beelogger-SMD – Beschaltung & Aufbau

Der beelogger-SMD 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.

Beim Umgang mit elektronischen Bauteilen dafür Sorge tragen, dass diese bei der Handhabung und auch beim Löten vor elektrostatischen Entladungen geschützt sind, um Defekte zu vermeiden.

Nachfolgende Anleitung kann für die Platinenversionen 3.0 und 4.x des beelogger-SMD verwendet werden.

Für einen groben Überblick über den Aufbau des beelogger-SMD haben wir diesen Schaltplan (bitte Anfrage an support@beelogger.de) erstellt.

 

Löten von SMD-Bauteilen

beelogger-SMD V 4.1

beelogger-SMD V. 4.2

Der beelogger-SMD wurde in SMD-Bauweise entwickelt. Aber keine Sorge, das Löten von SMD-Bauteilen ist keine Hexerei. Alle für den beelogger-SMD 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

Video zum Aufbau hier.

Ein Hinweis zum Löten der SMD:
Beim Einbau der SMD-Bauteile empfiehlt sich ein Pad vorzuverzinnen. Dann da Bauteil aufsetzen ausrichten und am vorverzinnten Pad anlöten (fixieren). Dabei das Bauteil in Position halten. Kleinere Bauteile z.B. mit einer Pinzette festhalten oder mit einem Schraubendreher vorsichtigt auf die Platine drücken. Die Position kontrollieren, ggf. korrigieren und ie zweite Seite verlöten. Bauteile mit mehreren Pins auf der schräg gegenüberliegenden Seite anlöten. Bei Bedarf das vorverzinnte Pad mit wenig Lötzinn nachlöten. Danach die verbliebenden Pins verlöten.

 

Aufbau

ATmega 328P (Microcontroller) Als Mikrocontroller des beelogger-SMD wird ein ATmega 328P eingesetzt. Über den Bootloader des Arduino Pro Mini wird dieser für den Betrieb mit einem externen 8MHz-Quarz für den Betrieb bei 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

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

Programmierschnittstelle & Reset-Taster Nach dem Aufspielen des Bootloaders kann der ATmega 328P genau wie ein Arduino Pro Mini über einen USB-Seriell-Adapter programmiert werden. Um Beschädigungen zu vermeiden, ist soweit möglich der USB-Seriell-Adapter auf eine Versorgungsspannung von 3,3V einzustellen oder die Versorgung über den LiIon-Akku herzustellen.
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

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

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%

Nach Bestücken dieser Bauteile kann der Bootloader aufgespielt werden und damit ein erster Funktionstest der bisher bestückten Bauteile erfolgen.

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-C2	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

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%
CR2032	Batteriehalter CR2032 bei Bedarf (CR1220 für ältere Platinenversionen) alternativ Brücke auf Platinenrückseite (nicht für SD-Karten Systeme)

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

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. Je nach Platinenversion neben dem DS3231 oder neben der Quartz angeordnet.
I-R1,  I-R2	Widerstand, 4,7k, SMD 0805, max. 10%, min. 100mW

 

Eine Batterie kann die RTC DS3231 während der Schlafphase des Systems mit Strom versorgen, bis der ATmega durch einen Alarm der RTC im eingestellten Intervall über einen Interrupt ‘geweckt’ wird. Der Halter für die Batterie CR2032 wird eingelötet. Bei älteren Platinenversion wird der CR1220 SMD-Batteriehalter auf Unter- oder Oberseite der Platine aufgelötet.

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

Achtung: Lötbrücke nicht für LORA-Systeme oder Systeme mit SD-Karte. Diese müssen mit einer Batterie ausgerüstet werden.

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%

Alternativ zum LP2985-N kann der 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

Die Kondensatorbatterie hinter dem LP2985 / TPS62260 dient gleichzeitig der Glättung und  der Pufferung der Versorgungsspannung der Sensoren und Module.

Zur Pufferung der 3,3V Versorgung am Anschluss ESP8266:
N-C1	Keramikkondensator, 1uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%

Pull-Up Widerstände für die Sensoren und Einbau der Brücke (rote Linie im Bild unten) für die beelogger-Standard Pinbelegung :
Z-R1,  Z-R2,  Z-R3	Widerstand, 4,7k, SMD 0805, max. 5%, min. 100mW

Um die Sensoren anzuschließen, besteht die Möglichkeit Schraubklemmen an den Anschlüssen D3 (DS18B20) ,D5 (DHT1), D6 (DHT2) und I2C-Bus (BH1750,BME280 u.a.) zu verwenden. Generell können die Leitungen der Sensoren für eine optimale Verbindung auch ohne Schraubklemmen direkt angelötet werden!

Nichtflüchtiger Speicher Um Sensordaten zwischenspeichern zu können, wurde ein EE-Prom AT24CXX ins Platinenlayout übernommen. Die Lötbrücken A0,A1,A2 dienen zur Einstellung der I2C-Adresse, die üblicherweise im Bereich 50h – 57h ist. Ohne Lötbrücken ist die Adresse 57h; 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 die I2C-Adresse 53h. Die Adressdefinition in der AT24XX-Lib muss entsprechend angepasst werden. Hinweis: beelogger-SMD ab V4.2 verwendet sogen. Lötjumper J-A1/J-A2, die im Layout vorkonfiguriert sind. Falls notwendig, müssen zur Umstellung der Adresse die Leiterbahnbrücken zwischen den Pads J-A1, J-A2 getrennt und passend verlötet werden.

R-R1,  R-R2,  R-R3

Widerstand, 4,7k, SMD 0805, max. 10%, min. 100mW; Bild zeigt beelogger-SMD V 4.1 Widerstände sind entfallen bei beelogger-SMD Platinenversion 4.2

Nach Bestücken dieser Bauteile ist der beelogger-SMD nach Aufspielen des Bootloaders voll funktionsfähig.
Zur Bestückung der Akkuladeschaltung und Einbau HX711-Modul die nachfolgenden Schritte ausführen.

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/453k*, SMD 0805, max. 0,1%, max. 25ppm, min. 100mW
S-R2	Widerstand, 1M, SMD 0805, max. 0,1%, max. 25ppm, min. 100mW

* Akku im Probebetrieb über die Solarzelle oder aus einer Spannungsquelle 3,3V/max. 500mA vollständig laden, falls die Ladeschlußspannung des Akku von 4,2V (+/- 50mV) überschritten wird Widerstand S-R1 auf 453K oder 470K erhöhen

Achtung: S-R2, 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.

 

Montage des “Arbeiten am Bienenvolk” (Service) -Schalters:

In der neuesten Version des beelogger-SMD sind optional Schraubklemmen für den Anschluss (D2,GND) des Schalters vorgesehen.

Ältere beelogger-SMD Platinen können den Schalter mit  Pin D2 (Jumper D2) und GND (Minus  vom DS18B20) verbinden.
Die Drähte zum Schalter können auf der Platinenunterseite angelötet werden.

Hier Beispiel für den Anschluss bei beelogger-SMD-Platinen

Bild bereitgestellt von Silke. Vielen Dank dafür. beelogger-SMD Version 3.x

Schalteranschluß beelogger-SMD Version 4.x

Vorschläge für Schalter sind: reichelt: NS30, MS500H, RND 210-00442.

PS: Ein Schalter in der Akku-Leitung hat den Nachteil, dass der Kontaktwiderstand des Schalters, auch wenn der sehr klein ist, bei niedriger Akkuspannung zu Problemen führen kann.

 

Inbetriebnahme:

Für den Betrieb des beelogger-SMD ist eine geladene Li-Ion Batterie (ca. 4,0 – 4.2V) erforderlich.
Alternativ kann für Testzwecke eine andere Spannungsquelle mit 4,0V bis maximal 5,0V verwendet werden; dabei darf keine Solarzelle angeschlossen sein.

Mit angeschlossenem Akku ist an Widerstand A-R1 eine Spannung von ca. 3,3V zu messen.

Hinweis: Die Anschlussdrähte vom Akkuhalter zur beelogger-SMD Klemme “Batterie” sollen 0,14 – 0,25mm² Querschnitt haben. Sehr dünne Drähte, die teilweise schon im Lieferzustand am Akkuhalter angebracht sind, sind ungeeignet für den Betrieb.

Vor der weiteren Montage, soweit nicht bereits durchgeführt, den Bootloader aufspielen und den ADC-Kalibriersketch und den System-Check durchführen um eine grundsätzliche Funktionalität sicherzustellen.

 

Informationen zum Einbau des HX711 bitte den Informationen zum beelogger-Universal auf separater Seite entnehmen.

weitere Informationen:

Sensoren, Pinbelegung:

Auf der Platine des beelogger-SMD 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 Spannungsregler TPS62260 laut Datenblatt von 600mA, beim LP2985 ca. 300mA, für alle Sensoren und Module.

Eine vollständige Liste ist unter ‘Pinbelegung‘ zu finden.

ATmega	Funktion
D2	Interrupt vom DS3231
D4	Steuerung der Stromversorgung für Sensoren und DS3231 (zur Programmierung) über TPS62260
A4	I2C-Bus DS3231/EE-Prom
A5	I2C-Bus DS3231/EE-Prom

Für die Verwendung der beelogger-Sketche sind die Datenpins Sensoren DS18B20, DHT und HX711 über ein ‘Mini-Patchfeld’ mit dem jeweiligen Standard-Datenpin des ATmega für den Standard-Programmcode zu verbinden.

ATmega	Funktion
A0	HX711
A1	HX711
D3	DS18B20 oder Niederschlagmesser
D5	DHT #1
D6	DHT #2 oder DS18B20
A6	Messung der Batteriespannung
A7	Messung der Solarspannung

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.

 

Taster an D2 (optional) Auf der Platine kann ein weiterer Taster montiert werden um den zeitgesteuerten Interrupt zur Messung und zum Versand der Sensordaten auch außerhalb des eingestellten Intervalls manuell auslösen zu können. Zweckmäßiger ist an dieser Stelle einen Schalter anzuschließen, der von ausserhalb des Gehäuses bedient werden kann.
Taster	Taster, SMD, 6x3mm, 6×3.5mm, OFF – (ON), min. 10V, max. 50mA

 

 

Gehäuseeinbau:

Der Einbau des Systems soll möglichst in ein Gehäuse erfolgen, dass der Elektronik einen Schutz gegen Verunreinigung und Feuchte/Nässe bietet. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass kondensierende Feuchte nicht auftritt. Gehäuse haben hierzu Öffnungen vorgesehen, die je nach Einbaulage zu verwenden sind. Größere Öffnungen sollten mit feuchtigkeitsdurchlässigem Material, z.B. Edelstahlwolle (Haushaltsschwamm) vor dem Eindringen von Kleingetier geschützt werden.