Marudnik do kwiatków – część trzecia (i ostatnia)

Zapraszam do lektury trzeciej (i tu czuję oddechy ulgi: ostatniej) części mojego marudnika. Pokrótce zaprezentuję finalne efekty wykorzystanie energooszczędnych funkcji mikrokontrolerów Atmega oraz finałową realizację czujnika wilgotności domowym sposobem.

W części pierwszej:

• jak napisać program wykorzystujący funkcje ekstremalnego oszczędzania energii w mikrokontrolerach Atmega

W części drugiej:

• jak prosto przenieść projekt do Atmegi z wykorzystaniem programatora USBasp
• jak najtaniej zbudować moduł ogniwa słonecznego do zasilania mikrokontrolera

W tej części:

• jak zbudować czujnik wilgotności, zbadać  i podłączyć go do układu mikrokontrolera

Schodzimy jeszcze głębiej…

Drążąc dalej tematykę zmniejszania poboru prądu przez Atmegę, zamiast domyślnego źródła taktowania – czyli wbudowanego w mikrokontroler oscylatora 8MHz – wybrałem zewnętrzny kwarc 32.768kHz. Czyli najpopularniejszy z kwarców, powszechnie stosowany w zegarkach elektronicznych. Kiedyś kupiłem na Ebayu, ale jak ktoś nie ma to można go wydłubać z jakiegoś starego zegarka.Wygląda to w powiększeniu tak (metalowa rurka  ~ø2-3mm, z dwoma drucikami:

Problem z jakim najpewniej się można spotkać przy tego typu konfiguracji, to… zablokowanie Atmegi. Sam tego doświadczyłem i pisałem o tym poprzednio, problemem okazał się programator. Zwyczajnie: większość tanich (i drogich również!) programatorów nie pracuje z zegarem niższym niż 8kHz. Jako że Atmegi nie mogą być programowane zegarem ośmiokrotnie wolniejszym niż zegar mikrokontrolera, więc 4×8=32kHz – jest to granica ich możliwości. Udało mi się dopiero po wgraniu do mojego USBasp najnowszego firmware, co umożliwiło obsługę zegara programującego od 500Hz włącznie.

Pobór prądu przez Atmegę wyglądał następująco:

 

Rysunek z lewej strony to pobór prądu z baterii (2×1.5V), ale baterie były trochę rozładowane i dawały łącznie ok 2,5V. (1) to prąd podczas wykonywania pętli setup(), miga tam szybko dioda na znak uruchamiania układu – ok. 60-80μA. (2) to  prąd pobierany z baterii przy wykonywaniu pętli loop() w przypadku gdy układ jest wyzwolony – kwiatki wymagają podlania! Na czas zapalenia diody pobór wynosi niecałe 60μA. Dioda świeci ledwo-ledwo, ale jeszcze widocznie. Ale gdy kwiatki podlejemy i układ się uśpi, pobór prądu jest…. hmm, niezmierzalny :-) Miernik VA18B którego użyłem pracował na największej czułości i pokazywał od 0,0μA do 0,1μA! Troszkę większe były prądy przy zasilaniu z akumulatorków 3×1,2V – układ ciągnął od 300 do 450 μA z impulsami przy wymuszeniu uśpienia do 600μA (czyli w dalszym ciągu nie przekraczał 0,6mA) ale po uśpieniu Atmega znów zaczęła pobierać 100nA. Teoretycznie więc na akumulatorach pastylkowych powinien wytrzymać ponad prawie 6 dni, na bateriach ponad 1000 dni. Jak nawet praktycznie wyjdzie 3x gorzej, to jest nieźle. A przypominam: główne zasilanie układu to baterie słoneczne!

Czujnik wilgotności

Tu przyznam był największy problem. Wyzwaniem okazało się nalezienie odpowiednich materiałów na elektrody. Na początku wykorzystałem zwykłe gwoździe – wyniki były bardzo obiecujące, tyle tylko że po miesiącu zardzewiały. Nauczony doświadczeniem zrobiłem czujnik z cienkich pasków srebrzanki – teraz z kolei kontakt z glebą był za słaby i wyniki skakały jak szalone. Buszując w pudłach znalazłem stary drut z telewizyjnej anteny pokojowej. No, wiedziałem że kiedyś się do czegoś przyda! Po wyprostowaniu i przycięciu otrzymałem osiem prętów ze stali nierdzewnej o średnicy ok 3 mm i długości 4,5 cm. Nie bawiłem się w większą filozofię: krótka chwila lutowania kabelków i najbardziej trywialny z trywialnych czujnik gotowy:

Pora na testy. Aby zbadać działanie wgrałem na Atmegę program:

Podpiąłem do Atmegi wyświetlacz LCD, do wejścia przetwornika A/C (pin A0) mój czujnik (jedna elektroda do + zasilania, druga do A0, między A0 a masę rezystor 56kΩ) i co godzinę pomiar napięcia z dzielnika czujnik/rezystor zapisywany był w pamięci EEPROM. 1024 bajty EEPROM Atmegi328 wystarczą na 1024/24 = 46.6 czyli ponad 6 tygodni pomiarów. Żadnej filozofii tu nie ma, jedyna sztuczka to konstrukcja:

Wynika to z prostej przyczyny: przetwornik A/C daje wartość z przedziału 0..1023 (4 bajty), a w pamięci EEPROM mieści się tylko 1 bajt (0..254), stąd też przed zapisem dzieli się wartość przez 4. Mamy więc czterokrotnie gorszą rozdzielczość, co w tym przypadku jest niewielkim ograniczeniem, bo jak mawiał lord Farquaad: ” jest to poświecenie, na które nas stać”. Druty w glebę i po tygodniu pomiarów otrzymałem taki przebieg:

W skali 0..1023 z podlanego kwiatka otrzymuję sygnał ~900, po tygodniu spadło do ~770. Po krótkich wyliczeniach z prawa Ohma i dzielnika napięciowego wyliczyłem, że czujnik wilgotności w kwiatku podlanym daje 6,2kΩ, a w suchej ziemi rośnie do 16,7 kΩ. Zmierzyłem poziom napięcia, który moja Atmega widzi jako “0” logiczne na pinie wyzwalającym z uśpienia i otrzymałem wynik 0,43VCC. Znając poziom do którego muszę “ściągnąć” napięcie wyliczyłem, iż jako dzielnik napięciowy muszę użyć rezystora 12,7kΩ.

I tu się zrobił problem :-) Jak podleję kwiatka, to obciążę baterię rezystancją 12,7kΩ (rezystor dzielnika) + 6,2kΩ (rezystancja czujnika) czyli 18,9kΩ. Baaaardzo mało – prąd płynący w takim układzie przy zasilaniu 3V to aż 0,16mA co – nie ukrywam – stawia pod znakiem zapytania ideę usypiania mikrokontrolera. Na upartego to wystarczy (bateria 200mAh pod takim obciążeniem wytrzyma ponad rok), ale nie dawało mi to spokoju.

Poszedłem najkrótszą drogą – oddaliłem elektrody od siebie z początkowych ~1cm na całą szerokość doniczki (~10 cm) . Zmieniłem rezystor bocznikujący na większy (150k), podlałem zieleninkę baaaardzo hojnie i po zaledwie dwóch tygodniach dalszych pomiarów otrzymałem wykresik:I już jest dużo lepiej.  Maksymalny prąd pobierany przez czujnik ~160kΩ to ~20 μA (w trybie “suchym”: poniżej 10 μA) więc problem z głowy.  Na czerwono zaznaczyłem poziom,napięcia, przy którym moja Atmega się wybudza – tu również parametry czujnika dobrane są doskonale. Po kolejnym podlaniu rezystancja zgodnie z oczekiwaniami spada i cały cykl się powtarza. Zastanawiający jest jedynie wysoki i praktycznie niezmienny poziom wilgotności przez pierwszy tydzień oraz skoki wilgotności wskazywane przez czujnik w drugim tygodni, ale to zapewne specjaliści biochemicy by wytłumaczyli naukowo.

Od trzech tygodni układ marudnika działa w stanie aktywnym na tandemie bateria słoneczna + akumulatorki non-stop i nie widzę żadnych oznak problemów z zasilaniem. Wydaje się więc, że prędzej zmienię kwiatki na inne niż wymienię baterię na nową.

A na koniec i tak się okazało, że poprzednie kwiatki mi nie uschły od braku podlewania, tylko dżdżownice zeżarły korzonki :-)

Uwagi wynikłe podczas realizacji

W zasadzie są dwie. Pierwsza: planuję w przyszłości (jak tylko dotrą elementy z Chin) nieco zmodyfikować system czujnika wilgotności. Otóż planuję dołożyć do układu zegar RTC (układ scalony który liczy czas: sekundy, dni, miesiące, lata – tak jak w zegarku) i Atmegę wybudzać alarmem z RTC, tak jak zwykłym porannym budzikiem. Alarm planuję ustawić na 2-3h. Dzielnik będzie dołączony nie bezpośrednio do zasilania, ale do wyjścia cyfrowego Atmegi, na którym ustalę “1” na czas wybudzenia i “0” podczas uśpienia. Będzie to skutkowało tym, że dzielnik obciąży baterię tylko na czas pomiaru (parę sekund co parę godzin) co jeszcze bardziej wydłuży czas pracy – tym razem do nieskończoności :-) Obecnie jak widać dzielnik obciąża baterię cały czas – co prawda prąd jest malutki, ale czymże byłby świat bez dążenia do doskonałości :-)

Drugi problem – podobne rozwiązania zwracały na problem elektrolizy wody w glebie. Rzecz oczywista – metalowe druty w mokrej ziemi przez który płynie prąd prowadzi do rozkładu H2O na tlen i wodór, elektrody korodują itp. Wydaje mi się, że moje rozwiązanie ze względu na ekstremalnie niskie prądy tego się bać nie powinno – po miesiącu nie widzę na moim czujniku żadnych niekorzystnych zmian.

Bonus

Zapewne nie wszyscy wiedzą, ale firma Atmel (producent m.in. mikrokontrolerów Atmega) udostępnia usługę bezpłatnych próbek. Oznacza to ni mniej ni więcej niż oferta produktów z katalogu zupełnie za darmo. Każde zgłoszenie jest oczywiście indywidualnie rozpatrywane, ale merytoryczne i bez ściemnień uzasadnienie bardzo pomaga. Bardzo również pomaga bycie uczniem/studentem i wykazanie potrzeb wykorzystanie podzespołów Atmela do pracy czy nauki. Ograniczenia w zasadzie są dwa: nie wolno zamawiać dużych ilości (max 10 sztuk, i to nie od razu) ani zbyt często. Za pierwszym podejściem zamówiłem paręnaście elementów i oczywiście rozpatrzono negatywnie. Ale w drugiej próbie zamówiłem sobie dwie Atmegi8 i po dwóch dniach (!) dostarczono mi je kurierem z USA. Po  miesiącu poprosiłem o Atmegę32 i Atmegę64 i również po dwóch dniach miałem kuriera pod drzwiami.  Oczywiście nie ponosimy kosztów ani elementów, ani transportu.  Aby mieć możliwość zamawiania darmowych próbek należy zarejestrować się na stronie: https://secure.atmel.com/forms/secure/verifylogin.aspx?target_url=samplestore