Dimmen ohne Triac

DSC_4883Als klassische Variante, einen ohmschen Netzverbraucher (z.Bsp. Glühlampen) in ihrer Helligkeit zu steuern, wird üblicherweise ein Triac in einer Phasenanschnitt- oder Phasenabschnittsteuerung verwendet. Diese Schaltung ist einfach aufzubauen, kostet wenig und man kann durch Änderung der Zeitkonstante eines RC-Gliedes (durch Ändern des Widerstandes mit Hilfe eines Potentiometers) die Spannungsform an der Last beeinflussen. Dies geschieht durch „An- oder Abschneiden“ der „Sinuswelle“ zu einem gewünschten Zeitpunkt. Die daraus resultierende, verbleibende „Wellenform“ versorgt die Last mit Energie. Da die „Sinuswelle“ nun jedoch nicht mehr „vollständig“ ist, ist auch die effektiv übertragene Energie zur Last kleiner. Das bedeutet weniger Spannung liegt an der Lampe an. Somit sinkt auch die Lampenhelligkeit. Hierzu findet man reichlich Informationen im Netz. Will man eine solche Phasenanschnittsteuerung nun jedoch nicht mit einem Potentiometer steuern, sondern mit einem Microcontroller oder einer externen analogen Spannung von zum Beispiel 0-5V, so ist hier ein erweiterter Schaltungsaufwand notwendig.

Auf eine ganz andere Weise ist die hier dargestellte Schaltung aufgebaut. Hier wird nicht mit einem Triac die negative bzw. positive Halbwelle angeschnitten, sondern mit einem FET der Pfad in einem Brückengleichrichter durchgeschaltet. Der FET selbst wird per PWM (PulsWeitenModulation) angesteuert. Die PWM wiederum erzeugt der Einfachheit halber ein Atmega Microcontroller. Durch die frei wählbaren PWM Grundfrequenzen sind hier sehr schnelle und somit auch flackerfreie Schaltvorgänge realisierbar.

_20151123_104151Die Skizze soll die simple Funktionsweise veranschaulichen: Im Bild ist der Stromkreis dargestellt. Der Verbraucher liegt in Serie mit dem Brückengleichrichter an der Phase L und dem Neutralleiter N. Im Querpfad des Brückengleichrichters befindet sich ein Schalter (in der realen Anwendung ein angesteuerter Mosfet). Wird der Schalter S nun nicht betätigt, bleibt also offen, kann durch die Dioden kein Strom fließen. Weder die positive noch die negative Halbwelle finden einen geschlossenen Stromkreis.  Anders sieht es jedoch aus wenn der Schalter S geschlossen wird. Dies ist in der rechten Skizze dargestellt. Der Strompfad einer Halbwelle ist in Rot, der der anderen Halbwelle in blau dargestellt. Der Strom fließt und die Lampe leuchtet. Das Besondere daran ist es nun, verfolgt man die Stromrichtung beider Halbwellen durch den Schalter, so kann man erkennen, dass bei beiden Halbwellen dieselbe Stromrichtung vorliegt. Damit ist es nun möglich mit einem Transistor oder FET, eine Wechselspannungsquelle zu schalten. Das Ein/Aus Verhältnis (also PWM) des Schaltsignals, kann somit wieder die effektive Spannung an der Last beeinflussen.

dimmerUnd genau eine solche Schaltung habe ich hier aufgebaut. Der Atmega-Microcontroller erzeugt ein PWM Signal, das über einen Optokoppler den Mosfet ansteuert. Somit sind ganz einfach per Software alle möglichen Schalt- und Dimm-Szenarien realisierbar. (z.Bsp. Steuerung der Lampenhelligkeit über eine Analogspannung am ADC des µC …)

 

 

 

DSC_4882Im Bild rechts ist ein Testaufbau des Dimmers (Laststellers) dargestellt. Die Versorgungsspannung des µC wird hier noch durch einen AC/DC Converter realisiert, um eingangsseitig eine galvanische Trennung vom Netz herzustellen.

Raspberry als Datenlogger Teil2…Die Sensoren und Python

DSC_4789
Raspberry PI samt Powerbank im Gehäuse

In Teil1 dieses Projektes haben wir dem Raspberry ein Betriebssystem verpasst und das ein wenig für die Anwendung aufbereitet. Wir wollen ja an den PI mehrere Sensoren anschließen und diese dann zyklisch auslesen und die Daten in einer Datei auf einem USB-Stick speichern. Die Aufzeichnung soll so lange laufen, bis ein Taster gedrückt wird, der den Prozess beendet. Die einzige Anzeige des PI sind zwei Leuchtdioden, die, sowie auch der Taster, an die GPIOs des PI angeschlossen sind. Darum haben wir folgende Punkte bereits erledigt:

  • Die PI Platine gemeinsam mit einer USB Powerbank in ein Gehäuse eingebaut
  • Anschlüsse wie Ethernet, USB, HDMI durch Ausschnitte im Gehäuse nach außen geführt
  • Zwei Leuchtdioden und einen Taster ins Gehäuse eingebaut und auf die GPIOs geschaltet
  • Den I²C Bus des PI auf eine Buchse im Gehäuse geführt
  • Eine MicroSD Karte mit einem Raspi-Wheezy Image bespielt
  • Einen USB-Stick mit FAT32 formatiert
  • Das Betriebssystem soweit konfiguriert, dass das Filesystem für den Stick, alle Module für den I²C, sowie Python geladen werden.
DSC_4790
Raspberry PI im Plastikgehäuse

Der Pi sieht fertig zusammengebaut nun so aus (siehe Bild rechts). Nun können die Sensoren angeschlossen werden. In diesem Fall handelt es sich um Luftfeuchtigkeits-/Temperatursensoren mit der Bezeichnung HYT939 des Herstellers Hygrochip. Hier ein Auszug der technischen Daten aus dem Datenblatt des Herstellers:

Ausführung: Feuchtesensor im TO39 Gehäuse, druckfest, mit Edelstahl-Sinterfilter
Genauigkeit:
Feuchte ±1,8% rF, Temperatur ±0,2 °C
Genauigkeit 0…10% rF (0 … 50°C): ±(0,1% rF + 17% aw)
Messbereich: Feuchte 0 … 100% r.F. (max. dp = +80 °C), Temperatur – 40 … +125 °C
Abmessungen: 5,2 x 9 mm
Anschlüsse: TO 39 Footprint
Auflösung Feuchte: 0,02% rF
Hysterese bei 50% rF: < ±1% rF
Linearitätsfehler: < ±1% rF
Ansprechzeit t63: < 10 sec (Mit Edelstahl-Sinterfilter)
Auflösung Temperatur: 0,015 °C
Digitale Schnittstelle: I2C, Adresse 0x28 oder Alternativadresse
Betriebsspannung: 2,7 … 5,5 V
Stromaufnahme (typ): < 1µA in Bereitschaft < 22µA bei 1Hz Messrate 850 µA maximal

DSC_4792
HYT939 Sensor

Eine kleine Platine dient als „Sensorboard“. Hier besteht die Möglichkeit, vier HYT´s anzustecken. Natürlich müssen auch die Adressen der Sensoren unterschliedlich sein. Der HYT939 ist per default auf hex 0x28 eingestellt. Will man diese Deviceadresse ändern, so muss der der HYT in den Command-Mode versetzt werden, um dann die Konfigurationsdaten empfangen und in sein EEprom schreiben zu können. Dazu muß der Sensor innerhalb der ersten 10ms nach seinem PowerUp in den Command-Mode gebootet werden. Das lässt sich am einfachsten mit einem ArduinoUno bewerkstelligen… Dabei wird der Powerpin des HYT über einen Digital Out Pin des Arduino versorgt. So ist es möglich, das Timing genau einzuhalten und den Command Mode zu erreichen.

Nachdem der Sensor nun an den Raspberry angeschlossen ist, fehlt nur mehr ein Programm, um ihn oder auch mehrere anzusteuern und auszulesen. Hier verwende ich den Python Interpreter. Damit lassen sich auf einfache Weise die Daten auslesen und auch auf Datenträgern speichern. Das „Programm“ besteht aus zwei Teilen:

  • Hauptscript: beinhaltet nur eine Endlosschleife, die die LEDs steuert, den Taster abfragt, die Sensorfunktion aufruft, deren ausgelesene Werte übergibt, aufbereitet und auf den Stick speichert.
  • Funktion Sensor auslesen: addressiert den I²C Bus, liest die Sensordaten aus, rechnet sie in lesbare Werte um und übergibt den Output an die Funktion
# /usr/bin/python
# License: GPL 2.0
# edited by Ingmar B. Aug.2015

import os
from time import *
import time
import threading
import hyt939o 
import RPi.GPIO as GPIO

# Setup LED Ports (pin12 = LED rot, pin18 = LED gruen)
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(12, GPIO.OUT)
GPIO.setup(18, GPIO.OUT)
GPIO.setup(16, GPIO.IN)

# LED Gruen einschalten sobald das Script gestartet ist
GPIO.output(18, GPIO.HIGH)

#gpsd = None #seting the global variable
address = [0x2a, 0x29] 
#hyt939 = [0, 0]
hum = [0, 0]
temphyt = [0, 0]
loopon = True         #set variable for loop
i=1             #counter for address selection
os.system('clear')     #clear the terminal (optional)
 
while loopon:
        # bei beginn des auslesens aller daten die rote Led einschalten
    GPIO.output(12, GPIO.HIGH)
    if GPIO.input(16)== GPIO.HIGH:
      loopon = False
        os.system('clear')
         
      # Variablen fuer Sensor HYT 939 uebergeben 
    for i in range(2):
                
        hyt939=hyt939o.ReadMeasurement(address[i])            
        time.sleep(0.1)
        hum[i]=hyt939[0]
        temphyt[i]=hyt939[1]
      
                print '--------------------------------------- '
            print 'SENSORS reading Sensor Nr.:' , i
            print
            print 'humidity    hyt939         ' , hum[i]
            print 'temperature hyt939         ' , temphyt[i]
            print '--------------------------------------- '
            print
    print 'data to write:' , str(hum[0]), str(temphyt[0]), str(hum[1]), str(temphyt[1])
    print ("date :" + time.strftime("%x"))         
        print ("time :" + time.strftime("%X"))
    print
    date = time.strftime("%x")
    zeit = time.strftime("%X")
    
      ## write all data to usbstick
      
        fileout = open("/media/usbstick/wetterfrosch.txt", "a")

    time.sleep(0.1)

        fileout.write(date+";"+zeit+";"+str(hum[0])+";"+str(temphyt[0])+";"+str(hum[1])+";"+str(temphyt[1])+"\n") 
    
        time.sleep(0.1)
        fileout.close()
        time.sleep(0.1)

      # nach schreiben bzw auslesen der daten rote LED wieder abschalten
        GPIO.output(12, GPIO.LOW)
        time.sleep(0.8) #set to whatever

GPIO.output(18, GPIO.LOW) # gruene Led ausschalten

print "Ende"

Das folgende Listing liest den Sensor aus:

# Reading mesaurements from HYT 939 humidity and temperature sensor
# First Version by Caerandir May 2014 modified by i.bihlo 2015

import smbus, time
bus = smbus.SMBus(1)    # Raspberry Rev. 2
address = 0x28          # Fixed default address of HYT 939

# Initialize sensor to acquire measurements
def MeasurementRequest():
        void = bus.write_quick(address)
    time.sleep(0.1)

# Read Humidiy and Temperature to 14 bit accuracy
def ReadMeasurement():
    void= bus.write_quick(address)

    time.sleep(0.1)    
        # Acquire 4 byte from sensor
        #time.sleep(0.1)
    Readout = bus.read_i2c_block_data(address,0,4)

    # Calculiere die relLF in % aus den vier Bytes in "Readout"
    RelHum = Readout[0]<<8 | Readout[1]
    RelHum = RelHum & 0x3FFF
    RelativeHumidity = 100*RelHum/(2**14)

    # Calculiere die Temperatur vom Sensor
    Readout[3] = Readout[3] & 0x3F
    temp = Readout[2]<<6 | Readout[3]
    Temperature = 165.0*temp/(2**14)-40
       
        print "Hrel: ", RelativeHumidity, " %"
        print "T: ", Temperature, " C"

        return RelativeHumidity, Temperature

MeasurementRequest()
time.sleep(0.2)

ReadMeasurement()

 

Eine Versuchsmessung über einen Tag und eine Nacht mit drei Sensoren hat folgendes Ergebnis geliefert. Hier sind die Temperaturwerte der Sensoren dargestellt. (Die Daten vom USB-Stick wurden mit Matlab importiert und daraus ein Plot erstellt.)

temperature_3sensoren

Raspberry als Datenlogger Teil1…Das Betriebssystem einrichten

Der Raspberry Pi ist ja mittlerweile ein bekannter und beliebter Scheckkartenplatinen-Computer mit dem sich allerlei anstellen lässt. Vom TV-Frontend mit Kodi, über Spielekonsolenemulatoren mit Retropi bis hin zum Bürorechner, ist damit fast alles möglich. In diesem Projekt möchte ich vorstellen, wie mit Hilfe des Raspberry Pi Model2 physikalische Größen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit gemessen und auf einem Speichermedium geloggt werden. Und zwar mit einem Feuchtesensor der Type HYT939 der am I²C Bus angeschlossen wird, genauer gesagt: mehrere I²C Feuchtesensoren am Bus…

DSC_4789Wir beginnen zuallererst mit der Versorgung des Raspberry PI. Im Bild ist ein Pi2 in ein einfaches Kunststoffgehäuse eingebaut und an eine 2Ah USB-Powerbank von RS-Components angeschlossen. Der Ladeanschluss der Powerbank ist vom Gehäuse nach aussen geführt. So kann der Pi wahlweise über die Powerbank (mit einer nicht rechenintensiven Anwendung bis zu 3h) oder über eine externe USB-Versorgung (z.Bsp. einem Handyladeadapter) betrieben werden. Der I²C Bus des PI (Pin 3 SDA und Pin 5 SCL sowie Pin 2,4 +5V und GND an Pin 6,14…) ist auf einen RJ Stecker im Gehäuse ausgeführt. Um später irgendwelche Statusmeldungen ausgeben zu können, sind zwei LEDs an die GPIOs 24 und 18 (an Pin18 und Pin12) angeschlossen. Ein weiterer GPIO wird über einen 22k Pulldown-Widerstand an einen Taster an 5V geschaltet. (GPIO23 an Pin16).

Für die USB Anschlüsse, Ethernet und HDMI wurden im Gehäuse passende Ausschnitte gemacht, an eine USB Schnittstelle ein Keyboard und an den HDMI Port ein Monitor angeschlossen. Die LAN Verbinung mit Internetzugang sollte auch hergestellt sein, um nach der Ersteinrichtung die benötigten Module und Updates laden zu können.

Jetzt fehlt nur noch das Speichermedium mit Betriebssystem. Der PI2 ist mit einem Micro-SD Slot ausgestattet. Ich habe hier eine 4GB Micro SD mit einem raspian-wheezy image bespielt. Um das Imagefile auf einfache Weise auf die SD-Karte zu bekommen, empfiehlt es sich, das Tool win32diskimager zu verwenden. Ist die Speicherkarte dann fertiggestellt, kann man beginnen.

Der Raspberry zeigt nach dem Einschalten kurz seinen Farbverlauf und dann beginnt auch schon der Bootprozess. Ist der dann beendet, so startet das OS am PI erstmal eine Setup-Routine.

Hier sind nun folgende Schritte durchzuführen:

  • im Menu internationalisation options unter I1 die entsprechenden locals einstellen -> DE_UTF_8
  • in advanced options unter A2… einen Hostname vergeben z.Bsp.:“raspisensor“, in A4… SSH enablen, in A7 …I²C enablen und „load per default“ und in A8 … „serial enable“ und „login shell“ aktivieren
  • dann noch expand  filesystem wählen damit der Speicherplatz der gesamten SD-Karte genutzt wird
  • jetzt noch mit finish -> reboot neu starten

Jetzt fährt der PI wieder hoch und bleibt beim Login-Prompt stehen. Mit login: pi und dem passwort: raspberry loggt man sich nun ein. Mit den folgenden Kommandos werden Updates und benötigte Module installiert:

sudo apt-get update
sudo apt-get install python-smbus    
(installiert den system management bus)
sudo modprobe i2c_bcm2708             (kernelmodule für I²C von Hand laden)
sudo modprobe i2c_dev
lsmod                                                         (geladene Module listen)
sudo i2cdetect -y 1                                  (I²C ports scannen)

Es empfiehlt sich, die Kernelmodule per Autostart zu laden. Das geht wie folgt:

sudo nano /etc/modules                        (mit dem Nano-Editor die Datei modules öffnen …)

dann folgende Zeilen hinzufügen:

i2c_bcm2708
i2c_dev

dann mit STRG+X den Editor beenden und bei Speichern JA wählen.
danach mit:

sudo nano /etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf

überprüfen, ob hier bereits ein Eintrag „blacklist i2c-bcm 2708“ existiert.
Falls ja, ist der auszukommentieren oder zu löschen.

jetzt wieder neustarten mit:

sudo shutdown -r now

danach wieder einloggen und mit

lsmod

überprüfen ob die gwünschten Module korrekt geladen sind.

Da wir später die Daten von den Sensoren in eine Datei loggen wollen und diese Datei auf einem USB-Stick gespeichert werden soll, sind folgende Schritte notwendig:

  • einen USB-Sick mit FAT32 Filesystem auf einem Windowsrechner formatieren
  • auf dem PI das Filesystem FAT32 installieren
  • den Stick in den PI stecken und die Mountlist um den Stick erweitern

Zuerst laden und installieren wir das Filesystem:

sudo apt-get -y install ntfs-3g hfsutils hfsprogs exfat-fuse

dann legen wir folgendes Verzeichnis an:

sudo mkdir /media/usbstick (usbstick dient hier als beispielname…)

sudo blkid -o list -w /dev/null

(listet die IDs der Datenträger auf -> unser Stick sollte in der Liste als vfat mit einer ID in dem Format XXXX-XXXX erscheinen)

sudo mount -t vfat -o utf8,uid=pi,gid=pi,noatime /dev/sda /media/usbstick

nun öffnen wir folgende Datei mit dem Editor:

sudo nano -w /etc/fstab

die ID des USB-Sticks von vorher tragen wir nun samt folgender Zeile ein und speichern dann wieder ab:

UUID=XXXX-XXXX /media/usbstick/ vfat utf8,uid=pi,gid=pi,noatime 0

weiter geht’s mit der Einrichtung der GPIOs und den Python libraries:

sudo apt-get install python-dev
sudo apt-get install python-rpi.gpio

Noch ein paar allgemeine Einstellungen:

sudo nano /etc/networks/interfaces  (Wir wollen eine fixe IP Adresse vergeben, um später einfach per SSH auf den PI zugreifen zu können)

folgende Zeile ersetzen:

iface eth0 inet dhcp

durch:

iface eth0 inet static
address xxx.xxx.xxx.xxx
netmask yyy.yyy.yyy.yyy
gateway zzz.zzz.zzz.zzz

und wieder speichern:

Das zu Anfang gestartete Setup Script lässt sich immer über folgenden Befehl aufrufen:

sudo raspi-config

Die Systemzeit des Raspi (für meine Anwendung benötige ich auch einen Zeitstempel) lässt sich mit folgendem Befehl stellen:

sudo date „MMTThhmmJJ“

Das war´s für den Anfang. Im zweiten Teil beschreibe ich dann die Sensorhardware und die Python-Scripts, die die Sensoren dann auslesen…