DS3231 AT24C32 IIC module precision Real time clock module memory module Arduino

Таймер

Сегодня расскажу, как сделать таймер на несколько каналов своими руками. В основе таймера лежит Arduino и шилд с часами реального времени DS3231. Кому интересно, прошу под кат.


Предыстория:
В один прекрасный день я заметил, что потёк мой маленький аквариум. Потёк по шву снизу. Так как покупал я его, чтобы набраться опыта, то решено было не пытаться чинить, а купить нормальный большой аквариум. После недолгих поисков я купил нормальный аквариум через интернет магазин (в офф-лайн магазинах подобный аквариум стоил на 2-3 тыс. дороже). Пока обустраивал аквариум, пока запускал его, выяснилась одна отрицательная черта. Лампы в аквариуме светили слишком ярко. Для рыб и растений они, конечно, работали нормально, но аквариум находился в спальне (а стоит зима с поздними рассветами!) — свечение от ламп по утрам заливало комнату и мешало моим домочадцам наслаждаться объятиями Морфея. Поначалу я подумал просто выставить таймер, который остался у меня от прошлого аквариума, на другое время, но в этом случае приходилось кормить рыб вечером, что меня не устраивало.
Второй мыслью было поставить ещё один таймер и светодиодную ленту, но, подумав немного, решил собрать таймер сам, так как все компоненты имелись в наличии.
Первоначально таймер хотел строить по следующей схеме: Блок питания 5В — Arduino – часы DS3231 –шилд реле. Но от этой схемы отказался практически сразу. Причин было несколько:
1) по затратам сборка подобного таймера сопоставима с таймером, купленном в магазине
2) бездарно пропадает вычислительная мощь компонентов.
3) много времени уйдет на постройку таймера
Если говорить простым языком, то если и собирать таймер, то с такими функциями, которых нет в обычных таймерах, иначе вообще нет смысла браться за подобную затею.
Так, цель ясна. Теперь, как нас давно учили в институте на основах научно технического творчества, подменяем одну функцию устройства на другую. По большому счёту, функций у нас не так много:
1) Включение/выключение света
2) Управление
3) Количество каналов регулирования светом
4) Другие функции (цвет, размер, дизайн… на ум больше ничего не приходит)
Начнём с конца списка.
— Количество каналов – можно подключать разные каналы в разные моменты времени, тем самым делая освещённость аквариума ярче или темнее.
— Управление таймером не самая важная функция. Так как таймер строится по принципу «работать долго и автономно без всякого вмешательства», то функция управления носит второстепенный характер. То есть один раз запрограммировать, и таймер работает. Конечно, функцию перепрограммирования нужно оставить, чтобы в случае чего подправить времена вкл/выкл.
— Теперь про функцию включения света. А почему бы не сделать включение света плавным, как в диммерах. Для этого практически все есть в Arduino, небольшая обвязка в виде силовых цепей и полноценный диммер-канал готов.
Ну вот, теперь более или менее вырисовывается таймер, который я хочу сделать. В связи с тем, что в новом аквариуме стоят люминесцентные лампы, то управлять ими приходится через реле, а вот светодиодными лентами я буду управлять Arduino, через ШИМ.
Вот схема, по которой я собирал таймер

Немного пояснений к схеме.
С левой части Arduino у неё есть три канала:
— на цифровых выходах (D3, D5) – ШИМ управляют светодиодными лентами HL1, HL2.
— цифровой выход D7 управляет реле, которое коммутирует 220В (люминесцентные лампы).
В качестве питания я использовал блок питания на 12В, 1А . Не помню, для чего и когда я его покупал в офф-лайне, но подошел он в корпус идеально. Питание на Arduino я брал с преобразователя LM2596M (настроил его на 5В), хотя на самом деле, как я сейчас понимаю, можно было ограничиться «кренкой» на 5В и конденсатором.
Часы DS3231 подключаются к стандартным портам SDA(A4) и SCL(А5). Первоначально в планах были задуманы три кнопки, которые цепляются к аналоговому входу А0, но в дальнейшем пришлось от них отказаться по причине нехватки места в корпусе (об этом напишу позже). Кнопками задумывалось управлять следующими функциями:
1) Все каналы включить
2) Все каналы выключить
3) Установка времени часам (например, в субботу в 12:00, если вдруг часы будут сильно убегать).
По схеме, вроде, все понятно. Ещё немного времени уделю каналам и перейду к реализации.
С каналом, который управляет реле, сложностей не возникло. Схема типовая, транзистор подойдёт любой, который может коммутировать токи от 100 мА.
С каналами, которые управляют светодиодными лентами, пришлось повозиться. Вся загвоздка была в выборе силового транзистора. Он должен обеспечивать коммутацию токов до 1А, при этом падение напряжения на нем должно быть минимальным, иначе он будет греться, а нагрев нам ни к чему. Для испытаний был собран стенд на макетной плате, где я тестировал транзисторы, которые нашёл у себя в рабочем столе. В идеале, можно было бы взять что-то типа IRFZ44N, но для сборки таймера решил использовать по максимуму компоненты, которые у меня уже были в наличии. В столе нашёл несколько полевиков NDP7060. По даташиту у него сопротивление канала при очень большом токе составляло всего 0,013 Ом. На испытаниях он вообще не нагрелся. Было решено ставить их в схему.
Перед сборкой таймера нужно было сначала выбрать корпус, чтобы на основе его проектировать другие компоненты системы. Поход по электронным магазинам показал, что выбор есть, но цены одного корпуса сопоставимы с ценой готового таймера. И тут я вспомнил, что когда делал свою метеостанцию, то я заказывал пару корпусов. После непродолжительных поисков в квартире, в которой идёт ремонт, корпус был найден. Все бы хорошо, но размеры его были маловаты. Я уже хотел отказаться от этого корпуса, но потом решил собирать все компоненты в корпусе по частям. То есть будет несколько плат, а соединяться они будут проводами. Минус этого метода — большое количество проводов и сложность в отладке. Плюс – маленькие размеры.
Вот такой корпус я решил использовать

Немного опишу основные компоненты.
Arduino mini
На муське много обзоров данной платы. Я покупаю ее дешевизны (около 100 руб.) и малого размера. Все основные интерфейсы у нее присутствуют, следовательно, нет смысла переплачивать тройную цену за Arduino Uno или Arduino nano. Единственный минус — это необходимость использования внешнего преобразователя USB – COM. Но покупка подобного преобразователя с платой обойдется все равно дешевле, чем большая плата.
Немного фотографий Arduino nano





Часы реального времени DS3231
Почему я выбрал именно этот RTC, а не DS1307??? Да потому что имею печальный опыт использования DS1307 в своей метеостанции и больше с ними связываться не хочу. В прошлый раз мне в комментариях написали, что лучше было использовать DS3231, вместо DS1307, так как в DS3231 встроенный кварц и термостабилизация. Еще одной особенность платы DS3231 — это ее высокая точность хода.
Заказывал часы давно, а вот испытать пришлось их недавно. Не обошлось, конечно, без ложки дегтя, хотя об этом чуть ниже.
Пришли часы в обычном конверте

Внутри в слое пупырки лежали часы в антистатическом пакете


С одной стороны была распаяна угловая линейка контактов


Батарейки не было, так как почте Китая и Гонконга запретили к пересылке литиевые батарейки. В часах используется стандартная батарейка CR2032.
Линейку контактов пришлось выпаять и припаять не угловую с другой стороны.

Корпус
В корпусе было решено сделать розетку, чтобы в нее можно было вставить вилку от освещения аквариума. Данное решение заметно уменьшает полезный объем корпуса, в котором можно разместить электронику, но я хотел создать максимально универсальное устройство.
Розетку взял обычную встраиваемую (у меня осталась от ремонта).

Выкручиваем среднюю часть. Выкидываем окантовку. С одной стороны пришлось обрезать каркас розетки, чтобы розетка вплотную встала в корпус.

В корпусе прикладываем розетку, карандашом намечаем отверстие

Здесь на фотографии видно, что я уже пристроил плату от блока питания 220/12В.
Далее дрелью делал много отверстий по намеченному контуру и крупным напильником дорабатывал основное отверстие. Прикручиваем основу розетки, а к ней сверху винтом центральную накладку.
Вот что получилось


На последней фотографии видно, что на центральной накладке есть два углубления. Не знаю, для чего они (кстати, с другой стороны есть аналогичные вырезы). Это, конечно, портит немного эстетический вид, но я решил не заморачиваться с поиском герметика в цвет розетки, чтобы заделать эти вырезы.

Далее проектирование самой схемы. После того, как я собрал все основные компоненты, я попробовал примерить, как они сидят в корпусе. Оказалось, все печально. Нужно было делать минимум 2 платы.
В Sprint-Layout примерял различные компоненты. В итоге, скомпоновал две платы:


Изготовил платы путем травления фольгированного текстолита в хлорном железе.

Платы с установленными компонентами


Все компоненты в корпусе



Как видно на фотографиях, корпус забит под завязку, проводов много. Долезть до какого-либо компонента проблематично, а порой и просто невозможно.
Вот так выглядит собранный таймер


При проектирование плат допустил несколько ошибок.
1) не развел линию сброса для программатора. Раньше у меня был преобразователь USB – COM, который имел 4 выхода VCC, TX, RX, GND. Для программирования я тогда просто нажимал сброс на Arduino, и программа нормально заливалась. Сейчас купил нормальный преобразователь USB – COM, но про остальные линии забыл. В результате, пришлось на Arduino припаивать угловой контакт и выводить соединяющий провод из корпуса. После программирования и удачного тестирования этот провод можно просто выдернуть из корпуса.
2) не учёл ширину направляющих внутри корпуса. В результате, пришлось ставить коннекторы меньшего размера или вообще без корпуса.

Первое включение.
Включил в сеть, внутри загорелась куча лампочек. Светодиод на Arduino заморгал (который висит на D13). Попытался залить свою программу мигания светодиодом – все прошло успешно.
Дальше пошло обычное программирование. После этого я решил закрыть корпус, ведь вроде все работало. Закрыл, пытаюсь загрузить программу – ничего не выходит. Раскручиваю корпус, подключаю питание. Питающий светодиод на Arduino горит, но как-то слабо. Пытаюсь еще раз залить программу, ничего не выходит. После долгих поисков (основную мою работу никто не отменял), я нашел, что провода, которые подходят к основному блоку питания, натянулись и не обеспечивали надежный контакт на плате. По-простому говоря, я просто выдавил крышкой эти провода. После восстановления контакта (хорошо пропаял) и нормальной укладки провода, Ardiuno не заработала. Пришлось ее вытаскивать и подключать к макетке. Что я с ней только не делал, но оживить ее не смог. В итоге, просто взял новую Arduino.
Программирование продвигалось нормально до того момента, когда нужно было подключать RTC. Как я писал раньше, без ложки дегтя не обошлось. Заливаю стандартную программу опроса часов, а программа никаких данных не присылает. Что за фигня??? Начинаю пробовать все демонстрационные программы, которые идут в комплекте со средой разработки Arduino. В результате программа висит. Ладно. Загружаю программу сканер I2C. Она по-любому должна выдать два адреса, так как в шилде RTC на шине I2C висят часы DS3231 и память 24С32. И программа виснет на первом адресе. Опять разбираю свое устройство. На макетке подключаю Arduino к RTC, еще раз пробую заливать разные программы – результат нулевой. Начинаю экспериментировать с проводками I2C (SDA и SCL). При отключении провода SDA все программы начинают работать, но естественно, по шине ничего не предают. То ли я попалил шилд, когда Arduino питался от информационных цепей, то ли он был уже бракованный, я теперь не знаю. На тот момент я отложил устройство на неопределенный срок, так как в наличии свободного модуля RTC у меня не было, а заказанные уже давно три модуля RTC застряли между Китаем и Россией. Через недельку, когда прошли уже все разумные и не разумные сроки прихода посылки с тремя модулями RTC, я решил поковыряться в существующем RTC (все равно он нерабочий). Я подумал, что если не работает шина I2C, то, возможно, одно из устройств (память или часы) просто коротят SDA. И если это устройство выпаять, то другое должно заработать. По началу, решил выпаять память (она мне не нужна была). Шанс того, что шилд заработает, 50/50. Взял фен с тонкой насадкой, прогрел память и аккуратно пинцетом удалил микросхему.
Подключаю Arduino к RTC на макетке, заливаю программу сканер I2C – часы откликаются на адресе 0х68. Пробую задать время, часы нормально идут, без признаков отставания. Значит, во всем была виновата память 24С32.
Собираю все опять в корпус и начинаю писать основную программу таймера.
Вскоре была написана основная версия программы. Но в связи с тем, что процессы, которыми управляет таймер, слишком растянуты во времени, то и отладка программы заняла очень много времени.
Описание программы:
Вначале инициализирую массивы, в которые заношу время включения/выключения каналов, а также время работы диммеров. Для рабочих и выходных дней массивы разные.
В теле программы один раз в минуту текущее время сравнивается со временем из массивов. Происходит определение, к какому интервалу принадлежит текущее время, и в зависимости от этого интервала выполняется определенное действие (вкл/выкл основного канала освещения или диммера).
Информацию для отладки выводим в СОМ порт. Вот пример лога (здесь для отладки я использовал интервалы 5 минут, чтобы оценить, как будут переключаться каналы)

Немного пояснений. Вначале показываю время, потом номер интервала, следом состояние каналов.
Вроде, все написал, кроме испытаний в боевых условиях, то есть на аквариуме.
Для аквариума я взял две светодиодные ленты. Концы лент тщательно герметизировал с помощью термоусадки. Ленты прикрепил рядом с основными лампами, а провода аккуратно вывел в тумбочку под аквариумом.





На последней фотографии виден синий провод. Пока оставил его для программирования.
Первое включение было в 20:30 в воскресенье.
В 21:00 отработало переключение основных ламп на светодиодные ленты.
В 21:20 отработал первый диммер на выключение (лента плавно гасла в течение четырех минут).
Потом в 21:30 отработал второй диммер на выключение (вторая лента также гасла в течение четырех минут).

Вроде, программа отлично отработала, но не тут-то было. В понедельник утром в назначенное время 6:15 светодиодная лента не включилась. Отвел ребенка в школу и выяснил, что лента включилась в 8 часов и отработала программу за выходной день. После просмотра кода я понял, что когда задавал время, то выставил неправильный день недели. Плюс ко всему, жена раскритиковала расписание. Мои аргументы, что раньше в то же время включался свет в маленьком аквариуме, ее не убедили.
В итоге, пришлось корректировать расписание и задавать точное время. На раннее утро оставил всего одну светодиодную ленту. Вторая лента включается намного позже, а основной свет — в 9:00.

В принципе, это все, что хотел написать. Сначала планировал снять видео, но решил, что смотреть 4 минуты, как гаснет светодиодная лента, не слишком увлекательно :-).

Код программы выложил на Яндекс.диск.

Устройство отработало больше недели. Функционал устройства меня полностью устраивает. За время работы были отключения света в квартире, таймер отработал штатно по заданному алгоритму.
Плюсы и минусы, думаю, не стоит описывать, так объективно мне сложно дать оценку своему устройству.