Sterownik akwariowy, część 1

Prezentowane urządzenie z powodzeniem wyręcza akwarystę z części codziennych obowiązków związanych z pielęgnacją akwarium. Nie ze wszystkich jednak, gdyż hobby to straciłoby wiele na uroku. Urządzenie pozwala natomiast raczej bez obaw pozostawić swoje akwarium bez opieki na kilka dni. Może ono sterować oświetleniem (m.in. symuluje świt/zmierzch), ogrzewaniem, chłodzeniem (wentylator, chłodnica), napowietrzaniem lub filtrowaniem, dozowaniem CO₂ (regulacja pH – zasadowości wody), dopełnianiem zbiornika, karmieniem ryb, inną funkcją związaną z zależnościami czasowymi. Dlaczego może, a nie – steruje? O tym dalej...

Jednym z celów projektu jest minimalizacja mocy strat przekształcanej na ciepło. Istotna wydaje się też minimalizacja zakłóceń wytwarzanych przez urządzenie oraz odporność na nie z zewnątrz.

Do wejść urządzenia możemy podpiąć czujnik temperatury, czujnik poziomu wody w akwarium oraz w zbiorniku zasilającym, czujniki detekcji przecieku, moduł pH-metru oraz zewnętrzne źródło zasilania. To ostatnie będzie wchodzić w grę w sytuacji, gdy wydajność wewnętrznego zasilacza (0,5 A) będzie niewystarczająca lub gdy będziemy chcieli korzystać z napięcia o innej wartości aniżeli wewnętrzne 12 VDC.

Tryb pracy (ręczny lub automatyczny) jest sygnalizowany świeceniem diody LED o odpowiednim kolorze (czerwony lub zielony/żółty). Określone wyjście możemy też zablokować na stale, co będzie sygnalizowane pulsowaniem czerwonej diody LED (blokada zaniknie, gdy nastąpi zanik i powrót napięcia sieciowego). Przełączanie trybu (automat/ręczny/blokada) odbywa się za pomocą jednego przycisku, który odpowiada danemu wyjściu. Do dyspozycji mamy 5 klawiszy, LED-y oraz wyświetlacz LCD z Nokii 3310.

Budowa sterownika

Urządzenie składa się z trzech, ewentualnie pięciu modułów: układu sterowania, zasilacza i układu wykonawczego oraz układu panelu czołowego. Dodatkowo możemy wykonać moduł monitora poziomu wody oraz moduł pH-metru. Oddzielenie układu sterowania od układu wykonawczego, czyni obsługę sterownika całkowicie bezpieczną.

Układ sterowania

Wykorzystano mikrokontroler ATmega32 zasilany przez filtr C4, L2.

Mikrokontroler jest taktowany wewnętrznym sygnałem zegarowym 8 MHz. W sterowniku zastosowałem zegar czasu rzeczywistego (DS1307) z podtrzymaniem bateryjnym. Zegar ma wbudowany detektor zaniku napięcia Vcc i gdy taka sytuacja zostanie wykryta, automatycznie przełącza się na zasilanie bateryjne. Bateria litowa 3 V umożliwia wtedy pomiar czasu oraz podtrzymuje zawartość 56-bajtowego RAM-u. Bateria o pojemności 48 mAh lub większej jest w stanie podtrzymać pracę i zawartość rejestrów zegara przez 10 lat w temperaturze otoczenia 25°C. Co jedną sekundę DS1307 generuje na pinie FT/O sygnał podawany na wejście INT0 procesora, zmuszając go m.in. do pobrania z zegara, za pośrednictwem szyny TWI (kompatybilnej z I²C), danych o czasie bieżącym. Dane te w kodzie BCD, trafiają do pamięci RAM procesora.

W przetworniku ADC wykorzystałem napięcie odniesienia równe Vcc (5 V). Wyjście wewnętrznego napięcia odniesienia AREF, dla podniesienia odporności na zakłócenia, zostało odsprzęgnięte za pomocą kondensatora C2. Przetwornik ADC, dla stabilniejszej pracy jest wyposażony również od strony zasilania w filtr (C1, L1).

Masa części analogowej jest połączona z masą cyfrową w jednym punkcie – w pobliżu punktu dołączenia napięcia zasilającego. Zapobiegamy tym samym dostawaniu się na wejścia przetwornika impulsów mogących fałszować pomiar.

Elementy C8, R24, C9, D1 stanowią obwód wejściowy przetwornika ADC procesora, za pomocą którego wykonywany jest pomiar poziomu wody w akwarium. Dioda Zenera D1 stanowi zabezpieczenie przed przedostaniem się na wejście ADC zbyt wysokiego napięcia z zewnątrz. Tranzystor Q5 jest wzmacniaczem sygnału przecieku.

Elementy R19...R21, R23, R25 oraz RN2 stanowią układ dopasowania poziomu sygnałów między mikrokontrolerem a wyświetlaczem. W naszym wypadku LCD wymaga 2,7...3,6 V, a reszta elektroniki 5 V.

Tranzystor Q1 steruje diodą LED – ALARM (panel czołowy), Q2 natomiast sygnalizatorem piezo z wbudowanym generatorem. Do wejść PA1...PA5 procesora jest podłączona „podciągająca” drabinka rezystorowa RN1 oraz przyciski znajdujące się na panelu czołowym. Wciśnięcie któregokolwiek z przycisków powoduje zwarcie wejścia mikrokontrolera do masy, co wywołuje odpowiednią reakcję programu.

Na uwagę zasługuje obwód złożony z elementów R14, R7, R15, R27, Q3, Q4 i programowanej diody Zenera – Z1. Umożliwia on skuteczną regulację jasności diod LED na panelu czołowym. O jej intensywności decyduje to, na ile spolaryzowany jest (poprzez fototranzystor OQ1) tranzystor Q3. Rezystor R15 ustala minimalną jasność (gdy sterownik znajduje się w ciemności). Dzięki omawianemu obwodowi świecące się diody sygnalizacyjne są dobrze widoczne w warunkach silnego oświetlenia zewnętrznego oraz dyskretnie, oszczędnie jarzą się w zupełnym mroku. Zastosowanie LM431 jako Z1 ma tutaj szczególne znaczenie, bowiem do zasilania anod LED-ów panela czołowego potrzebujemy napięcia stabilnego, niezależnego od prądu pobieranego przez diody (załączające się lub pulsujące diody mogłyby powodować przygasanie już świecących).

Układ wykonawczy

Można tu wydzielić sekcje: zasilacza, układu triaków sterujących obwodami prądu przemiennego, układu regulatora mocy PWM 310 VDC oraz układu sterowania obwodami niskiego napięcia.

Sekcja zasilacza

Do ochrony sterownika przed przepięciami w sieci zasilającej służy warystor VR1. Za nim jest umieszczony kondensator przeciwzakłóceniowy C7. W urządzeniu zastosowałem transformator TS12/009 (2×7,5 V – uzwojenia połączone szeregowo) o niezbyt rewelacyjnej wydajności prądowej – 0,8 A. W związku z tym przewidziałem możliwość podłączenia zasilacza zewnętrznego. Za transformatorem znajduje się bezpiecznik elektroniczny F2, mostek prostowniczy B2 oraz filtr przeciwzakłóceniowy EMI – FL1 (do tłumienia szerokopasmowych zakłóceń w paśmie 90...1000 MHz). W zasilaczu zastosowałem stabilizatory impulsowe serii LM25XX. Mając na uwadze tego typu układy warto pamiętać o właściwym doborze ich elementów wyjściowych (niska zastępcza rezystancja szeregowa kondensatora elektrolitycznego oraz mała rezystancja DC cewki).

Obwody napięcia przemiennego 230 V

Sekcja triaków jest sterowana przez optotriaki MOC 3041 (OK1...OK4). W ich strukturze znajduje się układ wykrywania przejścia wartości chwilowej napięcia sieciowego przez zero, co zapobiega generowaniu zakłóceń radioelektrycznych w momencie załączania/wyłączania sterowanych urządzeń.