Programowanie mikrokontrolerów

1. Wstęp 

Projektowane urządzenie będzie zaprojektowane 100% od podstaw. Przedstawiony zostanie tu sposób wykonania wraz z projektem płytek i schematami ideowymi oraz zasada działania projektowanego urządzenia.

2. Opis urządzenia

Projektowane urządzenie w pierwszej prostszej fazie projektu ma zapewnić sygnalizacje akustyczną oraz wizualną wysuszenia gleby w doniczce rośliny domowej. Ma realizować funkcje sygnalizacji konieczności podlania wysuszonej rośliny. Układ ma posiadać regulacje jednego progu zadziałania dla różnych wartości wilgotności gleby.

3. Możliwości rozwoju

W kolejnej fazie projekt ma zostać wyposażony w centralny system nadzorujący grupami czujników które docelowo mają wskazywać wartość wilgotności gleby w sposób analogowy ( interpretując wilgotność w pewną wartość liczbową np. %). Ostatnim krokiem rozbudowy miał by być program PC komunikujący się z jednostką centralną w celu pobierania danych i sporządzania synoptyki na komputerze PC. Aplikacja będzie mogła być jednym z elementów składowych inteligentnego domu.

4. Schemat ideowy prototypu (faza 1) (podejście pierwsze V0.1)

Na początek przeprowadzę testy przedstawionego poniżej układu.

Do zbudowania urządzenia wykorzystałem wzmacniacz operacyjny LM324N jest to układ scalony w którym znajdują się cztery wzmacniacze operacyjne dzięki czemu jeden scalak może obsłużyć nam 4 czujniki wilgoci. 

5. Zasada działania prototypu (Idea układu) Przedstawiony układ jest prostym układem komparatora napięć. Układ wzmacniacza operacyjnego działa jako komparator dwóch napięć doprowadzonych do jego wejść z dwóch dzielników napięć. Jeden z dzielników stworzony z rezystorów R2 i R3 tworzy napięcie odniesienia natomiast drugi z nich jest układem czujnika. Układ czujnika zbudowany w oparciu o dzielnik napięć ma dostarczać do układu pomiarowego napięcie zależne od wilgotności gleby. Dzielnik rezystorów R6 i R5 powinien być zbudowany z jednego rezystora i sondy która zostanie umieszczona w doniczce. Istotną rzeczą dla rezystancji sondy będzie miał jej kształt i część robocza znajdująca się w glebie zostanie on ustalony na drodze testów laboratoryjnych.

6. Projekt płytki prototypowej

Poniżej przedstawiony został projekt płytki prototypowej

Poniżej przedstawiona została wytrawiona i polutowana płytka prototypowa

Widok  od strony elementów polutowanej płytki prototypowej 

7. Budowa i zasada działania wymyślonego czujnika wilgoci

W projekcie zastosowany zostanie wymyślony przezemnie czujnik wilgoci. Jest to bardzo prosty i tani sposób na wykrywanie wilgoci dlatego nie jest to jakiś superdokładny czujnik ale na wymogi projektu w zupełności wystarczy. Czujnik zbudowany jest z dwóch drutów miedzianych dlugości około 3 cm połączonych sznurkiem szpadgatowym w specyficzny sposób. Widok czujnika przedstawia zdjęcie poniżej.

Aby wykonać własnoręcznie taki czujnik będziemy potrzebować dwóch miedzianych drutów ( ja zostosowałęm dwa druty długości 3 cm o przekroju 2,5mm kwadrat), sznurka, termokurczki (opcjonalnie). Aby wykonać czujnik układamy dwa druty równolegle do siebie i owijamy je sznurkiem tak ciasno jak potrafimy. Sznurek owijamy jak na pierwszym rysunku zataczając osemki dzięki czemu uzyskamy dwa połączone ze sobą druty oddzielone krzyżującym się między nimi sznurkiem. po nawinięciu sznurka na kilkucentmetrowy fragment druta zawiązujemy supełek zakańczając owijkę i zabezpieczamy go termokurczką aby się nie rozwiązywał jak na ostatnim rysunku poniżej. Wystające końce drutu przylutowujemy do płytki drukowanej aby nadać sztywności konstrukcji jak na rysunku drugim.

Tak wykonany czujnik jest czujnikiem rezystancyjnym. Gdy jest suchy jego rezystancja wynosi ponad 100M ohm. w zależnosci od użytego sznurka odległości między miedzianymi drutami i ogólnej konstrukcji czujnika (gabarytów). Po namoczeniu sznurka jego rezystancja spada nawet poniżej 1 k Ohma.

8. Schemat ideowy usprawnienie układu przez dodanie regulacji progu zadziałania sygnalizacji - prototyp (faza 1) (usprawnienie V0.2)

Do układu wyjściowego doany został potencjometr regulujący próg zadziałania sygnalizacji wilgotności ziemi. Potencjometr został wpięty w obwód czujnika co umożliwia zmianę rezystancji dzielnika napieciowego tak aby napięcie podawane na komparator odpowiadało wymaganemu przez nas progowi zadziałania układu sygnalizacji. 

Poprawiony schemat ideowy urządzenia dla prototypu w wersji V0.2 przedstawiono poniżej

Wartości elementów na układu prototypowego przedstawionego powyżej przedstawiono w poniżej:
IC2A, IC2B - Wzmacniacz operacyjny LM358N ( koszt około 1,5zł)
R11,R12 - potencjometr 100k Ohm (około 1zł sztuka) 
LED1,LED2 - diody led zielone (około 0,30zł sztuka) 
R1,R10 - 370 Ohm (około 0,10zł sztuka) 
R2,R3,R4,R8 - 4,7 MOhm (około 0,10zł sztuka)
R5,R9 - 1 kOhm (około 0,10zł sztuka)
SG1,SG2 - buzer piezoelektryczny z generatorem na 5V 
R6,R7 - zbudowany przez siebie czujnik

Poniżej przedstawiony został najprostrzy z możliwych zasilacz, któym zasilany jest układ. A dokładnie przedstawiony został układ stablizatora napięcia, gdyż układ zasilany jest 12V DC z lewej strony po przejściu przez układ stabilizatora liniowego LM7805 otrzymujemy napiecie 5V na wyjściu "zasilacza". Układ LM358N mógłby być zasilany wprost napieciem 12V jednak napięcie to jest obniżane do 5 aby uzyskać kompatybilność z poziomem napieć mikroprocesora mikrokontrolera w celu dalszej rozbudowy układu.

9. Rozbudowa układu. Układ mikroprocesorowy z 8 kanałami pomiarowymi wilgotnosci gleby oraz sygnalizacją akustyczną.

Kolejnym krokiem rozwoju układu jest wykorzystanie mikrokontrolera do pomiaru wilgotności przez wbudowany w mikrokontroler układ przetwornika ADC. Dzięki zastosowaniu mikrokontrolera zyskujemy możliwość:

• pomiaru wilgotności gleby w 8 niezależnych punktach ( przetwornik ADC mikrokontrolera posiada 8 kanałów wejściowych),
• Odczytu warości liczbowej poziomu wilgotności gleby dla każdego z kanałów
• uproszczenie układu pomiarowego do czujnika ( ukłąd ze wzmacniaczami operacyjnymi wykorzystany zostanie jako sygnalizacja akustyczna.

Zaprojektowane urządzenie dokonuje pomiaru wilgotnosci gleby na każdym z podpietych czujników sekwencyjnie jeden po drugim i wynik pomiaru wyświetla na wyświetlaczu LCD. W przypadku przekroczenia zdefiniowanej w prorgamie wartości wilgotności gleby wystawia sygnał aktywujący sygnalizacje akustyczną o zbyt niskiej wilgotności na którymś z czujników. Identyfikacja który z czujników wywołał aktywację alarmu przebiega na podstawie odczytu wartosci wilgotności wyświetlanych na wyświetlaczu  LCD przez mikrokontroler.

Poniżej przedstawiony został schemat ideowy urządzenia z wykorzystaniem mikrokontrolera Atmega328.

Schemat nie skońćzony do poprawy jeszcze ;P

Całe urządzenie ma budowę modułową. Tzn składa się z poszczególnych odrebnych płytek spełniajacych odrębne funkcje, możemy wyróżnić między innymi takie płytki jak: płytka zasilacza prezentowana już wcześniej zasilana przez zasilacz 12V przedstawiony poniżej. Płytka zasilacza to w zasadzie układ stabilizatora liniowego napięcia 5V a nie zasilacz. Zasilacz zasilający stabilizator przedstawiony został poniżej.

Do zasilenia tak dużej ilości płytek składowych wystąpiła potrzeba rozbudowania ilości wyjść napięciowych do zrealizowania tego zbudowany został pworizoryczny "trójnik". Laimiant podzielony na dwie części plus i minus.

płytka jednostki centralnej wyposażona w mikrokontroler do której podłączone są wszystkie poszczególne płytki urzadzenia płytka sygnalizacji akustycznej wykorzystywana do sygnalizacji przekroczenia ustalonego progu wilgotności gleby ( w fazie testowej zastąpiona przez buzzer podpiety bezposrednio pod port mikrokontrolera) płytka wyświetlacza LCD na którym wyświetlane są wyniki pomiarów wilgotności gleby z poszczególnych czujników płytka czujników pomiarowych do pomiaru wilgotności gleby na zdjęciu widać odejścia do czujników oraz płytkę z potencjometrami regulacyjnymi.

 Wszystkie moduły zamontowane zostały w obudowie prototypowej (pudełko po lodach) i połączone ze sobą przewodami. Poszczególne komponenty przykręcone zostały do wieczka od spodu aby nie miąły możliwości po zamknięiu spowodować zwarcia.

i widok z góry

Do komunikacji ze światem zewnętrznym a dokładniej z komputerem PC przez protokół rs232 wykorzystany został modem zamieniający poziomy napięć mikrokontrolera +5V i  0V na protokół RS485 który umożliwia przesyłanie danych na duże odległości. Modem przedstawiony został poniżej. Składa się on w zasadzie z jednego układu scalonego. Najbardziej popularną koscią realizującą to zadanie jest MAX485 jednak jest stosunkowo drogi na fotografi poniżej jego zamiennik realizujący tą samą funkcję. Jest to modem pośredniczący między mikrokontrolerem a magistralą danych.

Po stronie komputera potrzebny jest drugi identczny modem przetwarzający protokół RS485 na rs232 komputera +12V -12V. Poniżej widzimy taki modem wraz z wtyczką żeńską RS232.

Widok samego modemu bez wtyczki

I wtyczka modemu od strony PC.

Do komunikacji jako komputer PC sluży mi laptop w którym niestety nie dysponuje portem RS232 tak więc zmuszony jestem do wykorzystania przejściówki (konwertera) USB <-> RS232 który został przedstawiony poniżej

CDN !!!!

Poniżej został przedstawiony program zawarty w tym urządzeniu.

global_content name='podlej_mnie_v1'

CDN