Sterownik akwariowy v2.0

Cele

Celem projektu jest budowa sterownika akwariowego, którego zadaniem będzie:

sterowanie oświetleniem – włączenie i wyłączenie o ustalonej porze,
kontrola temperatury wody w zbiorniku i jej prezentacja na wyświetlaczu LCD,
sterowanie grzałką celem utrzymania zadanej temperatury w zbiorniku,
niezależne włączanie i wyłączanie dwóch urządzeń co określony interwał czasu w cyklu dobowym.

Zmiany w wersji 2.0

Sterownik jest nową wersją układu opianego w artykule “Sterownik akwariowy v1”.
Naniesione zmiany:

transformator na płycie układu,
zmiana ścieżek na PCB – zwiększenie separacji między obwodami wysokiego i niskiego napięcia,
zmiana mikrokontrolera z PIC18F4550 na PIC16F877A,
klawiatura sterująca podłączona do przetwornika analogowo cyfrowego (zastąpienie czterech kabli – dwoma),
wyprowadzenie na płycie głównej trzech przetworników analogowo cyfrowych (jeden zarezerwowany do obsługi klawiatury),
rezygnacja z portu USB, zastąpienie portem UART,
możliwość użycia sprzętowego PWM do sterowania oświetleniem (płynne rozjaśnianie/ściemnianie) i grzałką,
rezygnacja z odczytu temperatury pomieszczenia,
złącze programatora zgodne z ICSP PicProg3.

1. Projekt PCB

Urządzenie zostało zaprojektowane z zastosowaniem podzespołów montowanych metodą przewlekaną (THT). Płyta PCB jest z jedną warstwą ścieżek, jej rozmiar wynosi 135mm na 95mm.

Rys. Projekt PCB urządzenia wraz z rozmieszczeniem podzespołów.

Rys. Płyta główna sterownika akwariowego.

2. Podzespoły urządzenia

Głównym podzespołem jest mikrokontroler PIC16F877A, sterujący przekaźnikami i triakami uruchamiającymi zewnętrzne urządzenia. Jego zadaniem jest również odczyt bieżącej temperatury z czujnika DS18B20, odczyt czasu rzeczywistego z zegara DS1307 i prezentacja danych na wyświetlaczu LCD.

Tab. Wykaz podzespołów

Oznaczenie	Wartość
R2,R3	10k
R1, (R4), R5, R6, (R7), (R9)	4,3k
R8	4,7k
R14, R16, R15	470
R10, R11, R12, R13	360
C1, C2	22pF
C3	100nF
C4	100uF
C5, C6	470uF
U1	PIC16F877A (mikrokontroler)
U2	DS1307 (zegar czasu rzeczywistego)
BAT	CR2032 (bateria 3,3V)
BUZZ	HCM1005 (brzęczyk 5V)
(montowany poza płytą)	DS18B20 (czujnik temperatury)
U5, U6	BTA16-6008 (triak)
U3, U4	MOC3061
U7	LM7805 (stabilizator napięcia 5V)
Q1, Q2, Q3	2N3904 (tranzystor)
D4	mostek prostowniczy
D1, D2, D3	1N4004 (dioda prostownicza)
	HFKW 005-1ZW (przekaźnik 5V)
X1	20MHz (kwarc)
X2	32,768 kHz (kwarc)
J1, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8, J9, J10	listwa kołkowa
(montowany poza płytą)	WC1602A0

2.1. Złącza

Rys. Płyta główna z podłączonymi urządzeniami zewnętrznymi

Tab. Oznaczenia złącz

Oznaczenie	Funkcja
I2C	Szeregowa magistrala danych I2C
1W	Magistrala 1Wire do podłączenia czujnika temperatury
ICSP	Łącze programatora mikrokontrolera ICSP
LCD	Gniazdo wyświetlacza LCD
Key	Gniazdo klawiatury
R1	Wyjście pierwszego przekaźnika, włącz/wyłącz urządzenie zewnętrzne
R2	Wyjście drugiego przekaźnika, włącz/wyłącz urządzenie zewnętrzne
La	Gniazdo oświetlenia (230 VAC)
Gr	Gniazdo grzałki (230 VAC)
Zas	Gniazdo zasilania 230 VAC

2.2. Mikrokontroler

Czterdziestopinowy mikrokontroler PIC16F877A o mocy obliczeniowej 5 MIPS. Został wyposażony przez producenta między innymi w PWM, magistralę I2C oraz w dziesięcio bitowy ośmiokanałowy przetwornik analogowo cyfrowy. Pracuje w przedziale napięć od 2V do 5,5V. Oddaje do dyspozycji 14KB pamięci programu typu Flash i 368 B pamięci RAM. Posiada dwa timery 8 bitowe i jeden timer 16 bitowy.

Rys. Wyprowadzenia PIC16F877A (źródło: Nota Katalogowa).

2.3. Zegar czasu rzeczywistego

Układ scalony DS1307 jest zegarem czasu rzeczywistego. Mikrokontroler odczytuje aktualny czas z zegara za pośrednictwem magistrali I2C. W przypadku zaniku zewnętrznego zasilania, zegar automatycznie przełącza się na zasilanie awaryjne z baterii 3,2V.

Rys. Zegar czasu rzeczywistego DS1307.

2.4. Czujnik temperatury

Odczyt temperatury realizowany jest za pomocą czujnika DS18B20. Komunikacja między mikrokontrolerem a czujnikiem odbywa się po magistrali 1Wire, która umożliwia jednoczesne podłączenie wielu czujników. Jeden układ zainstalowany jest na płycie modułu, czujnik temperatury wody w zbiorniku należy podłączyć do złącza 1Wire (rozdział 2.1).

Rys. Wyprowadzenia układu DS18B20

2.5. Przekaźniki

Dwa przekaźniki typu HFKW 005-1ZW sterowane napięciem 5V przez tranzystory 2N3904 włączają zewnętrzne urządzenia sterowane napięciem stałym bądź zmiennym.

2.6. Triaki

Dwa triaki typu BTA16-6008 w obudowie TO-220 o maksymalnym obciążeniu prądem 16A i maksymalnym napięciu 600V (według noty katalogowej) są sterowane przez mikrokontroler za pośrednictwem optoizolatora MOC3063. Pełnią funkcję sterowania oświetleniem i uruchamiania grzałki.

Rys. Sterowanie triakiem przez optoizolator MOC3063 (źródło: Nota Katalogowa).

Triaki zostały wyposażone w chłodzenie radiatorami typu FK237 o rezystancji termalnej 21°C/W.

Rys. Radiator FK237 (źródło: Nota Katalogowa).

2.7. Wyświetlacz LCD

W urządzeniu zastosowano dwuliniowy wyświetlacz znakowy z wbudowanym podświetlaniem ekranu o oznaczeniu WC1602A0. Jest on podłączany do gniazda wyświetlacza na płycie PCB (rozdział 2.1).

Rys. Schemat podłączenia wyświetlacza LCD do portów mikrokontrolera

Tab. Wykaz połączeń wyświetlacza LCD

Wyprowadzenie wyświetlacza	DB4	DB5	DB6	DB7	E	RS	RW	GND	Ucc	Uo	A	K
Pin wyświetlacza	11	12	13	14	6	4	5	1	2	3	15	16
Pin gniazda wyświetlacza	6	7	8	9	5	3	4	2	1	2	10	2
Wyprowadzenie mikrokontrolera	D4	C5	C4	D3	D5	D7	D6	GND	5V	GND	D2	GND

2.8. Klawiatura

Urządzenie zostało wyposażone w klawiaturę.

Tab. Funkcje przycisków

	Lewy	Środkowy	Prawy
Funkcja w głównym menu	Przesuń w dół	Zatwierdź	Przesuń w górę
Funkcja w wybranej funkcjonalności	Minus	Zatwierdź	Plus

3. Obsługa urządzenia

3.1. Uruchomienie urządzenia

Podczas uruchomienia urządzenie wykrywa podłączony czujniki temperatury, podsumowując operację stosownym komunikatem na wyświetlaczu.

Pierwsze uruchomienie wymaga konfiguracji urządzenia:

Należy ustawić żądaną temperaturę utrzymywaną poprzez automatyczne włączenie i wyłączenie grzałki. By zdefiniować temperaturę należy wejść do “Menu” a następnie wybrać opcję “Temperatura”.
Należy podać aktualną godzinę i minuty, gdyż na podstawie zegara czasu rzeczywistego uruchamiane jest; oświetlenie, przekaźnik 1, przekaźnik 2.
Po dokonaniu powyższych ustawień możliwe jest definiowanie czasu włączenia oświetlenia i uruchomienia przekaźników.

3.2. Menu

Wejście do “Menu” urządzenia dokonywane jest po kliknięciu “lewego” lub “prawego” przycisku klawiatury (rozdział 2.8). Przejście do kolejnych funkcji menu

3.2.1. Opuść Menu

Wybranie opcji “Opuść Menu” powoduje wyświetlenie “Panela stanu urządzenia” (rozdział 3.3).

3.2.2. Temperatura

By ustawić temperaturę, która ma być utrzymywana przez urządzenie należy wejść do “Menu” (rozdział 3.2) i wybrać opcję “Temperatura”. Następnie kliknąć przycisk “Zatwierdź”. Ustawić temperaturę poprzez inkrementację lub dekrementację aktualnej wartości przyciskami “lewy”, “prawy”. Potwierdzenie aktualnej nastawy dokonywane jest kliknięciem przycisku “środkowy”.

3.2.3. Włączenie oświetlenia

Automatyczne włączenie oświetlenia odbywa się o ustalonej godzinie i minucie. Po wejściu do “Menu” (rozdział 3.2) i wybraniu opcji “Wl.oswietlenie”, kliknięciu przycisku “Zatwierdź” należy ustawić godzinę i minutę poprzez inkrementację lub dekrementację aktualnej wartości przyciskami “lewy”, “prawy”. Potwierdzenie nastaw godzin i minut dokonywane jest kliknięciem przycisku “środkowy”.

3.2.4. Wyłączenie oświetlenia

Automatyczne wyłączenie oświetlenia odbywa się o ustalonej godzinie i minucie. Po wejściu do “Menu” (rozdział 3.2) i wybraniu opcji “Wyl.oswietlenie”, kliknięciu przycisku “Zatwierdź” należy ustawić godzinę i minutę poprzez inkrementację lub dekrementację aktualnej wartości przyciskami “lewy”, “prawy”. Potwierdzenie nastawy godzin a następnie minut dokonywane jest kliknięciem przycisku “środkowy”.

3.2.5. Przekaźnik 1

Automatyczne włączenie przekaźnika1 następuje z określonym interwałem czasowym podawanym w godzinach od chwili zapisania ustawienia. Po wejściu do “Menu” (rozdział 3.2) i wybraniu opcji “Przekaznik 1” poprzez kliknięcie przycisku “Zatwierdź” należy ustawić wartość interwału poprzez inkrementację lub dekrementację aktualnej wartości przyciskami “lewy”, “prawy”. Potwierdzenie nastawy dokonywane jest kliknięciem przycisku “środkowy”.

3.2.6. Przekaźnik 2

Automatyczne włączenie przekaźnika2 następuje z określonym interwałem czasowym podawanym w godzinach od chwili zapisania ustawienia. Po wejściu do “Menu” (rozdział 3.2) i wybraniu opcji “Przekaznik 2” poprzez kliknięcie przycisku “Zatwierdź” należy ustawić wartość interwału poprzez inkrementację lub dekrementację aktualnej wartości przyciskami “lewy”, “prawy”. Potwierdzenie nastawy dokonywane jest kliknięciem przycisku “środkowy”.

3.2.7. Zegar

Ustawienie zegara czasu rzeczywistego następuje poprzez wejście do “Menu” (rozdział 3.2), wybranie opcji “Zegar” i kliknięcie przycisku “Zatwierdź”. Należy ustawić godzinę i minutę poprzez inkrementację lub dekrementację aktualnej wartości przyciskami “lewy”, “prawy”. Potwierdzenie nastawy godzin a następnie minut dokonywane jest kliknięciem przycisku “środkowy”.