DEMETRA è strutturato in diversi blocchi, facilmente individuabili dallo schema elettrico.
Ho preferito acquistare alcuni moduli e realizzare ex novo altri circuiti, in base a quello che avevo disponibile in casa e alle esigenze progettuali.
L'elenco di tutto (o quasi) il necessario si trova in download. Lo schema comunque già riporta nel dettaglio la componentistica che, in parte, ho reperito nel mio laboratorio e può essere sostituita da equivalenti (mi riferisco in particolare ai transistors). Non ho riportato le quantità di connettori-strip-morsettiere maschio/femmina necessari per connettere le varie sezioni, dipende da come si intende strutturare fisicamente il circuito. Nel momento in cui vorrete cimentarvi nella realizzazione è meglio non farsi prendere dalla fretta e comprenderne a fondo le sezioni, sarà più agevole l'eventuale ricerca guasti/manutenzione future.
Analisi dello schema
1 - Sezione alimentazione
L'alimentatore dovrà erogare 12V @2A e sarà di tipo lineare; non utilizzare assolutamente uno switching, l'apparato dovrà essere quanto più possibile esente da disturbi. In ingresso andrà anche inserito un semplice ma efficace filtro EMI, nonché un varistore di protezione. Occorre quindi procurarsi o costruirsi i regolatori ausiliari che andranno ad alimentare gli altri moduli (5V, 3.3 V).
Arduino Mega sarà supportato dai circa 9 V in uscita dal circuito del caricabatteria NiMh.
2 - Sezione batteria tampone/caricabatterie
Il circuito utilizza un LM317 come regolatore costante di corrente; in uscita si può troncare il Jumper se si hanno batterie NiMh non ricaricabili del tipo indicato (come nel mio caso). Per il calcolo del valore di resistenza considerate 1/20 della corrente nominale della batteria ricaricabile che dovrà essere esclusivamente NiMh. E' possibile fare a meno di questa sezione se si vuole investire su un piccolo UPS, ma sarà necessario operare delle piccole modifiche al codice.
3 - Sezione sensori temperatura
Per la misura di temperatura/umidità ho scelto gli affidabili sensori BME280 della Bosch, interfacciabili su bus I2C. I possibili indirizzamenti sono due: 0x76, pin SDO a massa e 0x77, pin SDO a Vcc. Nei chip che ho acquistato il pin è connesso a massa tramite una resistenza da 10 Kohm, perciò l'indirizzo di default è 0x76; dissaldarla per configurare 0x77. Dovranno essere alimentati a 3.3V (utilizzare un modulo step-down). Inoltre, il collegamento al bus I2C di Arduino dovrà avvenire tramite un convertitore di livello bidirezionale.
4 - Sezione RTC (Real Time Clock)
Il cuore pulsante di Demetra è un semplice modulo RTC DS1307, anch'esso collegato sul bus I2C. Non è fondamentale la precisione ma è necessario che sia sempre funzionante (nel firmware è testato in loop). Attenzione: alcuni moduli che si trovano in commercio montano la batteria sbagliata (una CR2032 invece della ricaricabile LIR2032), se dovesse capitarvi o acquistate una LIR2032 a parte oppure dovrete effettuare una modifica hardware (riferirsi alla documentazione in download).
5 - Sezione SD CARD
E' prevista una memoria esterna SD che andrà a contenere i programmi memorizzati e gli eventuali log di funzionamento del dispositivo. La scheda sarà formattata in FAT32 e vi dovranno essere create due cartelle: LOG e PROG.
6 - Sezione modulo controllo ventola/estrattore 12V
Nell'idea iniziale era previsto il controllo di una ventola assiale di deumidificazione; poi ho dirottato sulla semplice gestione del ricircolo dell'aria interna alla camera (in verità inutile quando si usano contenitori con coperchio). Chi volesse fare esperimenti sull'estrattore dovrà effettuare modifiche al codice considerando di variare la velocità in base all'umidità misurata, e sostituire il transistor con uno più robusto.
7- Sezione misuratore livello acqua
Nulla da aggiungere al titolo di questa sezione. Si può bypassare collegando il pin del segnale a massa; si disabilita automaticamente anche il controllo firmware -che, lo ammetto, è piuttosto contorto-.
8 - Sezione watchdog
Prima sicurezza: resetta il microprocessore e spegne le periferiche in caso di blocchi nell'esecuzione del programma.
9 - Sezione SSR
Sono i relais di controllo delle periferiche ad alta tensione; normali zero-crossing da 2A per le resistenze di riscaldamento, uno dedicato da 25A per il motore induttivo del compressore (anche qui si può usare lo zero-crossing, gli sfasamenti non creano problemi).
10 - Sezione ethernet
Il controllo del flusso dati ethernet viene affidato a un Arduino Uno separato su cui è installata una shield W5100 , comunicante con il Mega via seriale. Questa soluzione ha l'enorme vantaggio di non sovraccaricare la RAM della CPU, quindi aumentare la stabilità di tutto l'apparato. I timeouts di rete inoltre non rischiano di mandare in blocco le fasi del programma. Questo blocco che ho denominato slave sarà connesso a un access point wi-fi tramite cavo patch.
11 - Sezione input/output
Cinque pulsanti e cinque indicatori di stato a LED; è tutto quello che serve, oltre al display, per interfacciarsi con Demetra.
12 - Sezione CPU
Il cervello di Demetra. Da notare la presenza di un deviatore sul pin di RESET, collegato a un condensatore antidisturbo e al watchdog. In fase di programmazione deve rimanere aperto, in funzionamento invece è obbligatorio tenerlo chiuso (sicurezza).
13 - Sezione sicurezze termomeccaniche
Vi sono due sicurezze termomeccaniche: una per le basse temperature, intrinseca al congelatore (il termostato NON viene bypassato) e una per le alte temperature (da aggiungere) che scongiura "cotture" nel caso si presenti un guasto sulle uscite che blocchi i relais dei cavi riscaldanti (scollega l'alimentazione principale impedendo il flusso di corrente).