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beelogger-Universal – Schaltung / Technik

Für den Aufbau eines beelogger-Universal ist von dieser Seite nur der Teil mit der Modifikation des NANO-Modul relevant.

Nachfolgend geben wir einige zusätzliche Informationen zum beelogger-Universal zur Schaltung und dem Sketch.

Der Aufbau des beelogger-Universal besteht im Wesentlichen aus den Standardanschaltungen der Sensoren und Module, wie diese in vielen Tutorials gezeigt werden.

Der Arduino Nano (ATmega 328) bezieht seine 5V Versorgung aus dem Akku über den MCP1702-5 neben der Diode.
Eine Besonderheit der verwendeten Spannungsregler MCP1702 ist deren sehr geringer Eigenverbrauch.
Dadurch ist es möglich (nach Modifikation des Arduino Nano), durch Abschalten der Versorgungsspannung aller Module und Sensoren sowie Aktivieren aller Stromsparoptionen im ATmega das System in einen Eigenstromverbrauchsmodus von unter 20uA (typisch 10uA) zu versetzen.

Zur Stromeinsparung werden in Schlafphasen alle weiteren Module und die Sensoren über den MOSFET abgeschaltet.
Das Abschalten der Versorgungsspannung erfolgt über einen P-Kanal-MOSFET (IRLIB9343/IRF5305) als High-Side-Schalter, der über einen Transistor angesteuert wird. Die Schaltung dazu findet sich an diversen Stellen im Netz.

Signalverfolgung Schaltspannung für MOSFET mit Messpunkten und Spannungsangaben

Nur für die Fehlersuche: Anschaltung MOSFET mit Messpunkten und Spannungsangaben

Platinenausschnit mit markierten Widerständen für die Batteriespannungsmessung

Widerstände für die Batteriespannungsmessung

Sonstiges:

Wesentliche Hintergrundinformation zu den Stromsparmodi des ATmega 328 stellt Nick Gammon auf seiner Webseite zur Verfügung.

Die Pegelwandlerschaltung ist dem Hardware-Manual “SIM800_Hardware_Design_V1.10.pdf” entnommen. Ihre Aufgabe ist es, die Signale der seriellen Schnittstelle zum SIM7600E, SIM800L und ESP8266, welche 3,3V Signalspannung haben, auf die 5V-Pegel des ATmega anzupassen. Für die TX-Seite des ATmega wird ein einfacher Spannungsteiler verwendet. Der RX-Zweig verwendet für SIM800L/ESP8266 hingegen einen Transistor in Kollektorschaltung.
Das Reset-Signal wird ebenfalls über einen Spannungsteiler geführt, der zusätzlich eine Diode verwendet, um den Low-Pegel am SIM800L/ESP8266 zu erreichen.

Die 5V Versorgung des beelogger Universal darf mit maximal 150mA belastet werden.
Der 3,3V Spannungsregler dient allein der Versorgung des ESP8266 und der Pegelwandlerschaltung bei SIM800L/ESP8266.

Funktionsweise des beelogger-‘Multi’-Sketch ist hier beschrieben.

 

Arduino Nano modifizieren um Strom zu sparen

Für den stromsparenden Einsatz des NANO bzw. des ProMini Modul sind Anpassungen auf den Modulen vorzunehmen. Damit wird der im beelogger-Betrieb nicht benötige USB-Schnittstellenbaustein nur noch bei angestecktem USB mit Spannung versorgt und unnötige Stromverbraucher still gelegt.
Nach diesen Modifikationen kann der Nano weiterhin über die USB-Schnittstelle programmiert werden.

NANO Module mit dem USB-Schnittstellenbaustein CH340 C/G Chip können relativ einfach modifiziert werden.
Arduino NANO mit FTDI-Chip (28 polige IC, FT232 Chip) können nicht mit vertretbarem Aufwand in stromsparende Varianten umgebaut werden.
USB-Schnittstellenbausteine ohne erkennbaren Schriftzug oder anderer Bezeichnung nicht nach dieser Anleitung modifizieren.

 

Das Arduino-Nano-Modell hat einen Stromverbrauch im Normalbetrieb von 24,7 mA. Um im täglichen beelogger-Einsatz Strom zu sparen kann man mit einigen Handgriffen den Stromverbrauch senken.

Bei dem hier gezeigten Nano-Modell müssen zunächst drei der vier markierten SMD-Widerstände auf der Oberseite ausgelötet werden, damit  werden die LED’s POW,RX,TX deaktiviert.
Weitere Beispiele unten auf dieser Seite.
Der Widerstand neben LED ‘L’ kann eingelötet bleiben. Die LED ‘L’ zeigt Aktivität beim Reset, dem Laden von Sketchen und das Schreiben auf eine ev. genutzte SD-Karte an.

 

Der verbaute Spannungsregler (AMS 1117) hat einen hohen Strombedarf, auch wenn der ATmega im Low-Power/Sleep -Zustand ist.
Die 5V Spannungsversorgung des Nano wird beim beelogger-Universal mit dem MCP1702-5 zur Verfügung hergestellt. Der On-Board-Regler wird nicht benutzt. Das Modifizieren spart hier etliche Milliampere.
Dazu auf der Unterseite der Platine einen Pin des Festspannungsreglers (dicke gelbe Markierung) mit einen kleinen Seitenschneider (auch Nagelklips) durchtrennen. Den verbliebenen Teil des Pin von der Platine ablöten.
Die rote Verbindung rechts im Bild ist nur bei vollständigem Entfernen des AMS117 notwendig.

USB-Schnittstellenbausteine ohne erkennbaren Schriftzug oder anderer Bezeichnung nicht nach dieser Anleitung modifizieren.

Damit der USB-Schnittstellenbaustein CH340C oder CH340G von der Versorgung des ATmega getrennt wird, muss die Verbindung zwischen beiden getrennt werden.
Hierzu die Verbindung (grüne Linie im gelben Kreis auf der linken Seite) z.B. mit einem Cuttermesser auftrennen. Die Spitze des Cuttermesser entlang der grünen Linie in der gelben Ellipse aufsetzen und in die Leiterbahn drücken. Unmittelbar daneben einen zweiten Schnitt durchführen.
Damit der CH340C / CH340G weiterhin über den USB-Stecker mit Spannung versorgt wird, ist die rote Verbindung links im Bild herzustellen.
Für die Verbindungen eignet sich am besten ein dünner Draht, z.B. Kupferlackdraht (Fädeldraht), dessen Ende in heissem Lötzinn abisoliert und vorverzinnt wird. Auch möglich aus einer flexiblen Leitung ein Drähtchen entnehmen und verwenden/anlöten, mit etwas Nagellack sichern.
Dickere einadrige Drähte, z.B. aus Klingel oder Telefonleitung, sind ungeeignet.
Die Drahtverbindung vor dem Anlöten passend zurechtbiegen und ablängen.
Den Draht zuerst an der Diode anlöten, dann passend zum IC-Pin hinbiegen, ggf. nochmal ablängen, und anlöten.

Eine andere Möglichkeit den Schnittstellenbaustein von der Schaltung abzutrennen ist das Anheben des IC-Pin. Während die Lötstelle erhitzt wird, kann der IC-Pin, z.B. mit einer unter den IC-Pin geschobenen Stecknadel, leicht hochgebogen werden.
Danach ist die Drahtverbindung, wie im nachfolgenden Bild gezeigt, zur Diode einzubauen. Den Einbau der Drahtverbindung immer an der Diode beginnen, damit der Draht dann passend zum IC hin gebogen werden kann.
Die im nachstehenden Bild gezeigte Verbindung zum Kondensator (C106) ist möglich, wenn der Kondensator im Layout mit der Anode der Diode direkt verbunden ist, siehe orangefarbene Messpunkte im Bild oben. Dies kann mit einem Ohmmeter kontrolliert werden.

 

Diese Platine mit anderem Layout kann nur durch anheben des Pin am CH340C/G und einbauen der Verbindung (grüne Linie)  modifiziert werden.

NANO mit CH340G, notwendige Modifikationen

Nano Clone, notwendige Modifikationen

Nano Clone mit eingelöteter Verdrathung

Modifizierter Nano, vielen Dank an Dominik

 

Eine weitere Variante, bei der die Trennung der Leiterbahn am CH340C/G-Chip nicht durchgeführt werden darf. Hier ist der Pin abzuheben.

Der Pin des Spannungsregler und des CH340C/G sind angehoben.


Modifizierter Nano, Dank an Marcel

 

ProMini modifizieren

Für die Nutzung des Pro Mini sind zwei Verbindungen an der Platinenunterseite aufzutrennen. Diese sind mit einen * an Lötpunkten für A4 und A5 gekennzeichnet.
Über eine Verbindung der Lötpunkte kann das Auftrennen jederzeit rückgängig gemacht werden.
Damit die Leitungen A4,A5 der Pro Mini-Platine mit der beelogger-Universal verbunden werden, sind in der Pro Mini-Platine bei A4,A5 zwei Stifte einzulöten (siehe grüne Kreise im Bild) und passend in der beelogger-Platine bei A4,A5 ein Stück Buchsenleiste.

 

Der Pro Mini muss für den beelogger-Universal im erweiterten Aufbau zum Stromsparen ebenfalls modifiziert werden. Der Umbau gestaltet sich im Vergleich zum Nano aber deutlich einfacher, weil nur der Spannungsregler und die LED/Widerstand entfernt werden muss, siehe rote Pfeile. Im Netz finden sich gute Anleitungen dazu. Hier ein Bild eines modifizierten Pro Mini.

Pro Mini modifiziert

Pro Mini modifiziert

Mit dem Pro Mini ergeben sich Änderungen in der Pin-Belegung. Dies ist in den Sketchen zu berücksichtigen. Die Änderungen in der beelogger_config.h:
byte HX711_SCK[3] = {10, A6, A6};   // HX711 Nr.1: A,B; HX711 Nr.2: A,B S-Clock
byte HX711_DT[3]  = {11,  A7, A7};   // HX711 Nr.1: A,B; HX711 Nr.2: A,B Data
#define Batterie_messen A2
#define Solarzelle_messen A3
#define ESP_RESET 12
#define GSM_Power_Pin 12

Für weitere Informationen hierzu Mail an support@beelogger.de