beelogger

beelogger-Solar – Beschaltung & Aufbau

beelogger-Solar Platine Version 4.2 mit ESP8266

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

 

 

 

Aufbau

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.

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

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

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-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 

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 ab Platinenversion 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

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

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%
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
beelogger Solar TPS62260

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

beelogger Solar Kondensatorbatterie

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

beelogger Solar DHT Patch

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-Solar ab V4.2 verwendet sogen. Lötjumper J-A1/J-A2, die im Layout vorkonfiguriert sind. Zur Einstellung der Adresse müssen zuerst Leiterbahnbrücken getrennt werden.
R-R1,  R-R2,  R-R3
Widerstand, 4,7k, SMD 0805, max. 10%, min. 100mW;
entfallen bei beelogger-solar Platinenversion 4.2

Nach Bestücken dieser Bauteile ist der beelogger Solar 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, 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.

 

 

 

 

Montage HX711:
Das HX711-Board wird direkt auf die Platine gelötet.
Da es diesen Sensor in unterschiedlichen Ausführungen gibt, besitzt der beelogger-Solar hierfür die Patchfelder A,Fix,D und horizontal miteinander verbundene Lötfelder, im Bild rot markiert,  um möglichst mit allen Größen und Varianten kompatibel zu sein

beelogger Solar HX711 Platzierung

Die Verbindungen im Layout der rot markierten Felder zu den Patchfeldern D,Fix,A können je nach Platinenversion leicht variieren.
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 Wägezellen anzuschließen, besteht die Möglichkeit Schraubklemmen zu verwenden. Generell können die Wägezellen für eine optimale Verbindung auch ohne Schraubklemmen direkt angelötet werden!

 

Hinweis:
Nach Montage des HX711 mit einem Multimeter (Messbereich 200 Ohm) prüfen ob eine 0-Ohm Verbindung zwischen GND und E- besteht. Ggf. die Verbindung über eine Drahtbrücke herstellen.

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 der Regelkreis für die Wägezellenversorgung auf dem HX711-Modul zumeist für 5Volt-Betrieb dimensioniert ist. Für ein optimal funktionierendes Wägesystem mit 3,3V sind daher Anpassungen notwendig.

Im Folgenden werden zwei verschiedene Modifikationen zum Betreib mit 3,3V 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 auf dem HX711-Modul vorhandene Regelkreis überbrückt werden. Die Wägezelle wird dadurch direkt über die geregelte 3,3V versorgt. Die ‘Kondensatorbatterie’ hinter dem Spannungsregler LM2985/TPS62260 sorgt für eine hohe Stabilität der Spannung.

Dazu ist folgende Verschaltung im Patchfeld ‘FIX’ notwendig:
– von VCC nach E+ den 10Ohm Widerstand einbauen.
– GND nach E- mit einer Drahtbrücke verbinden.

Der 10 Ohm Widerstand wirkt zusammen mit dem Kondensator H-C1 als Filter um die Versorgungsspannung der Wägezelle weiter zu stabilisieren.

Hier die Darstellung der Verdrahtung, wenn im rechten und linken Patchfeld GND und VCC bzw. E+ und E- wie gezeigt durchverbunden werden.
Achtung: Bei abweichender Verdrahtung in den Patchfeldern A,D ist der im Patchfeld FIX nach obiger Verschaltungsvorgabe anzupassen.

gezeigt wird die Abbildung mit der zuvor beschriebenen Verdrahtung von VCC und GND im rechten Patchfeld

B. Austausch eines Widerstandes des Spannungsteilers
12k Typ 0603

Bei den erhältlichen HX711-Modulen ist über die Widerstände die Regelung der Wägezellenspannung auf knapp unter 5V eingestellt. Hiermit kann der Regelkreis sauber arbeiten.
Die üblicherweise eingestellte Spannung es Regelkreises von 4,3V kann bei 3,3V Versorgung nicht erreicht werden.
Das Ergebnis hiervon ist, dass der Regelkreis nicht sauber arbeitet, die Wägezelle keine stabile Spannung erhält und die Messergebnisse dadurch nicht optimal sind.

Um die Regelung 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

 

weitere Informationen:

Sensoren, 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 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.

beelogger Solar DHT beelogger Solar DHT Patch

 

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

beelogger Solar Taster