Einleitung und Motivation

Mit dem Steckbrett ist es für mich eine einfache Sache mal schnell eine Schaltung zu testen. Im VHS-Kurs hat sich das mit dem Steckbrett für einige Personen als nicht so einfach herausgestellt. Es bedarf etwas Übung mit den kleinen Drähtchen und so ohne Lupe geht es manchmal auch nicht. Ab und zu rutscht ein Drath heraus und wo wurde der gleich noch eingesteckt? Geht es nicht auch einfacher? Mal sehen, wie ist es mit einer fertigen Platine, wo die Module nur noch eingesteckt werden müssen und die Klemmen mit dem Schraubendreher zu bedienen sind, funktioniert. Die Platine funktioniert mit allen Raspberry Pi Modellen, die über einen 40 poligen Verbinder verfügen.

Ziel ist es eine einfachere Variante mit stabileren Verbindungen zu haben. Durch die Verbindungen mit Schraubklemmen lassen sich Verbindungen „handfester“ anschließen. Fragen wie und auf welche Polarität bei den Bauelementen zu achten ist entfallen so ganz nebenbei in dieser Variante ebenfalls.

Funktionsübersicht

Die Platine wird über einen 40-poligiges Flachbandkabel mit dem Verbinder auf dem Raspberry Pi verbunden. Es ist keine zusätzliche Stromversorgung notwendig. Die 5V und 3.3V werden vom Raspberry Pi bezogen.

Auf der Platine befindet sich:

  • Ein Relais (1xUmschaltung) mit potenzialfreiem Schaltkontakt
  • Ein ADS1115 AD-Wandler mit PGA, 4 Kanälen und Vorteile für Spannungen bis 40V; Address Jumper für alle Möglichkeiten des ADS1115
  • Ein Slot für den Temperatur/ Luftfeuchtigkeitssensor DHT11/22 an GPIO6
  • Ein OLED Display 0.96″
  • Eine LED zum Test der PWM-Funktion; fest verdrahtet mit GPIO5
  • Eine LED zur Anzeige fest verdrahtet mit GPIO12
  • Eine 3 polige Steckerleiste für GPIO 16,20,21
  • Eine 20 polige Steckerleiste für GPIO 17,18,27, 22,23,24, 04,19,26
  • Zwei Schraubklemmblöcke für externe I2C Geräte
  • Zwei Schraubklemmblöcke für 5V
  • Spannungsanzeige per LED für 3.3V und 5V

Die Platine kann mit 4 Befestigungsbohrungen montiert werden. Die AD-Wandler Eingänge sind mit Zenerdioden gegen Überspannung geschützt. Über die Steckverbinder können weitere Sensoren- und Aktoren, wie Relaiskarten oder Bewegungssensoren, angeschlossen werden. AD-Wandler und Temperatursensor sind steckbar.

Bestückungsplan

VHS-DEV-BOARD-V4

Printed Circuit Board mit Leiterbahnen

Layout

Schaltplan

Beschreibung

Bei dieser Platine handelt es sich um ein Erweiterungsboard zum Raspberry Pi. Das Board wird über den 40 poligen Anschluss, mit Flachbandkabel, mit dem Raspberry Pi verbunden. Ziel ist es, die auf diesem Board befindlichen Sensoren und Aktoren innerhalb der Node Red Programmierumgebung anzusprechen, die Werte der Sensoren zu nutzen und die Aktoren zu steuern.
Auf dem Board befindet sich:
1. der AD-Wandler als fertiges Modul basierend auf einem ADS1115. 4-Kanal AD Wandler 16Bit mit PGA
2. Ein Temperatur/ Luftfeuchtesensor DHT11/12
3. Eine LED zur Demonstration der Funktion von PWM. Dimmung der LED.
4. Ein Relais mit einem Wechsler zur Steuerung, Schaltung von Lasten mit höherer Spannung/ Strom. 230V/ 5A
5. Ein Feature Connect zum Anschluss einer externen Relaiskarte
6. Ein Output Port mit angeschlossener LED zur Demonstration von Ausgabe Funktion
7. Ein Connector zum Anschluss weiterer Sensoren und Aktoren mit 3.3V Pegel über den GPIO Unit Connector
8. Zwei I2C Anschlüsse zum externen Anschluss von I2C basierenden Geräten. Beispiel OLED Display oder LCD Display, IO Expander etc.

Das Board ist prinzipiell auf den VHS Kurs und seine Inhalte zugeschnitten. Es kann jedoch auch für dedizierte Steuerungsaufgaben verwendet werden. Denkbar ist ebenfalls eine Nutzung an einem ESP8266 Board. Zu diesem Zweck ist ein angepasstes Kabel/ Adapter zwischen dem ESP8266 und dem Erweiterungsboard zu verwenden.

Messbereichserweiterung AD-Wandler

Der AD-Wandler hat ein Spannungsteiler vorgeschaltet. Das Verhältnis wird durch die Widerstande 100kOhm und 10kOhm festgelegt.. Für die Berechnung der korrekten Spannung ist folgendes zu beachten:

Max. Eingangsspannung: 40V gegen GND
Eingangsimpedanz: 110kOhm
Max. Eingangsstrom: 40V / 110kOhm = 0.0003636364A = 3,636364mA
Eingangsspannung A0..A3 bei 40V: 10kOhm * 0.0003636364A = 3,636364V
Spannungsteiler Verhältnis: 1:10,9999989 (Bedeutet 1V am AD0..AD3 entspricht einer Spannung von 10,9999989V am Eingang)
Die Eingangsspannung am Eingang A0..A3 wird durch eine Zenerdiode auf 3.9V begrenzt um Schaden am AD-Wandler zu vermeiden. Durch die Nachkommastellen und die Toleranz der Widerstände kommt es zu Abweichungen.

Schaltplan VHS-DEV-BOARD-V4

Glossar

VDD entspricht in diesem Plan +3.3V, Versorgungsspannung
VCC entspricht in diesem Plan +5V, Versorgungsspannung für Relais
PWM = Pulse Wide Modulation
GPIO = General Purpose IO

Stückliste

Stückliste

Release History

V1: Erste Version
V2: Bestellte Version mit Änderungen von Vcc am Relais. Relais +5V (Vcc) war nicht mit +5V verbunden
V3: kosmetische Anpassungen im Bestückungsaufdruck, Beschriftungen am 20poligen GPIO Connector; VCC und GND am OLED Display vertauscht
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Vx: Am I2C Connector stimmt die Beschriftung nicht. Anstatt VCC muss es VDD heißen. Hier müssen 3.3V anliegen. Die Verdrahtung ist korrekt, nur die Beschriftung ist falsch.
V4: OLED-Display ist auf der Platine verbaut, einige Anpassungen im Bestückungsaufdruck