beelogger-Solar – Kalibrierung & Test

Der Test-Programmcode ermöglicht es, die speziellen Funktionen des beelogger-Solar zu testen. Hierzu gehören die Einstellung und Alarmfunktion der RTC (Echtzeituhr), der Test des Temperatursensors der RTC, der Sleep-Mode des ATmega, welcher durch den Alarm der RTC über einen Interrupt aufgeweckt wird, das Auslesen der Akku- und Solarspannung, sowie die Akku-Schutzfunktion. Für den Test-Programmcode werden daher keine Sensoren oder Module benötigt.

Der Kalibrierung-Programmcode dient dazu, die fertigungsbedingten Toleranzen der verwendeten Bauteile eines beelogger-Solar bei der Spannungsmessung von Akku und Solarzelle auszugleichen. Da die Akkuspannung für eine Software-Funktion zum Akku-Schutz verwendet wird, ist die Kaliberiung zwingen notwendig, damit der Test- und Haupt-Programmcode lauffähig ist.

FTDI-Adapter auswählen

Um den Programmcode aufzuspielen und die serielle Ausgabe nutzen zu können, wird mit dem FTDI-Adapter als Programmer gearbeitet. Hierfür muss in der Software unter ‘Tools’ -> ‘Programmer’ der ‘USBtinyISP’ ausgewählt werden.

Es ist sehr wichtig darauf zu achten, dass der FTDI-Adapter auf 3,3V eingestellt ist, damit das System und insbesondere der Akku keinen Schaden nimmt! Prinzipiell braucht VCC vom FTDI-Adapter zur Programmierung nicht verbunden werden, sofern der beelogger-Solar über den Akku versorgt wird. Allerdings ist dies zu empfehlen, um mögliche Probleme durch eine zu geringe Akkuspannung zu vermeiden. Die Beschaltung des FTDI-Adapters sowie weitere Informationen sind unter ‘beelogger ISP & FTDI‘ zu finden.

Libraries

<Wire.h> – in der Arduino-Software bereits enthalten
<Sodaq_DS3231.h> – https://github.com/SodaqMoja/Sodaq_DS3231
<LowPower.h> – https://github.com/rocketscream/Low-Power

Kalibrierung-Programmcode

Alle elektronischen Komponenten des beelogger-Solar mit seinen Spannungsreglern, Widerständen und dem ATmega unterliegen fertigungsbedingten Toleranzen. Um diese Toleranzen bei der Messung der Spannung von Akku und Solarzelle möglichst gut zu kompensieren, muss eine Kalibrierung für jeden beelogger-Solar durchgeführt werden. Hierfür sind zwei Werte zu ermitteln:

Kalib_Spannung
Kalib_Bitwert

Für die Variable ‘Kalib_Spannung’ sollte mit einem möglichst hochwertigen Multimeter die Spannung des Akkus direkt gemessen und in Millivolt hinterlegt werden. Der Akku sollte bei dieser Messung gut geladen und nicht eingebaut sein.
Der Wert der Variable ‘Kalib_Bitwert’ wird über den Kalibrierung-Programmcode ermittelt. Dieser Wert gibt die mit allen Toleranzen gemessene Akku-Spannung durch den beelogger-Solar wieder.

Kalibrieriert wird mit diesem Sketch der Spannungsteiler bestehend aus B-R1 und B-R2. Ein Wechsel des LiIon-Akku erfordert keine neue Kalibrierung.

Für die Messung der Solarspannung werden die gleichen Werte zur Kompensation verwendet, da diese Messung ohnehin nur eine Momentaufnahme darstellt und auch keine weiteren Auswirkungen auf den Programmablauf hat.

Der Programmcode zur Kalibrierung initialisiert auch die RTC, so dass diese über den RTC-Batterieanschluß automatisch weiterläuft, wenn die normale Spannungsversorgung fehlt.

Bevor der Kalibrierung-Programmcode aufgespielt wird, muss die Spannung des Akkus in Millivolt in der Variable ‘Kalib_Spannung’ hinterlegt werden. Wenn der FTDI-Adapter das System zusätzlich mit Strom versorgt, könnte dieser das Ergebnis der Spannungsmessung bzw. Kalibrierung beeinflussen. Daher sollte nach dem Upload und vor der Ausführung des Kalibrierung-Programmcode, VCC des FTDI-Adapters vom beelogger-Solar getrennt werden, damit das System ausschließlich vom Akku versorgt wird. Die serielle Konsole wird hierbei weiterhin funktionieren.

* This program is free software: you can redistribute it and/or modify

* it under the terms of the GNU General Public License as published by

* the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or

* (at your option) any later version.

* This program is distributed in the hope that it will be useful,

* but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of

* MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the

* GNU General Public License for more details.

* You should have received a copy of the GNU General Public License

* along with this program. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.

* Version 2.0

// beelogger.de - Arduino Datenlogger für Imker

// Erläuterungen dieses Programmcodes unter https://beelogger.de

#include <Sodaq_DS3231.h>

#include <Wire.h>

int Kalib_Spannung = 0; //Hier ist der gemessene Wert der Akkuspannung in Millivolt einzutragen

int Kalib_Bitwert = 0;

float Batteriespannung = 999.99;

byte Power_Pin=4;

void setup() {

Serial.begin(9600);

Serial.println("beelogger Solar Kalibierung");

pinMode(Power_Pin, OUTPUT);

digitalWrite(Power_Pin, HIGH);

delay(5);

Serial.println("Starte Uhrbaustein:");

Serial.flush();

rtc.begin();

rtc.setDateTime(1);

digitalWrite(Power_Pin, LOW);

Serial.println("Uhrbaustein initialisiert.");

Serial.flush();

if (Kalib_Spannung == 0) {

Serial.println("Kein Wert fuer 'Kalib_Spannung' eingetragen.");

Serial.println("Die Kalibrierung kann nicht durchgefuehrt werden.");

while(true){};

}

Kalib_Bitwert = analogRead(A6);

Kalib_Bitwert = 0;

for(byte j=0 ;j < 16; j++) {

Kalib_Bitwert += analogRead(A6);

}

Kalib_Bitwert = Kalib_Bitwert >>2;

Serial.print("Hinterlegter Wert fuer 'Kalib_Spannung': ");

Serial.println(Kalib_Spannung);

Serial.println();

Serial.print("Gemessener Wert fuer 'Kalib_Bitwert': ");

Serial.println(Kalib_Bitwert);

Serial.println();

Batteriespannung = (map(Kalib_Bitwert, 0, Kalib_Bitwert, 0, Kalib_Spannung)) / 1000.0;

Serial.print("Die mit dieser Kalibrierung ermittelte Akkuspannung betraegt:");

Serial.print(Batteriespannung);

Serial.println(" V");

Serial.println();

}

void loop() {

}

Ausgabe des seriellen Monitors (9600 baud):

beelogger Solar Kalibierung

Starte Uhrbaustein:

Uhrbaustein initialisiert.

Hinterlegter Wert fuer 'Kalib_Spannung': 3754

Gemessener Wert fuer 'Kalib_Bitwert': 1483

Die mit dieser Kalibrierung ermittelte Akkuspannung betraegt:3.75 V

Programmcode downloaden:

Download

Test-Programmcode

Im Programmcode ist zunächst das Weckintervall in Stunden und Minuten anzugeben. Mit diesem regelmäßigen Intervall wird der ATmega aus dem Schlafmodus geweckt, um Messungen und den Versand der Daten vorzunehmen. Hierfür stehen die Variablen ‘WeckIntervallStunden’ und ‘WeckIntervallMinuten’ zur Verfügung.

Der Test-Programmcode wurde mit einem Intervall von einer Minute vorkonfiguriert. Generell ist es bei einem regelmäßigen Intervall nicht notwenig, zuvor die korrekte Uhrzeit einzustellen. Für eigene Entwicklungen oder zukünftige Erweiterungen wurde diese Option jedoch im Programmcode aufgenommen. Hierfür übernimmt die RTC die Uhrzeit aus dem Programmcode, die automatisch während der Compilierung im Rahmen des Uploads auf den ATmega hinterlegt wird. Voraussetzung ist natürlich eine korrekt eingestellte Uhrzeit am PC.

Der Programmcode stellt zudem sicher, dass zukünftig automatisch mit dem Upload des Test- oder Haupt-Programmcodes, die korrekte Uhrzeit der RTC eingestellt werden kann.

Der Programmcode enthält zudem zwei besondere Funktionen, die speziell für den Akku- bzw. Solarbetrieb entwickelt wurden:

Um den Akku zu schonen und ihm somit eine lange Lebensdauer zu ermöglichen, kann über die Variable ‘VMinimum’ die maximale Spannung eingestellt werden, ab der keine Messungen und auch kein Versand von Daten mehr erfolgt. Aber auch um den korrekten Betrieb des GSM-Moduls, welches eine minimale Spannung von 3,7V benötigt, sicherzustellen, kann die Funktion eingesetzt werden. Diese Lösung ersetzt natürlich keine im Akku integrierte Schutzschaltung vor Tiefenentladung
Damit der beelogger-Solar auch während einer längeren Zeitspanne ohne Aufladung (beispielsweise im Winter mit zugescheiten Solarzellen) Sensordaten ermittelt und versendet, kann über die Variable ‘VAlternativ’ die maximale Spannung eingestellt werden, ab der das Weckintervall verändert bzw. verlängert wird. Die Länge dieses temporären Weckintervalls wird über ‘AlternativIntervallStunden’ und ‘AlternativIntervallMinuten’ eingestellt.

Beispiel:

WeckIntervallMinuten = 30
WeckIntervallStunden = 1
VMinimum = 3.75
VAlternativ = 3.8
AlternativIntervallStunden = 6
AlternativIntervallMinuten = 0

Bei einer Spannung die höher ist als 3,8V, werden die Messwerte alle 90 Minuten (1 Stunde + 30 Minuten) abgefragt und versendet. Ab einer Spannung von 3,8V und geringer, werden Messungen und Versand der Daten nur noch alle 6 Stunden durchgeführt. Bei einer Spannung die kleiner oder gleich 3,75V ist, werden weder Messungen vorgenommen, noch Daten versendet. Solabld der Akku durch die Solarzelle aufgeladen wird und die Akkuspannung die eingestellten Werte erreicht bzw. überschreitet, nimmt der beelogger-Solar seinen Betrieb wieder auf.

Da der Test-Programmcode weder Sensoren, noch einen nRF24L01 oder ein GSM-Modul verwendet, dient diese Erläuterung primär der Konfiguation des Haupt-Programmcodes für den beelogger-Solar.

Die Batterie CR1220 des DS3231 muss für den Test eingelegt sein, da auch die RTC während der Schlafphase von der Stromversorgung getrennt wird, um eine weitere Stromeinsparung zu erreichen. Alternativ kann mit Hilfe der Lötfelder, wie unter Aufbau beschrieben, der Batterieanschluss der RTC mit dem LiIon-Akku verbunden werden.

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 Haupt-Programmcode die Daten für ‘TempOut’, welche auch für die Temperaturkompensation der Stockwaage verwendet wird.

Ohne die Werte der Kalibrierung für die Spannungsmessung, wird immer eine Batteriespannung von 0V ermittelt. Dadurch greift der Programmcode zum Schutz des Akkus und es wird nach der Messung der Akkuspannung keine weitere Aktion mehr vorgenommen. Diese zuvor ermittelten Werte sind somit vor dem Upload einzutragen.

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* This program is free software: you can redistribute it and/or modify

* it under the terms of the GNU General Public License as published by

* the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or

* (at your option) any later version.

* This program is distributed in the hope that it will be useful,

* but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of

* MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the

* GNU General Public License for more details.

* You should have received a copy of the GNU General Public License

* along with this program. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.

// beelogger.de - Arduino Datenlogger für Imker

// Erläuterungen dieses Programmcodes unter https://beelogger.de

#include <Sodaq_DS3231.h>

#include <Wire.h>

#include <LowPower.h>

// Intervalle

//----------------------------------

byte WeckIntervallMinuten = 1;

byte WeckIntervallStunden = 0;

float VMinimum = 3.75; // Minimale Spannung ab der ab der keine Messungen und auch kein Versand von Daten erfolgt

float VAlternativ = 3.8; // Minimale Spannung ab der automatisch das alternative Intervall aktiviert wird

byte AlternativIntervallMinuten = 6;

byte AlternativIntervallStunden = 6;

//----------------------------------

// Kalibrierung

//----------------------------------

int Kalib_Spannung = 1000; // Hier muss der Wert aus der Kalibrierung eingetragen werden

int Kalib_Bitwert = 100; // Hier muss der Wert aus der Kalibrierung eingetragen werden

//----------------------------------

float Batteriespannung = 999.99;

float Solarspannung = 999.99;

float RTCTemp;

volatile bool ok_sleep = false;

byte DS3231_Interrupt_Pin = 2;

byte Power_Pin = 4;

void setup() {

Serial.begin(9600);

Serial.println("beelogger Solar Test Uhr und Kalibrierwerte: ");

pinMode(Power_Pin, OUTPUT);

digitalWrite(Power_Pin, HIGH);

if ( Kalib_Bitwert == 100) {

Serial.println();

Serial.println("Bitte Kalibrierwerte eintragen! ");

Serial.println();

WeckIntervallMinuten = 10;

}

Spannungen_messen();

delay(5);

rtc.begin();

DateTime pc_tim = DateTime(__DATE__, __TIME__);

long l_pczeit = pc_tim.get();

DateTime aktuell = rtc.now();

long l_zeit = aktuell.get();

if (l_pczeit > l_zeit) rtc.setDateTime(pc_tim.get());

rtc.clearINTStatus();

pinMode(DS3231_Interrupt_Pin, INPUT_PULLUP);

ok_sleep = true;

delay(5);

display_time();

display_interval();

Alarm_konfigurieren();

SleepNow(false);

}

void loop() {

Spannungen_messen();

display_time();

display_temp();

display_interval();

Alarm_konfigurieren();

SleepNow(true);

}

void display_time() {

DateTime aktuell = rtc.now();

Serial.print("Datum und Uhrzeit: ");

Serial.print(aktuell.date(), DEC);

Serial.print('.');

Serial.print(aktuell.month(), DEC);

Serial.print('.');

Serial.print(aktuell.year(), DEC);

Serial.print(' ');

Serial.print(aktuell.hour(), DEC);

Serial.print(':');

Serial.print(aktuell.minute(), DEC);

Serial.print(':');

Serial.print(aktuell.second(), DEC);

Serial.println();

Serial.flush();

}

void display_temp() {

RTCTemp = rtc.getTemperature();

Serial.print("Temperatur ueber Sensor in RTC: ");

Serial.println(RTCTemp);

Serial.println();

Serial.flush();

}

void display_interval() {

Serial.println();

Serial.print("Eingestelltes Weckintervall: ");

Serial.print(WeckIntervallStunden);

Serial.print(" Stunde(n)");

Serial.print(" : ");

Serial.print(WeckIntervallMinuten);

Serial.println(" Minute(n)");

Serial.flush();

}

void Spannungen_messen() {

Serial.print("Batteriespannung: ");

int Messung_Spannung = analogRead(A6);

Messung_Spannung = 0;

for (byte j = 0 ; j < 16; j++) {

Messung_Spannung += analogRead(A6);

}

Messung_Spannung = Messung_Spannung >> 2;

Batteriespannung = (map(Messung_Spannung, 0, Kalib_Bitwert, 0, Kalib_Spannung)) / 1000.0;

Serial.print(Batteriespannung);

Serial.println(" V");

if (Batteriespannung > VMinimum) {

Serial.print("Solarspannung: ");

Messung_Spannung = analogRead(A7);

Messung_Spannung = 0;

for (byte j = 0 ; j < 16; j++) {

Messung_Spannung += analogRead(A7);

}

Messung_Spannung = Messung_Spannung >> 2;

Solarspannung = (map(Messung_Spannung, 0, Kalib_Bitwert, 0, Kalib_Spannung)) / 1000.0;

Serial.print(Solarspannung);

Serial.println(" V");

Serial.println();

} else {

Serial.println ("Batteriespannung hat das Minumim erreicht");

Serial.println ();

}

Serial.flush();

}

void Alarm_konfigurieren() {

byte Stunde, IntervallStunden;

byte Minute, IntervallMinuten;

if (Batteriespannung > VAlternativ) {

IntervallStunden = WeckIntervallStunden;

IntervallMinuten = WeckIntervallMinuten;

} else {

Serial.println("Batteriespannung unter Grenzwert, alternatives Intervall aktiviert");

Serial.println();

IntervallStunden = AlternativIntervallStunden;

IntervallMinuten = AlternativIntervallMinuten;

}

DateTime aktuell = rtc.now();

long timestamp = aktuell.get();

aktuell = timestamp + IntervallStunden * 3600 + IntervallMinuten * 60;

rtc.enableInterrupts(aktuell.hour(), aktuell.minute(), 0);

}

void WakeUp() {

detachInterrupt(0);

ok_sleep = false;

}

void SleepNow(byte power_off) {

delay(100);

if (power_off) {

Serial.println("Sleep-Modus mit Power-Off wird aktiviert ");

digitalWrite(Power_Pin, LOW);

delay(5);

digitalWrite (A4, LOW);

digitalWrite (A5, LOW);

}

else {

Serial.println("Sleep-Modus mit Power-ON started ");

}

Serial.flush();

delay(5);

attachInterrupt(0, WakeUp, LOW);

TWCR &= ~(bit(TWEN) | bit(TWIE) | bit(TWEA));

if (ok_sleep) {

LowPower.powerDown(SLEEP_FOREVER, ADC_OFF, BOD_OFF);

}

else {

Serial.println("Sleep-Modus konnte nicht aktiviert werden");

}

digitalWrite(Power_Pin, HIGH);

delay (5);

rtc.begin();

rtc.clearINTStatus();

while (digitalRead(DS3231_Interrupt_Pin) == false) {};

ok_sleep = true;

Serial.println("Sleep-Modus wurde beendet");

Serial.println();

delay(5);

}

Ausgabe des seriellen Monitors (9600 baud):

beelogger Solar Test Uhr und Kalibrierwerte:

Datum und Uhrzeit: 22.12.2018 12:9:25

Eingestelltes Weckintervall: 0 Stunde(n) : 1 Minute(n)

Sleep-Modus mit Power-ON ist aktiviert

Sleep-Modus wurde beendet

Batteriespannung: 4.11 V

Solarspannung: 1.20 V

Datum und Uhrzeit: 22.12.2018 12:10:0

Temperatur ueber Sensor in RTC: 21.25

Eingestelltes Weckintervall: 0 Stunde(n) : 1 Minute(n)

Sleep-Modus mit Power-Off wird aktiviert

Sleep-Modus wurde beendet

Batteriespannung: 4.12 V

Solarspannung: 1.25 V

Datum und Uhrzeit: 22.12.2018 12:11:0

Temperatur ueber Sensor in RTC: 21.00

Programmcode downloaden:

Download

Der komplette Programmcode für den Arduino Datenlogger mit Stockwaage für Imker ist unter Programmcode zu finden.