Model hlađenja: podesivi temperaturni regulator

Šta ćemo napraviti

Napravićemo model temperaturnog regulatora: potenciometar zadaje željenu temperaturu, DHT11 mjeri uslove, OLED prikazuje stanje, a relej uključuje signalnu LED. LED predstavlja stvarno uključen izlaz za hlađenje; u ovom sklopu nema ventilatora, pumpe, grijača ni mrežnog napona. Zato uključivanje ne snižava stvarnu sobnu temperaturu.

Šta ćeš naučiti

• Podesiti temperaturni cilj analognim ulazom.
• Primijeniti histerezu i minimalni razmak između promjena releja.
• Razlikovati zahtjev regulatora od stvarnog izlaza.
• Dati grešci senzora prednost nad vremenskim ograničenjem.
• Povezati odvojene zadatke mjerenja, odlučivanja i prikaza.

Predznanje

Završi kurseve 10, 11 i 16. Potrebni su DHT11 očitavanje, OLED adresa i tranzistorsko upravljanje relejnim modulom. Referenca je klasični ESP32/ESP32-WROOM-32. GPIO oznake nisu fizički redni brojevi izvoda; druge ESP32 porodice zahtijevaju prilagođavanje.

Potrebna oprema i provjera varijanti

PN2222A tranzistor je dodatna obavezna komponenta koja nije prikazana u kompletu. Provjeri B, C i E za tačnog proizvođača i kućište; sličan naziv tranzistora ne potvrđuje isti raspored. onsemi — PN2222A

Relejni modul mora biti deklarisan za 5 V, aktivan na LOW, sa podizanjem ulaza na HIGH kada je otpušten i ugrađenim drajverima i zaštitom zavojnica. Fotografija ne potvrđuje njegovu šemu. DHT11 modul i SSD1306 OLED 128 × 64 moraju podržavati napajanje i logiku 3,3 V. OLED sa SH1106 kontrolerom zahtijeva drugi drajver.

Zašto postoje dva praga

Za zadati cilj od 24 °C zahtjev za hlađenjem uključuje se na 25 °C ili više, a isključuje na 23 °C ili manje. Između pragova ostaje prethodno stanje zahtjeva. To je histereza: male promjene oko cilja ne izazivaju stalno prebacivanje.

Drugi mehanizam je MIN_SWITCH_MS = 5000: između običnih promjena stvarnog releja mora proći najmanje pet sekundi. Zahtjev se može promijeniti prije isteka, ali izlaz tada čeka. Ovo je nastavna vrijednost, a ne zaštita ili specifikacija za kompresor ili drugi stvarni uređaj.

Šema i redoslijed spajanja

Šema povezivanja

Isti relejski LED krug kao u kursu 16; nijedan stvarni potrošač hlađenja se ne spaja. DHT11 i OLED su na 3,3 V, a relejski modul na provjerenom USB5V vodu. R2 je pull-down baze, R4 je DATA pull-up. Q1 je dodatna komponenta.

Veze · Šema povezivanja

Od	Do	Opis veze
ESP32.GPIO25	R1.1	Otpornik R1 od 1 kΩ ograničava struju baze.
R1.2	Q1.B	Baza dodatnog PN2222A tranzistora.
Q1.B	R2.1	R2 od 10 kΩ drži bazu nisko dok GPIO ne upravlja.
R2.2	ESP32.GND	Drugi kraj pull-down otpornika.
Q1.E	ESP32.GND	Emiter prema zajedničkoj masi; provjeriti stvarni B/C/E raspored.
Q1.C	K1.IN1	Kolektor obara IN1 na LOW kada je GPIO25 HIGH.
ESP32.USB5V	K1.VCC	Napajanje referentnog modula 5 V; JD-VCC kratkospojnik ako postoji prema dokumentaciji.
ESP32.GND	K1.GND	Zajednička masa modula i upravljačkog tranzistora.
ESP32.USB5V	K1.IN2	Neiskorišćeni aktivno-LOW ulaz drugog kanala drži se HIGH, odnosno isključeno.
ESP32.3V3	K1.COM1	Zajednički kontakt prenosi samo 3,3 V LED krug.
K1.NO1	R3.1	Normalno otvoreni kontakt prema R3 od 220 Ω.
R3.2	D1.A	Serijski otpornik prema anodi LED.
D1.K	ESP32.GND	Katoda indikacione LED prema masi; NC1 ostaje nepovezan.
ESP32.3V3	U1.VCC	DHT11 modul potvrđen za rad na 3,3 V.
ESP32.GND	U1.GND	Zajednička masa.
U1.DATA	ESP32.GPIO26	DHT11 DATA prema GPIO26.
ESP32.3V3	R4.1	R4 od 10 kΩ povlači DATA na 3V3.
R4.2	U1.DATA	Drugi kraj R4 na DATA/GPIO26 čvor.
ESP32.3V3	OLED1.VCC	Referentni I2C SSD1306 128×64 na 3,3 V.
ESP32.GND	OLED1.GND	Zajednička masa.
ESP32.GPIO21	OLED1.SDA	I2C podaci.
ESP32.GPIO22	OLED1.SCL	I2C takt.
ESP32.3V3	RV1.END_A	Jedan krajnji izvod potenciometra 10 kΩ.
ESP32.GND	RV1.END_B	Drugi krajnji izvod.
RV1.W	ESP32.GPIO34	Klizač prema ulazu ADC1.

1. Isključi USB. Poveži zajedničku masu ESP32, senzora, ekrana i relejnog modula.
2. Spoji GPIO25 preko R1 od 1 kΩ na Q1.B; R2 od 10 kΩ između B i GND; Q1.E na GND; Q1.C na IN1 modula.
3. VCC modula i neiskorišćeni IN2 spoji na provjereni USB 5 V izvod ploče. Ako postoji JD-VCC, zadrži samo dokumentovani spoj za zajedničko napajanje.
4. Kontaktnu granu spoji: 3V3 na COM1, NO1 preko R3 od 220 Ω na LED anodu, a katodu na GND. NC1 i kontakti drugog kanala ostaju prazni.
5. DHT11 VCC spoji na 3V3, GND na GND, DATA na GPIO26. R4 od 10 kΩ ide između DATA i 3V3, i kada modul već ima svoj pull-up.
6. OLED: VCC na 3V3, GND na GND, SDA na GPIO21, SCL na GPIO22. Njegovi pull-up otpornici moraju voditi na 3,3 V.
7. Krajeve potenciometra spoji na 3V3 i GND, a klizač na GPIO34. Pregledaj sve grane prije USB napajanja.

GPIO HIGH uključuje Q1, Q1 spušta IN1 na LOW i relej zatvara COM1–NO1. Tranzistor upravlja ulazom modula; ne upravlja golom zavojnicom. Ne dodaj zaštitnu diodu preko IN1. Provjeri ukupan USB kapacitet, uključujući struju zavojnice; ne spajaj drugo 5 V napajanje paralelno USB-u. Espressif — napajanje ploče

Priprema Arduino okruženja

Koristi Arduino IDE 2.x, esp32 by Espressif Systems 3.3.12, ploču ESP32 Dev Module i Serial Monitor na 115200 baud. Instaliraj sljedeće verzije kroz Library Manager:

Wire dolazi sa ESP32 paketom. Raspakuj Arduino ZIP, otvori cooling_controller.ino iz istoimenog foldera, izaberi port i pokreni Verify pa Upload.

Kompletan program

#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <DHT.h>
#include <math.h>

constexpr uint8_t RELAY_DRIVER_PIN = 25;
constexpr uint8_t DHT_PIN = 26;
constexpr uint8_t POT_PIN = 34;
constexpr uint8_t SDA_PIN = 21;
constexpr uint8_t SCL_PIN = 22;
constexpr uint8_t OLED_ADDRESS = 0x3C;
constexpr uint32_t SAMPLE_MS = 2500;
constexpr uint32_t POT_SAMPLE_MS = 100;
constexpr uint32_t DISPLAY_MS = 250;
constexpr uint32_t MIN_SWITCH_MS = 5000;
Adafruit_SSD1306 display(128, 64, &Wire, -1, 100000UL, 100000UL);
DHT dht(DHT_PIN, DHT11);
bool ready = false;
bool sampleAttempted = false;
bool currentValid = false;
bool coolingDemand = false;
bool relayOn = false;
float currentTemperature = NAN;
float currentHumidity = NAN;
uint16_t rawValue = 0;
uint8_t targetC = 20;
uint32_t lastSampleAt = 0;
uint32_t lastPotAt = 0;
uint32_t lastDisplayAt = 0;
uint32_t lastRelayChangeAt = 0;

void scanI2CBus() {
  Serial.println("I2C scan: ACK identifies an address, not the display controller.");
  uint8_t found = 0;
  for (uint8_t address = 1; address < 127; ++address) {
    Wire.beginTransmission(address);
    if (Wire.endTransmission() == 0) {
      Serial.print("ACK at 0x"); Serial.println(address, HEX);
      ++found;
    }
  }
  if (found == 0) Serial.println("No I2C device acknowledged.");
}

bool initializeDisplay() {
  if (!Wire.begin(SDA_PIN, SCL_PIN)) {
    Serial.println("OLED ERROR: I2C initialization failed; reset to retry.");
    return false;
  }
  Wire.setClock(100000);
  Wire.setTimeOut(50);
  scanI2CBus();
  Wire.beginTransmission(OLED_ADDRESS);
  if (Wire.endTransmission() != 0) {
    Serial.println("OLED ERROR: configured address did not ACK; check wiring/address and reset.");
    return false;
  }
  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, OLED_ADDRESS, false, false)) {
    Serial.println("OLED ERROR: buffer initialization failed; reset to retry.");
    return false;
  }
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setTextWrap(false);
  return true;
}

uint8_t targetFromRaw(uint16_t raw) {
  return static_cast<uint8_t>(20UL + static_cast<uint32_t>(raw) * 10UL / 4095UL);
}

void evaluateDemand() {
  if (!currentValid) coolingDemand = false;
  else if (currentTemperature >= static_cast<float>(targetC) + 1.0f) coolingDemand = true;
  else if (currentTemperature <= static_cast<float>(targetC) - 1.0f) coolingDemand = false;
}

void setRelay(bool on, uint32_t now) {
  if (on == relayOn) return;
  relayOn = on;
  digitalWrite(RELAY_DRIVER_PIN, relayOn ? HIGH : LOW);
  lastRelayChangeAt = now;
}

void applyRelay(uint32_t now) {
  if (!ready || !currentValid) {
    coolingDemand = false;
    setRelay(false, now);  // A fault overrides the normal minimum interval.
    return;
  }
  if (coolingDemand != relayOn && static_cast<uint32_t>(now - lastRelayChangeAt) >= MIN_SWITCH_MS) {
    setRelay(coolingDemand, now);
  }
}

void sampleEnvironment() {
  sampleAttempted = true;
  const float humidity = dht.readHumidity();
  const float temperature = dht.readTemperature();
  if (!isfinite(humidity) || !isfinite(temperature)) {
    currentValid = false;
    currentTemperature = currentHumidity = NAN;
  } else {
    currentValid = true;
    currentTemperature = temperature;
    currentHumidity = humidity;
  }
}

void reportSample() {
  if (!currentValid) Serial.print("SENSOR ERROR: no current reading");
  else {
    Serial.print("T_C="); Serial.print(currentTemperature, 1);
    Serial.print(" RH_pct="); Serial.print(currentHumidity, 1);
  }
  Serial.print(" target_C="); Serial.print(targetC);
  Serial.print(" demand="); Serial.print(coolingDemand ? "ON" : "OFF");
  Serial.print(" relay="); Serial.print(relayOn ? "ON" : "OFF");
  Serial.println(currentValid && coolingDemand != relayOn ? " HOLD" : "");
}

void drawController() {
  display.clearDisplay();
  display.setCursor(0, 0); display.print("Cooling LED model");
  display.setCursor(0, 12);
  if (!sampleAttempted) display.print("Waiting for DHT11");
  else if (!currentValid) display.print("SENSOR ERROR");
  else {
    display.print("T: "); display.print(currentTemperature, 1); display.print(" C");
    display.setCursor(0, 22); display.print("RH: "); display.print(currentHumidity, 1); display.print(" %");
  }
  display.setCursor(0, 34); display.print("Target: "); display.print(targetC); display.print(" C");
  display.setCursor(0, 44); display.print("Relay: "); display.print(relayOn ? "ON" : "OFF");
  display.setCursor(0, 54);
  if (currentValid && coolingDemand != relayOn) display.print("HOLD: minimum 5 s");
  else if (!currentValid) display.print("Relay forced OFF");
  else display.print("Demand: ");
  if (currentValid && coolingDemand == relayOn) display.print(coolingDemand ? "ON" : "OFF");
  display.display();
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(RELAY_DRIVER_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(RELAY_DRIVER_PIN, LOW);
  analogReadResolution(12);
  analogSetPinAttenuation(POT_PIN, ADC_11db);
  rawValue = analogRead(POT_PIN);
  targetC = targetFromRaw(rawValue);
  dht.begin();
  ready = initializeDisplay();
  if (!ready) return;
  drawController();
  Serial.println("Cooling LED model: first DHT sample after 2.5 s; initial relay OFF for at least 5 s.");
  const uint32_t now = millis();
  lastSampleAt = lastPotAt = lastDisplayAt = lastRelayChangeAt = now;
}

void loop() {
  if (!ready) return;
  uint32_t now = millis();
  if (static_cast<uint32_t>(now - lastPotAt) >= POT_SAMPLE_MS) {
    lastPotAt = now;
    rawValue = analogRead(POT_PIN);
    targetC = targetFromRaw(rawValue);
  }
  bool newSample = false;
  if (static_cast<uint32_t>(now - lastSampleAt) >= SAMPLE_MS) {
    lastSampleAt = now;
    sampleEnvironment();
    newSample = true;
  }
  now = millis();
  evaluateDemand();
  applyRelay(now);
  if (newSample) reportSample();
  if (newSample || static_cast<uint32_t>(now - lastDisplayAt) >= DISPLAY_MS) {
    lastDisplayAt = now;
    drawController();
  }
}

initializeDisplay() koristi I2C na 100 kHz, skenira adrese i provjerava OLED_ADDRESS, podrazumijevano 0x3C. Vrijednost 0x3D postavi samo ako je potvrđena. Odgovor na adresi ne dokazuje tip kontrolera. Pri neuspješnoj pripremi ekrana redovni rad ne počinje i relej ostaje isključen.

Od potenciometra do zadate temperature

Program očitava GPIO34 na 100 ms, uz 12-bitni ADC i ADC_11db. targetFromRaw() računa 20 + raw * 10 / 4095: sirovo 0 daje 20 °C, 2048 daje 25 °C, a 4095 daje 30 °C. To je korisničko podešavanje, ne mjerenje napona niti temperature.

Promjena cilja odmah se razmatra uz posljednju važeću temperaturu, bez čekanja narednog DHT ciklusa. Cilj blizu granice koraka može oscilovati zbog šuma ADC-a; histereza i vremensko ograničenje zato imaju različite uloge.

Mjerenje, zahtjev i stvarni izlaz

sampleEnvironment() očitava DHT na 2500 ms, prvi put nakon tog intervala od pripreme prikaza. drawController() osvježava OLED približno na 250 ms. Brže osvježavanje ne stvara nov uzorak. Razlika vremena millis() omogućava raspoređivanje zadataka bez dugih delay() pauza.

evaluateDemand() računa coolingDemand iz važećeg T/RH para; applyRelay() upravlja stvarnim stanjem relayOn. U međuprostoru pragova zahtjev zadržava svoje stanje čak i kada stvarni relej još čeka. Oznaka HOLD znači da se važeći zahtjev razlikuje od izlaza, ali minimalni interval nije istekao. Početni OFF period takođe traje najmanje pet sekundi.

Šta se događa pri grešci

Ako temperatura ili vlažnost nije konačan broj, npr. NaN, currentValid postaje netačan, zahtjev se gasi, a relej se isključuje odmah po obradi tog pokušaja. Pet sekundi ne odlaže ovo isključivanje. Greška se otkriva tokom očitavanja, ne samim trenutkom nastanka fizičkog kvara. Adafruit — obrada očitavanja

Ako je relej stvarno prešao ON→OFF, od tog trenutka počinje novi minimalni OFF period. Ponavljane greške pri već ugašenom releju ne pokreću taj period iznova. Oporavak vraća mjerenja; ponovno uključivanje zahtijeva odgovarajući temperaturni prag i proteklo vrijeme. Nula se ne prikazuje kao zamjena za neuspjelo mjerenje.

Prvo pokretanje i praktični eksperiment

Posmatraj čekanje prvog uzorka, izmjerenu temperaturu i cilj. Polako okreni potenciometar ispod, zatim iznad sobne temperature, svaki put sačekaj više od pet sekundi. Prati kontaktno povezanu LED, a ne samo lampicu na relejnom modulu. Zapiši svoja opažanja; tabela sadrži očekivanja.

Grešku početnog očitavanja provjeri isključivanjem USB-a, odspajanjem DHT DATA, pa ponovnim uključivanjem. Vrati spoj uz ugašeno napajanje. Ovaj postupak resetuje tajmere; ne dokazuje vremenski oporavak tokom istog rada.

Najčešći problemi

Samostalni izazov i razrađeno rješenje

Postavi cilj 24 °C. Pretpostavi važeće uzorke i početni OFF od t = 0: u t = 2,5 s temperatura je 26 °C; u t = 5 s i dalje 26 °C; u t = 7,5 s je 22 °C; u t = 10 s ostaje 22 °C. Odredi zahtjev i relej.

Rješenje: 2,5 s — zahtjev ON, relej OFF/HOLD; 5 s — ON/ON; 7,5 s — OFF/ON/HOLD; 10 s — OFF/OFF. Ako se umjesto niske temperature u 7,5 s pojavi greška, relej se gasi tada. Za novi ON mora proći najmanje do 12,5 s, uz važeći uzorak i ON zahtjev. Ovo su zadati primjeri, ne izmjerene vrijednosti.

Preuzimanja

Sačuvaj dnevnik opažanja. Računarska provjera logike, stvarna kompilacija i fizički eksperiment predstavljaju odvojene rezultate.

Primarni izvori

• Adafruit — povezivanje DHT senzora
• Adafruit — SSD1306 biblioteka
• Espressif — ADC API
• SunFounder — referentni 5 V relejni modul