VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION ÚSTAV MIKROELEKTRONIKY DEPARTMENT OF MICROELECTRONICS AUTOMATIZOVANÉ ŘÍZENÍ PROVOZU AKVÁRIA AUTOMATED CONTROL OF AQUARIUM OPERATION DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. Radim Kejzlar doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D. BRNO 2022

2 Diplomová práce magisterský navazující studijní program Mikroelektronika Ústav mikroelektroniky Student: Bc. Radim Kejzlar ID: Ročník: 2 Akademický rok: 2021/22 NÁZEV TÉMATU: Automatizované řízení provozu akvária POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Navrhněte a realizujte automatizované řízení provozu akvária. Zařízení bude řízené mikrokontrolérem s uživatelským rozhraním ve formě klávesnice a displeje. Celý systém a veškeré vstupní a výstupní veličiny budou popsány v blokovém schématu. Zařízení bude co nejvíce intuitivní pro akvaristu a zároveň bude sledovat nejnutnější veličiny a reagovat na ně. Součástí rozhraní bude i možnost konfigurace jednotlivých vstupů/výstupů co se týče času spínání, nastavení parametrů a možnosti tyto parametry vypnout. DOPORUČENÁ LITERATURA: Podle pokynů vedoucího práce. Termín zadání: Termín odevzdání: Vedoucí práce: doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D. doc. Ing. Lukáš Fujcik, Ph.D. předseda rady studijního programu UPOZORNĚNÍ: Autor semestrální práce nesmí při vytváření semestrální práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Vysoké učení technické v Brně / Technická 3058/10 / / Brno

3 Abstrakt Diplomová práce na téma automatizované řízení provozu akvária se zabývá kompletním návrhem a realizací automatizovaného systému pro řízení běžného sladkovodního tropického akvária s klávesnicí a displejem. V práci je rozebírána použitelnost takovéhoto zařízení v dnešní akvaristice sladkovodních tropických akvárií s ohledem na historii a nabídku na trhu. Práce popisuje kompletní návrh elektrické, programové i konstrukční části výsledného systému a elektricky řiditelného automatického krmítka, komunikující s daným systémem.. Klíčová slova Akvaristika, Automatizace akvária, AVR, ATMEGA, ESP32, ph, LCD, Řízení teploty, Automatické krmení Abstract This master s thesis describes complete design and implementation of an automated system for the control of a common freshwater tropical aquarium with a keyboard and display. The thesis discusses the applicability of equipment in today's aquaristics of freshwater tropical aquariums with respect to the history and market offer. Thesis describes the complete design of the electrical, program and mechanical parts of the resulting system and electrically controllable automatic feeder, communicating with the system. Keywords Aquaristics, Aquarium automation, AVR, ATMEGA, ESP32, ph, LCD Temperature Control, Automatic Feeding

4 Bibliografická citace KEJZLAR, R. Automatizované řízení provozu akvária. Brno, Dostupné také z: učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav mikroelektroniky, s., 8 s. příloh. Diplomová práce. Vedoucí práce: doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D.

5 Prohlášení autora o původnosti díla Jméno a příjmení studenta: Bc. Radim Kejzlar VUT ID studenta: Typ práce: Diplomová práce Akademický rok: 2021/22 Téma závěrečné práce: Automatizované řízení provozu akvária Prohlašuji, že svou závěrečnou práci jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucí/ho závěrečné práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené závěrečné práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této závěrečné práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb.. V Brně dne: 20. května podpis autora

6 Poděkování Děkuji vedoucímu semestrální práce doc. Ing. Jiří Házemu, Ph.D. za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé diplomové práce. Dále děkuji mému kolegovi Bc. Martinu Mikulkovi, Bc. Petru Brandejsovi a Ing. Lukáši Novákovi za cenné rady při řešení v oblasti elektroniky a programování. V Brně dne: 15. prosince podpis autora

7 Obsah SEZNAM OBRÁZKŮ... 3 SEZNAM TABULEK... 4 ÚVOD ÚVOD DO AKVARISTIKY HISTORIE ROZDĚLENÍ AKVÁRIÍ KONSTRUKCE AKVÁRIÍ PROVOZ SLADKOVODNÍHO AKVÁRIA ZALOŽENÍ AKVÁRIA CHEMICKÉ PROCESY V USTÁLENÉM AKVÁRIU Kyslíkový cyklus Dusíkový cyklus TECHNIKA VYUŽÍVANÁ V AKVÁRIU Osvětlení Akvarijní filtry Topení / chlazení Vzduchovací kompresory Automatická krmítka Systémy dávkování CO DŮLEŽITÉ VELIČINY A JEJICH MĚŘENÍ TEPLOTA Odporová čidla Termoelektrické články Polovodičová čidla KYSELOST VODY Měření kyselosti Dávkování CO INTENZITA OSVĚTLENÍ Fotodioda Fototranzistor Fotorezistor BLOKOVÉ SCHÉMA A VÝBĚR KOMPONENT BLOKOVÉ SCHÉMA SYSTÉMU MIKROŘADIČ AVR ATMEGA PŘESNÝ EXTERNÍ KRYSTAL PRO REÁLNÝ ČAS MIKROŘADIČ ESP PH SONDA E TEPLOTNÍ ČIDLO Komunikace ČIDLO HLADINY VODY

8 5.8 ČIDLO OSVĚTLENÍ FOTOREZISTOR HW UŽIVATELSKÉ ROZHRANÍ Alfanumerický LCD znakový displej 16x Maticová klávesnice 4x NÁVRH ELEKTRICKÉHO SCHÉMATU A DPS S OSAZENÍM NAPÁJENÍ DPS REALIZACE ZAPOJENÍ SNÍMAČŮ VELIČIN Předzesilovač ph sondy Komunikační rozhraní teplotního čidla Snímač hladiny vody Napěťový dělič pro snímač osvětlení SPÍNANÉ VÝSTUPY Spínače osvětlení RGB a zvukového alarmu Vysokonapěťové spínané prvky 230 V PŘEVODNÍK UART PRO ESP PODPŮRNÉ OBVODY UŽIVATELSKÉHO ROZHRANÍ NÁVRHOVÁ PRAVIDLA A VÝROBA DPS Výrobce JLCPCB Návrh DPS PROGRAMOVÁ ČÁST HLAVNÍ DPS PROGRAMÁTOR POPIS HLAVNÍ SMYČKY PROGRAMU V JAZYCE C Použité knihovny Inicializace Inicializace časovačů Hlavní opakující se smyčka programu UŽIVATELSKÉ MENU Pohyb v menu a nastavení parametrů ZPRACOVÁNÍ DAT ZE SNÍMAČŮ MECHANICKÁ KONSTRUKCE D CAD SOFTWARE SOLIDWORKS VLASTNOSTI MONTÁŽNÍ KRABIČKY MONTÁŽ VÝSLEDNÉHO ZAŘÍZENÍ AUTOMATICKÉ KRMENÍ ZÁKLADNÍ KONCEPT KRMENÍ POPIS VYBRANÝCH KOMPONENT KRMENÍ ATTINY Driver ULN Krokový motor 28BYJ ELEKTRICKÉ SCHÉMA A DPS AUTOMATICKÉHO KRMENÍ POPIS PROGRAMU AUTOMATICKÉHO KRMENÍ ZÁVĚR LITERATURA SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK

9 SEZNAM PŘÍLOH SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1 Příklad atypického akvária současnosti [3]... 8 Obrázek 2 Dusíkový cyklus ve vodním prostředí (upraveno) [9] Obrázek 3 Příklad zářivkového osvětlení akvária 2x24 W s trubicemi T5 [4] Obrázek 4 Příklad LED trubice pro akvárium 10 W [4] Obrázek 5 Příklad vnitřního a vnějšího akvarijního filtru s možným filtračním materiálem [5][4] Obrázek 6 Akvarijní topná spirála s mechanickým termostatem [4] Obrázek 7 Příklad membránového vzduchovacího kompresoru se dvěma výstupy [4] Obrázek 8 Příklad automatického krmítka s otočnou nádobou [4] Obrázek 9 Příklad systému CO 2 s volitelným drop-checkerem [4] Obrázek 10 Voděodolná varianta čidla PT100 [11] Obrázek 11 Analogové polovodičové čidlo LM35 v pouzdru TO-92 [11] Obrázek 12 Laboratorní ph metr se sondou [13] Obrázek 13 Tillmanova tabulka závislosti hodnoty ph na KH a CO2 v ppm [12] Obrázek 14 V-A charakteristika polovodičové fotodiody [15] Obrázek 15 Graf závislosti odporu na intenzitě osvětlení fotorezistoru (upraveno) [15] Obrázek 16 - Blokové schéma řídícího systému akvária (MS Visio) Obrázek 17 Konfigurace vývodů mikrořadiče ATMEGA1284 [16] Obrázek 18 THT pouzdro vybraného 8 MHz krystalového rezonátoru [20] Obrázek 19 Mikrořadič ESP32-WROOM-32 od společnosti Espressif [17] Obrázek 20 ph sonda E201 s BNC konektorem [18] Obrázek 21 Schéma zapojení Arduino shieldu s teplotní kompenzací [18] Obrázek 22 Voděodolné teplotní čidlo DS18B20 s 3 m přívodním kabelem [18] Obrázek 23 Formát zprávy o hodnotě naměřené teploty čidla DS18B20 [19] Obrázek 24 Odporový senzor hladiny vody [20] Obrázek 25 Fotorezistor PGM5693D [20] Obrázek 26 Alfanumerický LCD display 16x4 [20] Obrázek 27 Maticová klávesnice 4x4 s rozměry a zapojením [20] Obrázek 28 Piezo zvukový hlásič pro signalizaci alarmu Obrázek 29 5 ks DPS vyrobených výrobcem JLCPCB Obrázek 30 Hlavní DPS v průběhu osazování Obrázek 31 Programátor USB ASP s propojením pomocí MLW konektoru [18] Obrázek 32 Konfigurace výstupního MLW konektoru programátoru USB ASP [21] Obrázek 33 Vývojový diagram uživatelského menu (MS Visio) Obrázek 34 Ukázka první úrovně menu s nápovědou Obrázek 35 Graf závislosti ph na napětí ph sondy E Obrázek 36 Výsledná sešroubovaná vytištěná krabička na 3D tiskárně Obrázek 37 Výsledné zařízení Obrázek 38 Osazení krabičky DPS a periferiemi (vnitřní pohled) Obrázek 39 Zapojení jednoho kanálu ULN2003 [22] Obrázek 40 Krokový motor 28BYJ Obrázek 41 DPS Automatického krmení s krokovým motorem

10 SEZNAM TABULEK Tabulka 1 Kroky pro správné založení akvária s přibližnou časovou osou... 9 Tabulka 2 Možnosti regulace kyselosti vody Tabulka 3 Vlastnosti mikrořadiče ATMEGA Tabulka 4 Konfigurace periferií řídící jednotky

11 ÚVOD Akvaristika je v dnešní době velmi oblíbená zájmová činnost velké části populace lidstva. Jedná se o činnost, kdy se lidé zabývající se touto činností (akvaristé) snaží o vytvoření umělého vodního ekosystému, nejčastěji se zaměřením na okrasný chov živočichů (ryby, bezobratlé). Někdy je akvaristika provozována pouze pro účel pěstování vodních rostlin. Z názvu činnosti je patrné, že základem takového ekosystému je akvárium. Nicméně, ne vždy musí být akvaristika spjata s akváriem samotným. Za akvaristiku se považuje jakýkoliv umělý chov vodních rostlin a živočichů. Příkladem speciálního případu akvaristiky může být například vytváření okrasných jezírek. Diplomová práce se zabývá kompletním návrhem automatizovaného řízení akvária, které bude zpracovávat nejdůležitější akvaristické veličiny. Tyto veličiny systém zpracuje a vyhodnotí dle požadavků uživatele. Uživatel bude mít možnost veškeré veličiny nastavovat, nastavovat jejich tolerance a výsledek reakce. Veličiny je také nutno kalibrovat. Celý systém musí být řízen intuitivním uživatelským rozhraním ve formě LCD displeje s klávesnicí. Součástí práce je také návrh automatického krmítka pro časově přesné dávkování krmiva. 5

12 1. ÚVOD DO AKVARISTIKY Pro pochopení účelu automatizovaného řízení provozu akvária je nutné pochopit co je to vůbec akvárium a historii akvaristiky. Akvárium je vodotěsná nádoba z průhledného materiálu pro chov akvarijních druhů živočichů. Akvárium pozorovateli zajišťuje optimální dohled nad chovanými druhy živočichů s kontrolou jejich chování. Zároveň může být v dnešní době i módním doplňkem domů a bytů. 1.1 Historie Nejstarší doložené zdroje hovoří o umělém chovu ryb, ať už pro okrasné potřeby nebo pro potřeby obživy. Skutečný chov ryb pro tyto účely je doložen již ve starověkých kulturách jako byly Mezopotámie, starověké Řecko, Řím a Čína. Vykopávky z minojské doby obsahují motivy skutečných akvárií s rybami, na keramice i malbách (Glejzer a Plonskij, 1988). Zdá se tedy, že Kréťané poprvé vyrobili akvária v dnešním smyslu, se skleněnými stěnami (sklo bylo známo již od 4 tisíciletí př. n. l.). [2] Starověcí Římané, kontinentální Řecko a starověká Čína byly zase naopak proslulé vytvářením starověkých jezírek a bazénů a rybníků jak pro okrasný chov ryb tak pro obživu. Ve starověkém Řecku je dokonce doloženo chování ryb ve skleněných nádobách pro pochopení jejich chování a stylu života. Po éře starověku bylo v podstatě na akvaristiku pro okrasný chov ryb v kontinentální Evropě zapomenuto. Výjimku tvořil chov ryb pro obživu. V Asii však byla situace jiná. Ve středověké Číně a Japonsku se bujně rozvíjel okrasný chov ryb v okrasných zahradách. Nejčastěji chovanou nenáročnou rybou byl Kapr Koi (též známý jako Zlatý Kapr, Zlatý Karas) dnes hojně chovaný pro své pestré zbarvení v okrasných jezírkách. Zásadní rozdíl mezi akvaristikou ve starověku a středověku a akvaristikou dnešní spočívá v tom, že tehdy se nejednalo o skutečný chov ryb, ale spíše o jejich udržení naživu po kratší či delší období, a jejich rozmnožení v nádrži bylo naprosto výjimečné. Skutečný rozkvět akvaristiky nastal až v 18. století, kdy byl objeven kyslíkový a živinový cyklus ve vodě, základ každého vodního ekosystému a vodní živočichové byli zkoumáni mnohem intenzivněji. Nyní už bylo možné chovat ryby v zajetí po mnohem delší dobu a začalo se dařit první rozmnožování exotických druhů. Počátky masové akvaristiky sahají až do 19. století, kdy spousta vědců zabývajícím se studiem vodních živočichů, začalo svá vědecká zjištění publikovat do novin a začali vydávat odborné knihy. V této době začínají vznikat první veřejná akvária a akvaristické výstavy. V době před vynálezem televizního vysílání bylo akvárium vítanou náhražkou do domácnosti. Zároveň se akvaristika začala velmi rychle rozvíjet s rozvojem lepších technologií pro chov ryb zapříčiněných průmyslovou 6

13 revolucí od začínajících skleněných nádob (dnes stále používaných pro speciální účely a úsporu místa), přes akvária v kovových rámech až po dnešní moderní skleněná akvária lepená silikonem. V oblasti České republiky doznala akvaristika největšího rozmachu ve 20. století. Na svém vrcholu byla okolo nového tisíciletí, kdy byla Česká republika jednou z nejvýznamnějších akvaristických zemí na světě s jedním z největších vývozců akvarijních rostlin a ryb ve Střední Evropě. Dnes je akvaristika v ČR jedna z nejrozšířenějších zájmových činností a akvária je možno potkat ve velké části českých domácností. Hitem poslední doby je akvárium co nejvíce automatizovat za účelem udržení optimálnějších podmínek a minimalizování nutnosti údržby. S příchodem moderní elektroniky a vybavení akvárií začínají vznikat regulační zařízení, která mají na starosti vždy jednu veličinu v akváriu. Existují však i plně automatizované spínací systémy využívané v průmyslu a v chytrých domácnostech, která jsou dnes již také hojně využívány v akvaristice. 1.2 Rozdělení akvárií Akvária se dělí na tři základní druhy dle druhu vody: Akvária sladkovodní, mořská a brakická. Sladkovodní akvária jsou nejrozšířenější variantou akvárií z důvodu jednoduchosti údržby a největší rozmanitosti chovaných druhů živočichů. Tyto akvária se dělí na studenovodní a tropická dle teploty vody. Tato práce se bude zabývat tímto typem akvárií a jejich automatizovaného řízení. Nejrozšířenějším typem sladkovodních akvárií je tropická verze. V běžných provozních podmínkách uvnitř objektu není nutno u tohoto typu regulovat teplotu a tropické ryby chované v těchto akváriích jsou mnohem rozmanitější. Mořská akvária jsou obecně obtížnější na údržbu z důvodu udržování podmínek v mořské vodě. Tyto akvária bývají zřizována pro svůj odlišný vzhled oproti akváriím sladkovodním a bývají až na výjimky v domácích podmínkách tropická. Brakická akvária kombinují předchozí dva typy akvárií a jsou nejméně častá z důvodu omezeného množství chovaných druhů živočichů a velké náročnosti. Akvarista musí v průběhu životního cyklu živočichů měnit sladkou vodu za vodu mořskou a naopak. 7

14 Podle velikosti (a částečně využití) je možné akvária rozdělit do několika kategorií s ohledem na objem: Nano, malá, střední, velká a obří akvária. Rozdíl mezi těmito typy akvárii není přesně stanoven (vzhledem k objemu). Obecně platí, čím větší akvárium, tím dražší na pořízení, ale zároveň menší nároky na průběžnou údržbu. Rozptyl objemu těchto akvárií je od desítek po tisíce litrů. 1.3 Konstrukce akvárií S postupným technologickým rozvojem lidstva byla akvária stále zdokonalována až do dnešní podoby. Předchůdcem dnešních akvárií byly skleněné nádoby, které však sloužily pro omezené množství ryb se špatnou dostupností pro údržbu. Mimo tyto nádoby vznikaly pokusy o akvária složené ze skleněných desek, upevněných do rámů různých materiálů (dřevo, kov, ). Tyto rámy však i přes těsnící hmoty dřívějších dob prosakovala a rámy postupně vlivem náporu vody degradovala s negativním vlivem na kontaminaci vody nežádoucími látkami z těsnění a rámu. Skutečnou revoluci přinesl až vynález silikonového kaučuku, který dokázal splnit požadavky jak na pevnost a pružnost, tak na odolnost vůči vodnímu prostředí. Dnešní komerčně dostupná akvária jsou lepena acetátovým silikonovým tmelem a mohou mít různé tvary (nikoliv jen tvar otevřeného kvádru). V dnešní době jsou velmi populární akvária s vypouklým předním sklem, či n-hraná akvária. Další revolucí v akvaristice byl vynález umělého skla na bázi polykarbonátu či PMMA. Tyto materiály jsou nejčastěji využívány pro velmi malé nádrže se zaoblenými hranami bez nutnosti lepení jednotlivých stěn. U větších akvárií (> 40 litrů) dominuje stále klasické tvrzené křemenné sklo. Sklo má výhodu v odolnosti a menší šanci nechtěného poškrábání. V dnešní době se již ve tvarech akvárií meze nekladou. Vrchní strana akvária bývá přístupná z důvodu údržby ekosystému. V dřívějších dobách se využívalo (a stále v menší míře využívá) vrchní odnímatelné krycí skleněné desky. Dnes je již však typičtější celoplastový kryt se zabudovaným osvětlením a přístupovými otvory. Obrázek 1 Příklad atypického akvária současnosti [3] 8

15 2. PROVOZ SLADKOVODNÍHO AKVÁRIA Akvárium je v ideálním případě uzavřený ekosystém, který je soběstačný. V reálu je to však ekosystém, u kterého je potřeba vyvažovat určité parametry, aby takový stav nastal. Toto platí více či méně pro všechny zmíněné typy akvárií uvedených v kapitole Založení akvária Nejkritičtějším bodem v životě akvária je jeho založení, a proto je nutné si vždy rozmyslet, co od akvária očekáváme a co by v něm mělo žít. V tomto období je nutné dodržovat určité kroky a hlavně, nic neuspěchat. Při zakládání akvária totiž vše potřebuje svůj čas. Automatizované řízení akvária může být v této fázi velmi vítaným pomocníkem. Standartní časová osa zakládání sladkovodního akvária je uvedena v tabulce 1. Z tabulky je patrné, že nejdelší dobu zabere stabilizace akvária pro nasazení živočichů. V tomto kroku hraje velkou roli, zda nově založené akvárium je čisté a voda která bývá napuštěna do akvária je kohoutková s patřičnou úpravou či nikoliv. V akváriu totiž ještě nefunguje živinový cyklus. V dnešní době je možné do akvária přidat podpůrná hnojiva a různé prostředky, která nabudí rostliny k růstu a tím uspíší ustálení akvária. Při stabilizaci akvária by měl akvarista sledovat veškeré parametry akvária a případně redukovat odchylky od cílených hodnot. V tomto případě je možné využít automatických řízení provozu akvária k usnadnění stabilizace. Zařízení ho vždy upozorní, popřípadě přímo odstraní nedostatky. Existují také akvária bez techniky, která jsou naprosto soběstačná, zde je potřeba postupovat trochu odlišným způsobem zakládání. Vzhledem k absenci techniky se tímto typem akvária tato práce nezabývá. Tabulka 1 Kroky pro správné založení akvária s přibližnou časovou osou Krok Čas od založení Hardscape - dekorace Ihned Aquascape - rostliny Po stabilizaci vody na danou teplotu Technika Po aquascapingu Stabilizace vodního prostředí 1 měsíc Nasazení ryb > 1 měsíce 2.2 Chemické procesy v ustáleném akváriu V akváriu probíhají velmi podobné procesy jako je tomu u suchozemských ekosystémů. Nicméně v akváriu jsou veškeré látky v kontaktu se živočichy díky rozpustnosti ve vodě. 9

16 2.2.1 Kyslíkový cyklus Kyslíkový cyklus probíhá velmi podobně jako u suchozemských živočichů. Ryby a bezobratlí spotřebovávají kyslík obsažený ve vodě a vypouští oxid uhličitý. Oxid uhličitý je za pomocí fotosyntézy a světla přeměňován rostlinami na kyslík a uvolňován zpět do vody. Z tohoto důvodu je nutné mít v akváriu správný poměr živočichů a rostlin. Ve většině akvárií však pro rostliny není dostatek CO2 a je tak nutné ho uměle dodávat. V nočním akváriu fotosyntéza neprobíhá, nicméně živočichové stále dýchají. V nočním režimu akvária tedy není potřeba příliš dávkovat CO Dusíkový cyklus Při krmení akvarijních ryb v čistém akváriu dochází k hromadění dusíkatých odpadních látek na dně akvária a ve vodě. V přírodě jsou tyto látky v interakci s okolním prostředím a nehromadí se. V akvarijním prostředí je nutno tyto látky regulovat pravidelným čištěním. Rostliny a bakterie v substrátu však pro svůj růst využívají odpadních látek z ryb a tím tyto odpadní látky neutralizují a využívají pro svůj růst jako hnojivo. Při velmi velké koncentraci dusíkatých látek může docházet k udušení ryb vlivem uvolňování amoniaku NH2 do vody. Z vody se taktéž uvolňuje plynný dusík a snižuje se tím koncentrace dusíku ve vodě. Cyklus dusíkatých látek je podrobněji zobrazen na obr. č. 2. Obrázek 2 Dusíkový cyklus ve vodním prostředí (upraveno) [9] 10

17 3. TECHNIKA VYUŽÍVANÁ V AKVÁRIU V dnešní moderní technické době akvárium disponuje mnoho vybavením. Nejčastějšími zařízeními jsou osvětlení, filtry, topení/chlazení (dnes již s termostatem), vzduchovací kompresory, automatická krmítka nebo regulace dávkování CO2. Všechna tato zařízení jsou nedílnou součástí akvária a zajišťují stabilizaci podmínek v něm Osvětlení Osvětlení v akváriu se dnes dělí na dva základní druhy podle typu použitého osvětlení. Prvním typem osvětlení jsou zářivková svítidla (příklad na obrázku č. 3), která jsou stále velmi používaná, nicméně jsou na ústupu. Tyto svítidla jsou klasická zářivková svítidla známá z např. domácností s předřazenou tlumivkou nebo s elektronickým předřadníkem. Jediný rozdíl od komerčně dostupných zářivkových svítidel je, že se často používají velmi atypické délky svítidel podle délky akvária a jejich vyzařovací spektrum je upraveno pro výraznější růst rostlin. Z tohoto důvodu jsou tyto typy svítidel podstatně dražší než standartní zářivková svítidla používaná v domácnostech. Zářivková svítidla bývají většinou spínaná pomocí síťového napětí (v ČR 230 V / 50 Hz) nebo pomocnou regulací elektronického předřadníku. Obrázek 3 Příklad zářivkového osvětlení akvária 2x24 W s trubicemi T5 [4] Druhým čím dál častěji využívaným typem osvětlení akvária jsou LED svítidla (příklad na obrázku 4). Tyto svítidla dokážou svítit ve specifických spektrech a jejich životnost je při dodržení podmínek podstatně delší než u zářivek. Dále je možné mnohem snadněji regulovat např. pomocí PWM regulace a LED svítidla jsou mnohem úspornější než předchozí typ. Z estetického hlediska je u těchto svítidel snazší docílit jiných barev, které lze plynule měnit řídcí elektronikou. LED svítidla mají velkou škálu stejnosměrného napájení, velmi často jsou využívána standartní napájení 5 / 12 / 24 V U obou typů osvětlení lze v nejzákladnější verzi použít pouze standartní spektrum denního světla. U běžných sladkovodních akvárií je to dostačující. Osvětlení akvária zajišťuje v kombinaci se živinami rychlost růstu rostlin. Pokud je však akvárium přesvíceno, dochází k nechtěnému růstu řas. Proto je nutné osvětlení vždy nastavit na požadovanou intenzitu v hodnou pro daný typ akvária. 11

18 Obrázek 4 Příklad LED trubice pro akvárium 10 W [4] Akvarijní filtry Akvarijní filtry slouží pro čištění vody v akváriu. Mezi nejčastější typy akvarijních filtrů patří filtry vnitřní a vnější (Příklad na obrázku č. 5). Vnější filtr se umisťují vně akvária, zatímco dovnitř se umísťují filtry vnitřní. Nevýhodou vnitřních filtrů je jejich prostor, který musí zabírat v akváriu. Tím kazí celkový dojem akvária a je k nim mnohem obtížnější přístup. Tyto filtry bývají méně výkonné, avšak za nižší cenu. Vnější akvarijní filtry můžou být různých forem a variant, jelikož zde není problém s úsporou zabíraného místa v akváriu. Bývají často velmi výkonné s vysokou pořizovací cenou. Do akvarijních filtrů se umísťuje velká škála filtračních materiálu od filtračních vat, přes záchytné keramické materiály až po aktivní látky (uhlí), které aktivně odstraňují i ty největší nečistoty. Velmi důležitý parametr filtrů je tak objem možného vsazeného filtračního média. Podle typu velikosti akvária se umísťují různě výkonné filtry s adekvátním průtokem čištěné vody. Veškeré filtry je možné spínat pomocí síťového napětí. Pokud akvarista má akvarista možnost filtr vypínat, standartně se spínání filtru nastavuje po určitých časových intervalech v řádu hodiny. Vypínání filtrů má pouze ekonomický význam a jsme tak tímto způsobem schopni redukovat spotřebu elektrické energie celého akvária (v ideální případě by měl filtr běžet 24 hodin denně). Filtry v akváriu taktéž zajišťují cirkulaci vody. Tím je zajištěna homogenní distribuce vlastností vody po celém akváriu. Velmi významnou roli v tomto ohledu hraje distribuce teplé/chladné vody po akváriu od topení či ohřívané hladiny a distribuce látek optimalizující prostředí v akváriu (CO2, kyslík, látky obsažené ve vodě). 12

19 Obrázek 5 Příklad vnitřního a vnějšího akvarijního filtru s možným filtračním materiálem [5][4] Topení / chlazení Topení bývá v akváriích realizováno pomocí ponorných izolovaných topných spirál výkonu od desítek po stovky Wattů dle velikosti akvária. Tyto spirály bývají doplněny o vlastní mechanický termostat na principu bimetalového odpojení při dosažení nastavené teploty (viz. obr. č. 6). U tropických sladkovodních akvárií většinou není nutné využívat těchto zařízení vzhledem k častému umístění ve vytápěných prostorech, kde je teplota udržována na typické teplotě pro spoustu tropických živočichů. Chlazení bývá prováděno ventilátorem umístěným nad hladinu vody (voda a svítidlo je ochlazováno tímto ventilátorem) nebo externí klimatizací v dané místnosti. Topné spirály bývají velmi často přímo na síťové napětí a je možné je tímto způsobem spínat. Ventilátory bývají napájeny stejnosměrným napájením standardizovaných napětí 5 / 12 / 24 V. Obrázek 6 Akvarijní topná spirála s mechanickým termostatem [4] 13

20 3.1.4 Vzduchovací kompresory Kompresory pro vhánění vzduchu do vody akvária (příklad na obrázku č. 7) jsou volitelnou možností technického vybavení akvária. Umísťují se externě mimo akvárium pouze s přívodem vzduchu do akvária. U těchto zařízení je nutno brát v potaz, že sice dostatek kyslíku ve vodě zajišťuje prospěch rybám, nicméně nadměrné množství kyslíku může mít neblahý dopad rostliny. Vzduchovací kompresory jsou běžně napájené pomocí síťového napětí a jejich vypínání má nejen energeticky úsporný význam ale i možnost regulovat množství kyslíku v akváriu. Obrázek 7 Příklad membránového vzduchovacího kompresoru se dvěma výstupy [4] Automatická krmítka I v moderní technické době je stále používáno krmení ruční. Doba krmení je pro akvaristu skvělý způsob, jak zkontrolovat obsádku a běh celého akvária. Automatická krmítka jsou používána spíše pro dodržení času krmení s odpovídajícími dávkami pro vytížené chovatele a velkochovy. Nejčastěji fungují na principu otáčivého motoru (DC, krokový...) který otáčí s nádobou na krmení (obr. č. 8) a každou otáčku vysypává přesně definované množství krmiva přes otvor. Existují však i speciální krmící systémy s kapslemi, které se uvolňují postupně. Tím je docílena možnost měnit druh krmení při každém dávkování. Komerčně dostupná krmítka bývají se svojí vlastní řídící elektronikou a uživatelským rozhraním, a tak jsou pro automatizovaného řízení provozu akvária nevhodná. Navíc mají velmi omezené množství počtu krmení za den (2-4). Tyto krmítka bývají napájena bateriově nebo z elektrické sítě. 14

21 Obrázek 8 Příklad automatického krmítka s otočnou nádobou [4] Systémy dávkování CO2 Systém dávkování CO2 je nejsofistikovanější systém pro řízení akvária. Sestává z natlakované láhve daného plynu a regulačního ústrojí, které je realizováno regulačním ventilem a mechanickým děrovaným materiálem, který upouští pouze nezbytně nutné množství plynu do akvária. Regulační ventil slouží k redukci tlaku plynu z nádoby a bývá nejčastěji mechanický. Volitelným vybavením u tohoto systému je tzv. dropchecker, který sestává z nádobky s indikační kapalinou. Tato kapalina indikuje množství CO2 změnou barvy (příklad na obr. č. 9). V automatizovaném řízení akvária funkci drop-checkeru zastává řídící elektronika se snímačem ph. Systém CO2 je velmi důležitý pro regulaci poměru kyslíku a oxidu uhličitého ve vodě. Stává se, že ryby neprodukují dostatek CO2 pro zdravý růst rostlin. Tuto hodnotu je nutno vyvážit. Systém CO2 taktéž funguje jako regulátor hodnoty tvrdosti vody (ph), dalšího z důležitých parametrů řízení akvária. Obrázek 9 Příklad systému CO2 s volitelným drop-checkerem [4] 15

22 4. DŮLEŽITÉ VELIČINY A JEJICH MĚŘENÍ Pro spolehlivé řízení provozu akvária je nutné sledovat důležité veličiny. Mezi tyto veličiny patří teplota tvrdost a hladina vody, která se neustále odpařuje. Volitelnou veličinou je potom snímání intenzity okolního světla pro nastavení osvětlení akvária a možnosti spínání jednotlivých výstupů. 4.1 Teplota Každý živočich v akváriu potřebuje specifický rozsah teploty dle jejich místa výskytu. Většina živočichů sladkovodních tropických akvárií se pohybuje v rozmezí C. U sladkovodních studenovodních akvárií se teplota vody pohybuje v rozmezí C. Vzhledem k nejčastějšímu umístění akvárií v obytných prostorech je nutné teplotu vody regulovat. Pro měření teploty akvaristou se využívají ponorné lihové teploměry či teploměry ve formě pásků, nalepovaných na stěnu akvária. Tyto formy teploměrů jsou pro automatizované řízení provozu akvária nevhodné. Další možností snímání teploty akvária jsou elektronická čidla. Tyto čidla bývají na bázi materiálů, které při změně teploty mění své elektrické vlastnosti Odporová čidla Teplotní čidla na bázi teplotně odolných odporových materiálů jsou velmi běžně využívanou variantou v průmyslu. Tyto pasivní čidla bývají nejčastěji vyrobena z platiny či niklu a jejich přesnost dosahuje 5000 ppm. Princip takovéhoto čidla je založen na protékajícím proudu čidlem. Při změně odporu se proud čidlem mění a vytváří tak odlišný úbytek napětí. Typickými zástupci této skupiny jsou například Pt100 (viz. obrázek č. 10) nebo Ni1000. Jsou vhodná i do velmi vysokých teplot (v porovnání s akváriem) s vysokou přesností v závislosti na přesnosti snímací logiky. Nevýhodou těchto čidel je zbytečně velký rozsah (v řádech stovek až tisíců C) s nutností velmi přesně měřit změnu napětí. Obrázek 10 Voděodolná varianta čidla PT100 [11] 16

23 4.1.2 Termoelektrické články Termoelektrické články (zkráceně termočlánky) pracují na principu spojení dvou různých kovů o různé teplotě. Dva kovy vytváří při různých teplotách napěťový rozdíl (termoelektrické napětí) a to je potom možné snímat. Vzhledem k malé účinnosti tohoto zdroje napětí a malé změny výstupního napětí v závislosti na změně teploty je tento princip využíván výhradně pro měření teplot s velkým rozsahem. Pro akvaristiku je proto tento princip méně vhodný. Výhodou těchto čidel je, že jsou aktivní a není třeba je nijak napájet Polovodičová čidla Polovodičová čidla pracují na principu změny vodivosti polovodičového materiálu. Nejtypičtějšími zástupci této skupiny čidel jsou termistory. Termistory mohou být typu NTC či PTC (typ závislosti změny odporu na teplotě). Další možností snímáním teploty je měření vlastností tranzistoru BJT, které se vlivem teploty mění. Typickým zástupcem čidel na bázi tranzistoru je např. čidlo LM35 (viz. obr. č. 11), které je velmi hojně využívané. Tyto čidla bývají v rozsahu běžně dostupných teplot ( C) s absolutní přesností okolo 0,5 C. Poslední možností polovodičových čidel je digitální polovodičové čidlo s integrovanou komunikací. Velmi používaná varianta je DS18B20 s one-wire komunikací. Tyto čidla jsou velmi přesná a není nutné u nich započítávat odpor přívodních vodičů pro přesné měření. Polovodičová čidla jsou velmi vhodná možnost pro snímání teploty v akváriu z důvodu snadné komunikace s daným čidlem a s malým rozsahem snímaných teplot. Obrázek 11 Analogové polovodičové čidlo LM35 v pouzdru TO-92 [11] 17

24 4.2 Kyselost vody Kyselost vody je důležitá veličina pro chov náročnější živočichů v akváriu. Kyselost vody vyjadřuje, zda vodný roztok reaguje kysele či zásaditě a měří se v jednotkách ph. Stupnice ph je definována jako záporně vzatý dekadický logaritmus aktivních oxioniových kationtů v roztoku ph = lo g(ah 3 O + ), (1.1) kde a je koncentrace H3O +. Nicméně v akvaristice může ph ovlivňovat vice faktorů. Typickou látkou, která může ovlivňovat výslednou kyselost vody je substrát, přidané dekorace (např. rašelinové dřevo) či druh filtračního materiálu ve filtru. V tomto případě je rovnice velmi orientační a nelze se na ní spoléhat. Hodnoty ph se udávají v rozsahu 0 14 ph. Při hodnotě ph < 7 se mluví o kyselině, při ph > 7 pak o zásadě. Kohoutková voda mívá typickou hodnotu větší než 7 a je tedy mírně zásaditá. Hodnoty ph lze v akváriu regulovat několika způsoby, jak ukazuje následující tabulka č. 2. Tabulka 2 Možnosti regulace kyselosti vody Způsob snížení ph akvarijní vody Efekt Účinnost Komerční přípravky Snížení, zvýšení ph Velká Dávkování CO 2 Snížení ph Velká Rašelina Snížení ph, tvrdosti Střední Okysličování Zvýšení ph Velká Kyseliny Snížení ph Velká Zásady Zvýšení ph Velká Míchání s vodou Zvýšení / snížení ph Střední Vápenec, korálová drť Zvýšení ph, tvrdosti Velká Z tabulky je patrné, že změna ph může mít vliv i na tvrdost vody. Hodnota kyselosti vody také podstatně ovlivňuje dusíkový cyklus v akváriu. Při ph vyšším než 7 se do vody uvolňuje amoniak NH3, který je prudce jedovatý pro ryby. Hodnota ph je také velmi ovlivňována hodnotou uhličitanové tvrdosti KH. Tato se musí pravidelně měřit pomocí roztoků reagující s touto veličinou. Pro optimální množství CO2 v akváriu byla vytvořena Tillmanova tabulka (obr. č. 13) závislosti koncentrace CO2 na hodnotě KH. 18

25 4.2.1 Měření kyselosti Měření kyselosti ph v akváriu je možné provádět několika způsoby. Prvním ze způsobů je chemická reakce látky s akvarijní vodou. Pro hrubé změření ph jsou využívány papírky napuštěné acidobazickými indikátory, které se vlivem hodnoty ph zbarví do určité barvy. Tuto barvu je pak nutné odečíst a porovnat s dostupnou barevnou stupnicí ph. Velmi účinnou a levnou metodou měření ph je smíchání vzorku akvarijní vody s barvivem z červeného zelí. Výsledný roztok taktéž změní barvu podle hodnoty ph. Tyto metody jsou ne příliš přesné z důvodu nutnosti identifikace barvy akvaristou a nejsou vhodné pro automatizované řízení provozu akvária. Druhým způsobem měření je realizováno pomocí speciálních ph sond potenciometrickou metodou. Potenciometrické měření ph je založeno na měření rovnovážného elektromotorického napětí galvanického článku tvořeného dvěma elektrodami ponořenými do měřeného roztoku. Jedna elektroda je srovnávací (referenční) se známým konstantním elektrodovým potenciálem (nejčastěji kalomelová nebo argentchloridová elektroda). Druhá elektroda je indikační (měrná), jejíž potenciál je funkcí aktivity vodíkových iontů (H+), závisí tedy na ph. Indikační elektrodou je skleněná elektroda. Má tvar baňky vyfouknuté na konci skleněné trubičky a je vyrobena ze speciálního skla. Je naplněná roztokem o známé a konstantní hodnotě ph, do něhož zasahuje vnitřní srovnávací elektroda, např. argentchloridová. Při ponoření elektrody do měřeného roztoku vzniká mezi vnější a vnitřní stranou skleněné membrány potenciálový rozdíl, jehož velikost je úměrná rozdílu ph měřeného a vnitřního roztoku. Jelikož roztok uvnitř elektrody je vždy stejný, závisí výsledný potenciál pouze na hodnotě ph měřeného roztoku. [13].Sondy je nutné kalibrovat pro danou teplotu a po určité době v kalibračním roztoku s definovanou hodnotou ph. Tyto sondy dokážou operovat s přesností až na tisíciny ph. Vzhledem k možnostem zpracování signálu je tato varianta měření kyselosti vody vhodná pro automatizované řízení provozu akvária. Obrázek 12 Laboratorní ph metr se sondou [13] 19

26 4.2.2 Dávkování CO2 Dávkování CO2 je považováno za jeden z nejúčinnějších způsobů, jak snížit ph (a tím zvýšit kyselost vody). Hodnoty ph se pro běžné akvárium pohybují v rozmezí 6,4 7,2. Při vypouštění CO2 do akvarijní vody probíhá reakce CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3, (1.2) kde z reakce oxidu uhličitého a vody vzniká kyselina uhličitá. Tím je zajišťováno okyselení vody a tím snížení ph. Tato kyselina se potom v akváriu drží po velmi dlouhou dobu v řádech dnů (např. u přidání obyčejných kyselin výsledek vymizí do jednoho dne) Jak již bylo zmíněno v kapitole 4.2, optimální množství CO2 ve vodě je podmíněno uhličitanovou tvrdostí KH. Při určité hodnotě KH se při zvyšování hodnoty CO2 mění ph předvídatelným způsobem. Výsledná Tillmanova tabulka (obr. č. 13) zobrazuje tuto závislost. Obrázek 13 Tillmanova tabulka závislosti hodnoty ph na KH a CO2 v ppm [12] Po odečtení z tabulky vychází pro méně osvětlená akvária ppm [12] CO2, zatímco pro intenzivně osvětlená akvária je to ppm [12]. 20

27 4.3 Intenzita osvětlení Měření intenzity osvětlení viditelného spektra je v akvaristice velmi důležitá funkce. Pomocí měřeného osvětlení lze optimalizovat denní cyklus akvária. Měření intenzity světla lze využít jak pro měření výkonu umělého osvětlení akvária pro správný růst rostlin, tak pro nastavení vypínání jednotlivých funkcí řízení v závislosti na stmívání a rozednívání každý den. Intenzita osvětlení je fyzikální veličina. Její definice je vyjádřena vztahem E = Ф S, (1.3) kde E je výsledná intenzita osvětlení v luxech, Ф je světelný tok v lumenech a S je plocha, kde dopadá daný světelný tok. Při měření intenzity se také často využívá jednotka W/m 2, která více reprezentuje elektrickou podstatu světelného zdroje. V tomto případě se výkon daného osvětlení dělí snímanou plochou čidla osvětlení. Tento způsob vyjádření intenzity světla je nevhodný pro snímání okolního osvětlení vzhledem k proměnlivosti prostředí a neznámé ve formě výkonu slunečního záření. Z podstaty světla je patrné, že s rostoucí vzdáleností čidla osvětlení od zdroje intenzita nelineárně klesá. S tímto faktem je nutné při zpracování hodnot míry osvětlení počítat. Při snímání okolního osvětlení stačí znát referenční hodnoty tmy, plného světla a klíčových intenzit pro řízení akvária v daném prostředí umístění. Pro měření osvětlení je využíváno několik metod Fotodioda Fotodioda je polovodičová součástka reagující na světelné záření. Struktura fotodiody je velmi podobná klasické polovodičové diodě. Fotodioda obsahuje PN přechod s velkou šířkou vyprázdněné oblasti, která však při dopadu fotonů světelného záření budí elektrony, které stanou nosiči náboje a můžou vést proud. Fotodioda pracuje ve dvou režimech odporový a hradlový (aktivní). V odporovém režimu je dioda připojena na zdroj napětí a při vybuzení elektronů dioda mění svůj odpor. V tomto režimu dioda funguje jako světlem řízený odpor čím větší intenzita světelného záření, tím menší odpor. Hradlový (aktivní režim) fotodiody je režim, kdy fotodioda vlivem dopadajícího světelného záření generuje napětí a je z ní možné odebírat proud chová se jako aktivní součástka. Vybuzené elektrony jsou schopny vést proud. Typickým příkladem tohoto režimu je solární článek ve fotovoltaické elektrárně. Oba režimy je možné vidět ve V-A charakteristice na obr. č. 14. Fotodioda je velmi dobrý způsob měření osvětlení v různých spektrech. Dnes se již polovodičové diody také integrují do komplexnějších čipů o více diodách pro uživatelsky přívětivější zpracování měřeného osvětlení. 21

28 4.3.2 Fototranzistor Obrázek 14 V-A charakteristika polovodičové fotodiody [15] Fototranzistor je polovodičová součástka, která pracuje velmi podobně jako klasický bipolární tranzistor. Fototranzistor disponuje dvěma vývody kolektor a emitor. Rozdíl od klasického BJT je v tom, že fototranzistor má bázi tvořenou fotocitlivým polovodičovým materiálem, který po nasvícení generuje elektrony které jsou odsávány do kolektoru a tvoří tak bázový proud. Přechod kolektor-emitor se otevírá a je schopný vést proud. Nevýhodou fototranzistorů je, že pracují mimo vlnovou délkou viditelného spektra v infračervené oblasti (okolo 940 nm). Tato vlastnost je předurčuje pro snímání tohoto záření a v praktické akvaristice pro snímání viditelného spektra světelného záření je proto fototranzistor nevhodný. Fotodioda společně s fototranzistorem jsou základním stavebním blokem optoelektrických členů pro galvanická oddělení Fotorezistor Fotorezistor je polovodičová součástka tvořena odporovou dráhou sloučeniny kovu, napařenou či naprášenou na polovodičovém materiálu, která v závislosti na intenzitě (podobně jako fotodioda v odporovém režimu) mění svůj odpor. Fotorezistor je jeden z nejlépe využitelných snímačů osvětlení. Nevýhodou je jeho napařená vrstva, která je tvořena sloučeninami toxických kovů a polokovů jako jsou například Kadmium a Arsen a také to, že fotorezistor je velmi pomalu reagující součástka. Fotorezistor se nejčastěji zapojuje do odporového děliče, kdy jeden odpor tvoří samotný fotorezistor a druhý odpor je tvořen sériově zapojeným ochranným rezistorem proti zkratu. Podle umístění fotorezistoru v děliči podle snímaného uzlu napětí roste a nebo klesá jak je vyjádřeno ve známém vztahu pro odporový dělič U R1 = U CC R 1 R 1 +R 2, (1.4) kde za odpory R1 nebo R2 dosadíme hodnotu fotorezistoru. 22

29 Obrázek 15 Graf závislosti odporu na intenzitě osvětlení fotorezistoru (upraveno) [15] Jak ukazuje graf na obrázku č. 15, fotorezistor (i předchozí fotocitlivé součástky) je součástka nelineární a je nutné zavést korekci při snímání výsledného napětí. Výrobce vždy uvádí nominální hodnoty odporu při stanovené intenzitě v luxech. Typicky to bývají hodnoty při běžném denním svícení (stovky luxů) a při absolutní či přibližné tmě v řádech jednotek luxů. Ideální možností je ověření dané intenzity jiným kalibrovaným luxmetrem. 23

30 5. BLOKOVÉ SCHÉMA A VÝBĚR KOMPONENT Při analýze trhu bylo zjištěno, že neexistuje žádný komplexní systém pro automatizované řízení provozu akvária. Veškeré komerčně dostupné řídící systémy jsou přebrány z jiných odvětví elektrotechnického průmyslu. Velmi častou variantou řízení akvária jsou podomácku vyrobené systémy, které kombinují spínací hodiny, PLC, či jiné systémy s náznakem automatizovaného ovládání. Velmi často využívané komplexní zařízeni jsou inteligentní IoT systémy s integrovaným ovládání pomocí hlasové komunikace (např. Sonoff s Google asistentem a jiné) či řízení po internetu. Tyto systémy jsou primárně určeny pro spínání spotřebičů v chytré domácnosti a nedisponují funkcemi snímání důležitých akvaristických veličin či intuitivním ovládáním pro akvaristu. Výsledné zařízení popsané v této práci by tak mohlo využít prostoru na trhu a stát se tak velmi populárním mezi provozovateli akvárií. 5.1 Blokové schéma systému Pro definování funkcionality a výběr komponent bylo vytvořeno blokové schéma (obrázek 16) s rozvržením celého systému, jeho snímaných veličin, možných periferií a v neposlední řadě s centrální řídící jednotkou. Obrázek 16 - Blokové schéma řídícího systému akvária (MS Visio) 24

31 Srdcem celého řídícího systému je mikrořadič AVR ATMEGA 1284, který obstarává veškerou komunikaci mezi čidly, výstupy a uživatelským rozhraním. V neposlední řadě obstarává komunikaci mezi celým systémem a WIFI mikrořadičem ESP32 pomocí sériové komunikace UART. ESP32 slouží pro vytváření serverového rozhraní na internetové síti a ke vzdálenému ovládání celého sytému. Implementace ESP32 s webovým je však pouze volitelná a v práci tak nebyla zahrnuta. Nezbytnými snímanými veličinami pro optimální chod akvária jsou snímače ph a teploty akvarijní vody, okolního osvětlení a hladiny vody. Pro udržování přesného času a časových operací ATMEGA disponuje přesným externím krystalem. Uživatelské rozhraní je tvořeno maticovou klávesnicí o velikosti 4 x 4 pro pohodlnou obsluhu v kombinaci s LCD znakovým displejem. Celý systém poté automaticky ovládá sérii výstupů, potřebných k pohodlnému řízení akvária. Výstupní obvody systému byly rozděleny do spínaných (osvětlení, topení / chlazení, filtr, krmení, řízení CO2, vzduchování a upozornění ve formě zvukového generátoru alarmu), regulačních pomocí PWM tříbarevného LED osvětlení. 5.2 Mikrořadič AVR ATMEGA 1284 Mikrořadič ATMEGA1284 je mikrořadič z rodiny AVR 8bitových mikrořadičů od společnosti Atmel (dnes již Microchip). Tato varianta byla zvolena z důvodu dostatečného množství periferií a vývodů (výčet v tabulce č. 3). Výhodou těchto řadičů je relativně nízká cena v kombinaci s dobrou technickou podporou a slušným výkonem pro tuto aplikaci. Tabulka 3 Vlastnosti mikrořadiče ATMEGA1284 Vlastnost 20 MHz (s krystalem) 8 MHz (bez krystalu) 1,8-5,5 V V CC 128 kb FLASH 4 kb EEPROM 16 kb SRAM 32 I/O 2 x 8-bit Č/Č 2 x 16-bit Č/Č s RTC 8- kanálový 10-bitový AD převodník 2 x USART 1 x SPI JTAG Watchdog timer 6 režimů nízké spotřeby 25

32 Z tabulky č. 3 a blokového schématu na obrázku č. 16 je vidět, jaké vstupněvýstupní periferie bude mikrořadič využívat. Mikrořadič byl vybrán tak, aby bylo maximalizováno využití jeho vývodů a periferií s výkonem. Konfiguraci vývodů je možné vidět na obrázku č. 17. Mikrořadič je možné programovat širokou škálou programátorů od firmy Microchip. V této aplikaci byl využit programátor USB ASP, který je cenově velmi výhodný. S mikrořadičem komunikuje pomocí ISP komunikace, neumí však debugování v reálném čase. Konfigurace vývodu mikrořadiče s vestavěnými funkcemi je vyobrazena na obrázku č. 17. Obrázek 17 Konfigurace vývodů mikrořadiče ATMEGA1284 [16] Mikrořadič disponuje čtyřmi plně adresovatelnými 8-bitovými porty (PORTA PORTD) s možností připojení interních pull-up rezistorů. Každý z vývodů má pak své specifické funkce, které je nutno zohlednit při návrhu zařízení. 5.3 Přesný externí krystal pro reálný čas Pro časování hodinového taktu mikrořadiče ATMEGA1284 a tím i reálného času bylo nutné vybrat přesný externí rezonanční krystal (interní není příliš přesný). Vzhledem ke krizové době s nedostatkem součástek však nebylo možné sehnat ideální krystal s tolerancí menší nebo rovno 10 ppm. Jako vhodný provizorně dostupný kandidát se tedy stal 8 MHz krystal s tolerancí +-30ppm a hodnotou kapacity 20 pf možné vidět v THT pouzdru s roztečí vývodů 4,88 mm (možné vidět na obrázku č. 18). 26

33 Obrázek 18 THT pouzdro vybraného 8 MHz krystalového rezonátoru [20] Mikrořadič ATMEGA sice umí pracovat až s rychlostí 20 MHz, nicméně při nižším kmitočtu se méně projevuje chyba rezonátoru za cenu nižšího počtu zpracovaných instrukcí za vteřinu (IPS). Kapacita rezonátoru určuje nutnou velikost kompenzačních kondenzátorů na výstupech rezonátoru, které lze spočítat ze vztahu: C L = C 1 C 2 C 1 +C 2 + C s, (1.5) kde CL je je celková kapacita rezonátoru, C1 a C2 jsou kompenzační kondenzátory na výstupech krystalu a CS (stray) je parazitní kapacita vedení a vstupu mikrořadiče. 5.4 Mikrořadič ESP32 Mikrořadič ESP32 je velmi pokročilý dvoujádrový 32-bit mikrořadič s ARM jádrem od společnosti Espressif pracující na hodinové frekvenci desítek až stovek MHz. V současné době je velmi často využíván pro svou velmi nízkou cenu (okolo 2-3 $) jako komunikační zařízení WIFI či Bluetooth. ESP32 je distribuováno v několika verzích, drobně se lišících svou vybaveností. Základem tohoto zařízení jsou již zmíněná dvě jádra (jedno pro bezdrátovou komunikaci, druhé pro standartní operace), konfigurovatelné GPIO a velká sada periferií jako jsou UART, SPI, I 2 C a další standardizované komunikace. ESP32 je pak možné programovat přes ESP IDF balíček nástrojů nebo pomocí mnohem populárnějšího programu Arduino IDE. Příklad ESP32 je možno vidět na obrázku č

34 Obrázek 19 Mikrořadič ESP32-WROOM-32 od společnosti Espressif [17] Podle blokového schématu na obr. č. 16 je mikrořadič ESP32 využíván pouze pro komunikaci přes WIFI s uživatelem a pomocí sériového rozhraní UART s mikrořadičem ATMEGA Mikrořadič ESP32 nebyl využit pro řízení celého systému z důvodu malého počtu vývodů pro tuto aplikaci. ESP32 s webovým rozhraním je však pouze volitelnou funkcí řídícího systému a jak už bylo zmíněno, v práci tato funkce není zohledněna a dále rozebírána. 5.5 ph sonda E201 Veškeré komerčně dostupné ph sondy disponují velmi malou tolerancí měřeného ph. Pro akvaristické použití je odchylka 0,5 ph dostačující. Sondy s vysokou přesností stojí v řádech tisíců korun. Z důvodů uvedených v předchozím odstavci byla vybrána čínská sonda E201 (obrázek č. 20) běžně dostupná z Arduino e-shopů. Sonda měří v rozsahu standartních 0-14 ph s přesností 0,2 ph. E201 je dostupná za výhodnou cenu okolo 300 Kč a je dodávána v nádobce s kalibračním roztokem a vývodem zakončeným BNC konektorem. Obrázek 20 ph sonda E201 s BNC konektorem [18] 28

35 Sonda pracuje s Arduino shieldem pro měření ph s teplotní kompenzací. Tento modul byl integrován na výslednou desku řídícího systému bez teplotní kompenzace, která bude obstarávána z naměřených hodnot teploty vody řídící jednotkou. Schéma tohoto modulu je uvedeno na obr. č. 21. Obrázek 21 Schéma zapojení Arduino shieldu s teplotní kompenzací [18] Měření ph tvoří napěťová reference 2,5 V tvořená stabilizátor TL431. Toto referenční napětí je rozděleno na napěťovém děliči R6 R7 pro nastavení offsetu sondy. Proměnlivý odpor R6 slouží pro přesné nastavení tohoto offsetu. Jeden operační zesilovač pracuje pouze v zapojení sledovače a tento nastavený offset přenáší na záporný pól ph sondy. Kladný pól ph sondy je připojen na operační zesilovač se zesílením -1 (invertující zapojení OZ), který hodnotu z ph sondy zesiluje pro snímání AD převodníkem mikrořadiče. Zbylé schéma je pro systém irelevantní. 29

36 5.6 Teplotní čidlo Teplotní čidlo bylo zvoleno DS18B20 od společnosti Dallas. Toto čidlo je polovodičového typu s one-wire komunikací a je v dostání jak ve standartním pouzdře TO-92, tak ve voděodolném kovovém článku (obrázek č. 22) v ceně asi 80 Kč. Čidlo pracuje v optimálním rozsahu C s přesností 0,5 C a disponuje třemi vývody VCC, GND a DATA. Podle datového listu čidla je nutno na datový vývod DATA připojit externí pull-up rezistor o hodnotě 4,7 kω pro správnou komunikaci. Obrázek 22 Voděodolné teplotní čidlo DS18B20 s 3 m přívodním kabelem [18] Komunikace Jak již bylo zmíněno, s teplotním čidlem DS18B20 je možno komunikovat po one-wire komunikaci. Pro tuto komunikaci je možné využít běžně využívanou knihovnu ds18b20.h pro AVR. Při dodržení doporučení z datového listu je čidlo inicializováno a pro zaslání sady bitů aktuální teploty je nutné zaslat požadavek. Čidlo odešle 16bitovou zprávu o hodnotě aktuální teploty s nejvyšší váhou bitu 2 6 a s nejnižší 2-4 s patřičným znaménkem zbylých bitů. Formát této 16bitové informace je vyobrazen na obrázku č. 23. Obrázek 23 Formát zprávy o hodnotě naměřené teploty čidla DS18B20 [19] 30

37 5.7 Čidlo hladiny vody Pro snímání úrovně hladiny vody v akváriu byl zvolen analogový odporový senzor hladiny vody 9525 od společnosti WAVESHARE (viz. obr. č. 23) s vysokým odporem. Tento senzor se zdál být jako nejvhodnější varianta co se týče možnosti použití a ceny (lze ho zakoupit za pouhých 69 Kč). Obrázek 24 Odporový senzor hladiny vody [20] Celý senzor disponuje třemi vývody: VCC, GND, S a pracuje na principu měnícího se odporu odkrytých drah při zatopení vodou. Efektivní rozměr těchto odporových drah je 40x16 mm. Snímač pracuje s napájecím napětí 3-5 V a lze z něj vyčítat analogová data na vývodu s AD převodníkem v rozsahu napájecího napětí. Tento senzor může zároveň pracovat jako senzor vlhkosti půdy. Vzhledem k efektivní výšce snímané hladiny 48 mm je tak dostačující pro upozornění uživatele k dolití vody do akvária. Vrchní část senzoru není vodotěsná a je nutné tuto část zalít do vodotěsné hmoty např. epoxidové pryskyřice. 5.8 Čidlo osvětlení fotorezistor Pro měření míry osvětlení byl vybrán fotorezistor PGM5693D (obrázek č. 25) s nominální hodnotou rezistivity při 10 Lx kω. Při úplné tmě pak fotorezistor dosahuje 10 MΩ odporu. Pracovní rozsah teplot je C s maximálním napětím 150 V a ztrátovým výkonem 100 mw. Obrázek 25 Fotorezistor PGM5693D [20] 31

38 5.9 HW Uživatelské rozhraní Uživatel bude mít možnost řízení ovládat přímo u akvária s možností nastavení všech parametrů. K tomuto účelu byl zvolen adekvátní displej s klávesnicí Alfanumerický LCD znakový displej 16x4 Pro zobrazování a orientaci v nastavovaných parametrech byl vybrán alfanumerický LCD display s modrým podsvícením o čtyřech řádkách po šestnácti znacích s čínským klonem řadiče HD44780 a to ST7033U (viz. obrázek č. 26). Výhodou těchto displejů je, že mají vlastní paměť s integrovanou sadou znaků pro snadné zobrazování. Obrázek 26 Alfanumerický LCD display 16x4 [20] Veškeré tyto displeje lze ovládat čtyřvodičově s řídícími vývody D4-D7, RS, RW a ENABLE. Pak je tato komunikace dvojnásobně pomalejší z důvodu posílání osmibitových informací po dvou paketech. Pro AVR existuje běžně využívaná knihovna lcd.h pro snadné řízení. Nedílnou součástí těchto displejů je i možnost nastavení kontrastu a míry osvětlení pomocí analogových součástek připojených na specifické vývody. LDC také obsahuje možnost zobrazování aktuální pozice kurzoru na znaku. 32

39 5.9.2 Maticová klávesnice 4x4 Pro intuitivní ovládání a pohyb v menu byla zvolena maticová klávesnice 4x4 o šestnácti klávesách se zapojením uvedeným na obrázku č. 27. Maticové klávesnice jsou využívány z důvodu úspory vývodů mikrořadiče. Pro ovládání menu mohl být využit rotační n-kodér který je mnohem jednodušší na obsluhu. Nicméně při nastavování parametrů je dobré mít numerickou část pro přímý zápis hodnot a ovládání menu se tak stává intuitivnějším. Pro ovládání celého systému byla zamýšlena tato funkce tlačítek A Posun nahoru v menu (UP), B posun dolů v menu (DOWN), C potvrzení / změna vlastnosti položky / vnoření do menu (ENTER), D zpět v menu (BACK), * - posun pozice nastavení parametru doleva / dekrementace parametru, # - posun pozice nastavení parametru doprava / inkrementace parametru, numerická část (0-9) přímé nastavení hodnot číselných pozic parametrů. Takto jsou využity veškeré klávesy této maticové klávesnice. Obrázek 27 Maticová klávesnice 4x4 s rozměry a zapojením [20] 33

40 6. NÁVRH ELEKTRICKÉHO SCHÉMATU A DPS S OSAZENÍM Návrh elektrického schématu a DPS probíhal ve vývojovém prostředí programu pro tvorbu DPS Autodesk EAGLE. Výsledné schéma a DPS řídícího systému popisované v této kapitole je možné vidět v příloze A. 6.1 Napájení DPS Pro celou desku bylo zvoleno standardizované napájení 12 V s napájecím jackem (kladný potenciál na kolíku). Desku je tak možné alternativně připojit na baterii s tímto nominálním napětím. Navíc je toto napětí využíváno pro napájení LED pásků při volbě osvětlení ve formě RGB a pro alarm. Celá deska poté obsahuje 5V a 3,3V větev napájení. Hlavní 12 V napájení je možné vypnout pomocí externího spínače se signalizací červené LED o stavu napájení vypnuto/zapnuto. Napájecí větev 5 V je realizována pomocí integrovaného stabilizátoru 7805 a pomocných stabilizačních kondenzátorů dle datového listu s chladičem vyvedeným na obě strany DPS ve formě rozlívané mědi s prokovy. Toto napájení je využíváno k napájení mikrořadiče ATMEGA1284 a jeho pomocných periferií (reset, externí napěťová reference ADC), veškerých snímačů, LCD displeje s klávesnicí a výstupních cívek spínaných relátek pro vysokonapěťové spínání periferií s napájením 230 V/50 Hz. Napětí 3,3 V je využíváno pouze pro převodník z 5 V na 3,3 V při komunikaci přes sériové rozhraní UART mezi mikrořadičem ATMEGA1284 a volitelným ESP32 (konektor pinlišta s názvem WIFI). Toto napájení je taktéž realizováno napěťovým stabilizátorem, a to ve formě LD1117AS33 pro stabilizaci tohoto napájení s integrovanými stabilizačními kondenzátory a rozlévanou mědí po obou stranách desky s prokovy pro chlazení. Programování externím programátorem USB ASP je nutné provádět s připojeným napájením DPS (Napájení z programátoru je vyvedeno vývodem USB_5V pro případné využití uživatelem). Programátor je tedy s mikrořadičem propojen pouze datovými vodiči ISP komunikace a referenční zemí společnou pro celou desku plošných spojů. 6.2 Realizace zapojení snímačů veličin Pro jednotlivé snímače ph, teploty, úrovně hladiny vody a osvětlení bylo nutné navrhnout potřebné podpůrné obvody pro správné snímání daných veličin. Jak již bylo zmíněno, veškeré tyto periferie pracují s napájecí větví 5 V ze stabilizátoru

41 6.2.1 Předzesilovač ph sondy K realizaci validních hodnot napětí z ph sondy E201 bylo nutné realizovat zesilující část schématu na obrázku č. 21. Funkce obvodu je více popsána v kapitole 5.5. Pro připojení ph sondy pomocí BNC konektoru bylo nutné na DPS integrovat speciální uhlový konektor (90 ) od společnosti Tyco Electronics. Výhoda tohoto konektoru tkví v masivnosti upevnění na DPS s minimální možností utržení při manipulaci při přepojování ph sondy. Pro realizaci OZ byly vybrány dva nízkonapěťové rail-to-rail operační zesilovače MCP6477-E/MS s napájení 1,8-5,5 V v jednom pouzdře. Rychlost přeběhu a tranzitní kmitočet (3 MHz) nebyl při návrhu brán v potaz z důvodu velmi pomalé reakce sondy a tím změny napětí při zesílení 1 a -1. Vývody sondy jsou realizovány popisky PH+ a PHpodle polarity. Pomocí vývodu PH_SENSOR je potom zpracovaný signál odeslán do ADC mikrořadiče ATMEGA Komunikační rozhraní teplotního čidla Komunikační rozhraní teplotního čidla s mikrořadičem sestává pouze z připojeného pull-up rezistoru o hodnotě 4,7 kω na datovou komunikační cestu (TEMP). Při testování bylo zjištěno, že je možné tento rezistor snižovat až na minimální hodnotu 2,2 kω podle délky přívodního datového vodiče (čím delší vodič, tím menší hodnota odporu). V některých případech je odpor vedení příliš velký a komunikace by nefungovala správně Snímač hladiny vody Snímač hladiny vody obsahuje vlastní předzpracování signálu (tranzistor) a tak je přímo připojen na vstup AD převodníku mikrořadiče ATMEGA1284 pomocí jednoho analogového výstupu (LEVEL_S) Napěťový dělič pro snímač osvětlení Vzhledem k realizaci snímače osvětlení ve formě fotorezistoru byl dle datového listu a vztahu 1.4 vytvořen dělič se snímání výstupu (LIGHT_S) ADC na pomocném rezistoru o hodnotě 4,7 kω. Tímto je zajištěna přímá úměra míry osvětlení čím větší osvětlení, tím větší snímané napětí. Při velmi velkém osvětlení (řády stovek Lx) je odpor fotorezistoru zanedbatelný a na pomocném rezistoru je napájecí napětí 5 V. Naopak při malém nebo žádném osvětlení hodnota odporu fotorezistoru natolik vzroste, že je možné pomocný rezistor za nedbat a na vstupu ADC je téměř 0 V. Snímač osvětlené tedy využívá celý rozsah napájecího napětí. 35

42 6.3 Spínané výstupy Spínače osvětlení RGB a zvukového alarmu Pro spínání jednotlivých složek osvětlení v režimu RGB byly využity tranzistory v pouzdře D2PAK v zapojení zemnícího spínače(výstupy LIGHT_R, LIGHT_G, LIGHT_B). Každý tranzistor má vytvořený chladič na DPS z rozlévané mědi s prokovy pro chlazení oteplení vlivem protékajícího proudu. Vzhledem k použité technologii MOSFET (ve schématu vyobrazeny jako BJT) je odpor kanálu v sepnutém stavu minimální (řádově desítky mω) a tím i minimální ztrátový výkon při vysokých proudech. Vřazený rezistor 1kΩ do gate tranzistoru má za účel pouze omezit proudové rázy vstupní kapacity tranzistoru. Typově lze využít jakýkoliv MOSFET s dostatečně rychlou odezvou a adekvátními maximálními napětími. Využití rychlých spínacích tranzistorů navíc zajišťuje plynulou možnost regulace střídy jednotlivých barev uživatelem. Stejným způsobem bylo realizováno spínání alarmu. Spínaný alarm představuje externí 12 V piezo zvukový hlásič (obrázek 28) s vlastním generátorem a dominantní frekvencí generovaných pulsů 3,5 khz. Výsledná hlasitost je výrobcem udávána 90 db 10 cm od zdroje. Řídící jednotka již tedy nemusí generovat zvuk alarmu a pouze spíná dobu intervalu zvuku alarmu. Obrázek 28 Piezo zvukový hlásič pro signalizaci alarmu Vysokonapěťové spínané prvky 230 V Pro spínání výstupních akvaristických periferií CO2 ventil (CO2), vzduchovací kompresor (AIR), filtr (FILTER), chlazení / topení (HEAT/COOL) a světlo (LIGHT) bylo využito spínacích relé HF46F/005-HS1 od společnosti HONGFA RELAY. Důležitými parametry při výběru bylo napájecí napětí cívky 5 V a dostatečné maximální spínané napětí alespoň 250 V / 50 Hz při adekvátním maximálním proudu. V aktuální době je relé velký nedostatek, a tak se může v průběhu času stát, že tyto relé budou měněna za adekvátní náhrady s dodatečnou úpravou DPS. Aktuálně implementovaná relé mohou spínat již zmíněné napětí 250 V / 50 Hz při maximálním proudu 5 A (výkon 36

43 1,25 kw). Tím je zajištěno bezproblémové spínání výkonových akvarijních topení do 1 kw pro velmi velká akvária. Pro ochranu mikrořadiče byla vždy paralelně ke spínané cívce relátka připojena závěrně polarizovaná polovodičová dioda pro zkratování záporných pulsů vytvářených vlivem indukčnosti cívky. 6.4 Převodník UART pro ESP32 Pro komunikaci mezi ESP32 a ATMEGA1248 pomocí sériového rozhraní UART bylo nutné vytvořit obousměrný napěťový převodník komunikace z důvodu rozdílného napájení obou mikrořadičů. Konektor pro připojení na toto rozhraní je označen na DPS popiskem WIFI a je tak možné volitelně připojovat komunikační internetové rozhraní (v tomto případě již zmíněné ESP32). Páteří celého převodníku jsou dva rychlé tranzistory BSS138 typu N-MOSFET připojené mezi konce rozhraní s názvy WIFI_RX, WIFI_TX. Tyto tranzistory zajišťují oddělení a přenos již zmíněných napěťových úrovní. 6.5 Podpůrné obvody uživatelského rozhraní Uživatelské rozhraní klávesnice a displeje je vyvedeno z DPS pomocí konektorů LCD1, LCD2 a KEYBOARD. U LCD byla nastavena svítivost pomocí Odporu vřazeného na vývod LED podsvícení a to v hodnotě 100Ω. Pomocí trimeru CONTRAST o hodnotě 10kΩ je možné nastavovat kontrast znaků na LCD a tím zlepšit čitelnost při různých úhlech čtení z displeje. Podpůrný obvod u maticové klávesnice byl zapojen tak, že na vývodech s řádky jsou připojeny kondenzátory pro eliminování zákmitů a na vývodech se sloupci jsou připojeny externí pull-up rezistory s ochrannými diodami proti zkratování jednotlivých sloupců. Díky tomu je možné dekódovat každé tlačítko samostatně. 6.6 Návrhová pravidla a výroba DPS Pro návrh a výrobu DPS vždy platí určená pravidla dle druhu obvodu, výkonu, míry rušení a určení DPS Výrobce JLCPCB Před návrhem DPS byl zvolen jeden z nejlepších výrobců DPS, a to společnost JLCPCB sídlící v Číně. Tento výrobce vede bezkonkurenčně jak v použité technologii a možnostech konfigurace DPS (barva, potisk, povrchové úpravy), tak ceně. Vzhledem k návrhovým pravidlům minimálních rozměrů a vzdáleností v rozsahu od 0,127 mm (5 mil) po 0,254 mm (10 mil) nebyl návrh DPS omezen nekvalitním výrobním procesem DPS s malou rozlišitelností cest. Výsledná cena za 5 ks desek se pohybuje okolo 2 $ za 37

44 pět kusů + poštovné. Poštovné tvoří až 70 % celkové ceny vzhledem k dodání z Číny. Nevýhodou takovéhoto dodání je právě již zmíněná cena poštovného a pokud je při vývoji zanesena do DPS nějaká významná chyba, kterou již nelze opravit, je dodáno zbytečně 5 ks nefunkčních desek. Další nevýhodu je doba dodání, která se pohybuje od dvou týdnu po několik měsíců. Zatím bylo však vše od tohoto výrobce dodáno v řadech několika týdnu. Výsledná deska byla u výrobce zvolena jako dvouvrstvá s tloušťkou substrátu FR-4 1,6 mm a tloušťkou plátované mědi 18 µm. Barva nepájivé masky byla vybrána černá a potisk bílý (u JLCPCB je jediná možnost potisku bílá). Výsledek je možné vidět na obrázku Návrh DPS Pouzdro hlavního mikrořadiče ATMEGA1284 bylo zvoleno jako THT pouzdro DIL40, umístěné do adekvátní patice pro snadnou výměnu v případě oprav. Aby bylo možné DPS snadno osadit a opravovat, byla zvolena technologie SMD součástek velikosti V dnešní době je tato velikost využívána pouze pro větší výkony na součástkách. Zde byla tato velikost zvolena z již zmíněných praktických důvodů. Nejmenší šířka cest na DPS byla stanovena na 12 mil, a to pouze pro malosignálové cesty přenášející pouze data. Obecně platí, čím větší cesty, tím lepší přenos signálu. Veškeré napájecí cesty napájení (5 V, 3,3 V) včetně země byly rozšířeny pro lepší distribuci výkonu na 32 mil. Tím bylo zajištěno dostatečně předimenzování výkonového zatížení napájecích cest s minimálním vlivem snižování napětí při velkém odběru proudu. Při návrhu rozlévané mědi chlazení součástek bylo dbáno na dostatečnou plochu chlazení a adekvátní množství prokovů pro dobrý přenos tepla na druhou stranu. Nejvíce náročná část návrhu byla oblast pro dostatečné oddělení signálových cest spínaných vysokonapěťových (vzhledem k desce) 230 V / 50 Hz výstupů. Vzhledem k přítomnosti střídavého signálu o relativně velkém výkonu bylo nutné zahrnou EMC pravidla. Střídavý signál již může jistým způsobem ovlivňovat svým magnetickým polem okolní signály a při vysokonapěťových špičkách může docházet vlivem povrchových nečistot k přeskoku elektrického oblouku na citlivé oblasti DPS. Ve výsledné desce v příloze 1 je proto patrné dostatečně oddělení polohou výkonové části od zbytku DPS. Šířka těchto výkonových cest byla zvolena 100 mil. Pro větší oddělení L a N výstupů z relátek byly tyto cesty navrhovány střídavě na vrstvě top a bottom. Pro minimalizaci dotykového napětí jsou tyto cesty pokryty nepájivou maskou, která by svým izolačním odporem měla oddělovat místa možného dotyku. Samotné galvanické oddělení zajišťují již zmiňovaná relátka, které mají velmi protáhlý tvar a tím dostatečnou vzdálenost mezi vývody cívky a spínaných kontaktů. Při takovýchto 38

45 výkonech již není možné využít SMD relátka, která jsou dimenzovaná na podstatně nižší výkony (řádově méně až 1 A). Pro snadnou montáž vnější elektrické instalace pro řízení akvária byly zvoleny modulární bezšroubové svorkovnice od společnosti WAGO. Svorkovnice obsahují přípojný bod s vratnou pružinkou pod úhlem 45. Uživateli tedy stačí adekvátní plochý šroubovák strčit do otvoru k otevření vnitřního plíšku, který svírá vodiče a následně daný vodič zastrčit do otvoru uvolněného plíšku a šroubovák vytáhnout. Svorkovnice se dají spojovat do dlouhé řady nacvaknutím vedle sebe. Koncová svorka by měla být ukončena izolačním víčkem proti dotyku, dostupného od výrobce k daným svorkovnicím. Obrázek 29 5 ks DPS vyrobených výrobcem JLCPCB Osazení DPS probíhalo v domácích podmínkách. Některé součástky nedorazily s první várkou z důvodu nedostatku v e-shopu. Deska byla tedy postupně osazována dle součástkových dispozic. Výsledná DPS je v průběhu osazování vyobrazena na obrázku 30. Zde je možnost si povšimnout chybějících tranzistorů pro spínání složek RGB s chladičem ve formě rozlévané mědi. Ve vrchní části je možné vidět 5 spínacích relé oddělující 230 V / 50 Hz od zbytku elektroniky. Na DPS bylo nalezeno hned několik 39

46 návrhových chyb, způsobených nepozorností ale byly všechny celkem snadno opravitelné. Obrázek 30 Hlavní DPS v průběhu osazování 40

47 7. PROGRAMOVÁ ČÁST HLAVNÍ DPS Vývoj software pro řídící desku (mikrořadič ATMEG1284) byl psán v jazyce AVR GCC (jazyk C pro AVR) ve vývojovém prostředí Microchip Studio (dříve Atmel Studio) v kombinaci s programátorem USB ASP. Výhodou tohoto prostředí je plná podpora Atmel AVR mikrořadičů s oficiálními knihovnami a možnostmi simulování a debugování v reálném čase. 7.1 Programátor Jak již bylo zmíněno, programování probíhalo pomocí neoficiálního programátoru USB ASP (obrázek č. 31) z třetích stran, běžící také na AVR čipu. Výhodou tohoto programátoru je jeho cena okolo 70 Kč v kombinaci s dobrou dostupností. Nevýhodou je však nutnost implementace do vývojového prostředí Microchip Studio pomocí programů třetích stran, absence debugingu a nutnost konfigurace programátoru přes příkazový řádek (oficiální programátory jsou přímo dohledatelné ve vývojovém prostředí s grafickou konfigurací bez nutnosti využívat příkazový řádek). Obrázek 31 Programátor USB ASP s propojením pomocí MLW konektoru [18] Programátor komunikuje s mikrořadičem pomocí rozhraní ISP. ATMEGA1284 obsahuje pouze jedno komunikační rozhraní ISP, a proto je nutné při komunikaci s jinými zařízeními ošetřit připojení více zařízení. Pro připojení bylo využito schéma konfigurace vývodu výstupního MLW konektoru vyobrazené na obrázku 32. Toto zapojení obsahuje jednotlivé vývody (VCC, MOSI, RST, SCK, MISO), které se připojí na stejnojmenné vývody mikrořadiče. Toto zapojení bylo implementováno na DPS řídícího systému pro snadné programování v reálném čase... 41

48 Obrázek 32 Konfigurace výstupního MLW konektoru programátoru USB ASP [21] 7.2 Popis hlavní smyčky programu v jazyce C Celý program v jazyce C obsahuje přes 3500 řádků kódu a průběžně bude aktualizován při úpravě funkcí a optimalizaci kódu. Program je možné dohledat v příloze B s ukázkou hlavní funkce main() s vnořenými funkcemi popsanými v kapitole Veškeré důležité funkční bloky jsou zabaleny do funkcí s příslušnými názvy, co vykonávají Použité knihovny Pro základní práci s registry AVR je využívána knihovna avr/io.h, která definuje jednotlivé adresy registrů mikrořadiče. Knihovna sama rozpozná, o jaký mikrořadič se jedná dle vytvořeného projektu a volby zařízení. Knihovna util/delay.h je standardizovaná knihovna pro snadné vytváření zpoždění. Tuto knihovnu je zvykem vložit do projektu, ačkoliv není v mnoha případech využívána (ani v tomto projektu). Lze ji využít například pro debugging výsledného programu. Pro tuto knihovnu je nutné definovat symbolický název F_CPU s kmitočtem daného řadiče v Hz. Touto definicí je pak zajištěn správný dopočet časování. Pro intuitivní práci s vektory přerušení existuje standartní knihovna avr/interrupt.h, která definuje jednotlivé funkce pro vyvolání přerušení. V programu je pak dále využívána pro vyvolání přerušení u čítačů/časovačů a pro využití funkce sei() ke globálnímu povolení přerušení. Práce s pamětí EEPROM je integrována ve standartní AVR knihovně avr/eeprom.h. Z této knihovny jsou využívány funkce eeprom_read_byte() a eeprom_update_byte() pro čtení a zápis do dané paměti. Externí knihovna lcd.h, přidaná z fóra AVR je běžně využívaná knihovna od autora Petera Fleuryho ke snadnému využívání znakových LCD displejů z řadiči HD44780 nebo jejich náhražkám. V této knihovně (hlavičkovém souboru) je již nutné definovat parametry použitého LCD (počet znaků na řádek, řazení paměti, konfigurace vývodů 42

49 s typem komunikace). Nejdůležitějšími funkcemi této knihovny jsou inicializační funkce lcd_init() a funkce pro zápis proměnné typu char či array of char a to lcd_putc() a lcd_puts(). Poslední externí knihovnou je pak knihovna ds18b20.h, obsluhující one-wire komunikaci s polovodičovým teplotním čidlem DS18B20 od Dallas Instruments. Tato knihovna dále obsahuje i knihovnu onewire.h pro obecné one-wire komunikace s periferiemi. Knihovna stdio.h je základní knihovna čistého jazyka C pro práci se standardními vstupy a výstupy jazyka C. V programu je využívána funkce sprintf() pro převod proměnných do pole znaků. Pro potřeby programu byla vytvořena knihovna aquarium.h, která obsahuje funkci ADC_convert() pro vyčtení převedené analogové do digitální hodnoty dle specifikovaného kanálu ADC. Tato funkce byla vytvořena v návaznosti na příklad převodu, uvedeného v datovém listu mikrořadiče ATMEGA Inicializace Při inicializaci dochází k nastavení používaných proměnných a k inicializaci všech potřebných periferií mikrořadiče. V první fázi jsou nadefinovány veškeré proměnné využívané v programu. Jedná se o proměnné signalizující určité fáze programu, či proměnné přímo definující parametry jednotlivých řízených veličin. Pro ukládání veškerých parametrů nastavených uživatelem do paměti EEPROM bylo vytvořeno pole pointerů ee_vars[] s délkou využité paměti, definované jako EEPROM_LEN, kde jednotlivé položky odkazují na proměnné parametrů k ukládání. Toto pole bylo vytvořeno z důvodu velmi snadného cyklického ukládání položek pomocí jednoho pole a cyklu for. Po nastavení veškerých proměnných následuje konfigurace vývodu realizovaná funkcí IO_init(). Funkce pouze nahrává konstanty do daných konfiguračních registrů vstupně / výstupních portů dle elektrického schématu desky. Připojení jednotlivých periferií na konkrétní bit portu je uveden v následující tabulce č. 4. Tabulka 4 Konfigurace periferií řídící jednotky Pozice bitu PORTA AIR FITLER HEAT/COOL LIGHT TEMP LEVEL_S LIGHT_S PH_SENSOR PORTB - LCD_D7 LCD_D6 LCD_D5 LCD_D4 LCD_E LCD_RW LCD_RS PORTC ROW1 ROW2 ROW3 ROW4 COL1 COL2 COL3 COL4 PORTD R G B CO2 FEED ALARM RX0 TX0 43

50 První čtyři nejméně významné bity PORTA jsou obsazeny senzory veličin. Zbylé čtyři jsou obsazeny spínanými výstupy. PORTB obsahuje pouze vývody pro komunikaci s LCD displejem. PORTC je zabrán komunikací ve formě řádku a sloupců maticové klávesnice 4x4 a PORTD obsahuje pouze výstupní bity pro ovládání dalších spínaných veličin a taktéž se na nejvyšších bitech PORTD nachází PWM výstupy časovačů k ovládání střídy jednotlivých složek RGB. Jako další již následuje inicializace jednotlivých periferií. Aby měl uživatel přehled o stavu zařízení, jako první je implementována funkce LCD_startup(), která jak už název napovídá, inicializuje samotný displej s výstupem ve formě loga systému a následného zobrazení textu informujícím o inicializaci zařízení a vyčtení konfiguračních parametrů z EEPROM (funkce EE_read_var()). Tento text setrvává na displej až do konce inicializace. Pro prvotní vyčtení všech snímačů bylo do inicializace implementováno zpoždění 5 s. Toto zpoždění zajišťuje bezproblémové vyčtení všech snímačů včetně vyčtení hodnot parametrů z paměti EEPROM. Následující sekvence dvou funkcí Timx_init() (kde x je číslo časovače) je věnována inicializaci časovačů 0 a 3. Tyto časovače zajišťují zpoždění pro multiplex klávesnice (20 ms) a zpoždění reálného času (1 s). Časovače 1 a 2 jsou využívány pro PWM RGB varianty osvětlení a jsou inicializovány vždy až při zapnutí světla. Časovače 0 a 2 jsou osmibitové, zatímco časovače 1 a 3 jsou šestnáctibitové. Po inicializaci časovačů s přerušením je nutné povolit globální přerušení mikrořadiče funkcí sei() Inicializace časovačů Jak již bylo zmíněno v popisu mikrořadiče, ATMEGA1284 disponuje čtyřmi časovači, dvěma osmibitovými a dvěma šestnáctibitovými. Čítač/časovač 0 zajišťuje časování přepínání sloupců po 20 ms a čítač/časovač 3 jako přesný RTC modul o hodnotě času 1 s. Oba tyto časovače pracují v režimu CTC s funkcí vyvolání přerušení. Čítače v tomto režimu porovnávají uživatelem nastavenou hodnotu OCRxA s čítacím registrem TCNTx, pokud dojde ke shodě, je vyvoláno přerušení a následně je cyklus čítání opakován. Z datového listu mikrořadič je pak možné dohledat vzorec pro hodnotu registru OCRxA při zpoždění t OCRxA = f MCU 2 N t 1, (1.6) kde fmcu je pracovní kmitočet mikrořadiče a N je dělící poměr základního kmitočtu. Ze vztahu 1.6 pak lze dopočítat že hodnota OCRxA pro zpoždění t = 20 ms s děličkou N = 1024 časovače 0 vychází 153. Obdobně pro zpoždění t = 1 s a děličku N = 256 časovače 3 vychází hodnota OCRxA = (šestnáctibitový registr). 44

51 Čítač/časovač 1 a 2 pracují v režimu osmibitového neinvertovaného fast PWM režimu. Každý AVR čítač časovač disponuje dvěma výstupy OCRxA a OCRxB, které lze ovládat nezávisle na sobě. V osmibitovém fast PWM režimu je možné nastavovat střídu registrem OCRxA/B v rozsahu 0-255, kde hodnota 0 odpovídá střídě 0 % a hodnota 255 střídě 100 %. Pro výpočet kmitočtu PWM byl zjištěn vzorec z datového listu mikrořadiče f f PWM = MCU, 2 N (1+OCRxA/B) (1.7) kde fpwm je kmitočet PWM signálu, fmcu je pracovní kmitočet mikrořadiče, N je dělička kmitočtu a OCRxA/B jsou jednotlivé registry PWM kanálů OCRxA nebo OCRxB. Pro adekvátní viditelné svícení LED osvětlením v plném rozsahu PWM vychází při děličce kmitočtu N = 64 výsledný kmitočet PWM fpwm = 488 Hz. U všech časovačů je nutno pomocí kontrolního registru TCCRxA a TCCRxB nastavit jednotlivé pracovní režimy s děličkou podle datového listu a následně v registru TIMSKx povolit přerušení na základě schody čítacího registru TCNTx s porovnávacími registry OCRxA/B na základě dané funkce Hlavní opakující se smyčka programu Blokem funkcí inicializace čítačů/časovačů je ukončena samotná inicializace programu a následuje nekonečná hlavní smyčka programu, kde se nachází vyhodnocení dat senzorů a stisknutých tlačítek maticové klávesnice a zpracování změněných dat uživatelem. Funkcionalitu tlačítek v dané větvi programu obsluhuje funkce Buttons_fx(). Tato funkce zároveň ve většině případů zajišťuje odesílání příznaku o změně zobrazovaného textu funkci Menu_fx() a tato funkce ji pak zobrazí. Dále funkce Buttons_fx() zajišťuje nastavování jednotlivých parametrů danými tlačítky v dané položce menu. Následuje funkce Var_set(), která po předchozím upravení parametrů ořízne veškeré parametry dle daných tolerancí, aby nedocházelo k neočekávaným hodnotám nebo hodnotám mimo reálnou hodnotu daného parametru. Funkce Regulation() provádí veškeré porovnávání nastavených hodnot s jejich aktuálními hodnotami ze senzorů. Po vyhodnocení funkce nastavuje dané příznaky při vybočení z nastavených tolerancí. Reakce na veličiny probíhá na principu porovnávání veličin. Pokud je veličina mimo rozsah, nastává regulace sepnutím výstupu či vyvolání upozornění. Tolerance veličiny slouží pro nastavení rozmezí, kde systém nereaguje po předchozím doregulováním na danou hodnotu. Vzhledem k velké setrvačnosti akvarijního ekosystému není nutné vypínat regulaci s předstihem tak aby nedošlo k překmitům regulace. O zobrazovaní hlavní informativní obrazovky s důležitými parametry se stará funkce display_main(). Ta je vyvolána pouze pokud je nově inicializován program nebo 45

52 pokud se uživatel nenachází v menu. Hlavní obrazovka zobrazuje aktuální čas, den v týdnu a všechny snímané veličiny. Pokud je spuštěno menu nebo jsou přímo v menu upravovány hodnoty, funkce Menu:fx() má za úkol menu se všemi změnami vykreslit na LCD displej. Pokud se zobrazovaná hodnota liší od aktuální hodnoty, je nastaven příznak displayed = 0 a začíná probíhat překreslování v této funkci. Menu_options() je funkce, která se nachází jak v Menu_fx() tak zde v nekonečné smyčce. V menu_options() se nachází nastavování reálného času systému, a to je třeba překreslovat při každé změně vteřiny. Program tedy běží pořád dokola a pokud je proměnná v určité hodnotě (nastavena časováním 1 s), dané menu se překreslí. Funkce Alarm_gen() je funkce zajišťující generování alarmu po 1 s při daných podmínkách (vyvolání alarmu, spuštění uživatelem). 7.3 Uživatelské menu Uživatelské menu automatizovaného řízení provozu akvária bylo nejdříve koncepčně vytvořeno jako vývojový diagram v programu MS Visio pro lepší orientaci uživatele a následného programování (obrázek č. 33). 46

53 Obrázek 33 Vývojový diagram uživatelského menu (MS Visio) Uživatelské menu je tvořeno dvěma úrovněmi, v programu reprezentovanými jako proměnné menu1 a submenu1. První úroveň menu uživatelovi třídí veškeré parametry do jednotlivých deseti podskupin dle snímané veličiny či konkrétního ovládaného výstupu. Poslední položkou v menu je potom Options pro globální nastavení času a pro ukládání dat do EEPROM. Druhá úroveň menu již obsahuje dané nastavitelné veličiny. Z pravidla veškeré druhé úrovně menu začínají zapnutím či vypnutím dané veličiny / výstupu. Celá zobrazovací funkce menu je realizována funkcí Menu_fx(). Jedná se o jeden hlavní spínač, který vybírá z hodnot proměnné menu1. Pokud menu1 = 0, Uživatel se nenachází v menu. V každé možnosti tohoto spínače jsou pak jednotlivé podružné funkce s názvy menu_xxx(), kde xxx je daný název položky. Tyto funkce dále obsahují další switch, který vybírá danou položku druhé úrovně podle proměnné submenu1. Pokud submenu1 = 0, uživatel se nenachází v druhé úrovni menu. Každá položka v menu je velmi úsporná na paměť dat. Funkce dané položky v menu vždy vypisuje předem danou sekvenci příkazů z knihovny lcd.h pouze s měnícími se proměnnými. Pokud nastane změna jedné položky, vždy se přepíše celá obrazovka. Tím je zajištěno 47

54 snadnější přepisování stránky a vyvarování se pozůstalých znaků z předchozích obnovení Pohyb v menu a nastavení parametrů Pohyb v menu je realizován tlačítky A,B,C,D (UP, DOWN, ENTER, BACK) na maticové klávesnici. Pro vstup do menu z hlavní obrazovky či zahloubení do druhé úrovně je nutné zmáčknout tlačítko C (ENTER). Pro výstup z menu či posun o úroveň výš z druhé úrovně je třeba stisknout tlačítko D (BACK). Vybraná položka je vždy zprava označena signalizační šipkou Nastavení proměnných se dělí do dvou skupin. Některé je možno nastavovat pomocí tlačítek * a # pro inkrementaci a dekrementaci, některé pomocí přímého číselného zadávání jednotlivých pozic na numerickém bloku. V tomto případě je posun po jednotlivých pozicích realizován tlačítky * a # a vždy se rozbliká kurzor ukazující na danou pozici. Pro lepší orientaci v ovládání byla na poslední řádek LCD implementována nápověda k funkcím jednotlivých tlačítek. Pokud je daný parametr změněn. Regulace související s tímto parametrem je při této změně vypnuta, aby nedocházelo k chybné regulaci. Obrázek 34 Ukázka první úrovně menu s nápovědou 7.4 Zpracování dat ze snímačů Po získání dat ze snímačů bylo nutné tyto data adekvátně zpracovat pro dosažení relevantních hodnot. Teplota z čidla DS18B20 byla pouze převedena do pole znaků pomocí funkce sprintf(). Čidlo již samo odesílá binární hodnotu teploty. Pro převod napětí na ph bylo nutno využít linearizované přímky závislosti ph na napětí (obrázek 22) z datového listu. Pomocí programu MS Excel byla následně zjištěna směrnice dané přímky a ta implementována do programu. 48

55 ph [-] y = x U [mv] Obrázek 35 Graf závislosti ph na napětí ph sondy E201 Pro převod dat z čidla hladiny a osvětlení bylo využito experimentální metody měření bodů charakteristiky dle výšky hladiny od počátku a referenční míry osvětlení luxmetru v závislosti na napětí. Následně byla implementována matematická funkce pro převod na cm a luxy. Hodnota v lux jednotkách je pouze orientační pro nastavení potřebné referenční hodnoty. 49

56 8. MECHANICKÁ KONSTRUKCE Pro upevnění DPS bylo nutné vytvořit adekvátní krabičku. Krabička by měla mít montážní otvory pro LCD, klávesnici, čidlo osvětlení, napájení a v neposlední řadě pro všechny možné připojitelné periferie. Zároveň by krabička měla chránit výsledné zařízení před mechanickými vlivy 8.1 3D CAD software SolidWorks Pro návrh konstrukční krabičky byl zvolen 3D CAD program SolidWorks od společnosti Dassault Systèmes. Tento program je jeden z nejpopulárnější mezi 3D CAD programy z důvodu naprosto plnohodnotné funkčnosti, intuitivního ovládání a velmi přívětivé ceny licence. Navíc do sebe SolidWorks dokáže integrovat různé moduly jako jsou fyzikální simulace a jiné podpůrné vlastnosti. Výstup z tohoto programu může být realizován ve všech standardizovaných typech souborů od.dwg přes.dxf po.step. V SolidWorks je také možné velmi snadno vytvářet výkresy, různé animace a pohybové studie, které je potom možné exportovat jako video. 8.2 Vlastnosti montážní krabičky Výslednou krabičku je možné vidět v příloze C a skládá se ze dvou částí spodního dílu a víka. Spodní díl krabičky slouží k upevnění DPS a k vývodům elektrické instalace spolu s hlavním vypínačem napájení a signalizační LED. DPS je umístěna na distančních sloupcích v místech montážních otvorů DPS. Vzhledem k rozměrům desky a velkému přítlaku šroubováku ve svorkovnicích je však tato podpora nedostatečná. Z tohoto důvodu byly z vnitřních stran okrajů desky vytvořeny vzpěry z protáhlých obdélníků, které zamezují prohybu či zlomení desky a tím k destrukci elektrického obvodu. V místech svorkovnic jsou po stěnách spodního dílu vytvořeny dlouhé průchodné otvory pro snadné protažení externích vodičů periferií k DPS. V místě vývodu BNC konektoru ph sondy je tento otvor rozšířen. Na spodním díle samozřejmě nechybí otvor pro připojení napájecího jacku s otvorem pro 3 mm indikační LED napájení. Celou krabičku je možné umístit na zeď či kontrolní panel pomocí čtyřech upínacích uch pro vruty do hmoždinek. Spodní díl má na spodní straně vyhrazený prostor pro volitelnou montáž ESP32 modulu ke komunikaci přes webové rozhraní. Víko krabičky slouží k zakrytí vrchní části DPS a zároveň k upevnění uživatelského rozhraní a senzoru osvětlení. Pro maticovou klávesnici a LCD displej byl do víka krabičky vyříznut otvor s adekvátně rozmístěnými montážními otvory. Okolo LCD displeje bylo vytvořeno zahloubení 1 mm pro možnost nalepení ochranného sklíčka. V pravém dolním rohu je poté umístěn senzor osvětlení zapuštěný zároveň s rovnou 50

57 plochou pro ochranné sklíčko. Fotorezistor je umístěn dostatečně daleko od LCD, tak aby nebyl příliš ovlivňován jeho svitem. Pro sešroubování víka a spodního dílu stačí čtyři vruty velikosti 3,5x15 mm a delší zašroubovat do montážních otvorů v rohu víka. Vruty jsou samozřejmě zapuštěné zároveň s povrchem krabičky. Pro zašroubování do spodního dílu bylo nutné vytvořit vyplněné rohy s otvorem pro zaříznutí jednotlivých vrutů. Celá krabička je pak v základu ze 4 mm silného plastu pro minimální prohyb. Krabička byla vytištěna pomocí kompletně přestavěné 3D tiskárny Ender 3 od společnosti Creality z materiálu PET. Povrch krabičky byl pokryt lesklou rozlévanou hmotou. Výsledek je možné vidět na obrázku 36. Celkový tisk krabičky byl čtyři hodiny. Některé otvory bylo nutné mírně dopilovat z důvodu nedokonalosti 3D tisku. Obrázek 36 Výsledná sešroubovaná vytištěná krabička na 3D tiskárně 51

58 8.3 Montáž výsledného zařízení Výsledné zařízení je možné vidět na obrázku 37 a 38. DPS byla umístěna do spodního dílu krabičky podle otvorů a přišroubována vruty 2x2,2 mm Vedle DPS se nachází vyhrazené místo pro ESP32 a alarm. Alarm byl přišroubován do tohoto místa stejnými vruty. Následně byly protaženy veškeré vodiče okolních periferií (snímače). Veškeré vnitřní periferie byly taženy propojkami z nepájivého pole. Pro otestovaní R GB osvětlení byl do zařízení připojen jedno článkový RGB LED pásek. Všechny potřebné ovládací prvky byly umístěny na svá místa (LCD, klávesnice, vypínač, indikační LED, snímač osvětlení). Otvor pro vypínač, fotorezistor a LED musel být mírně dopilován z důvodu menších otvorů. Obrázek 37 Výsledné zařízení Obrázek 38 Osazení krabičky DPS a periferiemi (vnitřní pohled) 52

59 9. AUTOMATICKÉ KRMENÍ V kapitole bylo zmíněno, že veškerá komerčně dostupná automatická krmítka jsou nevhodná pro externí řízení elektronikou. Veškerá automatická krmítka na trhu jsou totiž naprosto autonomní s vlastním uživatelským rozhraním, a tak je nelze řídit centrálně. Z tohoto důvodu bylo rozhodnuto o vývoji vlastního krmícího systému, který by bylo možné řídit centrálně pomocí hlavní DPS. 9.1 Základní koncept krmení Jako způsob krmení bylo vybráno otáčení s jednou velkou nádobkou na krmení o 360. Na této nádobě je vždy umístěna regulační klapka zakrývající otvor pro vysypání krmiva do akvária. Pomocí klapky je regulováno množství krmiva, které spadne do vody při jedné otáčce. Tento způsob regulace je však zcela mechanická záležitost a práce se jím už dále nezabývá. Pro otáčení byla zvolena řídící mikrořadič ATTINY13 v kombinaci s tranzistorovým polem ULN2003 v Darlingtonově zapojení pro zesílení signálu z mikrořadiče pro krokový motor. Krokový motor následně otáčí s nádobkou. Zároveň ATTINY zpracovává příchozí impuls pro spuštění krmení z řídící jednotky. 9.2 Popis vybraných komponent krmení Jak již bylo zmíněno, DPS řízení krmení bude obsahovat mikrořadič ATTINY13, darlingtonové pole tranzistorů ULN2003 a krokový motor pro otáčení s nádobkou ATTINY13 ATTINY13 je mikrořadič ze série TINY rodiny AVR osmibitových mikrořadičů. Výhoda těchto mikrořadičů je jejich nízká spotřeba a velmi nízká cena pro jednoduché aplikace. Mikrořadič disponuje 1KB velkou pamětí programu, 64B velkou EEPROM paměti a pamětí SRAM. V ATTINY13 je integrován jeden osmibitový čítač/časovač a čtyřkanálový desetibitový ADC. Programování probíhá stejně jako u ATMEGA1284, a to přes rozhraní ISP. Tento mikrořadič je tedy velmi vhodný pro nenáročné a výkonově úsporné aplikace Driver ULN2003 ULN2003 je podpůrná periferie ze série ULN200x Darlingtonových polí. Obsahuje osm kanálů z nich každý je zapojen dle obrázku č. 39. Kanál je tvořen Darlingtonovým zapojením dvou tranzistorů zesilující proud až na hodnotu 500 ma. Zapojení navíc obsahuje ochranné diody proti záporným napěťovým špičkám. ULN2003 bude využíván pro zesílení signálu ovládání jednotlivých cívek krokového motoru. 53

60 Obrázek 39 Zapojení jednoho kanálu ULN2003 [22] Krokový motor 28BYJ-48 Pro otáčení nádobky s krmením byl zvolen základní krokový motor 28BYJ-48 (obrázek 40). Výhodou krokového motoru je, že díky řídící elektronice se vždy ví, kde se nachází podle aktuálního kroku, navíc je možné přesně řídit úhlové natočení s rychlostí podle prodlevy mezi jednotlivými kroky. Obrázek 40 Krokový motor 28BYJ-48 Krokový motor 28BYJ-48 disponuje možností 512 kroků, každý po 0,7 a kroutícím momentem 0,34 kg / cm. Rozlišení kroků je důležité z důvodu nastavení rychlosti otáčky o celých 360. Kroutící moment je více než dostačující pro otáčení nádobkou s krmením vážící pouze několik desítek gramů. Motor byl také zvolen z důvodu velmi dostupné ceny (okolo 40 Kč). 54

61 9.3 Elektrické schéma a DPS automatického krmení Pro automatické krmení bylo vytvořeno velmi jednoduché zapojení s DPS vyobrazené v příloze D. Celá deska je řízena mikrořadičem ATTINY13. Deska obsahuje i programátor ve formě MLW konektoru k programování v reálném čase stejně jako hlavní DPS. ATTINY13 bylo zvoleno v pouzdře DIL8 ze stejného důvodu jako ATMEGA1284 na hlavní DPS. Výstupy ATTINY13 jsou připojeny na kanály ULN2003. Vstup INT0 (Přerušení reagující na změnu signálu na pinu) je využíván pro detekci příchozího pulsu z řídící desky pro provedení jedné otáčky. Výstupy z ULN2003 řídí jednotlivé kombinace cívek krokového motoru. Výroba probíhala taktéž u výrobce JLCPCB. Tloušťka cest byla zvolena velmi podobná jako u hlavní DPS. Zde nebylo nutné řešit EMC z důvodu absence jakýchkoliv silových a rušivých signálů. Výslednou desku s osazením je možné vidět na obrázku 41. Obrázek 41 DPS Automatického krmení s krokovým motorem 55

62 9.4 Popis programu automatického krmení Program byl napsán ve vývojovém prostředí Microchip Studia v programovacím jazyce AVR GCC (jazyk C) stejně jako řídící jednotka. Program je možné nalézt v páté příloze E. Na začátku programu jsou vloženy základní knihovny popsané v kapitole a dále nadefinovány proměnné. Pole step_cycle[] obsahuje 8 hodnot přepínání jednotlivých mikrokroků, které vytváří jeden krok. Proměnná start indikuje, zda bylo vyvoláno cyklus otočení o 360 (0 = FALSE, 1 = TRUE). Bylo by možné využít proměnnou typu bool, nicméně tato proměnná stále zabírá jeden Byte z důvodu osmibitové architektury mikrořadiče. Následuje inicializace jediného portu ATTINY13, a to PORTB na vstupy či výstupy registrem DDRB. Přerušení pinu INT0 je nastaveno pomocí registrů MCUCR a GIMSK. Reakce přerušení je nastavena na sestupnou hranu (jednotka vyšle puls a krmení začíná až po ukončení pulsu se sestupnou hranou). V přerušení INT0 je proměnná start nastavena do hodnoty 1 (TRUE). Pokud je hodnota proměnné start v hodnotě 1 (TRUE), začíná cyklus jedné otáčky o 360. Cyklus for provádí 512 kroků s vnořeným dalším cyklem for, který nahrává konstanty z pole step_cycle[] pro otočení o všech osm mikro kroků (jeden krok). Po dokončení cyklu otáčky je proměnná start nastavena do 0 (FALSE), Následuje čekání na další puls od řídící desky vyvolávající krmení. Cyklus otočení o 360 trvá přesně definovaný čas podle nastavení zpoždění funkcí _delay_ms() a tím je možné ošetřit nevhodného posílání pulsu v průběhu otáčení. 56

63 10. ZÁVĚR Cílem diplomové práce byl návrh automatizovaného řízení provozu akvária, ovládaného LCD displejem a klávesnicí s intuitivním uživatelským rozhraním a snímáním všech důležitých akvaristických veličin. První část diplomové práce se zabývá teoretickým rozborem akvaristiky, snímaných veličin a analýzou trhu s dostupným akvarijním vybavením k ovládání. Ve druhé častí je řešen návrh samotného zařízení po hardwarové, softwarové a mechanické stránce. Poslední část se věnuje návrhu automatického akvarijního krmítka, ovládaného pomocí hlavní řídící desky systému. Výsledné zařízení snímá teplotu, ph, úroveň hladiny vody a míru osvětlení. Zařízení dokáže tyto veličiny zpracovat a podle uživatelského nastavení na ně i patřičně reagovat plynulou regulací či výstražným zvukovým alarmem. Další funkcí zařízení je funkce spínaných hodin jednotlivých výstupů podle nastavených časů spínání. Celý systém je řízen mikrořadičem ATMEGA1284 s přesným externím krystalem o kmitočtu 8 MHz pro hodiny reálného času. Pro uživatelské rozhraní byl vybrán 4x16 LCD znakový displej s maticovou klávesnicí 4x4. Zařízení je dále připraveno pro řízení přes webové rozhraní pomocí mikrořadiče ESP32 (na DPS je přidán převodník rozhraní UART z 5 V na 3,3 V pro odesílání a přijímaní dat. V zařízení je integrováno dvouúrovňové uživatelské menu rozdělené podle snímaných veličin do deseti položek. Každá položka poté obsahuje druhou úroveň menu, kde jsou již nastavovány jednotlivé parametry dané veličiny. Pokud se uživatel v menu nenachází, je zobrazována hlavní obrazovka s výčtem všech snímaných veličin včetně času pro snadnou orientaci. Veškeré parametry je možné uložit do paměti EEPROM a zachovat je tak při vypnutí celého systému. Pro pohyb v menu jsou využívána tlačítka A, B, C, D jakožto UP, DOWN, ENTER, BACK. Při nastavování veličin je využíváno dvojího způsobu zadávání. Pokud se jedná o proměnnou s více číselnými pozicemi (pole znaků), každá číselná pozice je nastavována zvlášť pomocí numerické klávesnice 0-9 a posunem vpravo a vlevo pomocí kláves * a #. Pokud se jedná o celočíselnou hodnotu, je prováděna inkrementace tlačítky * a #. Pro usnadnění orientace v menu byla na poslední řádek LCD přidána nápověda s funkcemi tlačítek. Pro zařízení byla zkonstruována montážní krabička s možností snadného vyvedení veškeré elektroinstalace a se zabudovaným uživatelským rozhraním a hlavním vypínačem. Tato krabička byla vytisknuta pomocí 3D tisku. Z důvodu nedostupnosti elektricky řiditelného automatického akvarijního krmítka bylo navrženo krmítko vlastní sestávající z řídící jednotky ATTINY13, tranzistorového pole a krokového motoru. Mezi tímto krmítkem a řídící deskou byla vytvořena jednosměrná one-wire komunikace pro vyvolání otáčky o 360 s nádobkou na krmení. 57

64 Zařízení bylo navrženo, zkonstruováno, naprogramováno a otestovány dílčí funkční bloky (jednotlivé regulace veličin, prvky ovládání). Zařízení jako celek bude testováno v průběhu několika měsíců v prostředí akvária. Program bude i nadále doplňován o nové funkce vylepšující intuitivnost a multifunkčnost systému. 58

65 LITERATURA [1] Portál rybicky.net, Historie akvaristiky [online] [cit ]. Dostupné z: [2] Portál akvarijni.cz, Akvaristika včera, dnes a zítra [online] [cit ]. Dostupné z: [3] Portál zeika.cz, Atypická Akvária [online] [cit ]. Dostupné z: [4] Portál Invital Rostlinná akvária [online] [cit ]. Dostupné z: [5] Portál SERA [online] [cit ]. Dostupné z: [6] Portál Akvamex [online] [cit ]. Dostupné z: [7] Regmet, Snímače teploty [online] [cit ]. Dostupné z: [8] Nové technologie výzkumné centrum ZČU, Termočlánky [online] [cit ]. Dostupné z: [9] Portál Point PET, Dusíkový cyklus v akváriích [online] [cit ]. Dostupné z: www. cz.point.pet/dusikovy-cyklus-v-akvariich/ [10] Wikipedie, otevřená encyklopedie, ph [online] [cit ]. Dostupné z: www. cz.point.pet/dusikovy-cyklus-v-akvariich [11] E-shop GM Electronics [online] [cit ]. Dostupné z: [12] Portál Rataj Akvaristika [online] [cit ]. Dostupné z: [13] WikiSkripta, Měření ph [Online] [cit ]. Dostupné z: [14] Portál Svět Svítidel, Co je to světelný tok a intenzita osvětlení? [Online] [cit ]. Dostupné z: [15] Portál Elektronická učebnice [Online] [cit ]. Dostupné z: [16] Microchip technology, ATmega164A/PA/324A/PA/644A/PA/1284/P Datasheet [Online] [cit ]. Dostupné z: 644A_PA-1284_P_Data-Sheet B.pdf [17] Portál Espressif [Online] [cit ]. Dostupné z: [18] E-shop DRÁTEK.CZ [Online] [cit ]. Dostupné z: [19] Maxim Integrated, DS18B20 datasheet [Online] [cit ]. Dostupné z: 59

66 [20] E-shop TME [Online] [cit ]. Dostupné z: [21] Portál Learning about Electronics[Online] [cit ]. Dostupné z: [22] ST microelectronics, ULN2001, ULN2002, ULN2003, ULN2004 Seven Darlington arrays datasheet [Online] [cit ]. Dostupné z: 60

67 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK Zkratky: PMMA PET PWM ARM ADC RGB BNC CO2 H2O H2CO3 H3O + USART UART SPI I 2 C JTAG AVR ph KH GPIO HW DPS Polymethylmethakrylát Polyethylentereftalát Pulsně- šířková modulace Advanced RISC Machine (druh mikrořadiče) Analogově-číslicový převodník Červená, zelená, modrá barevné složky osvětlení Druh konektoru koaxiálního datového kabelu Oxid uhličitý Voda Kyselina uhličitá Oxioniový kationt vody Univerzální synchronní / asynchronní rozhraní Univerzální asynchronní rozhraní Sériové periferní rozhraní Počítačová sériová sběrnice Standardizované rozhraní pro testování plošných spojů Rodina mikrořadičů firmy Atmel (Microchip) Vodíkový exponent, jednotka kyselosti roztoku Uhličitanová tvrdost roztoku Univerzální vstupní / výstupní vývod (mikrořadiče) Fyzické vybavení zařízení Deska plošných spojů Symboly: ph Kyselost roztoku (ph) KH Uhličitanová tvrdost (KH) U Stejnosměrné elektromotorické napětí (V) I Stejnosměrný proud (A) R Elektrický odpor (Ω) P Elektromotorický výkon (W) S Plocha (m 2 ) Ф Světelný tok (lm) E Intenzita osvětlení (lx) f frekvence (Hz) IPS Počet instrukcí za vteřinu (IPS) 61

68 SEZNAM PŘÍLOH PŘÍLOHA A - NÁVRH HLAVNÍ DPS PŘÍLOHA B - PROGRAM ŘÍDÍCÍ DPS S ATMEGA PŘÍLOHA C - DOKUMENTACE MONTÁŽNÍ KRABIČKY PŘÍLOHA D - NÁVRH DPS AUTOMATICKÉHO KRMENÍ PŘÍLOHA E - PROGRAM AUTOMATICKÉHO KRMENÍ PRO ATTINY

69 Příloha A - Návrh hlavní DPS Dostupné jako externí příloha projektu v programu EAGLE A.1 Elektrické schéma Dostupné jako externí příloha. A.2 Návrh DPS Dostupné jako externí příloha. 63

70 Příloha B - Program řídící DPS s ATMEGA1284 Ukázka programu ve funkci main() s kódem zabaleným ve funkcích s názvem dané operace, kterou funkce provádí: //MAIN FUNCITON int main(void) { IO_init(); LCD_startup(); Tim0_init(); Tim3_init(); EE_write_var(); EE_read_var(); sei(); _delay_ms(5000); clk[7] = '0'; while (1) { } return(1); if(keys &&!pressed) Buttons_fx(); Var_set(); Regulation(); display_main(); if(menu1 &&!displayed) Menu_fx(); if(menu1 == 10 && submenu1 &&!u) {menu_options(); u = 1;} Alarm_gen(); } Celý program s vytvořenými knihovnami (+3500 řádků kódu) dostupný v externí příloze projektu v prostředí Microchip Studio. 64

71 Příloha C - Dokumentace montážní krabičky Dostupné jako externí příloha projektu v programu SolidWorks. C.1 Sestava víka a spodního dílu Dostupné jako externí příloha. 65

72 C.2 Výkres víka krabičky Dostupné jako externí příloha. 66

73 C.3 Výkres spodního dílu krabičky Dostupné jako externí příloha. 67

74 Příloha D - Návrh DPS automatického krmení Dostupné jako externí příloha projektu EAGLE. D.1 Elektrické schéma Dostupné jako externí příloha. 68

75 D.2 Návrh DPS Dostupné jako externí příloha. 69