beelogger

beelogger-Solar – Bauteile & Bezug

Für einen energieeffizienten Arduino Datenlogger mit Akku- bzw. Solarbetrieb, ist die Auswahl der optimalen Bauteile und die richtige Beschaltung dieser entscheidend. 

Vielen Dank an Rudolf für die tolle Unterstützung, Tipps und Antworten auf viele Fragen, die während der Entwicklung zu klären waren.

ATmega 328P (Prozessor)

Der ATmega 328P besitzt 32KB Flash, 1KB EEPROM, 2KB SRAM und wird in verschiedenen Bauformen als Standard-Prozessor auf vielen Arduino-Boards (Arduino Uno, Nano, Mini Pro) verbaut. Im Betrieb mit 3,3V wird eine Taktfrequenz von 8MHz unterstützt, die für unsere Anwendungen vollkommen ausreichend sind. Nach dem Aufspielen des Bootloaders kann der ATmega 328P genau wie ein Arduino Mini Pro über einen FTDI-Adapter programmiert werden.

DS3231 (Real Time Clock – Echtzeituhr)

Der DS3231 ist eine sehr präzise Echtzeituhr mit Unterstützung von Sekunde, Minute, Stunde, Tag, Monat, Jahr und Wochentag – sogar Schaltjahre werden bis zum Jahr 2100 berücksichtigt. Mit bis zu zwei programmierbaren Zeiten kann der Alarmausgang aktiviert werden. Die Programmierung sowie das Auslesen von Datum und Uhrzeit erfolgt über I2C. Der Chip bietet zwei Möglichkeiten zur Energieversorgung. Versorgt über den Standardanschluss, welcher rund 100uA im Stand-By-Modus benötigt, kann die RTC programmiert werden. Um nur zur eingestellten Zeit den Interrupt zum Wecken des Prozessors auszulösen, reicht die Versorgung über den Batterieanschluss, welcher nur 0,9uA benötigt. Aber auch für weitere Einsatzzwecke, beispielsweise für das Loggen auf SD-Karte mit genauem Datum und exakter Uhrzeit, ist die RTC bestens geeignet. Die RTC verfügt zudem über einen eingebauten Temperatursensor. Sofern kein oder nur ein Temperatursensor aktiviert ist und keine andere Konfiguration vorgenommen wurde, liefert die RTC im kompletten Programmcode die Daten für TempOut, welche auch für die Temperaturkompensation der Stockwaage verwendet werden kann.

SPV1040 (Solar-Laderegler mit Step-Up-Konverter)

Der SPV1040 ist ein hochspezialisierter und sehr stromsparender Solar-Laderegler-IC, der bereits ab einer Eingangsspannung von 0,3V arbeitet. Hierbei kommt ein integrierter Step-Up-Konverter mit einem Wirkungsgrad von bis zu 95% zum Einsatz. Besonders effizient arbeitet der IC mit MPP-Tracking (Maximum Power Point Tracking). Über externe Widerstände wird die Ladepsannung eingestellt, wodurch der SPV1040 sehr flexibel genutzt werden kann. Für den beelogger wird mit einer Ladespannung von ca. 4.15V gearbeitet, da aufgrund von Temperaturschwankungen auch die Ladespannung leicht schwanken kann. Auf eine Begrenzung des Ladestroms haben wir in unserer Minimalbeschaltung verzeichtet. Zudem besitzt der Solar-Laderegler eine Abschaltautomatik, die verschaltet mit der Eingangsspannung vom Solarmodul, in der Nacht mit rund 0,7uA auskommt. Natürlich besitzt der SPV1040 auch einen Überspannungs-, Übertemperatur- und Verpolungsschutz.

TPS62260 (Step-Down-Konverter)

Der TPS62260 ist ein sehr effizienter Step-Down-Konverter. Er regelt Spannungen von 2-6V mit bis zu 600mA laut Datenblatt. Er wird im beelogger-Solar dazu verwendet, eine stabile Spannung von 3,3V für die Sensoren und Module bereit zu stellen. Zudem kann der Chip über einen Pin abgeschaltet werden, womit Sensoren und Module während der Schlafphase vom Strom getrennt werden. Ausgestattet mit einem automatischen Power-Save-Modus, arbeitet der TPS62260 bei geringer Belastung besonders stromsparend. Schließlich bestitzt der Chip einen Überspannungs- und Übertemperaturschutz.

MCP1702T-3302E/CB

Der MCP1702T-3302E/CB wurde speziell für batteriebetriebene Systeme entwickelt und ist ein Low Drop Festspannungsregler mit einem Ruhestrom von nur 2uA. Im beelogger-Solar versorgt er den ATmega mit 3,3V. Er benötigt nur zwei Kondensatoren für den stabilen Betrieb und ist mit einem Überspannungs- und Übertemperaturschutz ausgestattet.

Li-Ion Akku

Die Bezeichnung Li-Ion Akku ist eigentlich ein Sammelbegriff von Akkus auf Lithium-Basis in unterschiedlichen Zusammensetzungen. Allen gemein ist eine hohe Energiedichte. Je nach Zusammensetzung sind diese für eine hohe Kapazität (ICR), eine hohe Lastfähigkeit (IMR) oder im Bereich dazwischen (INR) ausgelegt. Da für den beelogger-Solar keine hohen Ströme benötigt werden, sollte eher ein Akku mit einer hohen Kapazität gewählt werden. Zu berücksichtigen ist jedoch auch der Stromverbrauch optionaler Module, wie beispielsweise einem GSM-Shield, welches kurzzeitig bis zu 2A benötigen kann. Je nach Zusammensetzung der Akkuchemie variiert auch die Nennspannung zwischen 3,3V und 3,8V. Li-Ion Akkus gibt es in vielen Größen und Bauformen. Gut erhältlich, mit einer festen Hülle ausgestattet, verfügbar mit einer hohen Kapazität, einer Nennspannung von 3,6-3,7V und Ladeschlussspannung von 4,2V, sind Akkus der Größen 18650. Ein weiterer Vorteil dieser Bauform ist eine Schutzschaltung, die in vielen Akkus dieses Typs integriert ist. Die Schutzschaltung bietet in der Regel Schutz vor Tiefenentladung, Überladung und Überstrom, beispielsweise bei einem Kurzschluss. Da beim beelogger-Solar auf zusätzliche Schutzschaltungen verzichtet wird, ist ein Akku mit entsprechender Schutzschaltung zwingend zu verwenden. Wir empfehlen die Zellen über einen vertrauenswürdigen Händler oder Portale mit Bewertungsfunktion zu beziehen. Leider gibt es viele schlechte Zellen auf dem Markt, die nicht das halten, was der Aufdruck der Kapazität verspricht. Technisch möglich ist aktuell eine Kapazität von ca. 3400mAh bei diesen Zellen.

Solarzelle

Bei gängigen Solarzellen unterscheidet man zwischen monokristallinen und polykristallinen Zellen. Die Art der Kristallstruktur hängt mit dem Herstellungsverfahren zusammen. Generell kann man sagen, dass monokristalline Zellen einen höheren Wirkungsgrad besitzen (bis zu 20%), polykristalline Zellen mit einem geringeren Wirkungsgrad (bis zu 16%) dafür ein wenig günstiger sind. Eine Einzelzelle liefert ca. 0,5V.  Um eine höhere Spannung zu erzeugen werden intern mehrere Einzelzellen zusammen geschaltet. Da wir über den SPV1040 mit einer Ladespannung von 4,15V arbeiten, darf diese nicht von der Solarzelle überschritten werden. Durch die spezielle energieeffiziente Technik und dem intelligenten Programmcode des beelogger-Solar ist nur eine verhältnismäßig kleine und damit günstige Solarzelle notwendig. Es sollten Solarzellen mit einer  Nennspannung von 2 bis 3V verwendet werden. Die notwendige Leistung ist abhängig vom geografischen Standort sowie den örtlichen Begebenheiten. Entscheident ist die Intensität und Dauer der Sonneneinstrahlung vor allem in der dunkleren Jahreszeit. Der SPV1040 ist für einen maximalen Strom vom 1.8A ausgelegt. Wir empfehlen jedoch einen effektiven Ladestrom von 1A nicht zu überschreiten. Der Akku muss für den über die Solarzelle und den SPV1040 maximal zur Verfügung gestellten Ladestrom ausgelegt sein, da dieser in der Minimalbeschaltung des beelogger-Solar nicht begrenzt wird.

Bezug

Damit die benötigten Bauteile für den beelogger-Solar über jeden Anbieter bezogen werden können, sind die notwendigen Eigenschaften für jedes Bauteil explizit angegeben. Für einen einwandfreien Betrieb sind diese Werte zwingend einzuhalten.

Viele Bauteile lassen sich günstig über eBay beziehen. Spezielle Bauteile, wie beispielsweise der SPV1040, können in der Regel nur über gut sortierte Shops bezogen werden. Aber auch bei Abnahe von kleineren Mengen an Widerständen oder Kondensatoren, oder wenn diese garantierte Eigenschaften aufweisen müssen, empfielt sich eher der gut sortierte Fachhandel. Um die Bauteilebeschaffung möglichst einfach zu gestalten, wurde zu jedem notwendigen Bauteil der Hauptplatine eine Bestellnummer angegeben. Als Lieferant haben wir uns dabei für ‘Mouser’ entschieden. Mouser bietet eine große Auswahl und hat alle notwendigen Bauteile im Sortiment. Grade bei den teureren Bauteilen, wie dem SPV1040, ist dieser Anbieter günstiger als beispielsweise Conrad. Widerstände und Kondensatoren sind dafür im Einzelbezug recht teurer, bei Mehrabnahme erhält man aber auf viele Bauteile einen Rabatt. So kann es sogar vereinzelt günstiger sein, mehr Bauteile als benötigt zu bestellen, um die Rabattierung zu erhalten und somit einen günstigeren Gesamtpreis. Die Versandkosten bei Mouser sind mit 20€ sehr hoch, jedoch wird ab einem Bestellwert von 50€, in der Regel versandkostenfrei geliefert.

Platinen

Ein Platinenhersteller, der zu einem sehr guten Preis und in guter Qualität fertigt ist Smart Prototyping. Eine Ausführliche Beschreibung zum Bestellvorgang ist unter Platinenbestellung zu finden.

Bezugsquelle Preis ab Suchbegriffe* Bemerkungen
Smart Prototyping  ca 20€
 (10 Stück)
 (Versand nach Deutschland)
   Platinenbestellung 
Bauteile der Hauptplatine

Für einen einwandfreien Betrieb sind die angegebenen Werte für jedes Bauteil zwingend einzuhalten.

Zu jedem Bauteil ist eine Teilenummer (Bestellnummer) von Mouser angegeben. Diese kann optional für eine einfache Bestellung der Bauteile verwendet werden. Aus dem Portfolio von Mouser wurde hierbei das jeweils günstigste Bauteil mit den ensprechenden Eigenschaften ausgewählt (ohne Gewähr). Sofern verfügbar, war ein weiteres Kriterium zur Auswahl eine Rabattierung bereits ab 10 Stück. Natürlich können im Einzelfall andere Bauteile mit den gleichen Spezifikationen günstiger sein.

Einige der Bauteile können günstiger über eBay bezogen werden. Dies kann beispielsweise daran liegen, dass es mit den gleichen Eigenschaften von einem anderen Hersteller angeboten wird, dass direkt aus Fernost versendet wird oder weil es sich bei dem Bauteil um ein Remake handelt. Ein gutes Beispiel ist die RTC DS3231. Diese ist über eBay zu einem Preis von rund 1€ pro Stück zu beziehen. Hierbei handelt es sich vermutlich um ein Remake, welches möglicherweise nicht ganz so akkurat arbeitet, wie das Original. Allerdings ist das Original in keinem bekannten Online-Shop unter 8 Euro zu finden. In unseren Prototypen funktionieren die vermeintlichen Remakes bisher einwandfrei. 

Bauteil Spezifikation Mouser-Teilenummer Anzahl pro Platine Bemerkungen
ATMEGA328P-AU ATmega 328P AU, 8-Bit Mikrocontroller – MCU 32KB In-system Flash 20MHz 1.8V-5.5V, TQFP-32 556-ATMEGA328P-AU 1 günstiger über eBay
RTC DS3231SN DS3231SN SOIC-16, Serial, I2C 700-DS3231SN# 1 wesentlich günstiger über eBay (ab 1€)
SPV1040 SPV1040T TSSOP-8 511-SPV1040T 1  
TPS62260 TPS62260 TSOT23-T-5 595-TPS62260DDCT 1  
MCP1702T MCP1702T-3302E/CB SOT-23A-3 579-MCP1702T3302E/CB 1 auf genaue Bezeichnung achten
MBR0520LT MBR0520LT SOD 123. 863-MBR0520LT3G 2 günstiger über eBay
alternatives Bauteil über Mouser: 821-LL914B (rund)
Quarz 8MHz Quarz, 8MHz, HC-49/S, -20 +70C, 18pF, SMD 717-9C-8.000MAAJ-T 1 günstiger über eBay
Spule 10uH Spule, Power Inductor, 10uH, 4.45×4.06 mm, SMD 4020, max. 20%, min. 1,8A, max. 250mOhm 652-SRP4020TA-100M 1  
Spule 2,2uH Spule, Power Inductor, 2,2uH, 4.45×4.06 mm, SMD 4020, max. 20%, min. 1A, max. 100mOhm 652-SRP4020TA-2R2M 1  
Taster Taster, SMD, 6x3mm, 6×3.5mm, OFF – (ON), min. 10V, max. 50mA   2 günstiger über eBay
Keramikkondensator 0,1uF Keramikkondensator, 0,1uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10% 80-C0805C104K5R 6  
Keramikkondensator 1nF Keramikkondensator, 1nF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10% 81-GRM40X102K50D 1  
Keramikkondensator 22pF Keramikkondensator, 22pF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10% 77-VJ0805A220GXAPBC 1  
Keramikkondensator 18pF Keramikkondensator, 18pF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10% 80-C0805C180K5G 2  
Keramikkondensator 10uF Keramikkondensator, 10uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10% 81-GRM21BR61C106KE5K 11  
Keramikkondensator 1uF  Keramikkondensator, 1uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10% 81-GRM21R61C105KA01L 2  
Widerstand 0,51 Widerstand, 0,51, SMD 0805, max. 5%, min. 100mW 667-ERJ-6RQFR51V 1 Im Standardbetrieb ist auch ein Widerstand mit 0 Ohm (Brücke) ausreichend.
alternatives Bauteil über Mouser:603-RC0805JR-070RL (0 Ohm)
Widerstand 4,7k Widerstand, 4,7k, SMD 0805, max. 5%, min. 100mW 667-ERJ-6GEYJ472V  3-5
(je nach verw. Sensor)
 
Widerstand 10k Widerstand, 10k, SMD 0805, max. 5%, min. 100mW 603-RC0805FR-0710KL 1  
Widerstand 1M Widerstand, 1M, SMD 0805, max. 5%, min. 100mW 667-ERJ-6GEYJ105V 2  
Widerstand 470k Widerstand, 470k, SMD 0805, max. 5%, min. 100mW 603-RC0805FR-07470KL 2  
Widerstand 430k Widerstand, 430k, SMD 0805, max. 0,1%, max. 25ppm, min. 100mW 279-CPF0805B430KE1 1  
Widerstand 806k Widerstand, 806k, SMD 0805, max. 0,1%, max. 25ppm, min. 100mW 279-CPF0805B806KE1  
Widerstand 180k Widerstand, 180k, SMD 0805, max. 0,1%, max. 25ppm, min. 100mW 279-CPF0805B180KE1  
Widerstand 1M Widerstand, 1M, SMD 0805, max. 0,1%, max. 25ppm, min. 100mW 279-CPF0805B1M0E1 Bei Bestückung nicht verwechseln mit weniger wertigen 1M Widerständen!
Widerstand 10 Widerstand, 10, Axial, max. 5%, min. 100mW 603-MFR-25FBF52-10R 1 Optional für Modifikation HX711

Bevor eine Bestellung aufgegeben wird, sollte geprüft werden, ob nicht noch weitere Bauteile, beispielsweise für ein GSM-Shield, benötigt werden.

Optionale Bauteile und externe Komponenten

Li-Ion-Zellen sollten nur über vertrauenswürdige Händler erworben werden.

Bezugsquelle Preis ab Suchbegriffe* Bemerkungen
z.B.  Akkuteile.de  ab 3,95€ 
 (Versand nach Deutschland 3,90€)
Li-Ion Akku 18650 Schutzschaltung zwingend erforderlich
eBay  1,30€
 (5 Stück)
18650 Holder Box Case Akkuhalter
eBay  abhängig von Leistung Solar Panel Zelle Modul 2V 2-3V Nennspannung, max. 1A effektiver Ladestrom (empfohlen)
eBay  1,10€
 (10 Stück)
CR1220 battery holder socket Optionaler Batteriehalter für DS3231
eBay  1,10€
 (5 Stück)
CR1220 Optionale Batterie für DS3231
eBay  2,80€
 (20 Stück)
screw terminal connector block 3.5  Optionale 2-Pin Schraubklemme 3.5mm Rastermaß mit Verbinder zu weiteren 2-Pin oder 3-Pin Schraubklemmen
eBay  2,55€
(20 Stück)
screw terminal connector block 3.5  Optionale 3-Pin Schraubklemme 3.5mm Rastermaß mit Verbinder zu weiteren 3-Pin oder 2-Pin Schraubklemmen
 eBay  1,30€
 (10 Stück a 40 Pin)
Pin Header Female 2,54 Optionale Buchsenleiste
 eBay  1,05€
 (10 Stück a 40 Pin)
Pin Header Male 2,54 Optionale Pinleiste
eBay 1,10€
(100 Stück)
Jumper Short Circuit Cap 2.54 Optionale Jumper als Alternative zu Lötbrücken
*Einkaufstipps

Release Notes

Informationen zur Entwicklungsgeschickte der verschiedenen Versionen des beelogger-Solar sind unter News zu finden.

Version Release Notes
1
  • Prototyp 1
2
  • Prototyp 2
  • Integration von Glättungskondensatoren für die Spannungsmessungen
  • MOSFET zur optionalenTrennung von Sensoren und nRF24L01 von der Hauptstromversorgung während der Schlafphase
  • Jumper zur Auswahl der Stromversorgung für jeden Sensor sowie für den nRF24L01
  • Datenpins für Sensoren werden über ein Patchfeld verbunden, um die Platine selbst auch als Shield verwenden zu können
  • Stromversorgung der DS3231 über Pin des ATmega zur Energieeinsparung während der Schlafphase
  • Stützkondensator für den nRF24L01 integriert
  • Zusätzlicher Anschluss für die Abschirmung (GND) der Wägezelle
  • Optimierung der Leitungsführung und Masseflächen
  • Optimierung der Beschriftung für einen einfachen Nachbau
3
  • Release-Version
  • Komplette Überarbeitung des Layouts
  • Der ATmega wird separat über einen MCP1702T Festspannungsregler mit 2uA Ruhestrom versorgt
  • Abschaltung der Stromversorgung von Sensoren und Modulen direkt über den TPS62260 – hierdurch entfällt der MOSFET
  • Jumper zur Auswahl der Stromversorgung für jeden Sensor entfallen, um das System möglichst effizient zu gestalten
  • Vorbereitung für Modifikation zum stabilen Betrieb des HX711-Boards mit 3,3V
  • Als Alternative zur Batterie für die RTC kann der Lipo-Akku des beelogger-Solar mitverwendet werden. 

Die Platine mit den zugehörigen Fertigungsdateien sowie die entsprechenden Anleitungen stehen unter dem Copyright von Thorsten Gurzan und dürfen nur für den eigenen oder privaten Gebrauch genutzt und nicht weiter veröffentlicht werden.

Gerber-Files downloaden:

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Rechtliche Hinweise

Bei dieser Platine und den zugehörigen Anleitungen und Informationen handelt es sich um ein Hobby-Projekt. Obwohl die Platine und Anleitungen mit größter Sorgfalt entwickelt und mit den uns zur Verfügung stehenden Mitteln geprüft wurden, erfolgt der Nachbau und die Verwendung auf eigene Gefahr und ohne Garantie oder Gewährleistung. Für Schäden aller Art wird keine Haftung übernommen. Da diese Webseite von vielen Besuchern auf der ganzen Welt genutzt wird, muss von jedem Nachbauer oder Verwender selbst sichergestellt werden, dass alle jeweils geltenden rechtlichen Bestimmungen eingehalten werden. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass der Nachbau nur durch Fachpersonen vorgenommen werden darf oder vor der Inbetriebnahme und Verwendung weitere Prüfungen notwendig sind. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, sind in vielen Ländern die VDE-Vorschriften als harmonisierte Normen einzuhalten. Bei Download der Dateien, Nachbau oder Inbetriebnahme des Projektes oder Teile des Projektes wird diesen Bedingungen zugestimmt.