{"id":852,"date":"2019-05-15T18:52:55","date_gmt":"2019-05-15T16:52:55","guid":{"rendered":"https:\/\/wordpress.labs.fhv.at\/openlabs\/?page_id=852"},"modified":"2019-05-15T23:53:47","modified_gmt":"2019-05-15T21:53:47","slug":"elektronik","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/wordpress.labs.fhv.at\/openlabs\/bewaesserungssystem\/elektronik\/","title":{"rendered":"Elektronik"},"content":{"rendered":"

Stromversorgung<\/h1>\n

Um eine autarke Stromversorgung zu gew\u00e4hrleisten wurde ein Solarsystem, bestehend aus Solarmodul, Bleiakku und Laderegler installiert. F\u00fcr Solarmodul und Bleiakku wurde eine Spannung von 12 V ausgew\u00e4hlt, da die Magnetventile mit 12 V betrieben werden. Zum Schutz des Verbrauchers wurde eine 1 A Feinsicherung installiert.<\/p>\n

Zur Ermittlung des Gesamtenergiebedarfs des Bew\u00e4sserungssystems wurde eine \u00fcberschlagsm\u00e4\u00dfige Berechnung durchgef\u00fchrt. Hierbei wurde davon ausgegangen, dass der Akku nur bis 30 % der maximalen Kapazit\u00e4t entladen werden sollte (\u27f6 Verl\u00e4ngerung der Lebensdauer). Au\u00dferdem wurde von einer Sonneneinstrahlungsdauer von 8 h pro Tag ausgegangen. Beim Solarmodul wurde eine durchschnittliche Leistung von 45 % der angegebenen Spitzenleistung angenommen. Der Energiebedarf der Feuchtigkeitssensoren konnte aufgrund der Art der Programmierung und des niedrigen Strombedarfs (< 20 mA) vernachl\u00e4ssigt werden.<\/p>\n

Erforderliche Kapazit\u00e4t des Akkus<\/u>:<\/p>\n

Q [Ah] = E [Wh] \/ (12 V * 0,3)<\/p>\n

Erforderliche Leistung des Solarmoduls<\/u>:<\/p>\n

P [W] = E [Wh] \/ (t [h] * 0,45)<\/p>\n

Tabelle 1: Berechnete Werte f\u00fcr die Kapazit\u00e4t des Akkus und die Leistung des Solarmoduls<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Verbraucher<\/strong><\/td>\nAnzahl<\/strong><\/td>\nLeistung [W]<\/strong><\/td>\nBetriebszeit [h]<\/strong><\/td>\nEnergiebedarf [Wh]<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
Magnetventil<\/td>\n9<\/td>\n3,84<\/td>\n0,5<\/td>\n17,28<\/td>\n<\/tr>\n
Arduino Mega<\/td>\n1<\/td>\n0,6<\/td>\n24<\/td>\n14,4<\/td>\n<\/tr>\n
Gesamt<\/td>\n<\/td>\n<\/td>\nEnergie [Wh]<\/td>\n31,68<\/td>\n<\/tr>\n
<\/td>\n<\/td>\n<\/td>\nKapazit\u00e4t [Ah]<\/td>\n8,8<\/td>\n<\/tr>\n
<\/td>\n<\/td>\n<\/td>\nLeistung [W]<\/td>\n8,8<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

 <\/p>\n

Schaltung und Platine<\/h1>\n

Da der verwendete Microcontroller Arduino Mega 2560 nicht die f\u00fcr die Magnetventile erforderliche Spannung von 12 V ausgeben kann, wurde eine Platine gefertigt. Daf\u00fcr wurde eine Schaltung entwickelt, welche die erforderliche Spannung mittels Transistor durchschaltet.<\/p>\n

Der zentrale Teil der Schaltung besteht aus 9 Darlington-Transistoren (npn), welche jeweils \u00fcber einen Basiswiderstand angesteuert werden. Um den Basiswiderstand entsprechend zu dimensionieren wurde folgende Berechnung durchgef\u00fchrt. Der Wert f\u00fcr die Verst\u00e4rkung des Transistor hFE<\/sub><\/em> wurde dabei aus dem Diagramm im Datenblatt abgelesen (IC<\/sub> = 300 mA; 25 \u00b0C). Der errechnete Basisstrom wurde hierbei noch mit dem Faktor 5 multipliziert, um ein sicheres Durchschalten des Transistors zu gew\u00e4hrleisten.<\/p>\n

Erforderlicher Basisstrom<\/u><\/p>\n

IB<\/sub> = (Ic<\/sub> \/hFE<\/sub> ) * 5<\/p>\n

Erforderlicher Basiswiderstand<\/u><\/p>\n

RBasis<\/sub> = UBasis<\/sub>\/IB<\/sub><\/p>\n

Tabelle 2: F\u00fcr die Berechnung erforderliche Daten und daraus berechneter Wert f\u00fcr den Basiswiderstand<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Magnetventil<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
U [V]<\/td>\n12<\/td>\n<\/tr>\n
Ic<\/sub> [mA]<\/td>\n320<\/td>\n<\/tr>\n
Transistor BDW42G<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
hFE<\/sub> (300 mA; 25 \u00b0C)<\/td>\n1300<\/td>\n<\/tr>\n
IB <\/sub>[mA]<\/td>\n1,23<\/td>\n<\/tr>\n
Basis-Widerstand<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
UBasis<\/sub> [V]<\/td>\n5<\/td>\n<\/tr>\n
RBasis<\/sub> [\u03a9]<\/td>\n4063<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Da es sich bei einem Magnetventil um eine induktive Last handelt, musste jeweils eine Freilaufdiode parallel geschaltet werden, um die anderen Bauelemente in der Schaltung zu sch\u00fctzen.<\/p>\n

Im Folgenden ist der mit dem Programm LT Spice XVII<\/em> gezeichnete Schaltplan dargestellt, wobei es sich bei den im roten Rahmen befindlichen Bauelementen um Bestandteile der Platine handelt (Abb. 2). Die Magnetventile wurden jeweils durch eine Induktivit\u00e4t (L1-L9) und einen Innenwiderstand (R10-R18; ~ 37,5 \u03a9) modelliert. Die Spannungsquellen D01-D09 entsprechen den digitalen Ausg\u00e4ngen des Arduinos.<\/p>\n

\"\"

Abb. 2: Schaltung zur Versorgung der Magnetventile mit 12 V; Rot eingerahmt: Bauteile auf der Platine (Programm: LT Spice XVII)<\/p><\/div>\n

Nach dem Test der Schaltung auf dem Steckbrett konnte das PCB-Layout f\u00fcr die Platine mit dem Programm DipTrace<\/em> entworfen werden (Abb. 3). Dabei musste aufgrund des eingesetzten Fertigungsverfahrens darauf geachtet werden, dass die Leiterbahnen nur einseitig verlegt werden. Au\u00dferdem wurden die Leiterbahnen aufgrund des besseren Ergebnisses durch manuelles Routing verlegt.<\/p>\n

Nach dem Entwurf des PCB-Layouts wurde die Platine mittels Fr\u00e4stechnik hergestellt (Abb. 4). Zum Schluss erfolgte die Best\u00fcckung mit den entsprechenden Bauelementen und den Stiftleisten.<\/p>\n

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Abb. 3: PCB Layout der Platine (Programm: DipTrace)<\/p><\/div>\n

\"\"

Abb. 4: Platine<\/p><\/div>\n

<\/h1>\n

 <\/p>\n

<\/a>GPRS Shield<\/h1>\n

Zur \u00dcbertragung der Sensordaten \u00fcber Mobilfunk wurde ein GPRS Shield mit einer SIM-Wertkarte eingesetzt. Zudem wurde eine Antenne angebracht und ein 3,7 V LiPo-Akku angeschlossen, welcher die beim Senden von Daten erforderlichen Stromspitzen bereitstellt.<\/p>\n

\"\"

Abb. 5: Adafruit FONA 800 (Tutorial: https:\/\/learn.adafruit.com\/adafruit-fona-800-shield<\/a>)<\/p><\/div>\n

<\/h1>\n

 <\/p>\n

<\/a>Magnetventile<\/h1>\n

Die eingesetzten Magnetventile arbeiten mit einer Spannung von 12 V, wobei der mittels Multimeter gemessene Strom ~ 320 mA (Innenwiderstand: 37,5 \u03a9) betrug. Au\u00dferdem ist laut Datenblatt ein Mindestwasserdruck von 0,2 bar erforderlich, wobei auch schon unterhalb dieses Drucks die Funktionsf\u00e4higkeit gegeben war.<\/p>\n

\"\"

Abb. 6: Magnetventil (Tutorial: http:\/\/www.bc-robotics.com\/tutorials\/controlling-a-solenoid-valve-with-arduino<\/a>)<\/p><\/div>\n

<\/h1>\n

 <\/p>\n

<\/a>Bodenfeuchtesensoren<\/h1>\n

Die eingesetzten Bodenfeuchtesensoren arbeiten im Prinzip als variabler Widerstand, welcher in Abh\u00e4ngigkeit der Feuchtigkeit ein Signal (0 \u2013 3 V) an die analogen Eing\u00e4nge des Arduinos \u00fcbermittelt.<\/p>\n

Nach der Kalibrierung des Sensors konnte eine Formel aufgestellt werden, die die analoge Spannung in Bodenfeuchtigkeit umrechnet. Zur Bestimmung des maximalen Wertes wurde der Sensor in Wasser getaucht (Wert: ~ 570).<\/p>\n

Bodenfeuchtigkeit [%] = (Sensorwert \/ 570) * 100<\/p>\n

\"\"

Abb. 7: Bodenfeuchtesensor (Tutorial: https:\/\/learn.sparkfun.com\/tutorials\/soil-moisture-sensor-hookup-guide<\/a>)<\/p><\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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