Izrada uKSGeneratora

12 January 2013.

uKSGenerator je uređaj za pravljenje ionsko-koloidnog srebra (skraćeno cs ili jednostavno koloidno srebro). Osnovni i najbitniji dio ovog uređaja je ograničavač struje koji limitira struju na određenu vrijednost kroz srebrne elektrode koje se koriste kod elektrolize odnosno spravljanja cs-a. Ograničavanje struje je bitno ukoliko se želi dobiti kvalitetna otopina cs-a s velikom koncentracijom iona srebra koji su aktivni elementi, te ukoliko se želi smanjiti nepotrebna potrošnja srebra (otkidanje većih dijelova elektroda usljed velike struje) s srebrenih elektroda. Maksimalna vrijednost struje ovisi o dimenzijama elektroda i spremnika u kojem se vrši elektroliza i može se računski odrediti. Više o teoriji spravljanja cs-a ovdje.

Međutim, u praksi se pokazalo da se kvalitetnije otopine cs-a s velikim udiom srebrenih iona (većim parts per milion - ppm) mogu dobiti ako se prilikom procesa elektrolize koristi miješalica koja konstantno ili uz manje prekide miješa otopinu te ako se koristi tehnika promjene polariteta elektroda. Ove dvije tehnike omogućavaju dugotrajniji postupak elektrolize, a samim tim i veću postignutu koncetraciju srebrnih iona bez štetnih nuspojava (otkinuti veliki dijelovi elektroda). Naime usljed miješanja i promjene polariteta elektroda, smanjuje se postotak rekombiniranih kationa (pozitivno nabijen ion) i aniona (negativno nabijen ion) na elektrodama koji su u biti neželjeni nusprodukt ovog procesa jer sami nabijeni srebreni ioni su u principu glavni aktivni dio ionsko-koloidnog srebra.

Nakon skoro tri godine 'zabavljanja' s raznim spravicama (vidi CS generator I i CS generator II) za spravljanje koloidnog srebra (od 2010.g.) napokon sam odlučio napraviti 'pravi' uređaj za generiranje koloidnog srebra koji bi osim samog ograničavaća struje imao i automatsko isključivanje nakon zadanog perioda, mjerenje struje (ampermetar), kontrolu motora miješalice, promjenu polariteta te bi sve podatke prikazivao korisniku na neki pregledni način (LCD ekran), ukratko cijeli paket opreme. Za ovaj zadatak opet sam izabrao mikrokontroler ATMEGA48 od Atmela, stoga je i logično da se uređaj zove Mikro Generator Koloidnog Srebra ili uKSGenerator.  Mogu reći da je projekt uZappera bio vježba i 'zagrijavanje' za ovaj projekt koji koristi veliku većinu ogromnih mogućnosti ovog mikrokontrolera. uKSGenerator sam isto kao i uZapper napravio radi svog užitka i 'potjere' za savršenstvom, ali smatram da se svako znanje, otkriće i iskustvo koje može promoći drugima mora nesebično dijeliti, stoga ću ovdje izložiti sve pojedinosti izrade uKSGeneratora kako bi i drugi mogli imati koristi od ovog mog projekta.

uKSGenerator u akciji

Međutim poučen iskustvom shvatio sam da je uKSGenerator preskup i prekompliciran za većinu ljudi kojima je dovoljno da imaju ikakav sklop za spravljanje koloidnog srebra, a koji će opet kvalitetno odraditi svoj osnovni zadatak. Stoga mi nije bio problem da konstruiram još dvije jednostavnije verzija uKSGeneratora:

Light uKSGenerator ima iste funkcije kao i veći brat, ali nema LCD ekran i nema automatsko isključivanje nakon određenog perioda. Koristi istu mehaniku miješalice kao i uKSGenerator. Zbog jednostavnosti i manjeg broja dijelova, elektronika je skoro dvaput jeftinija, a ima skoro istu funkcionalnost kao i uKSGenerator.

Mini uKSGenerator je u biti samo ograničavač struje koji korisniku omogućava da sam odredi maksimalnu struju elektrolize i tako sam sebi na jeftin način pripremi otopinu koloidnog srebra.

U daljnjem tekstu ću opisati kako izraditi sve ove uređaje, međutim, za one koji nisu vični elektronici ostavljam mogućnost da me kontaktiraju na email (vidi dolje) radi eventualnih pitanja ili nabave gotovih sklopova za izradu koloidnog srebra.

Sadržaj teksta:

1. Svojstva uKSGeneratora
2. Ulazni naponski moduli
3. Temelj: LM317LZ kao ograničavač struje
4. Mjerenje struje s ATMEGA48
5. Upravljanje LCD-om
6. Opis programa uKSGeneratora
7. Izrada uKSGeneratora
8. Izrada Light uKSGeneratora
9. Izrada Mini uKSGeneratora

Svojstva uKSGeneratora

uKSGenerator ima sljedeća svojstva:

• upravljan je mikrokontrolerom (ATMEGA48), što osigurava preciznost i dugotrajnost uređaja
• ima ograničivač maksimalne struje s rasponom od 1mA-10mA
• radi s maksimalnim naponom na elektrodama od 27V
• spremnik je kapaciteta 2.5 litre
• ugrađen je mjerač struje s preciznošću od 0.01mA ili 10uA, a mjernim rasponom od 0mA-10mA
• vrši promjenu polariteta elektroda svakih 4 minute
• upravlja motornom miješalicom na način da ista radi 2 minute, s 1 minutom pauze
• nakon procesa spravljanja koloidnog srebra automatski se gasi nakon zadanog perioda. Vrijeme spravljanja se namješta u koracima od 30min: od 30min do 24hr.
• u slučaju naprasnog prekida procesa (npr. u slučaju kratkotrajnog nestanka struje), nakon 20 sekundi nakon dolaska napajanja, automatski nastavlja proces spravljanja koloidnog srebra
• svi podaci o procesu elektrolize, vrijeme do kraja procesa i trenutna struja se prikazuju na LCD ekranu
• ima power save mode LCD ekrana u kojem se nakon 4 minute neaktivnosti gasi LCD ekran. Pritisak na bilo koju tipku aktivira ekran

uKSGenerator se sastoji od sljedećih modula:

• mikrokontrolera ATMEGA48 na 4Mhz koji kontrolira cijelim sustavom
• naponske regulacije koja od ulaznih 12V izvodi dodatna četiri izvora napajanja za razne module sustava
• kontrole LCD displaya s 4 bitnom data sabirnicom, 3 linijskom kontrolnom sabirnicom, te upravljanja isključivanja/uključivanja pozadinske rasvjete LCD za power save mode (backlight LED)
• regulacija i namještanje maksimalne struje elektrolize s LM317LZ
• mjerenje struje pomoću analogno digitalnog pretvarača (ADC) koji je sastavni dio mikrokontrolera ATMEGA48
• kontrola motora (uključivanje i isključivanje)
• kontrola releja za promjenu polariteta elektroda
• timer funkcija, automatsko isključivanje nakon zadanog perioda i automatsko nastavljanje procesa elektrolize usljed kratkotrajnih nestanaka struje
• mehaničkog dijela: motor miješalice s postoljem

Program za uKSGenerator je pisan u assembleru za ATMEL mikrokontrolere. Glavne karakteristike programa su:

• glavna kontrolna petlja koja se izvršava svake sekunde: odbrojava do kraja procesa, vrši očitanje struje s ADC pretvaračem, osvježava ispis na LCD ekranu, te ostalo
• input interrupt handleri: na svaki pritisak tipke, ATMEGA izvršava interrupt rutinu i obrađuje korisnikov input (npr. povećanje timera za 30min)
• stanja: uKSGenerator radi kao state mašina, stoga ima ukupno 7 stanja, te jasna pravila i redosljed prelaska iz pojedinih stanja.

Ulazni naponski moduli

uKSGenerator koristi 12V istosmjerni napon dobiven iz AC/DC adaptera kao izvor napajanja. Napon od 12V se konvertira u četiri razna naponska modula, dok se samih 12V koristi samo na dva mjesta: za crveni LED indikator koji označava da je sklop uključen te za napajanje FET drivera UCC27324 koji se koristi za kontrolu FET tranzistora (o ovome više riječi kasnije). Glavna četiri naponska modula:

• Vcc 5V TTL modul služi za napajanje ATMEGA48, za napajanje LCD ekrana i pozadinske rasvjete LCD ekrana, za napajanje ADC sklopa unutar ATMEGE48 (pin 20 - AVCC), te za napajanje releja koji se koristi za promjenu polariteta elektroda. Pošto je za ovo potrebna preciznost napona i malo više struje logičan (i ekonomičan) izbor je bio standardni naponski regulator 7805 koji ulaznih 12V konvertira u 5V. S eventualnih par stotina miliampera struje, disipacija snage na ovom IC-u ostaje relativno mala, stoga se vrlo malo grije, ergo nema hladnjak.
• Vref 2.048V ADC referentni napon služi za ADC pretvarač unutar ATMEGE48 (pin 21-Aref). Referentni napon se koristi prilikom izračuna digitalne vrijednosti analognog naponskog signala koji ADC pretvarač mjeri s tim da je maksimalna vrijednost ADC konverzije 1024 (2^10) što odgovara ulaznom naponskom signalu koji je jednak Vref ili veći. Odabir Vref se vrši kao kompromis između željene preciznosti skale ili opsega koji se želi mjeriti te zahtjeva da konverzija u digitalnu vrijednost bude što lakša i brža. Više o ovome u poglavlju o mjerenju struje. Ovdje sam koristio LM317LZ zajedno s preciznim višeokretanjim trimerom s kojim se vrlo precizno i stabilno može namjestiti tražena vrijednost. Iako se čini dosta nezgrapno rješenje, pokazalo se veoma pouzdano, a kad sam kalibirirao dobivene vrijednosti s pravim ampermetrom, odstupanja su bila  unutar par uA što je za ovaj sklop više nego dovoljna preciznost. Skuplja i bolja alternativa je korištenje pravih izvora referentnog napona.
• Vmotor 1.2-7V se koristi za pogon motora miješalice. Koristim 3V motor koji vuče nekih 50mA u praznom hodu. Za dobivanje ovog napona koristim jači model naponskog regulatora LM317 (bez sufiksa) koji može izgurati i do 1.5A struje, a trimerom sam sebi ostavio mogućnost da malo još usporim ili pak ubrzam motor od nazivnih 3V na koji standardno namještam ovaj napon. Isto tako u mogućnosti sam fino podesiti napon ako u budućnosti budem koristio i neki drugi tip DC motora. LM317 se grije, ali neznatno, stoga ga isto stavljam bez hladnjaka.
• Vel 30V se koristi za napajanje elektroda prilikom same elektrolize. Praksa je pokazala da je bolje imati što veći startni napon elektrolize, kako i zbog brzine procesa, ali i zbog same veličine spremnika. Stoga ja koristim klasični naponski multiplikator (voltage doubler) temeljen na timeru 555 koji bi ulazni napon od 12V trebao povećati za tri puta (36V), međutim zbog raznih gubitaka, a i opterećanja zbog struje elektrolize, na izlazu dobivam oko 30V, što je sasvim ok. 555-ica radi na oko 20Khz. Dana shema je standardna shema tzv. voltage doublera koja se može naći svugdje po internetu.

Schema svih glavnih naponskih modula uKSGeneratora (klikni za veću sliku)

Temelj: LM317LZ kao ograničavač struje

LM317 je naponski regulator predviđen da daje od 1.25V do 37V stabiliziranog napona na izlazu neovisno o opterećenju (loadu). Osim kao regulator napona, može se koristiti i kao precizni regulator (ograničavać) struje, što je za primjenu u sklopu za izradu koloidnog srebra i najbitnije. Regulator radi u 'float' načinu rada, tj. vidi samo razliku napona između ulaza i izlaza koja ne smije biti veća od 40V i ne zahtijeva nikakvo posebno napajanje. Princip rada se temelji na tzv. referentom naponu koji između izlaznog pina (Vout) i adjustment pina (ADJ) uvijek iznosi 1.25V. Ima termalnu regulaciju stoga vrlo malo ovisi o promjenama temperature okoline (za razliku od svog rođaka LM334).

Podvarijante LM317:

• LM317 (ili LM317T) koji može regulirati struje i do 1.5A, ali je vrlo neprecizan kod malih struja te praktički nije u stanju precizno regulirati struje ispod 10mA. Obično dolazi u TO-220 kučištu.
• LM317LZ koji može regulirati do maksimalno 100mA, dolazi najčešće u TO-92 kučištu, a dovoljno je precizan i osjetljiv za regulaciju struja reda veličine par miliampera. Ovaj model isključivo koristim u sklopovima za spravljanje koloidnog srebra upravo zbog svoje preciznosti s malim strujama.

Lijevo je LM317 u TO-220 kučištu, desno slabija inačica LM317LZ u TO-92 kučištu. Iz ove 'front-view' perspektive, pinovi na obe verzije s lijeva na desno su: ADJ, Vout, Vin

LM317LZ kao naponski regulator

Naponski regulator u biti predstavlja izvor konstatnog napona koji će biti  konstantan i stabilan bez obzira koliko struje 'vuče' potrošač. Na primjer ako LM317 namjestimo da daje konstatno 5V, a potrošač je otpor od 10K onda će LM317 regulirati struju kroz potrošač na 0.5mA kako bi održao 5V na njemu:

U=I*R -> 5V = 0.0005A * 10000 = 5V.

Ako se otpor potrošača smanji na recimo 1K, onda će LM317 dati veću struju kako bi održao napon od 5V:

I=U/R -> 5V/1K = 5mA.

Kao naponski regulatori najčešće se koriste fiksni naponski regulatori serije 78xx. Npr. 7805 se koristi za generiranje stabilnog napona od 5V s tim da se vrijednost izlaznog napona od 5V ne može mijenjati. Prednost LM317 je što se ovaj napon može mijenjati s potenciometrom i što je sam pad napona i disipacija snage na LM317 nešto manja nego kod 7805 ili bilo kojeg naponskog regulatora 78xx serije

LM317LZ kao naponski regulator se najčešće spaja po donjoj shemi:

LM317 kao naponski regulator

S tim da se vrijednosti R1 i R2 (trimer) određuju po formuli:

Vout = Vref(1+R2/R1) + Iadj*R2

pošto je Iadj (struja iz ADJ pina) relativno mala, formula se može aproksimirati na način da se Iadj*R2 izbaci iz formule stoga imamo:

Vout = Vref(1+R2/R1)

S tim da je Vref=1.25V uvijek. Primjer: ako se uzme R1=1K, a R2=5K potenciometar, onda se napon može regulirati od

Vout(min)=Vref(1+0/R1) = Vref=1.25V,

do

Vout(max) = Vref(1+5K/1K) = 1.25*6=7.5V.

U praksi ja obično stavljam R1=1K kako bih minimizirao potrošnju struje regulacijskog sklopa (1.6mA u 'praznom hodu' bez spojenog potrošača). Sam pad napona na LM317 (između Vout i Vin) se kreće oko 1.5V s vrijednostima Vin od 12-30V. Ulazni i izlazni kondenzatori su uvijek dobrodošli (nisu nužni) radi dodatne stabilizacije izlaznog napona. Obično na ulazu stavljam 100nF, a na izlazu od 1uF do 4.7uF.

LM317LZ kao ograničavač struje

Strujni regulator predstavlja izvor konstatne struje bez obzira na otpor (load) potrošača (idealno). Analogno kao u prethodnom slučaju, strujni regulator će promjenu otpora potrošača pokušati kompenzirati promjenom izlaznog napona kako bi struja kroz potrošača ostala konstantna. Ovdje ipak treba uočiti da regulacija struje ipak ovisi u ulaznom naponu i vrijednosti otpora potrošača na način da kod velikih vrijednosti otpora potrošača struja kroz potrošač ovisi o maksimalnom izlaznom naponu koji LM317 može dati, dok se regulacija struja uključuje tek kod manjih vrijednosti otpora, stoga je možda pravilinije govoriti o ograničavaču maksimalne struje nego o izvoru konstatne struje, što je za našu priču o izradi koloidnog srebra i najbitnije.

Primjer: ako se LM317 namjesti da daje maksimalnu struju od 1.25mA s ulaznim naponom Vin=12V, te ako potrošač ima otpor od 50K,onda će struja kroz potrošač Ip biti:

Ip=(12V-1.5V)/50K=0.2mA.

Gdje je 1.5V pad napona na LM317. Znači iako je LM317 namješten da daje 1.25mA on ovo neće biti u stanju jer potrošač ima preveliki otpor, stoga LM317 reagira na način da daje masksimalni mogući napon na izlazu koji može, a to je u biti cijeli ulazni napon minus pad napona na samoj LM317-ici. Ako otpor potrošača padne na recimo 1K, onda će LM317 reagirati na način da smanji izlazni napon kako bi održao struju točno na 1.25mA:

Vout=1.25mA*1K=1.25V.

Ovo se upravo događa u procesu spravljanja koloidnog srebra kad je otopina (destilirana voda) na početku procesa u biti skoro nevodljiva i predstavlja ogroman otpor, stoga LM317 na svom izlazu daje maksimalni mogući napon (u ovom slučaju 12V-1.5V=10.5V, dok pri kraju procesa kad vodljivost otopine koloidnog srebra postaje veća (koncentracija iona je veća) otpor otopine pada na niske vrijednosti, stoga LM317 smanjuje izlazni napon kako bi ograničio struju kroz otopinu,  u ovom slučaju izlazni napon (napon na elektrodama) će pasti na oko 1.25V.

LM317LZ kao ograničavač struje se najčešće spaja po donjoj shemi:

LM317 kao ograničavač struje: otpor R određuje maksimalnu struju potrošača

Otpornik R između Vout i ADJ određuje maksimalnu vrijednost struje potrošača Ip po formuli:

Ip = Vref/R=1.25V/R

Npr: ako želimo ograničiti struju na 2mA onda odredimo R =1.25V/0.002A = 625Ohm

Po gornjoj shemi LM317LZ teoretski može regulirati struju od minimalno 1.25mA pa sve do 100mA. Međutim, LM317LZ specificira tzv. minimalnu operativnu struju, odnosno minimalnu struju kroz potrošač (load) kod koje je regulacija aktivna. Ova vrijednost osim samog otpora potrošača, ovisi i o ulaznom naponu odnosno  razlici Vin-Vout (vidi donji graf).

Minimalna struja koju LM317LZ može davati je 1.25mA do Vin=15V, a kasnije s rastom Vin i ova vrijednost raste linearno, kao što se vidi iz grafa.

Kod većih iznosa ulaznog napona, vrijednost minimalne operativne struje se povećava, tako npr. kod Vin=30V, LM317LZ ne može davati struju ispod 1.6mA. Pošto je područje od 1-2mA možda najviše u upotrebi kod uređaja za spravljanje koloidnog srebra, ovaj limitirajući faktor sam zaobišao na način da umjetno povećam potrošnju potrošača, odnosno izlaznu struju s Vout pina i da omogućim regulaciju struje i do 0.66mA (kad je Vin=12V) te oko 0.95mA (kad je Vin=30V). Ovo sam ostvario na način da na Vout direktno spojim otpor prema masi i tako uvijek 'preskočim' minimalnu operativnu struju. Ovo je vrlo nezgrapno rješenje jer se na ovaj otpor bespotrebno gubi struja, ali u konačnici omogućava finu regulaciju struje i do vrlo niskih 0.66mA, te ne remeti proces ograničavanja struje (ne utjeće na razliku potencijala između Vout i ADJ). Koristim 3K za ovu svrhu, stoga shema za preciznu regulaciju struje od nekih 0.66mA pa nadalje izgleda kao na donjoj slici. S tim da valja napomenuti da minimalna struja koja se može regulirati ovisi o ulaznom naponu (veći ulazni napon, veća i minimalna struja).

LM317LZ kao ograničavač struje: otpor R1 određuje maksimalnu struju potrošača, dok R2 snižava mogućnost regulacije i do 0.6mA

Files & links:

• LM317 datasheet
• LM317LZ datasheet
• Current source with LM317
• Current regulators

Mjerenje i regulacija struje s ATMEGA48

ATMEGA48 ima 10-bitni analogno-digitalni pretvarač (ADC) koji očitava napon na svom ulazu (pin 28-PC5) i to reprezentira kao brojku u digitalnom formatu. Minimalna vrijednost 0 odgovara naponskoj razini signala od 0V (masa), a maksimalna vrijednost od 1024 (2^10=1024) odgovara naponu koji je jednak tzv. referentnom naponu Aref koji se može spojiti na tzv. interni referenti izvor napona (bandgap reference voltage) od 1.1V ili se može dovesti s eksternog izvora napajanja na pin 21-Aref.

Formula za dobivanje stvarne mjerene vrijednosti je:

ADC = (Vin*1024)/Vref

- Vin mjereni ulazni napon
- Vref naš referentni napon od 2.048V
- ADC 10 bitna digitalna vrijednost očitanog napona

U uKSGeneratoru sam koristio vanjski izvor napajanja Aref=2.048V radi lakše i brže konverzije očitane vrijednosti jer od matematičkih operacija, ostaje samo množenje ili dijeljenje s 2 što je u assembleru najjednostavnija operacija. Umjesto 2.048V mogao sam odabrati 1.024V ili 4.096V, ali ovu vrijednost sam odabrao i radi preciznosti očitanja.

Očitavanje struje u uKSGeneratoru radi na principu da u krugu u kojem se nalaze elektrode prema masi serijski spojim otpor od 200Ohma i na njemu vršim očitanje napona pomoću ADC pretvarača, te uz upotrebu Ohmovog zakona: I=U/R izračunam stvarnu struju koja teče kroz otopinu koloidnog srebra. Konačna kalkulacija struje koju radim je (2.048v je referentni napon, a 200Ohma je otpor na kojem mjerim napon):

ADC = (Vin*1024)/2.048 => Vin=ADC/500

I = Vin/200 = ADC/100000

Ovo znači da sam opseg (skalu) izmjerene struje uskladio s kombinacijom vrijednosti otpora i referentnog napona da ide od minimalnih I=0A do maksimalnih I=1024/100000=10.24mA. Otpor od 200Ohma sam odabrao na način da pad napona na njemu bude što manji da ne remeti regulaciju struje i proces elektrolize, ali da i dalje ima neki raspon vrijednosti koje ADC može precizno očitati. Najčešće područje rada od 1-3mA se nalazi u nekom rasponu napona od 0.2-0.6V, a referentni napon od 2.048V pruža rezoluciju od oko 0.01V za svaki bit skale ADC-a što je manje nego što sam želio, ali ADC se pokazao kao dorastao ovom izazovu.

Nadalje, ovaj pristup mi je omogućio vrlo laku konverziju i prikaz očitane struje na LCD ekranu jer dobivenu numeričku vrijednost ADC registra samo moram dijeliti s 100 da bih dobio vrijednost struje u miliamperima, a pošto se samo radi o postavljanju decimalne točke skoro nikakva numerička konverzija nije potrebna, a rezultat je očitanje struje uz preciznost u jednu stotinku miliampera ili čak 10uA što je vrlo precizno za ovakav tip uređaja.

Mjerenje struje:

Otpor (R4=200Ohm) na kojem mjerim struju je označen crvenim krugom na donjoj shemi. Paralelno s njim sam dodao i kondezator od 470nF da dodatno stabilizira napon kako usljed pokretanja motora ili svitchanja polariteta ne bi mali naponski spikeovi poremetili očitanje struje. Signal se dovodi direktno na ulaz ADC-a, na pin PC5. Otpor je isto spojen na source od FET-a IRF540 koji služi kao sklopka za paljenje ili gašenje procesa elektrolize. Ni ovo nije najsretnije rješenje, jer N-MOS FET-ovi se obično spajaju u low-side načinu koji diktira da njihov source bude spojen direktno na masu sklopa, ali s obzirom na zanemariv pad napona na otporu R4 ni ovo nije bio problem, FET je uredno otvarao i zatvarao strujni krug elektrolize.

Mjerenje struje elektrolize se vrši očitanjem napona na otporu R4

Polaritet elektroda:

Na gornjoj shemi 8pinski relej mijenja polaritet elektroda, tako da sama shema ne pokazuje precizno što se odvija u strujnom krugu elektrolize jer relej ne prekida nikada strujni krug već samo vrši prespajanje na način da mijenja polaritet elektroda, ali zbog nedostatka boljeg elementa za prikaz na shemi je nacrtana simplificirana verzija.

8 pinski relej mijenja polaritet elektroda. Nabavljen s ebaya.

Polaritet elektroda se inače mijenja s običnim NPN tranzistorom 2N5551 čija je baza preko otpornika od 4.6KOhma (vidi na idućim shemama) spojena direktno na izlaz ATMEGE48.

Regulacija struje:

Namještanje maksimalne struje je poželjno obaviti prije samog procesa elektrolize stoga sam dodao posebnu šesteropolnu sklopku (na shemi označena kao SW_CURR) koja prespaja izlaz s LM317 regulatora struje (i potenciometra od 2KOhma kojim se u biti regulira maksimalna struja) na fiksni otpor od 1KOhma. Znači switchanjem ove sklopke, iz strujnog kruga se izbacuju elektrode, 8 pinski relej i FET IRF540, a maksimalna struja se zatim fino može namještati na fiksnom otporu jer vodljivost same otopine rijetko pada ispod reda veličine 10-ak KOhma, stoga 1KOhm predstavlja dobar izbor. Ovo namještanje se može izvoditi i usred samog procesa elektrolize ili prije procesa, a kako bi ATMEGA mogla detektirati da je korisnik u modu namještanja struje šestopolna sklopka  prespaja masu na ulaz PB0 ATMEGE (koji je inače u internom pull-up modu) čime ATMEGA dobiva signal da zaustavi proces i indicira mod za namještanje struje. U gornjoj shemi, je prikazan sklop u modu namještanja maksimalne struje jer struja prolazi kroz 1KOhm otpor, a ne kroz elektrode.

Programski dio očitanja struje:

ADC unutar ATMEGE48 sam koristio u tzv. single conversion modu u kojem sam inicirao konverziju odnosno sampliranje ulaznog signala, a kad bi sampliranje završilo i očitana digitalna vrijednost bila spremna, ADC bi generirao interrupt, a interrupt rutina je imala jednostavan zadatak da prikaže očitanu digitalnu vrijednost iz ADCL i ADCH registara (low i high byte).

ADCInit: ADC može koristiti bilo koji od ulaza ADC0-ADC5 (ili PC0-PC5) kao ulaz za sampliranje analogne vrijednosti (napona). To se radi u ADMUX registru. Ja sam koristio PC5 ulaz.
ADCConversionComplete: je u biti interrupt rutina koju ADC zove kad je očitanje analogne vrijednosti gotovo. Ova rutina samo naknadno zove rutinu WriteADCData2LCD() kako bi ispisala trenutnu vrijednost struje na LCD ekran
ADCStartSampling: rutina je koju zovem jednom u sekundi, što znači da očitavam struju samo jednom u sekundi. Ona starta ADC konverziju na način da 'enablira' cijeli ADC (bit ADEN) i da postavi bit ADSC na 1
ADCStopSampling: je rutina koja zaustavlja konverziju, nije nužna, jer u single conversion modu ADC nakon jedne konverzija ADC ništa ne radi, ali ja je ipak zovem kad se ADC ne koristi jer na taj način isključujem cijeli ADC.

Upravljanje LCD-om

Za prikaz podataka odlučio sam koristiti LCD s matricom 16x2 karaktera i plavim pozadinskim osvjetljenjem. Upravljanje LCD-om s mikrokontrolerom je vrlo jednostavno, jer LCD moduli već imaju ugrađene svoje vlastite digitalne mikrokontrolere i stoga se cijela operacija zasniva na digitalnoj komunikaciji (postavljanju kontrolnih signala i slanju karaktera preko data sabirinice koji se želi prikazati na LCD-u). Najbolje u cijeloj priči što je ova komunikacija standardizirana, stoga bez obzira na tip LCD modula, svi se pridržavaju tzv. HD44780 standarda stoga se i govori o HD44780 tipu LCD modula.

Za komunikaciju s LCD-om je potrebno koristiti 4-bitnu ili 8-bitnu sabirnicu i tri kontrolne linije: RS, RW i EN. Svi ovi signali su na 5V TTL logici. Ja sam koristio 4 bitnu sabirinicu jer iako je malo kompliciraniji program, manje je žica za lemljenje.

Način spajanja ATMEGE s LCD modulom po HD44780 standardu. Ja sam koristio LCD 16x2 model LCM 1602

Osim ovoga za LCD sam implementirao i napajanje za pozadinsko osvjetljenje (LED dioda), te kontrolu kontrasta. Pošto nisam imao iskustva s LCD-om, kontrola kontrasta mi je zadala najviše muke, jer sam isprve mislio da ne valja LCD modul kada ništa ne prikazuje, međutim tek kad se namjesti kontrast onda se vide karakteri, pa eto da istaknem kao upozorenje onima koji se prvi puta sreću s ovom vrstom LCD modula. Napajanje za pozadinsko osvjetljenje ide preko tranzistorske sklopke (2N5551) kojom u biti nakon 4 minute gasim napajanje pozadinskog osvjetljenja i gasim LCD (svojevrstan power save mode) kako bi sačuvao LCD matricu, jer nema smisla da prilikom procesa spravljanja koloidnog srebra koji može trajati i do 10 sati, LCD ekran non stop radi.

Kontrola pozadinskog osvjetljenja i kontrasta LCD-a

Programski dio:

Samo upravljanje i kontrolu LCD-a neću detaljno opisivati jer postoji na dosta mjesta na netu gotovi libovi i objašnjenja. Najbolje upute za LCD komunikaciju su ovdje: http://www.8052.com/tutlcd. Ja sam za svoje potrebe napravio svoj lib u assembleru za ATMEGU. Ovaj lib koristi još dodatna dva liba:

• lcd.asm - glavni lib za komunikaciju s LCD-om, korišteni pinovi ATMEGE se mogu rekonfigurirati po želji. Ovaj lib sam ja implementirao na osnovu C koda: http://extremeelectronics.co.in/avr-tutorials/using-lcd-module-with-avrs/
• delay.asm - pomoćni lib za delay rutine
• number_conversion.asm - pomoćni lib za konverziju 16 bitne brojke u niz asci karaktera pogodnih za prikaz na LCD-u. Naime, za prikaz neke brojke potrebno je brojku 'rastaviti' na znamenke te svaku znamenku pretvori u ASCII karakter kod i taj kod slati na LCD za prikaz. Ove funkcije su preuzete s adrese: http://www.avr-asm-tutorial.net/avr_en/calc/CONVERT.html

Popis glavnih routina i makroa za pisanje po LCD-u:

Glavni dio koda koji piše trenutnu vrijednost struje na LCD ekran je u WriteADCData2LCD rutini. Ova rutina pretvara vrijednosti ADCH i ADCL registara ADC sklopa u numeričku brojku na način da zove metodu Bin2ToAsc5 iz number_conversion liba, koja prihvaća 16 bitnu vrijednost zapisanu u registrima rBin1L/H koju konvertira u buffer od 5 bytova koji sadrži ASCII kodove (16bitna brojka = 65535 maksimalna vrijednost), a adresa ASCII buffera je određena vrijednošću Z pointera (ZL/H registri). Korištenjem osnovnog API-ja za pisanje po LCD-u (LCDWriteText)  ove brojke se prikazuju na LCD ekran.

Osim ovoga, za prikaz složenijih poruka sam razvio posebni format poruka koji uključuje startne koordinate poruke, a svaka poruka je terminirana nulom (vidi funkciju WriteMsg2LCD). Stoga mi je bilo jednostavno sve poruke zapisati u data dio memorije.

Files & links:

• ST7066U datasheet (kompatabilan HD44780 LCD kontroler)
• Tutorijal za kontrolu LCD modula pomoću mikrokontrolera na 8052.com
• Tutorijal na extremeelectronics

Opis programa uKSGeneratora

Cijeli program uKSGeneratora se zasniva na tzv. event handlerima, odnosno na interrupt rutinama, a glavna petlja programa postavlja ATMEGU u idle sleep mod. Tri glavne interupt rutine su:

• InputPinChange: ovo je interrupt vector PCINT0 na adresi 4, a obrađuje sve ulazne signale ulaznih pinova: timer +, timer -, start/stop, mod za namještanje maksimalne struje.
• MainTimerTimeOut: je timeout interrupt timera1 na adresi 12, a namješten je da se izvršava svake sekunde. Ovdje se nalazi glavna logika programa: odbrojavanje vremena unazad ako je proces aktivan, očitavanje struje, namještanje struje, namještanje timera i prikaz raznih poruka na LCD ekranu, promjena polariteta elektroda i uključivanje/isključivanje motora miješalice.
• ADCConversionComplete: je interrupt koji ADC pretvarač zove kad očita struju, a u biti samo prikazuje očitanu digitalnu vrijednost na LCD ekranu.

Ostali pomoćni moduli kao što su libovi za kontrolu LCD-a (lcd.asm), konverziju brojeva (number_conversion.asm), rutina za usporenje (delay.asm) su već opisani. Uz njih, koristim i jednostavan lib za pisanje u EEPROM trajnu memoriju (eeprom_util.asm). U EEPROM pamtim timer vrijednost koju je korisnik unio te zadnju očitanu vrijednost struje.

Bitno je istaknuti da program ima točno određena stanja po kojima glavna petlja u MainTimerTimeOutu zna što u svakom trenutku treba raditi, a u principu najvažniji posao je ispisivanje smislenih poruka i očitanja na LCD ekranu. Stanja su definirana:

Upute za izradu uKSGeneratora

Opis: uKSGenerator je elektronički sklop koji služi za kontrolirani proces elektrolize ili spravljanja koloidnog srebra. Ima funkcije regulacije i očitanja struje elektrolize, kontrolu i napajanje elektroda i motora miješalice, te timer funkciju koja zaustavlja proces elektrolize nakon zadanog vremena.

uKSGenerator

Korisničke upute: uKSGenerator

ATMEGA48 programiranje:

uKSGenerator assembler kod je već prilično objašnjen, stoga nema potrebe za dodatnom analizom. Kod je napravljen za AVR Studio 5, ali same *.ASM datoteke su kompatibilne s bilo kojom verzijom AVR Studia.

Električna i montažna shema:

Kompletna shema za izradu uKSGeneratora (klikni za veću sliku).

Napomene:

1. Dodatni moduli za generiranje napona raznih razina su već prikazani u poglavlju Ulazni naponski moduli, a spajanje s LCD-om je opisano u poglavlju Upravljanje LCD-om
2. Regulacija struje je podrobno opisana u poglavlju Temelj: LM317LZ kao ograničavač struje. Na izlaz LM317LZ je dodan serijski otpor od R3=120Ohma kako bi se ograničila maksimalna vrijednost struje na oko 10mA kad se potenciometar od 2KOhma 'odvida' na nulu. Za 2Kohm potenciometar kojim se namješta maksimalna struja, sam koristio specijalni vrlo skupi višenamotajni potenciometar, kako bih osigurao što veću preciznost namještanja struje. Nažalost u ovoj konfiguraciji, skala namještanja struje je vrlo nelinearna, stoga skoro do vrijednosti potenciometra od oko 1KOhm, maksimalna struja ima vrijednost od oko 2mA (maximum je 10mA), dok za veće struje ostaje vrlo malo manevarskog prostora, stoga je pri strujama iznad 3-4mA teško namjestiti maksimalnu struju u stotinku miliampera, ali to i nije tako bitno. Gledano s druge strane možda je i bolje da je preciznost skale veća kod nižih struja, tako da je ova nelinearnost možda i neloša stvar.
3. Namještanje maksimalne struje, obrćanje polariteta i mjerenje struje je objašnjeno u poglavlju: Mjerenje struje s ATMEGA48. Obrćanje polariteta se kontrolira s NPN tranzistorskom sklopkom (2N5551), a preko upravljačke zavojnice 8pinskog releja je spojena dioda D1 1N4007 za zaštitu od naponskog spikea kad se relej isključuje. Gašenje i paljenje procesa elektrolize obavlja ATMEGA programski preko FET sklopke: IRF540 koja se kontrolira preko FET drivera UCC27324. Korištenje ovako jakog FET-a nije potrebno, ali on je relativno jeftin, a imao sam ga pri ruci, a i zgodan je relativno mali Rds, koji znači da je u stanju vodljivosti pad napona na FET-u zanemariv.
4. Motor se drži upaljenim 2 minute, zatim se drži ugašenim 1 minutu. Paljenje i gašenje ide preko druge FET sklopke i preko istog  FET drivera UCC27324. Bitno je istaknuti da nije postojao posebni razlog za korištenje ovog skupog načina upravljanja motorom i procesom gašenja/paljenja elektrolize s FET sklopkama i posebnim FET driverom. Naime obična tranzistorska sklopka s 2N5551 koji može podnijeti 600mA sasvim zadovoljava, a puno je jeftinija od FET sklopke.
5. Za kontrolu pozadinskog osvjetljenja LCD-a isto se koristi tranzistor 2N5551. ATMEGA nakon 4 minute neaktivnosti gasi cijeli LCD ekran.

Montažna shema (dimenzije pločice: 96mmx56mm) uZappera je napravljena u SprintLayout CAD aplikaciji koji vrijedi svake lipe i toplo je preporučam. Postoji i besplatni viewer kojim se shema može vidjeti i isprintati: Sprint Layout Viewer 6.0

Pogled na tiskanu pločicu uKSGeneratora prije sklapanja u kutiju. Pozamašan broj žica i dijelova otkriva moj dosad možda najkompliciraniji projekt.

Izrada miješalice:

Postolje miješalice je napravljeno od dva dijela pleksiglasa. Cilj je bio da osovina motora ima potporu kako ne bi plesala, lijevo-desno prilikom okretanja. Sam motor je 3V s 120rpm-a što osigurava sasvim uredno miješanje smjese. Osovina je napravljena od pleksiglas šipke promjera 6mm, a plastični propeler je skinut s standardne miješalice za boju. Fleksibilni aluminijski shaft je upotrebljen za spajanje osovine s propelerom na sam motor. Motor i shaft su nabavljeni s ebaya:

• 3V DC 120RPM High Torque Electric Gear Box Motor
• DR 4mm x 6mm CNC Flexible Coupling Shaft Coupler Encode Connector D20 L25

Mehanika miješalice: dvije pleksiglas ploče odvojene s tri aluminijske cijevi i pričvršćene vijcima. Na gornjoj je pričvršćen motor, dok su na donjem pleksiglasu zavidane srebrene elektrode.

Dijelovi:

ATMEGA48 20PU
Cable 2x1mm 2,4m
Crocodile Red & Black   x 2
Character LCD Module Display LCM 1602 16X2 162 blue
NE555
Tran. IRF540   x 2
Tran. 2N5551  x 2
Cap. 1nF   
Cap. 15nF 
Cap. 100nF
Cap. 470nF   x 4
Cap. Electrolytic 1uF 50V       
Cap. Electrolytic 4,7uF 50V  x 2
Cap. Electrolytic 330uF 50V x 4 (umjesto 330uF može i 220uF za voltage doubler)
R 100
R 120
R 200
R 1K   x 4
R 3K      
R 4.6K x 4
R 33K
2k ohm Multi 10 Turn Taper Potentiometer  
Trimmer 1K (Precise Multiturn 3296) 
Trimmer 5K (Precise Multiturn 3296) 
Trimmer 10K (Precise Multiturn 3296)
Crystal Osc. 4.000Mhz 
DC JACK  5.5x2.1mm  
Diode Schotky 1N5819 1A40V   (može i 1N5822)
Diode 1N4007    x  6
DIP 28 socket  
DIP 8 socket    x 2
FET Driver UCC27324
LED Green 3mm 15000mcd
LED Red 3mm 15000mcd
LM317LZ    x 2
LM317T      
LM7805     
Plastic Box Case DIY 99.5 x 59.5 x 25mm  
MK2H-S-5VDC 5V 1A 125VAC 2A28VDC Power Relay 
SPDT ON ON Metal Car/Boat Mini Toggle Switch,B102s
Switch Tactile Push Button  6 X 6 X 9.5mm    x 2
Green MOMENTARY OFF-(ON) Push Button Car Switch,33G
MINI DPDT Guitar ON ON ON Toggle Switch BKq
Photo vitroplast 5.6x9.6cm

Upute za izradu Light uKSGeneratora

Opis: Light uKSGenerator je elektronički sklop koji služi za kontrolirani proces elektrolize ili spravljanja koloidnog srebra. Ima funkcije regulacije struje elektrolize, povećani radni napon za napajanje elektroda (27-30V) što je idealno za veće spremnike, automatsko periodično obrtanje polariteta elektroda, te kontrolu motora miješalice (periodično gašenje). Nema automatsko gašenje nakon određenog perioda, a period obrtanja polariteta elektroda i paljenja/gašenja motora je fiksan i iznosi oko 2.5 minute.

Light uKSGenerator

Korisničke upute: Light uKSGenerator

Električna i montažna shema:

Naponski dio je sličan kao i kod uKSGeneratora: sastoji se od voltage doublera za generiranje napona za elektrode od oko 30V, ispravljanja na 5V za napajanje releja za promjenu polariteta, ispravljanje na oko 3V za pokretanje motora miješalice (klikni za veću sliku).

Regulacija struje, promjena polariteta elektroda i kontrola napona motora je ista kao i kod uKSGeneratora. Umjesto ATMEGE48, 'mozak operacije' je obični timer 555 koji je namješten da generirana pravokutan (bolje rečeno kvadratni) fiksni impuls poluperiode od 2.5minute: svake 2.5 minute se mijenja polaritet elektroda i pali/gasi motor miješalice (klikni za veću sliku).

Napomene:

1. Glavni dio Light uKSGeneratora je timer 555 koji radi kao astabil i generira kvadratni signal amplitude od 0-12V s poluperiodom od oko 2.5 minute (izlaz 3 iz 555-ice). Na ovaj izlaz je spojen gate IRF 540 FET-a koji pali/gasi motor miješalice te baza NPN tranzistora 2N5551 koji je spojen na upravljačku zavojnicu 8 pinskog releja kojim se mijenja polaritet elektroda.
2. Kod paljenja sklopa kondenzator od 220uF spojen na ulaze 6 i 7 555-ice je prazan i potrebno je da se napuni do određene razine stoga je početni period produžen i iznosi oko 4.5minute. U tom periodu motor miješalice je non stop uključen i polaritet se ne mijenja. Nakon ovog perioda 555-ica počinje normalno raditi u svom astabilnom modu.
3. Regulacija struje je podrobno opisana u poglavlju Temelj: LM317LZ kao ograničavač struje. Na izlaz LM317LZ je dodan serijski otpor od R3=120Ohma kako bi se ograničila maksimalna vrijednost struje na oko 10mA kad se potenciometar od 2KOhma 'odvida' na nulu. Za 2Kohm potenciometar kojim se namješta maksimalna struja, sam koristio običan potenciometar (jedno-okretajni) što rezultira s malo većom nepreciznošću kod namještanja maksimalne struje. Skala namještanja struje je vrlo nelinearna, stoga skoro do vrijednosti potenciometra od oko 1KOhm, maksimalna struja ima vrijednost od oko 2mA (maximum je 10mA), dok za veće struje ostaje vrlo malo manevarskog prostora, stoga je pri strujama iznad 3-4mA teško namjestiti maksimalnu struju u stotinku miliampera, ali to i nije tako bitno. Gledano s druge strane možda je i bolje da je preciznost skale veća kod nižih struja, tako da je ova nelinearnost možda i neloša stvar.

Montažna shema (dimenzije pločice: 96mmx56mm) uZappera je napravljena u SprintLayout CAD aplikaciji koji vrijedi svake lipe i toplo je preporučam. Postoji i besplatni viewer kojim se shema može vidjeti i isprintati: Sprint Layout Viewer 6.0 (klikni za veću sliku)

Pogled 'ispod haube' Light uKSGeneratora. Puno jednostavniji nego uKSGenerator, a radi ko veliki (klikni za veću sliku).

Dva Light uKSGeneratora netom nakon izrade u testnoj fazi, pod kontrolom voltmetra i ampermetra i mojim budnim okom spravljaju koloidno srebro (klikni za veću sliku).

Dijelovi:

Cable 2x1mm 2,4m
Crocodile Red & Black   x 2
NE555  x 2
Tran. IRF540   x 1
Tran. 2N5551  x 1
Cap. 1nF   
Cap. 15nF  x 2
Cap. 470nF   x 2
Cap. Electrolytic 4,7uF 50V  x 2
Cap. Electrolytic 220uF 50V x 1
Cap. Electrolytic 330uF 50V x 4 (umjesto 330uF može i 220uF za voltage doubler)
R 100
R 120
R 1K   x 3
R 3K      
R 4.6K x 1
R 33K
R 1M
2k ohm Potentiometer  
Trimmer 5K (Precise Multiturn 3296)  (motor voltage control)
DC JACK  5.5x2.1mm  
Diode Schotky 1N5819 1A40V  (može i 1N5822)
Diode 1N4007    x  6
DIP 8 socket    x 2
LED Green 3mm 15000mcd
LM317LZ    x 1
LM317T      
LM7805     
Plastic Box Case DIY 99.5 x 59.5 x 25mm  
MK2H-S-5VDC 5V 1A 125VAC 2A28VDC Power Relay 
Blue Mini SPDT Guitar Toggle Switch ON-ON DIY
Photo vitroplast 5.6x9.6cm

Upute za izradu Mini uKSGeneratora

Opis: Mini uKSGenerator je jednostavan ograničavač struje temeljen na LM317LZ naponskom regulatoru kojim se struja može regulirati od 0.7mA do 10mA uz korištenje AC/DC naponskog adaptera od 9-30V.

Mini uKSGenerator

Korisničke upute: Mini uKSGenerator

Električna i montažna shema:

Kompletna shema za izradu Mini uKSGeneratora. Napomena: Vin = Line Voltage, ADJ = Common, Vout = VREG

Princip rada sklop je opisan u poglavlju o LM317LZ. Samo par napomena: Schotky dioda na ulazu je dodana kao zaštita od spajanja obrnutog polariteta stoga nije nužna. LED indikator isto nije nužan. R3 od 120Ohma ograničava maksimalnu struju na oko 10mA kad se trimer dovede u krajnji položaj u kojem je njegov otpor jednak nuli.

Montažna shema (dimenzije pločice: 33mmx15mm) uZappera je napravljena u SprintLayout CAD aplikaciji koji vrijedi svake lipe i toplo je preporučam. Postoji i besplatni viewer kojim se shema može vidjeti i isprintati: Sprint Layout Viewer 6.0

Dijelovi:

Crno-crveni kabel 2x1mm 0,5m
Crocodile Red & Black
R 120
R 3K
R 22K
Trimmer 2K
DC JACK  5.5x2.1mm
Diode Schotky 1N5819 1A40V (može i 1N5822)
LED Red 3mm 15000mcd
LM317LZ
Photo vitroplast 3x1.5cm

Print