Der Aufbau des Samovar

Der Aufbau des Samovar dauert 2–4 Stunden und erfordert kein Löten von SMD-Bauteilen. Kern ist eine ESP32-Platine (38 Pins), an die Sie anschließen: 3–4 Temperatursensoren DS18B20 (Brennblase, Kolonne, Kopf), einen Drucksensor MPX5010D, einen Schrittmotor 28BYJ-48 mit Treiber ULN2003 (die Abnahmeeinheit), eine 12-V-Schlauchpumpe, ein Relais SSR-25DA (Heizung) und ein LCD-Display 1602 mit I2C. Die Verbindungen werden mit Klemmleisten und Dupont-Steckern hergestellt. Die Stromversorgung liefert ein 12-V-5-A-Netzteil. Als Gehäuse dient eine Standard-Hutschienenbox oder ein 3D-Druck. Der Schaltplan ist auf EasyEDA verfügbar, die 3D-Modelle des Gehäuses auf Thingiverse. Nach dem Aufbau wird der Sketch über die Arduino IDE hochgeladen, und der Controller ist einsatzbereit. Der einzige kritische Punkt: der korrekte Anschluss der DS18B20 (die Datenleitung mit einem 4,7-kOhm-Pull-up an 3,3 V).

Sie haben die nötigen Teile, und es bleibt nur zu entscheiden, wie Sie den Samovar aufbauen: mit einer Platine, mit freier Verdrahtung oder auf einem Steckbrett – und den Samovar bauen.

Schaltplan (klicken Sie auf den Plan, um ihn in einem neuen Fenster zu öffnen).

Der Plan zeigt alle Teile und ihre Verbindung mit den ESP32-Pins. Wenn Sie sich für den Aufbau auf einer Platine entschieden haben (fertig oder als Steckbrett), empfehlen wir, den ESP32 und den Schrittmotortreiber auf Fassungen zu montieren. Falls Sie den Treiber oder den ESP32 versehentlich zerstören oder in anderen Projekten brauchen, können Sie sie von der Platine abnehmen.

Beim Einbau des Abwärtswandlers stellen Sie die Spannung an ihm zuerst ein und bauen ihn erst dann auf der Platine ein, damit keine überhöhte Spannung an den ESP32 und die Sensoren gelangt.

Damit der Schrittmotor richtig arbeitet, muss der Treiber konfiguriert werden:

An die Pins RST und SLP müssen 3 V angelegt werden; dafür hat die Platine die Brücke H1, und alle drei Pins müssen kurzgeschlossen sein.

Um die Stabilität und den gleichmäßigen Lauf der Schlauchpumpe zu verbessern, können Sie die Pins MS1, MS2 und MS3 des Schrittmotortreibers (gemeint ist der Treiber) mit 5 Volt verbinden (dafür hat die Platine die Schalter SW1).

Mehr zum Schrittmotortreiber lesen Sie hier

Werte der Kondensatoren und Widerstände (wo sie platziert werden, sehen Sie hier): R4k7 – 4,7 KOhm; wenn ein Taster eingebaut wird, muss ein Widerstand R10k – 10 KOhm eingebaut werden. Kondensatoren C1 und C2 – ausgelegt für Gleichspannung von mindestens 15 Volt, Kapazität 100 – 400 µF. Die Kondensatoren C3 und C4 können ergänzt werden, sind aber nicht erforderlich: Gleichspannung über 5 Volt, 100-400 µF.

Beim Einbau der Kondensatoren beachten Sie, dass die Gesamtkapazität der Kondensatoren am Eingang des Reglers größer sein muss als die der Kondensatoren nach dem Ausgang des Reglers. Das heißt, die Kapazität von C3+C4 muss kleiner sein als C1+C2. Schließen Sie außerdem keine Spannung an die Platine an, wenn der ESP32 nicht eingesetzt ist.

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Nachdem ich die Elektrolytkondensatoren auf die Leiterplatte gelötet hatte, baute ich einen 5-V-Regler ein. Ich gab 12 darauf. Mit dem Trimmer stellte ich 5 ein und trennte ihn von 12. Ich steckte den ESP auf die Stiftleiste, aber mit USB-Versorgung startet er nicht. Ich zog ihn ab, wartete etwas, steckte ihn wieder auf, und er startete. Ich begann nach der Ursache zu suchen. Es stellte sich heraus, dass der Regler durchgeschlagen war und einen Kurzschluss hatte. Nach etwas Googeln fand ich Folgendes: Wenn die Kapazität der Kondensatoren am Ausgang die der Kondensatoren am Eingang übersteigt und keine Last anliegt, kann der Regler beim Abschalten durch die Restspannung in Sperrrichtung durchschlagen. Man muss eine Rückstromdiode einbauen.

Eine Schutzdiode in der Reglerschaltung

Obwohl ein Spannungsregler gegen Überlastung in verschiedenen Betriebsarten geschützt ist (ebenso gegen Überhitzung), kann er ausfallen, wenn die Ausgangsspannung die Eingangsspannung übersteigt. Ein großer Kondensator am Ausgang, der die Spannungswelligkeit glättet, erhöht das Risiko dieser Situation bei geringer Stromentnahme, besonders wenn ein anderer Teil der Schaltung mit der Eingangsspannung des Reglers versorgt wird. Ein ähnlicher Zustand tritt auf, wenn der Regler zum Laden eines Akkus dient und der Akku am Ende des Vorgangs überladen wird.

Die Kondensatoren hinter der Diodenbrücke können sich schneller entladen als der Kondensator am Reglerausgang. In diesem Fall kann das Gerät binnen Zehntelsekunden ausfallen. Deshalb hat der Kondensator am Ausgang immer eine kleinere Kapazität als der am Eingang. Für sicheren Betrieb können Sie zwischen Eingang und Ausgang eine Schutzdiode setzen, über die überschüssiger Strom vom Schaltungsausgang abgeleitet wird (Abb. 1). Mehr dazu hier

Wie die Wasserpumpe für die Kühlung angeschlossen wird, lesen Sie hier

Anschluss des Rücklaufstandssensors (er wird je nach Platinenversion an den Stecker VOLUME oder LEVEL angeschlossen, nach Aderfarben und Pin-Reihenfolge im Stecker): Blau ist Masse, Gelb ist Signal, Braun ist Versorgung. Der Füllstandssensor hat einen Trimmwiderstand. Bei einem runden Sensor ist sein Widerstand unter dem oberen Deckel verborgen. Der Deckel muss geöffnet werden, und durch Drehen des Trimmwiderstands an einer laufenden Kolonne stellen Sie die Empfindlichkeit des Sensors ein (im Uhrzeigersinn verringert die Empfindlichkeit, gegen den Uhrzeigersinn erhöht sie). Beim rechteckigen Sensor sitzt der Trimmwiderstand an der Seite des Gehäuses.

Wenn Sie die Reaktionszeit des Rücklaufstandssensors ändern müssen, wird sie hier eingestellt:

In der Datei logic.h, etwa in Zeile 698

//Wenn wir bereits reagiert haben, müssen wir 40 Sekunden warten, da der Prozess träge ist
alarm_h_min = millis() + 1000 * 40;

40 ist die Anzahl der Sekunden, nach der die Leistung beim Ansprechen des Rücklaufstandssensors erneut abgeschaltet wird. Bei installiertem Rücklaufstandssensor funktioniert das in jedem Modus, da er zur Sicherheitsgruppe gehört, um ein Fluten der Kolonne zu verhindern.

in Samovar.h, etwa in Zeile 193:

#define WHLS_ALARM_TIME 3 //Sekunden, bis der Alarm des Rücklaufstandssensors auslöst.

Durch Schwankungen des Rücklaufs kann der Sensor flackern; dieser Parameter legt fest, wie viele Sekunden das Ansprechen des Füllstandssensors ununterbrochen anhalten muss, bevor es als ausgelöst gilt.

Das Folgende gilt nur für den Betrieb im Vorflutungsmodus:
in Samovar.h, etwa in Zeile 540:

#define TIME_C 5 // Wartezeit in Minuten für das Programm im Vorflutungsmodus

– das ist die Zeit, nach der der Samovar die Spannung erhöht, wenn der Rücklaufstandssensor nicht angesprochen hat.

Anschluss des Servos an den Stecker SERVO1 auf der Platine (nach Aderfarben und Pin-Reihenfolge im Stecker): Braun oder Schwarz ist Masse, Rot ist Versorgung; Gelb oder Weiß ist Signal;

Anschluss des Wasserdurchflusssensors an den Stecker WATERSENSOR auf der Platine (nach Aderfarben und Pin-Reihenfolge im Stecker): Gelb ist Signal, Schwarz ist Masse, Rot ist Versorgung.