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Datenknoten mit Arduino

Leider sind die Abstände, in denen ich einwenig Zeit finde, einen neuen Beitrag für den Blog zu schreiben, nicht kürzer geworden. Aber einen Beitrag pro Monat zu posten, halte ich ein… 🙂

Dieses Mal ist es kein retro Bastelprojekt aus den heimischen Gefielden oder eine Restauration eines alten Gerätes, sondern wieder etwas zum Thema Arduino. Die Idee – es soll ein Sensor gebaut werden, der wie immer, eine physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt. Das ist jetzt nichts Besonderes und um welche Art von Sensor es sich handeln wird, werde ich vorerst noch nicht beschreiben. Aber es soll nicht ein Sensorboard geben, sondern viele. Und diese Sensorboard kurz „Sensoren“ sollen in einer zweidimensionalen Matrix miteinander vernetzt werden. Man kann sich das inetwa vorstellen wie ein Schachbrett, wobei jedes der Schachbrettfelder einen Sensor darstellt. Dieses Netzwerk an Sensoren – also Sensorknoten – soll dann über eine Übergabestelle mit einem Rechner verbunden sein und die Sensordaten des jeweiligen Feldes ausgeben. Es soll dann auch möglich sein, einzelne Felder aus dem Netzwerk zu entfernen ohne dass das verbleibende Netzwerk seine Funktion verliert.

Das ganze System soll möglichst einfach und günstig aufgebaut werden. Und so ist schnell ein Systemkonzept entstanden, in dem die Knoten über den I²C Bus kommunizieren und ihre Daten zu einem Master senden. Das folgende Diagramm soll das verdeutlichen.

Dieses Konzept, so dachte ich mir, lässt sich am einfachsten mit einem ATmega Microcontroller realisieren. Der hat genügend IO´s, einen I²C Bus und UART onboard, ebenso auch analoge Eingänge und benötigt wenig Bauteilperipherie, um ihn in einem eigenen Layout zum Leben zu erwecken. Und es gibt nichts schnelleres, so einen Testaufbau eines solchen Knotennetzwerks zu realisieren, als die gut bekannten Arduino Developmentboards zu benutzen. Ich habe die günstigste Variante für einen Testaufbau gewählt -> den Chinanachbau vom ArduinoUno (Joy-IT UNO) mit dem Atmga328 im gesockelten DIL Gehäuse.

Joy-It Uno Boards

Im Bild sind zehn Stück dieser Microcontrollerboards zu sehen. Von denen soll einer als Bus-Master und neun Stück als Slaves eingesetzt werden. Jeder dieser Slaves hat natürlich eine eindeutige Bus-Adresse, die im System nur einmal vorkommt. Im Testaufbau wird diese Busadresse über den Programmcode fest vergeben, da ohnehin jeder Arduino einmal mit dem Rechner verbunden werden muß, um den Programm-Upload durchzuführen. Das soll natürlich später anders aussehen. Denn der Arduino wird auf den Atmega328 Chip, seinen Quarz und die paar Widerstände reduziert auf dem Sensorboard mit gelayoutet. Programmiert soll der Chip dann über die ISP Pins werden. Da bei vielen Boards natürlich nicht jedes Mal der Programmcode individuell angepasst wird und alle das gleiche Flashfile erhalten sollen, will ich die Sensoradresse mit einem 7Bit Dipschalter einstellen. Ein 4021 Cmos  Static Shift Register soll die Bits nach nach dem Einschalten des Controllers auslesen und seriell in den Controller schieben. Der daraus resultierende Wert steht dann in einer Variable als Busadresse zu Verfügung.

Jeder dieser Slaves mit seiner individellen Busadresse wird nun vom Masterknoten der Reihe nach abgefragt, welchen Zustand er hat und ob er einen Ausgang schalten soll, oder nicht. Das bedeutet, der Knoten hat lediglich einen DO (Digitalen Ausgang) mit dem er beispielsweise eine LED aus- und einschalten kann und einen oder mehrere DI (Digitalen Eingang) der einen Zustand, zum Beispiel eines einfachen Schalters abfragt. Diese Funktionen werden in 2 Bits eines Bytes gespeichert. Ein weiteres Byte dient zur Übertragung der Busadresse. Es werden also zwei Bytes über den Bus geschickt. Das untenstehende Bild zeigt den Testaufbau mit den „UNO-Boards“

Alle Arduinos sind mit I²C Datenbus und Spannungsversorgung verbunden

Der Ablauf läuft wie folgt:

MASTER:
Der Masterknoten sendet nach der Reihe an alle Slave-Adressen eine Anfrage und einen Schaltbefehl (der kommt für alle Knoten von einem TEST-Tastereingang am Master) für den LED-Ausgang des Knotens und sieht ob eine Antwort zurückkommt oder nicht. Wenn keine Antwort kommt, ist der Knoten nicht im Netz oder defekt. Kommt eine Antwort, so besteht diese aus der Adresse des Knotens und seinem Statusbyte. Diese Informationen werden über ein RS232 Terminal an den, am Master angeschlossenen Rechner übertragen. So kann dort beispielsweise über eine Visualisierung mittels (NI LabView, oder Matlab o.ä.) der Schaltzustand jedes einzelnen Knotens  am Bildschirm angezeigt werden. Mit einer Anpassung des MasterProgrammes ist es auch möglich, die LED-Ausgänge der Slaves über den Rechner zu schalten.

SLAVE:
Wenn der Masterknoten vom Slave Daten anfordert, so sendet der Slave zwei Bytes zurück. Wobei Byte0 wieder die Slave ID (also Busadresse ist) und Byte1 die Daten. Byte1 besteht eigentlich aus nur zwei Bit, die wie folgt kodiert sind (in dezimaler Darstellung):
 0 = LED aus | Sensor nicht ausgelöst
 1 = LED ein | Sensor nicht ausgelöst
 2 = LED aus | Sensor ausgelöst
 3 = LED ein | Sensor ausgelöst

Der Programmcode als Beispiel:

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// I2C Slave Code
// 16.05.2018 
// ver 1.3
#include <Wire.h>
#define ADDRESS 2     // adresse des slave knotens
#define PAYLOAD_SIZE 2 // anzahl der bytes  die vom masterknoten zu erwarten sind
int LED=12;            // indicator led an pin D12
int SENSOR = 8;        // sensor input an pin D8
bool actionState=0;      // sensor zustand
int busstatus;  // statusvariable 
                       // 0 = LED aus | sensor nicht belegt
                       // 1 = LED ein | sensor nicht belegt
                       // 2 = LED aus | sensor belegt
                       // 3 = LED ein | sensor belegt
 
bool sensled=0;          // sensor LED
byte nodePayload[PAYLOAD_SIZE];

void setup()
{
  pinMode(LED, OUTPUT);         //sensorLED
  pinMode(SENSOR, INPUT);       //Sensor 
  Wire.begin(ADDRESS);          // Activate I2C network
  Wire.onReceive(receiveEvent);
  Wire.onRequest(requestEvent); // auf master anforderung warten
                      //  // debug interface
                      //  Serial.begin(9600); 
}

// *********************************mainloop****************************************************
void loop()
{ 
  delay(5);
  
   if(sensled){digitalWrite(LED, HIGH);}
         else{digitalWrite(LED, LOW);}

  actionState = digitalRead(SENSOR);  //Sensoreingang abfragen        
   if((actionState==1)&&(sensled==1)) {busstatus=3;}
   else if ((actionState==0)&&(sensled==1)) {busstatus=1;}
   else if ((actionState==1)&&(sensled==0)) {busstatus=2;}
   else if ((actionState==0)&&(sensled==0)) {busstatus=0;}

                      //  Serial.println("######################");
                      //  Serial.print("busstatus neu setzen ");
                      //  Serial.println(busstatus);
                      //  Serial.print("sensled LED            ");
                      //  Serial.println(sensled);
                      //  Serial.print("actionState           ");
                      //  Serial.println(actionState);
                      //  Serial.println("######################");
  nodePayload[0] = ADDRESS;                  // Adresse in byte0 zurücksenden.  
  nodePayload[1] = busstatus;                //byte 1 ist die statusinfo der LED
}



// *********************************************************************************************
void requestEvent()
{ Wire.write(nodePayload,PAYLOAD_SIZE);  
  Serial.println("bytes status schreiben");
  Serial.println(nodePayload[0]);
  Serial.println(nodePayload[1]);
  delay(5);
}

// *********************************************************************************************
void receiveEvent(int bytes)  //einen wert vom I2C lesen
      
{
  
  busstatus = Wire.read(); //If the value received was true turn the led on, otherwise turn it off  
                              //  Serial.println("status empfangen");
                              //  Serial.println(busstatus);
  if((busstatus==1)||(busstatus==3)){sensled = 1;}
                                else{sensled = 0;}
                                              
}

 

Die Busadresse ist in diesem Slave-Code noch individuell einzugeben. In der nächsten Version ist dann der vorherbeschriebene „Serializer“ der parallelen Dip-Schaltervariante implementiert. Das folgende Codebeispiel ist von Masterknoten, der die Slaves ausliest und mittel Prüftaster ein LEDmuster an die Sensorslaves sendet:

 

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// I2C masterknoten 
// 16.05.2018 
// ver 1.2
// changes abfrage wenn kein knoten am bus dann 255 ausgeben
#include <Wire.h>

#define busbytes 2          // wievele byte vom I2C knoten zu erwarten sind
#define maxKNOTEN  10       // anzahl der zu scannenden slaves
#define startKNOTEN 2       // startadresse der slaves
#define DELAY 5             // einfach ein delay ....

int i; int j=0;
int buttonPin = 12;
int testbut = 0; int anim = 0;
int buttonState = 0;
int DATEN[busbytes];
int adresse; int busstatus;  
byte sensorbelegt; byte ledsensoron;

                       // 0 = LED aus | Sensor nicht belegt
                       // 1 = LED ein | Sensor nicht belegt
                       // 2 = LED aus | Sensor belegt
                       // 3 = LED ein | Sensor belegt

int leddat1[] = {1,1,1,1,0,1,1,1,1}; // -
int leddat2[] = {0,0,0,0,1,0,0,0,0}; // |

void setup()
{
  Serial.begin(9600);  
  Serial.println("MASTER-KNOTEN");
  Serial.print("Maximum Slaveknoten: ");
  Serial.println(maxKNOTEN);
  Serial.print("Datengroesse in byte: ");
  Serial.println(busbytes);
  Serial.println("***********************");
  
  Wire.begin();                 // Activate I2C link
  pinMode(buttonPin, INPUT);    // test-tastereingang festlegen
}


//#####################################################################################################
void loop()
    
{
  for (int Knotenadresse = startKNOTEN;         //alle knoten scannen
           Knotenadresse <= maxKNOTEN; 
           Knotenadresse++) 

        
    //################################################################################################       
    { 
     // testbut = 0;  
     anim = 0;   
    Wire.requestFrom(Knotenadresse, busbytes);        // daten vom jeweiligen knoten anfordern
                                                 
           DATEN[0]=255; DATEN[1]=255;   // wenn kein knoten dann auf 255 setzen    
          if(Wire.available() == busbytes) {                                    // wenn knoten und daten dann
            for (i = 0; i < busbytes; i++) DATEN[i] = Wire.read();          // daten holen (zuerst busID, dann daten)
           // for (j = 0; j < busbytes; j++) Serial.println(DATEN[j]);        // daten an rs232 ausgeben   
          }            

//            Serial.println(Knotenadresse);
//            Serial.println(DATEN[0]);
//            Serial.println(DATEN[1]);
//            Serial.println(" ");
           
            adresse=DATEN[0]; 
            busstatus=DATEN[1];
           
            if(busstatus == 0)       {sensorbelegt=false;  ledsensoron=false;}
            else if (busstatus == 1) {sensorbelegt=false;  ledsensoron=true;}
            else if (busstatus == 2) {sensorbelegt=true;  ledsensoron=false;}
            else if (busstatus == 3) {sensorbelegt=true;  ledsensoron=true;}
      
         //################################################################################################
         //Testbutton Status lesen und variable testbut entsprechend setzen
       
          buttonState = digitalRead(buttonPin);               //tastereingang einlesen
          if(buttonState == HIGH){                            //wenn taster aktiv dann variable anim setzen
          anim = 1;
          //delay(5); 
          }
            
//            //debug debuginfo tasterstatus auf rs232 ausgeben
//            Serial.println("#######################");
//            Serial.print("Knoten Adresse    :");
//            Serial.println(adresse);
//            Serial.print("Busstatus         :");
//            Serial.println(busstatus);
//            
//            Serial.println("----------------");
//            Serial.print("Fliese belegt    :");
//            Serial.println(sensorbelegt);
//            Serial.print("LED Fliese       :");
//            Serial.println(ledsensoron);
//            Serial.print("#######################");
//            Serial.println(" ");
      
          //################################################################################################
          //Testbutton Status an jeweiligen knoten senden
      
          Wire.beginTransmission(Knotenadresse);           // transmit to device actual in for loop
          //anim schreiben
                    
           if (anim==0) {testbut=leddat1[j]; j++;}
                   else {testbut=leddat2[j]; j++;}
           if (j>8){j=0;}
          
          Wire.write(testbut);                             // senden des tasterstatus
          Wire.endTransmission();                          // ende gelände mit uerbertragung
       
          delay(DELAY);
          

    }
   
}

 

Mit dieser Anordnung ist es jetzt möglich alle Arduinos und deren Eingang auszulesen bzw. die LED über den Bus zu steuern. Im nächsten Schritt wird ein „Sensor“ gebaut, eine Platine gelayoutet und der ArduinoUno auf seinen Microcontroller reduziert. Darüber werde ich in einem der nächsten Posts berichten…

 

 

 

VFD – Uhrenbausatz

dsc_2772

Uhren und Zeitmessgeräte, auch die nicht-mechanischen, gehören zu meinen Interessengebieten. Vor allem, wenn die Uhrzeit  mit optisch schönen Anzeigen dargestellt wird, bin ich Feuer und Flamme. Dazu zählen Nixie-Anzeigeröhren und auch die VFD-Röhren. Über letztere handelt dieser Blogeintrag. Hier hat Herr Günter Rother (www.grother.de) einen sehr schönen Bausatz zusammengestellt, der schnell und einfach zusammen zu setzen ist. Es sind alle zum Aufbau benötigten Teile enthalten und man kann gleich loslegen.

dsc_2766

Auf einer zweiseitigen, gelayouteten und mit Lötstoplack versehenen Platine mit den Abmessungen 100×50 mm findet die Uhrenschaltung Platz, bei der als Anzeige für jede Ziffer je eine 7-Segment VFD-Röhre verwendet wird. VFD bedeutet hier Vakuum-Fluoreszenz-Display. Die Funktionsweise ist hier nicht wie bei Nixieröhren eine Glimmentladung, sondern wie bei Elektronenröhren, eine, von einer direktbeheizten Kathode emittierte Elektronenwolke, die auf einer Leuchtschicht – Anode (Phosphor) auftrifft.dsc_2773 Die Spannung zwischen Kathode und Anode liegt hier üblicherweise zwischen 20V und 50V. Mit einem Steuergitter vor den Segmenten können die Elektronen gezielt gebremst werden. Somit ist eine Ansteuerung einzelner Segmente möglich.

Treiberbaustein für die IV-3 VFD-Röhre ist ein LB1240 Display Tube Driver IC, der acht voneinander unabhängige Darlingtonstufen beinhaltet. Jeder Ausgang ist in der Lage 30mA bei maximal 55V zu treiben. Die Eingänge des LB1240 werden über einen Atmel AT89C2051-12PU angesteuert und mittels vier Transistoren wird jede Röhre per Multiplexing geschaltet. Getaktet wird der Atmel mit 11.0592Mhz. Ein DS18B20 Temperatursensor ist ebenfalls in den Bausatz integriert, um auch die Temperatur anzeigen zu können. Der DS18B20 ist ein 1-Draht Digital-Temperatursensor, einstellbar  in 9 bis 12 Bit-Auflösung   an 5V Spannungsversorgung und mit einer Ansprechzeit von 94ms bis 750ms, je nach Auflösung. Der Mikrocontroller ist bereits mit der Firmware für die Uhr geflashed und direkt einsatzbereit. Die IC´s sind gesockelt, 1/25W Kohleschichtwiderstände auf Band und sogar alle Schrauben, Abstandhalter und vorgefertigte Acrylglasplatten für ein finales Gehäuse sind vorhanden.

Die gesamte Schaltung wird mit einem 50Hz Steckernetzteil mit konventionellem Eisenkerntransformator versorgt. Die Spannungen an Board werden mit einem 7905 Linearregler für die 5V und einem fertigen DC/DC Convertermodul (Step-UP-Wandler) für die ca.30V Anodenspannung erzeugt. Bedient wird die Uhr über zwei Mikrotaster, mit denen Stunden und Minuten eingestellt werden können.

Ein kurzes Video über den Zusammenbau und die fertige Uhr kann hier angesehen werden:

 

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.