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

Schemat pokazano na rys. 1. Wykorzystano w nim mikrokontroler ATmega32 zasilany przez filtr C4, L2.

Rys. 1. Schemat układu sterowania

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 panelu czołowego potrzebujemy napięcia stabilnego, niezależnego od prądu pobieranego przez diody (załączające się lub pulsujące diody mogłyby powodować przygasanie już świecących).

Układ wykonawczy

Schemat układu wykonawczego przedstawiono na rys. 2. Można tu wydzielić sekcje: zasilacza, układu triaków sterujących obwodami prądu przemiennego, układu regulatora mocy PWM 310 VDC oraz układu sterowania obwodami niskiego napięcia.

Rys. 2. Schemat układu wykonawczego

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.

Regulator mocy PWM 310 V (Uwaga! 310 VDC!)

Napięcie sieciowe prostowane jest za pomocą mostka B1, a następnie wygładzone przez kondensator C1. Rezystor R1 ogranicza prąd udarowy płynący podczas ładowania kondensatora C1 w momencie włączenia układu do sieci. Napięcie potrzebne do wysterowania tranzystora mocy Q1 jest wytwarzane przez prosty stabilizator składający się z ograniczającego prąd rezystora R2, dodatkowo wygładzającego napięcie kondensatora C2 oraz stabilizatora na diodzie zenera D1. W sterowaniu tym napięciem stopnia końcowego pośredniczy transoptor OK5D. Na jego wejście, z procesora doprowadzane są impulsy PWM 5 V.

Transoptor stanowi zabezpieczenie (w razie uszkodzenia) przed przedostaniem się do części sterującej napięcia 310 V, bo takie napięcie powstaje za mostkiem na kondensatorze. Takie też napięcie odkłada się na obciążeniu w momencie, gdy tranzystor Q1 przewodzi. Wyjście PWM 310 V przewidziane jest do zasilania żarówki 230 V. Jak nie dopuścić do jej przedwczesnego spalenia jeśli podawane jest na nią zawyżone napięcie? Z pomocą przychodzi nam regulacja PWM. Na drodze programowej ograniczamy wypełnienie impulsów sterujących transoptorem OK5D (np. 0...80%), ograniczając tym samym moc dostarczaną do odbiornika. Do wyjścia można podłączyć wyłącznie odbiornik o małej indukcyjności (przewidziana żarówka).

Układ niskiego napięcia stałego. Stopnie końcowe mocy MOSFET (Q2...Q4) są sterowane poprzez tranzystory zawarte w strukturze transoptorów układu PC847 (OK5). Bardzo mała rezystancja złącz D–S tranzystorów IRFZ44 decyduje o ich małej mocy strat. Diody zamontowane na gniazdach wyjściowych, zabezpieczają tranzystory przed przepięciami powstającymi podczas pracy z urządzeniami indukcyjnymi.

Układ panelu czołowego

Na płytce panelu (rys. 3) znajduje się wyświetlacz LCD, układ podświetlacza, fototranzystor do pomiaru natężenia oświetlenia zewnętrznego, klawiatura oraz układ sterowania diodami LED.

Rys. 3. Schemat panelu czołowego

Diody te odwzorowują stan wyjść sterownika. Dioda LED1 sygnalizuje stan alarmowy lub jego wystąpienie w przeszłości (pamięć alarmu – kasowana którymkolwiek przyciskiem). Sterowanie diodami odbywa się za pośrednictwem ekspanderów PCF8574 oraz szybkich bramek układu CMOS 74HCT03 (w wypadku diod odwzorowujących regulowane źródła oświetlenia). Na jasność świecenia wszystkich diod LED ma wpływ napięcie z układu sterowania podawane ze złącza SV3 płytki na ich anody. To napięcie uzależnione jest od ilości światła padającego z zewnątrz na fototranzystor OQ1. Kondensator C2 podłączony miedzy jego kolektor a emiter wywołuje efekt powolnego ściemniania LED-ów, w wypadku nagłego spadku natężenia oświetlenia (światła padającego na panel czołowy).

Ekspandery „zwiększają” nam liczbę wyjść procesora, a informacje z niego biegną do nich po szynie TWI. Układ PCF8574 ma 8 programowalnych linii I/O, które pracują tutaj jako wyjścia. Ich wydajność jest wystarczająca, aby zasilić diody LED. Oba układy mają ustawione sprzętowo różne adresy. Wyświetlacz LCD z Nokii 3310 jest zasilany napięciem około 3 V, uzyskiwanym przy użyciu zielonej diody LED14 (spadek napięcia na tej diodzie wynosi około 2 V). Zasilanie oraz sygnały sterujące docierają do LCD poprzez gumkę z elastomeru. Sterowanie wyświetlaczem odbywa się przy pomocy szeregowego interfejsu SPI uzupełnionego dodatkowo dwoma sygnałami: D/C oraz RESL.

Podświetlenie LCD stanowi 7 diod LED o dwóch kolorach. Diody są rozmieszczone naprzemiennie (zielona, bursztynowa, zielona itd.). Włączaniem podświetlenia LCD steruje procesor przez wzmacniacz prądowy wykonany na tranzystorach Q1 i Q2. Dioda LED5 (niebieska) służy do podświetlenia klawiatury. Kondensator C6 służy do filtrowania napięcia wytwarzanego w przetwornicy kontrolera, która zasila bufory wyjściowe matrycy wyświetlacza.

Monitor poziomu wody

Pomiar poziomu wody (rys. 4) jest wykonywany w górnej strefie akwarium (ok. 15 cm). Daje to nam możliwość dość precyzyjnego ustawienia maksymalnego poziomu oraz histerezy regulacji napełniania akwarium. Istnieje też alternatywny sposób regulacji, za pomocą kontaktronu oraz dzielnika napięcia, bez użycia opisywanego modułu (będzie to opisane w dalszej części artykułu).

Rys. 4. Schemat monitora poziomu wody

Moduł jest zasilany napięciem 12 V podawanym z zasilacza sterownika. Pobiera prąd o natężeniu 85 mA. Układ IC1 to źródło napięcia 5 V wykorzystywane przez wzmacniacze sygnału IC2A i IC2B. Impulsy 5 kHz z wyjścia układu czasowego LMC555 sterują bazą tranzystora Q1, który spełnia rolę prądowego wzmacniacza zasilającego połączone szeregowo diody stanowiące nadajnik IRED. Wiązka podczerwieni emitowana przez ten nadajnik odbija się od zwierciadła (aluminiowej blaszki) unoszonego na powierzchni lustra wody przez pływak (rys. 5).

Rys. 5. Budowa mechaniczna i zasada działania monitora poziomu wody

Im bliżej będzie się ono znajdować nadajnika, tym sygnał odbity, a odbierany przez fotodiodę, będzie miał większą amplitudę. Odebrany sygnał jest podawany na filtr górno-, a następnie dolnoprzepustowy RC w celu selekcji częstotliwości 5 kHz Po dwustopniowym wzmocnieniu (wzmacniacze operacyjne zawarte w układzie LM324), następuje demodulacja i filtracja dolnoprzepustowa, w wyniku czego otrzymujemy sygnał, którego napięcie jest zależne od strumienia światła padającego na fotodiodę. Podczas demodulacji dioda D2 obcina sygnały o małych amplitudach (obarczone względnie dużym szumem). Wzmacniacz końcowy IC2C wraz z potencjometrem R16 umożliwia ustawienie zakresu wyjściowego sygnału 0...10 V (w naszym wypadku ustawiamy 0...5 V).

Odpowiada to mniej więcej zakresowi poziomu wody równemu 0...15 cm.

Moduł pH-metru

Do sterownika możemy podłączyć zbudowany własnoręcznie moduł pH-metru, najlepiej z kompensacją temperaturową. Schemat ideowy, uwagi na temat doboru elementów oraz krótki opis procedury kalibracji urządzenia możemy znaleźć np. w nocie aplikacyjnej układu LF444 (National Semiconductor – August 2000). Ze względu na konieczność zastosowania dla tego układu symetrycznego zasilania (±15 V) proponowałbym, aby był to moduł zewnętrzny. Na wyjściu układu powinniśmy otrzymać napięcie o wartości (0...10 V), które będzie odpowiadać wartościom z przedziału (0...10 pH). Za pomocą dzielnika napięcia zakres ten musimy zawęzić do (0...2 V) (rys. 6).

Rys. 6. Sposób połączenia przetwornika z pH-metrem oraz sterownikiem

Jest to konieczne, ponieważ taki będzie zakres napięcia wejściowego kolejnego elementu zawartego w module, jakim jest przetwornik A/C (ADS1110). Zdecydowałem się na zastosowanie tego układu ze względu na jego dużą dokładność (2,048 V ±0,05%), 16–bitową rozdzielczość oraz możliwość połączenia z procesorem przez magistralę TWI. Do połączenia zastosowałem kabel od słuchawki telefonicznej o długości ok. 1 m). Ciekawostką jest to, że ADS1110 jest produkowany w ośmiu wersjach (EDO0...EDO7) różniących się wewnętrznym adresem. W naszym przypadku odczyt wartości rozpoczynamy od podania na szynę TWI adresu 10011011b (wersja EDO5).

Regulacja PH

Sterownik może kontrolować nawożenie CO2 sterując elektrozaworem dołączonym do butli wysokociśnieniowej. Wyjście sterujące zasila zawór napięciem 230 VAC lub niskim DC (w zależności od konfiguracji).

Zawór powinien być typu NC (Normalnie Zamknięty). Sterownik mierzy wartość pH i na tej podstawie decyduje o otwarciu, bądź zamknięciu zaworu. Należy pamiętać, że podawanie do wody CO₂ obniża wartość pH.

Karmnik

Zasada działania karmnika jest bardzo prosta. Szczotkowy silnik prądu stałego (w tym wypadku MXN–13AB12A – wymontowany z odtwarzacza Video) zamocowany wewnątrz plastikowego lejka, zasilany jest przez wyjście niskonapięciowe sterownika – OUT4FD. Czas trwania ruchu obrotowego osi jest określony przez nas w parametrze CZAS DOZOWANIA. W momencie, gdy wyrzucana jest porcja pokarmu, program inicjuje timer odliczający cztery minuty pauzy, blokując na ten czas wyjścia powietrza, dozowania CO₂ i wentylatora Blokowanie następuje tylko w trybie automatycznym. Konstrukcja karmnika jest przedstawiona na rys. 7.

Rys. 7. Budowa i zasada działania karmnika

Czujnik przecieku wody

Czujnik został zrealizowany w postaci małego obwodu drukowanego z odpowiednio ukształtowanymi i pocynowanymi obszarami miedzi stanowiącymi elektrody. Destrukcyjny wpływ elektrolizy na elektrody nie ma w tym przypadku większego znaczenia, ponieważ czujnik jest zanurzony w wodzie tylko w sytuacjach awaryjnych.

Czujnik braku wody ZZ (zbiornik zasilający)

Do zbiornika ZZ dolewamy co jakiś czas wodę, która jest wykorzystywana do uzupełniania poziomu wody w akwarium. Sterownik, za pomocą pompki lub zaworu „dolewa” wodę do akwarium. Dzięki temu woda tam trafiająca pozbawiona jest chloru.

W modelu został zastosowany fabryczny czujnik kontaktronowy, wymontowany z urządzenia dozującego. W sytuacji, gdy poziom wody w zbiorniku spadnie do wartości krytycznej, opadający pływak magnetyczny spowoduje zwarcie kontaktronu, a zarazem zwarcie do masy wejścia PA7 mikrokontrolera. Wywołany w ten sposób stan alarmowy nakłoni nas wtedy do uzupełnienia zapasu wody w ZZ.

Chłodzenie

Chłodzenie ma szczególne znaczenie w akwarium morskim. Pracuje tam znacznie więcej urządzeń elektrycznych niż w typowym akwarium słodkowodnym, które oprócz zasadniczej funkcji grzeją wodę. Silniejsze jest również oświetlenie, które również nie pozostaje bez wpływu na temperaturę w akwarium. Zwierzęta morskie są bardzo wrażliwe na zmiany temperatury. W związku z tym możemy zastosować dosyć często spotykane, tanie i skuteczne rozwiązanie – wentylator. Do tego celu świetnie nadają się wiatraczki przeznaczone do chłodzenia zasilaczy komputerowych. Do sterowania ich wydajnością posłuży nam wyjście OUT3F. Jeśli ten sposób chłodzenia okaże się niewystarczający, pomocna może się okazać chłodnica (np. wymiennik cieplny z zaworem dopuszczającym do niego zimną, może nawet lodowatą wodę). Oczywiście i o tej opcji także zadecyduje konfiguracja sterownika.

Oświetlenie nocne LED

Kilka połączonych ze sobą diod LED daje oświetlenie porównywalne do małej świetlówki. Najczęściej do budowy układu „światła nocnego” wykorzystuje się diody LED o barwie niebieskiej lub białej. Łączy się je szeregowo po 3 sztuki i przez odpowiedni rezystor podłącza do zasilania 12 V. W zależności od potrzeb można użyć 1...4 takich sekcji. W modelu zastosowałem pojedynczą diodę niebieską 5 mm, super jasną, ze zmatowioną soczewką. Sterownik zasila ją sygnałem PWM poprzez wyjście PWMN. To źródło oświetlenia nocnego okazało się wystarczające dla 50–litrowego akwarium.

Grzegorz Sipiora
dzesek@wp.pl