DIY: Mikroprocesorowa Trawiarka PCB

Autor: barti879
Redakcja: Dondu

Witam!

Jakiś czas temu rozpocząłem naukę pisania programów na mikrokontrolery AVR w języku C. Przeczytałem wiele tutoriali, poradników, itp. (m.in. ze strony mikrokotrolery.blogspot.com), aż w końcu doszedłem do pisania własnych, prostych programów.

Po kilku takich „pseudoprogramach” zdecydowałem, że teraz czas napisać coś bardziej rozbudowanego, a za razem przydatnego ;-)

Już od dawna w warsztacie brakowało mi trawiarki do płytek PCB, więc dlaczego nie?
Rozpoczęły się prace, których efektem jest:




a powstała tak ...

Założenia

Przed przystąpieniem do budowy miałem kilka założeń dotyczących konstrukcji. Po pierwsze wszystko miało być wykonane własnoręcznie, w jak najprostszy sposób i technikami „warsztatowymi”. Trawiarka miała być również mało skomplikowana, ale co najważniejsze funkcjonalna.

Zabieramy się do budowy

Pierwszym elementem, który powstał był oczywiście program ;) Powstawał był modułowo, tzn. najpierw napisałem fragment obsługi LCD, potem DS’a, następnie termostatu, itd… Na końcu wszystkie elementy kodu poskładałem w spójną całość. Podkreślam, że jest to mój pierwszy tak rozbudowany program. Pewnie wielu z Was napisało by go dużo lepiej, a na pewno prościej.

Tak prezentuje się kod. Jest w nim dużo komentarzy, ale jako, że jestem początkujący pomagały mi one w eliminowaniu błędów (choć pewnie nie udało się wyeliminować wszystkich). Biblioteki do obsługi LCD i DS'a zapożyczyłem ze strony: radzio.dxp.pl

*/
 * Sterownik_Trawiarki.cpp
 * ATmega 1MHz, LCD 2x16, DS18b20
 *
 * Wykonano: 07.03.2014r.
 *  Autor: Bartłomiej G.
 */ 

//#define F_CPU 1000000UL częstotliwość ustaw w opcjach projektu zgodnie z:
//http://mikrokontrolery.blogspot.com/2011/03/fcpu-gcc-gdzie-definiowac.html

//nagłówki bibliotek standardowych
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>  
#include <util/delay.h>    

//pliki obsługi LCD
#include "HD44780.c"
#include "HD44780.h"

//pliki obsługi DS'a
#include "ds18b20.c"
#include "ds18b20.h"             


//definicje przycisków
#define KEY_ON_OF (1<<PC0)
#define KEY_NEXT  (1<<PC1)
#define KEY_PLUS  (1<<PC2)
#define KEY_MINUS (1<<PC3) 

//definicje diod sygnalizujących
#define LED_NAGRZEWANIE (1<<PC4)
#define LED_MIESZANIE   (1<<PC5)

//definicje włączania grzałki i napowietrzacza
#define NAGRZEWANIE (1<<PB2)
#define MIESZANIE   (1<<PB1)

//togglowanie (zmiana stanu na przeciwny) wyjściem napowietrzacza
#define MIESZANIE_TOG PORTB ^= (1<<PB1)    

//togglowanie (zmiana stanu na przeciwny) diodą sygnalizacyjną
#define LED_MIESZANIE_TOG PORTC ^= (1<<PC5)

//flagi przycisków
volatile uint8_t flaga_on_of, flaga_next, flaga_plus, flaga_minus;


int main(void)
{

 //wyjścia grzałki i napowietrzacza
 DDRB = NAGRZEWANIE | MIESZANIE;
 
 //wyjścia diod sygnalizacyjnych
 DDRC  = LED_NAGRZEWANIE | LED_MIESZANIE;

 //wejścia przycisków z podciągnieciem do Vcc
 PORTC = KEY_ON_OF | KEY_NEXT | KEY_PLUS | KEY_MINUS;
 
 //zmienne 
 uint8_t licznik_czasu = 15;
 uint8_t licznik_menu = 0;
 int8_t mieszanie = 0;
 uint8_t stan_ster = 0;
 uint8_t nastawa = 40; 
 uint8_t czas = 15;         
 
 //tablice przechowujące znaki w kodzie ASCII 
 char tablica_czasu [2];
 char tablica_temp [17];
 char tablica_temp_zadana [10]; 
 
 double temp; //zmiennna przechowuje aktualną wartość temperatury
 unsigned char ds18b20_pad[9]; //tablica odczytów z DS
 
  
 //timer2 (8-bitowy) z preskalerem 1024 (przerwanie sprawdzające przyciski)
 TCCR2 |= (1<<CS20) | (1<<CS21) | (1<<CS22);
 TCCR2 |= (1<<WGM21);                        //tryb CTC
 TIMSK |= (1<<OCIE2);                        //zezwolenie na przerwania CTC
 OCR2 = 170;                                 // 170 cykli = ~175ms
 
 sei();                         //globalne zezwolenie na przerwania
 
 //timer1 (16-bitowy) z preskalerem 64 (licznik czasu mieszania)
 TCCR1B = (1<<CS10) | (1<<CS11);
 
 LCD_Initalize(); //inicjalizacja LCD

 //napis powitalny
 LCD_WriteText(" TRAWIARKA PCB");
 LCD_GoTo(4, 1);
 LCD_WriteText("Bartek G");
 _delay_ms(3000);
 LCD_Clear();
 
 
 while(1)
 {
  //###################################### STAN STEROWNIKA ################

  //zmień stan jeśli wciśnięty przycisk "on/off"
  if (flaga_on_of)
  {
   stan_ster++;
   flaga_on_of = 0;
   
   if (stan_ster >= 2)
   {
    stan_ster = 0;
    licznik_menu = 0;   
   }
  }
 
  
  //###################################### MENU NASTAW ######################

  if (stan_ster == 0)
  {

   TCNT1 = 0;         //zerowanie timera1
   licznik_czasu = 0; //zerowanie licznika czasu

   PORTB = 0x00;              //RESET PORTB
   PORTC &= ~LED_NAGRZEWANIE; 
   PORTC &= ~LED_MIESZANIE;  //wyłączenie diod sygnalizacyjnych
   
   //kolejny ekran nastaw jeśli wciśnięty przycisk "next"
   if (flaga_next)
   {
    licznik_menu++;
    flaga_next = 0;
    if (licznik_menu >= 3) licznik_menu = 0; 
   }               
   
    
  
   switch (licznik_menu)
   {
    //############################## NASTAWA TEMPERATURY ##################

    case 0: 

     //inkrementuj zmienną "nastawa" jeśli wciśnięty przycisk "plus"
     if (flaga_plus) 
     {
      nastawa++;
      flaga_plus = 0;
      if (nastawa >=60) nastawa = 30;
     }
   
      //dekrementuj zmienną "nastawa" jeśli wciśnięty przycisk "minus"
      if (flaga_minus)
      {
        nastawa--;
        flaga_minus = 0;
        if(nastawa <= 30) nastawa = 60; 
      }
   
      //konwersja zmiennej na łańcuch znaków dla LCD
      itoa(nastawa, tablica_temp_zadana, 10);
   
      LCD_Home();
      LCD_WriteText("  TEMPERATURA   ");
      LCD_GoTo(0, 1);
      LCD_WriteText("   -  ");
      LCD_WriteText(tablica_temp_zadana);
      LCD_WriteData(0xdf); //znak stopnia
      LCD_WriteText("C  +   ");
      break;
      
     
        
    //################################ STAN MIESZANIA #####################

    case 1:  

     //inkrementuj zmienną "mieszanie" jeśli wciśnięty przycisk "plus"
     if (flaga_plus)
     {
       mieszanie++;
       flaga_plus = 0;
       if (mieszanie >= 3) mieszanie = 0;
     }
   
     //dekrementuj zmienną "mieszanie" jeśli wciśnięty przycisk "minus"
     if (flaga_minus)
     {
       mieszanie--;
       flaga_minus = 0;
     }              
   
     if (mieszanie < 0) mieszanie = 2;
   
     LCD_Home();
     LCD_WriteText("   MIESZANIE    ");
     LCD_GoTo(0, 1);
   
     switch (mieszanie)
     {
       case 0:
         LCD_WriteText(" <AUTOMATYCZNE> "); //tryb automatyczny
         break;
   
       case 1:
         LCD_WriteText("    <CIAGLE>    "); //tryb ciągły
         break;

       case 2:
         LCD_WriteText("  <WYLACZONE>  "); //tryb wyłaczony
         break;
     }
     break;
  
  
   //################################# NASTAWA CZASU MIESZANIA ############
   
   case 2:    
   
     switch (mieszanie)
     {
       case 0: //tryb automatyczny  
         //inkrementuj zmienną "czas" jeśli wciśnięty przycisk "plus"
         if(flaga_plus)
         {
           czas++;
           flaga_plus = 0;
         }
    
         //dekermentuj zmienną "czas" jeśli wciśnięty przycisk "minus"
         if(flaga_minus)
         {
           czas--;
           flaga_minus = 0;
           if (czas <= 0) czas = 1;
         }

          //konwersja na łańcuch znaków dla LCD
         itoa(czas, tablica_czasu, 10);
     
         LCD_Home();
         LCD_WriteText(" CZAS MIESZANIA ");
         LCD_GoTo(0, 1);
         LCD_WriteText("   -  ");
         LCD_WriteText(tablica_czasu);
         LCD_WriteText("s  +     ");   
         break;
   
       case 1:
         licznik_menu = 0;
         break;
     
       case 2:
         licznik_menu = 0;
         break;
     }
     break;
   }
 
 
  }
 
  /////////////////////////////////// TRYB PRACY //////////////////////
  else
  {
   //################################## TERMOMETR ######################
  
   if(ds18b20_ConvertT()) //polecenie pomiaru
   {
     _delay_ms(1);      

     ds18b20_Read(ds18b20_pad); // odczyt z czujnika oraz zapis w tablicy
   
     //składa dwa bity pomiary w całość
     temp = ((ds18b20_pad[1] << 8) + ds18b20_pad[0]) / 16.0 ;
  
     //konwersja na kod ASCII i zapis w tablicy "tablica_temp"
     sprintf(tablica_temp, "%4.1f\xdf""C", temp);
   }

   //################################## WYŚWIETLACZ #################
  
   LCD_Home();
   LCD_WriteText(" ");
   LCD_WriteText(tablica_temp);
   LCD_WriteText(" ");
   LCD_WriteData(0x2D);
   LCD_WriteData(0x3E ); //strzałka ->
   LCD_WriteText(" ");
   LCD_WriteText(tablica_temp_zadana);
   LCD_WriteData(0xdf); //znak stopnia
   LCD_WriteText("C   ");
   LCD_GoTo(0, 1);
   LCD_WriteText("   TRAWIENIE    ");   
   
   //#################################### TERMOSTAT ##################
     
   if ((temp+1) < nastawa) 
   {
     PORTB |= NAGRZEWANIE;     //włącz grzałkę
     PORTC |= LED_NAGRZEWANIE; //włącz diodę PC4
   }
   
   if ((temp-1) > nastawa)
   {
     PORTB &= ~NAGRZEWANIE;     //wyłącz grzałkę
     PORTC &= ~LED_NAGRZEWANIE; //wyłącz diodę PC4
   }
   
     
   //################################## MIESZANIE ###########################
  
   switch (mieszanie)
   {
     case 0: //tryb automatyczny

      //inkrementuj zmienną "licznik czasu" jeśli timer >= 15625 (1s)
      if(TCNT1 >=15625)
      {
         TCNT1=0;         
         licznik_czasu++;     
      }
   
      //włącz/wyłącz napowietrzacz i diodę jeśli licznik czasu = czas ustawiony
      if(licznik_czasu == czas)
      {
        MIESZANIE_TOG;
        LED_MIESZANIE_TOG;
        licznik_czasu = 0;
      }
   
      break;
  
  
    case 1: //tryb ciągły
  
      PORTB |= MIESZANIE;  //włącz napowietrzacz
      PORTC |= LED_MIESZANIE; //włącz diodę sygnalizacyjną
      break;
     
    case 2: //tryb wyłączony
   
      PORTB &= ~MIESZANIE;     //wyłącz napowietrzacz
      PORTC &= ~LED_MIESZANIE; //wyłącz diodę sygnalizacyjną
      break;
   }
  }
 }
}


ISR (TIMER2_COMP_vect)
{
 if (!(PINC & KEY_ON_OF)) flaga_on_of = 1;
 
 if (!(PINC & KEY_NEXT))  flaga_next  = 1;
 
 if (!(PINC & KEY_PLUS))  flaga_plus  = 1;
 
 if (!(PINC & KEY_MINUS)) flaga_minus = 1;
}
 

Podczas pisania programu powstała również funkcja "pseudodebouncingu" klawiszy (eliminacji drgań styków). Wykorzystuje ona timer sprzętowy w trybie CTC. W przerwaniach generowanych co ok 175ms (dobrałem to doświadczalnie) sprawdzane są klawisze, i jeśli któryś z nich jest wciśnięty ustawiana jest odpowiednia flaga. Poniżej ów kod, który ma za zadanie zmieniać stan diody, jeśli przycisk jest wciśnięty.

/*
 * ATmega8 debouncing (eliminacja drgań styków przycisków)
 * Wykonano: 07.03.2014r.
 * Autor: Bartłomiej G.
 */ 

//#define F_CPU 1000000UL częstotliwość ustaw w opcjach projektu zgodnie z:
//http://mikrokontrolery.blogspot.com/2011/03/fcpu-gcc-gdzie-definiowac.html


#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

#define KEY (1<<PC0)
#define LED  (1<<PB1)
#define LED_TOG PORTB ^= LED

volatile uint8_t flaga;


int main(void)
{
    DDRB = LED;  
    PORTC = KEY; //podciągnięcie klawisza do Vcc
 
    TCCR1B |= (1<<CS00) | (1<<CS02); //timer  z preskalerem 1024 
    TCCR1B |= (1<<WGM12);            //tryb CTC                                                       
    TIMSK  |= (1<<OCIE1A);           //zezwolenie na przerwania Compare Match
    OCR1A = 195;                     //195 cykli = ~200ms
       
    sei(); //globalne zezwolenie na przerwania
 
 
    while(1)
    {
     if(flaga)
     {
      LED_TOG;
      flaga = 0;
     }
    }
}

ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
 flaga = 1; 
}

Prototyp powstał oczywiście na płytce stykowej. Gdy był już w pełni sprawdzony i działający przeniosłem go na PCB. Płytkę zaprojektowałem w Eagle’u, wytrawiłem termotransferem i pocynowałem stopem Lichtenberga - tak na marginesie, to bardzo polecam ten sposób cynowania ;-).

Płytka sterownika

Płytka przycisków

Sercem sterownika jest mikrokontroler Atmega8 pracujący na wewnętrznym oscylatorze 1MHz. Układ ten steruje również poprzez optotriak MOC3041 oraz triak BT138 grzałką oraz napowietrzaczem. Rolę czujnika temperatury pełni DS18b20 produkcji Dallasa. Za wyświetlanie odpowiedzialny jest wyświetlacz LCD 16x2 ze sterownikiem HD44780. Układ zasilany jest z ładowarki od telefonu (akurat miałem w domu).

Grzałka ma moc 100W i podgrzewa roztwór do 40 stopni w około 12-15 min.  Czujnik zabezpieczyłem poprzez włożenie go w rurkę termokurczliwą, zalanie silikonem i zaciśnięcie koszulki. Operację tę powtórzyłem po zaschnięciu pierwszej warstwy, więc wytrawiacz raczej sobie z nim nie poradzi. Powietrze jest rozprowadzane przez kurtynę napowietrzającą (dostępna w każdym sklepie akwarystycznym).

Czas kleić akwarium… Powstało ono z 4mm tafli szkła (ciętej oczywiście nożem w warsztacie - tak jak mówiły założenia). Cięcie szkła nie należy do prostych rzeczy ale doszedłem już do wprawy. Przycięte elementy posklejałem silikonem. Akwarium ma wymiary 28cm x24cm x2cm i mieści troszkę powyżej litra płynu. Napowietrzacz i grzałkę miałem już z poprzedniego podejścia do budowy trawiarki – niestety konstrukcja ta nie posiadała żadnego sterowania i nie do końca spełniała swoje zadanie.

Mając te elementy przyszedł czas na obudowę. Wykonałem ją z blachy ocynkowanej oraz kawałka jakiejś wodoodpornej sklejki. Blacha gięta sposobem „na dwa profile” ;D Po prostu wkłada się ją między dwa profile i delikatnie dogina gumowym młotkiem. Następnie obudowa została powiercona, wyszlifowana i pomalowana kilkoma warstwami białego i bezbarwnego spray’u. Moim zdaniem jak na domowe warunki uzyskałem całkiem zadowalając efekt. Gdy wszystko wyschło zamontowałem akwarium i płytki z elektroniką. Ostatnim krokiem było wydrukowanie, zalaminowanie i naklejenie panelu przedniego – to już koniec budowy!

Zdjęcia z etapów budowy

Obudowa przed wierceniem

Obudowa po wierceniu

Obudowa z akwarium

Obudowa z akwarium

Podczas składania

Mocowanie LCD i przycisków

UWAGA!
W układzie występują napięcia (230V) niebezpieczne dla życia i zdrowia!

Opis działania

Po włączeniu zasilania wyświetla się napis powitalny. Po 3 sekundach naszym oczom ukazuje się menu ustawień. Możemy tu ustawić temperaturę procesu trawienia (w zakresie od 30 do 60 stopni), tryb mieszania (automatyczny, ciągły lub wyłączony) oraz czas przerw w mieszaniu. Temperatura trawienia nie jest zapisywana do EEPROM a jej początkowa wartość to 40 stopni, co jest w 99% temperaturą, której potrzebuję. Histereza jest programowo ustawiona na +/-1 stopień. Po kliknięciu przycisku włączającego proces na ekranie wyświetlana jest aktualna oraz ustawiona temperatura. Po jego ponownym kliknięciu przechodzimy z powrotem do trybu ustawień. Diody sygnalizują aktualny stan grzałki i napowietrzacza.


Do pobrania

Do obrania komplet plików do wykonania PCB oraz program w raz z plikiem hex: Trawiarka.rar (kopia)

Podsumowanie

Urządzenie, które wykonałem nie jest skomplikowane, jednak w 100% spełnia swoje zadanie. Podczas jego budowy nauczyłem się wielu rzeczy. Teraz już pisanie programów staje się co raz prostsze (kod do sterownika nauczył mnie na prawdę bardo dużo), szyby nie stawiają takich oporów, a prostoliniowe cięcie blachy nie jest trudne!

Koszty jakie poniosłem przy budowie to około 50 zł. Większość elementów miałem – musiałem kupić tylko spray’e oraz kilka układów elektronicznych. Reszta potrzebnych rzeczy leżała gdzieś w zaciszu domowych szuflad.

Jestem bardzo zadowolony z pracy trawiarki. Bardzo ułatwia i umila wykonywanie płytek drukowanych. Polecam każdemu elektronikowi zbudowanie podobnej konstrukcji!

Na koniec kilka zdjęć finalnego wyglądu oraz filmik z działania urządzenia.

Panel przedni

Przyciski

Czujnik temperatury

Obudowa z tyłu

Finalny wygląd

Finalny wygląd

Pozdrawiam !

Bartek