Gießmaschine

2014-04-19

Ich habe den Auslöser vergessen aber seit einigen Monaten arbeite ich langsam und stetig an einer Maschine zum automatischen Begießen wertvoller Pflanzen. Anforderungsliste:

• Die Maschine soll batteriebetrieben sein. Die Batterie soll aber nicht gleich leer sein. Stromsparende Schaltungen sind gefragt!
• Die Notwendigkeit des Gießens soll durch die Messung des Gewichts der Pflanze samt ihrer Erde erkannt werden.
• Inwieweit die Pflanze durch Photosynthese an Gewicht zulegt und damit ihre Wasserzufuhr beschränkt soll untersucht werden.
• Die Maschine soll niemals nachts gießen, damit niemand aufwacht.
• Das Gießen soll niemanden erschrecken. Das Gerät soll also den Gießvorgang vorwarnen.
• Nachträgliche Ideen sollen umsetzbar sein. Hierdurch scheidet diskrete Elektronik aus und ein Mikrocontroller ist zwingend notwendig.
• Eine leere Batterie soll zum Abbruch führen und einen Fehler melden. Keineswegs soll das Gerät z.B. in abgestürzten Zustand mit geringer Leistung ewig weiterpumpen.
• Ein leerer Wasserbehälter soll erkannt werden. Die Pumpe darf dann nicht sinnlos weiterpumpen bis sie kaputt ist.

Der Computer ist ein AVR ATMEGA8. Er befindet sich überwiegend im Sleep mode. Aufgeweckt wird er durch den Watchdog Timer. Das passiert etwa alle anderthalb Sekunden. Der Controller blitzt dann kurz das grüne Licht. Bei jedem zehnten Mal blitzt er rot und prüft dabei, ob die Lichtschranke eine verdrehte Waage erkennt. Falls ja, wird noch geprüft, ob es hell ist oder Nacht. Wenn es hell ist, wird die Pumpe gestartet und eine definierte Wassermenge abgegeben. Danach wird wieder gewartet. Ist vier mal hintereinander ein Pumpen nötig, ohne dass dazwischen einmal kein Pumpen nötig ist, so geht die Anlage in den Fehlerzustand (rotes Licht blinkt dauerhaft). Das bedeutet, dass das Wasser leer ist. Erkennt der Mikrokontroller einen Spannungsmangel (Batterie schwach), so geht er in den Fehlerzustand (rotes und grünes Licht blinken abwechselnd). Das bedeutet, dass man die Batterie laden muss. Die Schaltung wurde mit Kicad gezeichnet und mit dem Platinenlayoutprogramm von Kicad gelayoutet. Ein ISP-6PIN Programmierport für einen USB Programmer ist vorhanden. Ein Verpolen der Batterie wird über eine Diode kurzgeschlossen und die Sicherung brennt sofort durch.	Ein schönes minimalistisches Bedienteil.
Schaltet man die Pumpe ein, bricht sofort die Spannung zusammen, da der FET sehr niederohmig ist und der Motor zwei gute Entstörkondensatoren hat. Dieses erkennt der Mikrokontroller und geht in den Spannungsverlustreset (Brown out reset). Das Problem wird verhindert, indem die Motordrehzahl mit PWM (Pulsweitenmodulation) langsam erhöht wird. Ausserdem wird vor dem Motorstart drei mal hintereinander der Motor als Lautsprecher verwendet, um den Nutzer durch Summen auf den bevorstehenden Motorstart vorzubereiten, so dass dieser nicht erschreckt.	Die Lichtschranke ist ohne Strom. Nur im Moment der Messung wird sie bestromt.
Der Stromverbrauch der Anlage im Sleep Mode ist extrem gering. Etwa 50 Mikroampere werden verbraucht. Die gesamte Peripherie ist in abgeschaltetem Zustand. Der Stromverbrauch definiert sich ausschließlich über den Sleep Mode des Mikrocontroller. Die Batteriespannung beträgt 6V. Hier sieht man auch die letzte Baustelle der Anlage. Ich hatte keine passenden Kontaktschuhe bereit.	Die Menge der Steine bestimmt die Feuchtigkeit der Blume. Wer mehr Feuchtigkeit will, legt noch ein Steinchen hinzu.
Die Maschine in Gänze	Ich fand auf die Schnelle keinen wertvolleren Pflanzenbestand. Eigentlich würde ich gerne irgend eine teure Pflanze mit der Maschine durch einen Urlaub bringen, aber der nächste Urlaub ist noch eine lange Weile hin und Verhandlungen über den Aufenthaltsort teurer und vermeindlich hübscher Pflanzbestände laufen noch. Erschwerend ist wohl die irrtümliche Unterstellung, dass die Maschine keine hübsche Umgebung für eine noch hübschere Pflanze darstellt.
Die kleine Solarzelle wird mit einem Widerstand belastet und die dabei anliegende Spannung wird mit einem Analogeingang des Mikrokontrollers aufgenommen. Während der Wandlung ist der Mikrocontroller im ADC sleep Mode. Für höhere Genauigkeit wird eine langsame Wandlung durchgeführt. Das Eingangssignal ist mit einem zusätzlichen Kondensator gestützt. Ich bin begeistert, wie genau die Ermittlung der Helligkeit hier möglich ist. Letztlich geht es aber nur darum, dass nachts nicht gepumpt wird.	Hier sieht man den Wasservorrat - der reicht wohl noch eine Weile.