Praxistaugliches, universelles I/O-Shield-Board für Arduino

[google-translator]Hierzu gibt es ein Update: https://www.stall.biz/?project=vielseitiges-io-shield-board-2-0-fur-fast-alle-arduinos

Die Verwendung von den verschiedenen Arduino -Typen auch im Bereich der Hausautomation ist deshalb so attraktiv, weil es preisgünstige Sensoren für die unterschiedlichsten Mess- und Steueraufgaben gibt. Dazu entwickelt eine riesige Gemeinde geeignete Software für fast alle Anwendungsfälle.
Im Hinblick auf den Einsatz im Bereich der Hausautomation gibt es aber einen entscheidenden Nachteil, nämlich dass vielfach die Anschlusstechnik mit hobbyartigen Breadboards etc. erfolgt. Diese sind zwar für die Funktionserprobung auf dem Labortisch ideal, sind aber für eine dauerhafte und zuverlässige Verbindungstechnik äußerst ungeeignet. Zwar gibt es sog. IO-Shields, diese sind aber einfach nur mit vielen Stiftleisten und Schraubklemmen gefüllte Boards, bei denen sich die Frage nach einer robusten und dauerhaft zuverlässigen Verbindungstechnik stellt. Auch sind Schraubklemmen-Boards nicht unbedingt „state of the art“ , weil bekanntermaßen Klemmleisten eine bessere dauerhafte Alternative sind!

Anforderungsprofil:

Die Lösung war für mich deshalb die Eigenentwicklung eines I/O-Shields mit zusätzlichen Komponenten, die den Anschluss von Sensoren und Aktoren erlaubt, wie sie in der Heimautomation typisch sind. Dazu gehören einfache Anschlussmöglichkeiten ohne „fliegende“ externe Zusatzbauteile für 1Wire-Sensoren, NTC-Temperaturfühlern, Schaltern und Reedschaltern, Ultraschallsensoren, analogen Gebern, IR-Signalempfängern, usw. Darüber hinaus sollten natürlich auch alle Arten von Niedervoltrelais bis 24V ohne zusätzliche Treiber anschließbar und Niedervolt -Verbraucher bis etwa 2A direkt steuerbar sein.
Die technischen Daten sind im Einzelnen:
>> Geeignet für Arduino Boards mit Stiftbild wie UNO, MEGA, …

>> Anschluss mit professioneller 40-poliger WAGO-Klemmleiste

>> 6 analoge Eingänge:
– 0 bis +5V oder 0 bis +10V , per Jumper kanalweise umschaltbar
– verwendbar auch als digitale I/O
– mit einzeln per Jumper zuschaltbaren 10kOhm Pullup-Widerständen z.B. für Standard-NTC- Thermofühler

>> 9 digitale I/Os
– Jeder I/O mit Status LED
– jeder digitale Eingang mit 4k7-Pullup z.B. für 1Wire-Sensoren
– jeder digitale Ausgang mit Hochstrom-Mosfet -Treiber für Ansteuerung von NV-Relais etc.

Der Schaltplan:

Das folgende Bild zeigt das relativ einfache Schaltschema für die einzelnen Eingänge und Ausgänge.

Die analoge Eingangsspannung 0 bis +5V wird über einen 33k-Schutzwiderstand auf die analogen Eingänge A0 bis A5 des Arduino geführt. Ein 10nf-Kondensator verbessert die EMV-Eigenschaften und schützt den Eingang vor Schaltspitzen. Falls ein Eingangsspannungsbereich von 0 bis +10V benötigt wird, kann man durch Stecken der Jumper Jy den eingangsseitigen Spannungsteiler aktivieren. Dann hat man den gleichen Eingangswiderstand wie die Analogeingänge der Wired-Homematic-Module. Für die Verwendung von NTC-Thermofühlern kann man über Jumper Jx 10K-Pullup-Widerstände zuschalten. Und für die Verwendung der analogen Ports als digitale I/Os sind die entsprechenden analogen Pins auch noch auf die Klemmleiste geführt.
Die digitalen I/Os werden ebenfalls direkt auf die Klemmleiste geführt. Diese sind mit 4k7-Pullup-Widerstände direkt für den Anschluss von 1Wire-Sensoren geeignet. Der Status jedes digitalen I/Os wird mit LEDs angezeigt, so dass eine einfache optische Funktionskontrolle möglich ist. Für die Ansteuerung von Relais und Hochstromverbrauchern sind für alle 9 I/Os jeweils Hochstrom-Mosfets eingebaut, die auch stromhungrige NV-Relais oder ander NV-Verbraucher direkt steuern können.

Die Platine:

Die Platine ist eine durchkontaktierte doppelseitige Platine . Als MosFets lassen sich sowohl SMD-Typen SOT-23 als auch typische Transistorgehäuse TO-92 verlöten. Grundsätzlich sind auch NPN-Transistoren verwendbar. Für die Musterplatine wurden Mosfets vom Typ IRLML 0030 verwendet, die in China bereits für 6€/100Stück zu bekommen sind und sehr niedrige Einschaltwiderstände (Verluste) haben. Zusätzlich ist auf der Platine noch Platz für spezielle eigene Schaltungen. Dazu sind einige Lochrasterfächen vorgesehen.

Anwendungsmöglichkeiten:

Verwenden kann man die Platine mit fast allen Arduinos, zumindest mit denen, die Stiftleisten wie der UNO oder der MEGA haben. Durch das Zusammenstecken entsteht ein stabiler Platinenverbund, der über die WAGO-Klemmleisten mit der Homematic-Außenwelt einfach verbunden werden kann. Das folgende Bild zeigt das I/O-Shield mit dem MEGA 2650 und dem Ethernet Board W5100

Anmerkung:
Wenn sich genügend Interessenten bei mir melden, dann könnte man ggf. eine grössere Menge Platinen bestellen. Geschätzter Platinenpreis ca. 20€. Ob ggf. auch ein Teile-Bausatz zusammengestellt wird, hängt ebenfalls vom Interesse ab. Geschätzter Teilepreis 20€, da die WAGO-Klemmleisten recht teuer sind!

Ausblick:

Zur Zeit erprobe ich einen Arduino-MEGA mit LAN/WLAN Anbindung und natürlich mit der beschriebenen I/O-Platine. Für den Arduino habe ich ein simples eigenes „Betriebssystem“ entwickelt, das über LAN oder WLAN eine rudimentäre Steuerung mit jedem Browser möglich macht. Natürlich kann man dann auch über entsprechende Skripte von der Homematic oder vom Raspberry diese Steuerungs- und Messfunktionen aktivieren. Das funktioniert bisher schon sehr gut; natürlich nicht nur mit einfachen digitalen und analogen I/Os sondern auch mit komplexen Sensoren wie 1Wire-Temperaturfühlern , Ultraschall-Entfernungsmessern, IR-Sendern und Empfängern und sogar 435Mhz-Sender für die Ansteuerung von Baumarkt-Funksteckdosen funktionieren ganz ordentlich.
Demnächst mehr…

Hier die notwendigen Komponenten für diesen geplanten LAN/WLAN- Homeduino