beelogger

beelogger-Solar – Beschaltung & Aufbau

beelogger Solar Platine V3

Der beelogger-Solar ist ein hochspezialisiertes und äußerst energieeffizientes System zum Loggen der wichtigsten Parameter wie Gewicht, Temperatur, Luftfeuchte oder auch Lichtintensität. Um dieses vollausgestattete System kompakt wie effizient zu gestalten, war es notwenig, eine eigene Platine zu entwickeln. Das Ergebnis entschädigt hierbei für die Mühen des Aufbaus in jeder Hinsicht.

Für einen groben Überblick über den Aufbau des beelogger-solar haben wir diesen Schaltplan erstellt.

 

 

Löten von SMD-Bauteilen

beelogger-Solar V 4.1Der beelogger-Solar wurde in SMD-Bauweise entwickelt. Aber keine Sorge, das Löten von SMD-Bauteilen ist keine Hexerei. Alle für den beelogger-Solar ausgewählten Bauteile können problemlos mit einem normalen Lötkolben gelötet werden. Bitte für das Löten von Elektronik-Bauteilen nur nach Herstellerdatenblatt vorgesehenes Lötzinn mit Flusittel, bzw. separate Flussmittel verwenden. Als kleinen Einstieg in das Löten von SMD-Bauteilen finden sich eine Menge Videos auf Youtube. Zwei Videos sollen hier empfohlen werden:

Löten von SMD-Widerständen https://www.youtube.com/watch?v=tvVbB6LRx-U

Löten von SMD-ICs https://www.youtube.com/watch?v=5uiroWBkdFY

 

Feste Pinbelegung

Auf der Platine des beelogger-Solar sind einige Verbindungen zu Pins vom ATmega fest angelegt. Diese können somit nicht mehr frei verwendet werden, was grade beim Einsatz eigener Shields berücksichtigt werden muss. Zur Versorgung eigener Shields oder Module mit geregelten 3,3V  können VCC und GND verwendet werden. Zu beachten ist hierbei ein maximaler Strom über den SpannungsreglerTPS62260 laut Datenblatt von 600mA für alle Sensoren und Module.

Eine vollständige Liste ist unter ‘Pinbelegung‘ zu finden.

ATmega Funktion
D2 Interrupt vom DS3231SN
D4 Steuerung der Stromversorgung für Sensoren und DS3231 (zur Programmierung) über TPS62260
A6 Messung der Batteriespannung
A7 Messung der Solarspannung

Individuelle Pinbelegung

Bei der Entwicklung der Platine des solar- bzw. akkubetriebenen Arduinos wurde großen Wert auf hohe Flexibilität für eigene Ideen und Umsetzungen gelegt. Darum sind die Datenpins für den Taster und die Sensoren DS18B20, DHT und HX711 über ein ‘Mini-Patchfeld’ mit dem jeweiligen Standard-Datenpin des ATmega für den Standard-Programmcode zu verbinden.

ATmega Funktion
D2 Taster
D3 DS18B20
D5 DHT 1
D6 DHT 2
A0 & A1 HX711

Die Bezeichnung des Standard-Datenpins ist jeweils neben dem zugehörigen Lötpad  auf der Platine aufgedruckt.Mit einer einfachen Brücke ist die Hardware-Konfiguration kompatibel zum Standard-Programmcode.

 beelogger Solar DHT    beelogger Solar DHT Patch

Durch dieses Platinendesign erhält man beispielsweise die Möglichkeit, die Platine selbst als Shield für den beelogger-Solar verwenden zu können. Der Datenpin der Schraubklemme kann in diesem Fall über das Patchfeld mit einem nicht verwendeten Pin der äußeren Pinleiste mit dem ATmega verbunden werden.

 

Aufbau

DS3231 (Real Time Clock – Echtzeituhr) Die RTC dient dazu, in einem individuell eingestellten Intervall den ATmega aus dem Sleep-Mode zu ‘wecken’, um Messungen vorzunehmen und diese Daten zu versenden. Verwendet wird die RTC auch als Echtzeituhr in Verbindung mit einem Modul für SD-Karten zum Loggen der Daten für den Abruf via Bluetooth oder Abspeichern in einem EE-Prom zum Versand via WLan oder Mobilfunk in mehrstündigen Abständen.
DS3231 DS3231SN SOIC-16, Serial, I2C
R-C1 Keramikkondensator, 0,1uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%
CR1220/CR2032 Batteriehalter für CR1220/CR2032 bei Bedarf
alternativ Brücke auf Platinenrückseite

beelogger Solar DS3231

Hinweis für eine eventuelle Kontrolle von Lötbrücken: Pin 5 – Pin 13 sind mit GND verbunden.

Eine Batterie versorgt die RTC DS3231 während der Schlafphase des Systems mit Strom, bis der ATmega durch einen Alarm der RTC im eingestellten Intervall über einen Interrupt ‘geweckt’ wird. Der Halter für die Batterie CR1220 wird je nach Platinenversion auf Unter- oder Oberseite (V4.1) der Platine gelötet. Alternativ kann in Platine V4.1 der Batteriehalter für eine CR2032 eingelötet werden.

beelogger Solar CR1220 Halter

Alternativ dazu kann der Batterieanschluss des DS3231 auch direkt mit dem Akku des beelogger-Solar verbunden werden. Hierfür stehen zweit Lötflächen auf der Rückseite der Platine zur Verfügung, die einfach gebrückt werden müssen. Auf den Batteriehalter kann in diesem Fall auch verzichtet werden. Wichtig ist, dass bei Versorgung der RTC direkt über den LiIon-Akku des beelogger-Solar keine zusätzliche Batterie in den Batteriehalter des DS3231 eingelegt werden darf.

beelogger Solar RTC Lipo

 

ATmega 328P (Prozessor)  / Pro-Mini Als Mikrocontroller des beelogger-Solar wird ein ATmega 328P eingesetzt. Über den Bootloader wird dieser für den Betrieb mit einem externen 8MHz-Quarz für den Betrieb über 3,3V konfiguriert.

ATmega 328P ATmega 328P AU TQFP-32
HC-49S 8MHz Quarz, 8MHz, HC-49/S, -20 +70C, 18pF, SMD
A-C1,  A-C2
Keramikkondensator, 18pF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%
A-C3,  A-C4
Keramikkondensator, 0,1uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%
A-C5 Keramikkondensator, 10uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%
A-R1 Widerstand, 0,51, SMD 0805, max. 5%, min. 100mW

beelogger Solar ATmegaBeim Einlöten des ATmega bitte unbedingt auf die Position des Pin 1, Kennzeichnung: Kreis oben rechts, achten.

 

I2C Pullup Die Stromversorgung dieser I2C-Pullup-Widerstände kann zusammen mit den Sensoren und Modulen abgeschaltet werden, um im Sleep-Mode noch mehr Strom einzusparen.
I-R1,  I-R2
Widerstand, 4,7k, SMD 0805, max. 10%, min. 100mW

beelogger Solar I2C Pullup

 

Programmierschnittstelle & Reset-Taster Nach dem Aufspielen des Bootloaders kann der ATmega 328P genau wie ein Arduino Mini Pro über einen FTDI-Adapter programmiert werden. Um Beschädigungen zu vermeiden, ist der FTDI-Adapter auf eine Versorgungsspannung von 3,3V einzustellen.
Reset Taster, SMD, 6x3mm, 6×3.5mm, OFF – (ON), min. 10V, max. 50mA
F-D1,  F-D2
Diode MBR0520LT SOD 123 (BEIM EINBAU AUF RICHTIGE POLUNG ACHTEN)
F-C1 Keramikkondensator, 0,1uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%
F-R1 Widerstand, 10k, SMD 0805, max. 5%, min. 100mW

beelogger Solar FTDI

Gut erreichbar ist der Reset-Taster am Rand der Platine platziert.

beelogger Solar Reset

 

Messwiderstände Die Messwiderstände werden als Spannungsteiler eingesetzt, um sowohl die Batteriespannung, als auch die Spannung der Solarzelle zu messen. Die Kondensatoren werden dabei zur Glättung eingesetzt.
B-C1,   B-C1
Keramikkondensator, 0,1uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%
B-R1,   B-R3
Widerstand, 1M, SMD 0805, 0,1%
Alternativ: 1M, SMD 0805, max. 1%, min. 100mW
B-R2,   B-R4

Widerstand, 430K, SMD 0805, 0,1%
Alternativ: 470k, SMD 0805, max. 1%, min. 100mW 

 

SPV1040 (Solar-Laderegler mit Step-Up-Konverter) Dieser Solar-Laderegler arbeitet bereits ab einer Eingangsspannung von 0,3V. 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).
SPV1040 SPV1040 TSSOP8
S-L1 Spule, Power Inductor, 10uH, 4.45×4.06 mm, SMD 4020, max. 20%, min. 1,8A, max. 250mOhm
S-C1 Keramikkondensator, 1nF, SMD 0805, NPO, min. 10V, max. 10%
S-C2,  S-C3
Keramikkondensator, 10uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%
S-R1 Widerstand, 430k, SMD 0805, max. 0,1%, max. 25ppm, min. 100mW
S-R2 Widerstand, 1M, SMD 0805, max. 0,1%, max. 25ppm, min. 100mW

beelogger Solar SPV1040
Achtung: Hier unbedingt den Widerstand 1MOhm mit 0,1% Toleranz einbauen.


Hinweis: Für eine eventuelle Kontrolle von Lötbrücken: Pin 1 ist mit PIN 8 verbunden, die Spule SL-1 ist niederohmig, so dass eine Verbinung zwischen Pin 1 und Pin 3 gemessen wird; Pin 4, Pin 6 und Pin 7 sind verbunden.

 

MCP1702T (Festspannungsregler) Der hier verwendete MCP1702T-3302 ist ein Low Dropout 3,3V Festspannungsregler mit einem Ruhestrom von nur 2uA. Er versorgt ausschließlich den ATmega mit Strom.
MCP1702T MCP1702T-3302E/CB SOT-23A-3
M-C1 Keramikkondensator, 1uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%
M-C2 Keramikkondensator, 10uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%

beelogger Solar MCP1702

 

LP2985-N, linearer Spannungsregler Der LP2985-N ist ein Low-Drop Spannungsregler der die Sensoren und Module mit bis zu 300mA laut Datenblatt versorgt. Während der ‘Schlafphase‘ des Systems wird die hierüber versorgte Hardware, gesteuert vom ATmega, komplett vom Strom getrennt, während der LP2985-N weniger als 1uA benötigt.
LP2985-N
LP2985AIM533/NORP SOT23-5 anstelle TPS62260
T-L1  Lötpads mit Drahtbrücke verbinden
T-C1
 Nicht bestücken !
T-C2, T-C3, T-C4, T-C5, T-C6, T-C7
Keramikkondensator, 10uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%
T-R3 Widerstand, 4,7k, SMD 0805, max. 5%, min. 100mW
T-R1 Nicht bestücken
T-R2 T-R2: Keramikkondensator, 10nF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%

beelogger Solar TPS62260

 

Alternativ zum LP2985-N kann TPS62260 (Step-Down-Konverter) eingebaut werden.
Der TPS62260 ist ein sehr effizienter Step-Down-Konverter, der die Sensoren und Module mit bis zu 600mA laut Datenblatt versorgt. Während der ‘Schlafphase‘ des Systems wird die hierüber versorgte Hardware, gesteuert vom ATmega, komplett vom Strom getrennt, wobei der TPS62260 weniger als 1uA benötigt.
TPS62260 TPS62260 TSOT23-T-5
T-L1 Spule, Power Inductor, 2,2uH, 4.45×4.06 mm, SMD 4020, max. 20%, min. 1A, max. 100mOhm
T-C1 Keramikkondensator, 22pF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%
T-C2, T-C3, T-C4, T-C5, T-C6, T-C7
Keramikkondensator, 10uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%
T-R3 Widerstand, 4,7k, SMD 0805, max. 5%, min. 100mW
T-R1 Widerstand, 806k, SMD 0805, max. 0,1%, max. 25ppm, min. 100mW
T-R2 Widerstand, 180k, SMD 0805, max. 0,1%, max. 25ppm, min. 100mW

beelogger Solar TPS62260

Die Kondensatorbatterie hinter dem TPS62260 dient gleichzeitig der Glättung und  der Pufferung der Versorgungsspannung der Sensoren und Module.

beelogger Solar Kondensatorbatterie

 

Zur Pufferung der 3,3V Versorgung:
N-C1 Keramikkondensator, 1uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%

 

DS18B20 & DHT Der DS18B20 ist ein digitaler Temperatursensor mit einer einstellbaren Auflösung von 9-12bit und eine Messgenauigkeit von ±0.5°C im Bereich von -10°C bis +85°C. Die Sensoren des Typs DHT besitzen eine Auflösung von 8bit und haben eine Messgenauigkeit der Temperatur von ±0.5°C im Bereich von -40°C bis +80°C und rund 3% zwischen 0-99,9% RH für die Messung der Luftfeuchte.
Z-R1,  Z-R2,  Z-R3
Widerstand, 4,7k, SMD 0805, max. 5%, min. 100mW

 beelogger Solar DHT

Um die Sensoren anzuschließen, besteht die Möglichkeit Schraubklemmen zu verwenden. Generell können die Sensoren für eine optimale Verbindung auch ohne Schraubklemmen direkt angelötet werden!

 

Taster Um den zeitgesteuerten Interrupt zur Messung und zum Versand der Sensordaten auch außerhalb des eingestellten Intervalls manuell auslösen zu können, kann der optionale Taster an D2 verwendet werden.
Taster Taster, SMD, 6x3mm, 6×3.5mm, OFF – (ON), min. 10V, max. 50mA

beelogger Solar Taster

 

Nichtflüchtiger Speicher

Um Sensordaten zwischenspeichern zu können, wurde ein EE-Prom AT24CXX ins Platinenlayout übernommen. Die Lötbrücken dienen zur Einstellung der I2C-Adresse, die üblicherweise im Bereich 50h – 57h ist. Ohne Lötbrücken ist die Adresse 57h, über die Widerstände liegt A0,A1,A2 auf High.

Einige EE-Prom Typen haben intern das Adressbit A2 intern fest auf “0” gelegt. Bitte im Datenblatt kontrollieren oder mit unserem System-Check-Sketch die Belegung austesten. Diese EE-Prom haben ohne Lötbrücke die I2C-Adresse 53h. Die Adressdefinition in der AT24XX-Lib muss entsprechend angepasst werden.

R-R1,  R-R2,  R-R3

Widerstand, 4,7k, SMD 0805, max. 10%, min. 100mW;

entfallen bei beelogger-solar Platinenversion 4.2

 

 

ESP8266:
beelogger-solar Platinenversion 4.2 kann mit einem ESP8266 für WLAN ausgerüstet werden.
Ein Shield, z.B. Multishield, ist beim Betrieb bis zu zwei Waagen nicht erforderlich.

 

HX711 Das HX711-Board ist ein 24bit  A/D-Wandler, welcher speziell zur Auswertung von Wägezellen mit Wheatstone-Brücke konzipiert wurde. Vor Einbau des HX711-Board das Modul prüfen.

Das HX711-Board wird direkt auf die Platine gelötet. Die hierfür zur Verfügung stehenden Felder sind im folgenden Bild rot markiert. beelogger Solar HX711 Platzierung

Da es diesen Sensor in unterschiedlichen Ausführungen gibt, besitzt der beelogger-Solar hierfür ein Patchfeld, um möglichst mit allen Ausführungen kompatibel zu sein. Über das linke Patchfeld kann der HX711, genau wie bei den Sensoren DHT und DS18B20, an alternative Pins mit dem ATmega verbunden werden. Weil bei diesem Sensor nicht nur die Pinbelegung, sondern auch die Größe des Moduls variieren kann, sind zusätzliche, horizontal miteinander verbundene Lötfelder zum Anschluss vorhanden – die im oberen Bild rot markierten Felder. Stimmt die Pinausführung des Sensors mit der aufgedruckten Belegung überein, müssen nur die horizontal benachbarten Lötfelder des Patchfeldes mit eingelöteten kurzen Drahtbrücken miteinander verbunden werden. Stimmt die Belegung nicht überein, können Kabelbrücken für die korrekte Verbindung innerhalb des Patchfeldes genutzt werden.

beelogger Solar HX711 Patch Als Standard-Anschluss des Wägeelementes steht der Eingang ‘A’ über Schraubklemmen zur Verfügung. Zusätzlich wird für optionale Entwicklungen der Eingang ‘B’ zur Verfügung gestellt. An ‘GND’ wird die Abschirmung angeschlossen.

beelogger Solar HX711 Eingang

Um die Sensoren anzuschließen, besteht die Möglichkeit Schraubklemmen zu verwenden. Generell können die Sensoren für eine optimale Verbindung auch ohne Schraubklemmen direkt angelötet werden!

 

Modifikation HX711-Board Modifikation zum Betrieb des HX711-Boards mit 3,3V.

Laut Datenblatt kann der HX711-Chip  problemlos mit 3,3V oder 5V betrieben werden. In der Regel ist daher diese Angabe auch bei fertigen Boards mit diesem Chip zu finden. Wenn man sich nun intensiv mit dem Datenblatt dieses Chips sowie den Schaltplänen dieser Boards beschäftigt, wird man feststellen, dass diese zumeist für 5Volt-Betrieb dimensioniert sind. Für ein optimal funktionierendes Wägesystem mit 3,3V sind daher Anpassungen notwendig.

Hintergrund: Um optimale Messergebnisse zu erhalten, muss die Wägezelle mit einer möglichst stabilen Spannung versorgt werden. Hierfür stellt der HX711 eine eigene, geregelte Spannungsquelle zur Verfügung. Geregelt wird die Versorgungsspannung der Wägezellen über einen im HX711 verbauten Regler und den auf dem HX711-Board befindlichen Transistor. Mit einem Spannungsteiler wird die zu regelnde Spannung eingestellt.

Bei den erhältlichen Boards ist über die Widerstände des Spannungsteilers die Regelspannung auf knapp unter 5V eingestellt. Hiermit kann der Regelkreis sauber arbeiten. Das Datenblatt gibt eine Obergrenze der Regelspannung vor, die mindestens 100mV geringer sein muss, als die Versorgungsspannung des Chips. Bei einer Versorgungsspannung des Chips mit 3,3V, kann die mit den auf dem Board eingesetzten Widerständen eingestellte Spannung von 4,3V nicht erreicht werden. Das Ergebnis hiervon ist, dass der Regelkreis nicht sauber arbeiten kann, die Wägezelle keine stabile Spannung erhält und die Messergebnisse dadurch nicht optimal sind.

Um dieses Problem zu lösen, werden im Folgenden 2 verschiedene Modifikationen vorgestellt. Hiervon ist eine Modifikation auszuwählen und durchzuführen:

A. Überbrückung des Regelkreises
Brücke Widerstand, 10 Ohm, Axial, max. 5%, min. 100mW
H-C1 Keramikkondensator, 10uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%

Bei einer stabilen Versorgungsspannung des Chips, wie dies beim beelogger-Solar der Fall ist, kann der Regelkreis überbrückt werden. Die Wägezelle wird dadurch direkt über die geregelte 3,3V versorgt. Die ‘Kondensatorbatterie’ hinter dem Spannungsregler TPS62260 sorgt für weitere Stabilität der Spannung.

Zur Überbrückung des Regelkreises ist im Patchfeld ‘FIX’ VCC mit E+ des Boards zu verbinden. Die jeweilige Belegung des HX711-Boards ist hierbei immer zu beachten.

Um die Versorgungsspannung weiter zu stabilisieren, kann statt einer einfachen Drahtverbindung, ein bedrahteter 10 Ohm Widerstand genommen werden. Dieser wirkt dann zusammen mit dem Kondensator H-C1 als Filter.

beelogger Solar HX711 3v3 Fix 3

 

B. Austausch eines Widerstandes des Spannungsteilers
12k Typ 0603

Um die Regelspannung entsprechend der Vorgaben für eine Versorgung des Chips mit 3,3V einzustellen, ist der 20k Widerstand auf dem Board gegen einen 12k Widerstand des Typs 0603 auszutauschen. Hierdurch kann weiterhin die Regelung des HX711 genutzt werden, jedoch sinkt natürlich die Versorgungsspannung der Wägezelle auf ca. 3,1V und der Signal-Rausch-Abstand wird geringer. beelogger Solar HX711 3v3 Fix 2