorLcheck: HighかLowかのチェックをするルーチン
OverHeatOUT=0
H=0
L=0
For m=1 to 20 ‘以下で１５秒毎にTempIN入力のＨｉｇh ｏｒ Ｌｏｗを２０回チェックしてＨｉｇhの数とＬｏｗの数を数える
If TempIN=1 Then
H=H+1 'H - Temp Sensor's OUT is +5V (=Lamps are OFF) 温度センサOUTがHigh（ランプがOFF）の場合
Else
L=L+1 'L - Temp Sensor's OUT is 0V (=Lamps are ON) 温度センサOUTがLow（ランプがON）の場合
Endif
Pause 15000 '15 sec
Next m
If Ｌ>=18 Then OverHeatDetecd 'important! 18 out of 20 ２０回のうち温度センサOUTのＬｏｗが１８回以上なら加熱時間が異常に長いと判断しOverheatDetecdに飛ぶ
Goto HorLcheck
OverheatDetecd: ‘以下でＨｉｇh信号を１２Ｆ629ＡのＧＰ４に送り続ける
High OverHeatOUT
Pause 1000
Goto OverheatDetecd
End