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Vielseitiges I/O-Shield-Board für (fast) alle Arduinos
12.10.2014, 16:50 (Dieser Beitrag wurde zuletzt bearbeitet: 12.10.2014 16:56 von funkleuchtturm.)
Beitrag #1
Vielseitiges I/O-Shield-Board für (fast) alle Arduinos
1 Allgemeines
Der Arduino hat in den meisten verbreiteten Ausführungen Stiftleisten mit standardisiertem Pinout. Durch Zusammenstecken verschiedener Platinen sog. Shields sind nahezu alle Funktionen darstellbar, die im Bereich der Automation und insbesondere der Hausautomation benötigt werden. Allerdings ist normalerweise die notwendige Anschlusstechnik zu den Sensoren und Aktoren nur sehr unbefriedigend über Steckbrettchen oder Prototypen-Shields möglich. Die heute am Markt erhältlichen fertigen Prototypen- oder I/O-Shields führen meistens einfach nur die Signale der Arduino-Stiftleisten auf Schraubklemmen. Damit lassen sich aber oft nicht die Sensoren und Aktoren direkt anschließen und man benötigt weitere Bauelemente wie Treiber und Widerstände. Und schon ist wieder ein unzuzverlässiger "Drahtverhau" entstanden Wink

Der hier gewählte Ansatz für ein I/O-Shield führt die Signale der Stiftleisten an Anschlußklemmen, allerdings sind auf dem Board für jeden Port zusätzliche Bauelemente integriert, die entsprechend dem individuellen Bedarf per Jumper "programmierbar" sind. Damit kann die gewünschte Funktionalität jeder einzelnen Anschlussklemme bzw. jedes einzelnen Ports dem typischen Bedarf in der Hausautomation angepaßt werden.

2 Eigenschaften des I/O-Shield-Boards
Das I/O-Shield-Board hat Stiftleisten mit dem gleichen Pinout wie die meisten Arduinos. Damit kann es unproblematisch mit fast allen Arduinos zusammengesteckt werden. Oben auf der Platine sind Stiftbuchsen und unten Stiftstecker, so daß die Signale komplett einschließlich ISP-Anschluss durchgereicht werden. Damit kann das Shield bei mehreren zusammengesteckten Shields in jeder beliebigen "Etage" betrieben werden. Das I/O-Shield-Board ist dabei nur eine Teilkomponente, die eigenständig nicht funktionsfähig ist, sondern erst mit weiteren Komponenten und dem Arduino-Board in die gewünschte Funktion gebracht werden kann. Darüberhinaus ist das Ganze vom Anwender noch in ein Gehäuse einzubauen und mit der notwendigen Anschlusstechnik und einem Netzteil zu versehen.

Hier die Eigenschaften des I/O-Shield-Boards im Detail:

>> 17 I/Os insgesamt werden nach außen auf Schraubklemmen geführt (D2 ... D13 und A0 ... A5) und sind alle jeweils mit 150 Ohm Schutzwiderständen gegen Kurzschluss geschützt
>> 11 I/Os sind davon ausschliesslich digitale I/O-Ports , davon sind ...
>> 8 digitale I/Os (D2 ... D9) , welche alle per Jumper programmierbare MOSFET-Treiber, LED-Statusanzeigen und 4k7-Pullup-Widerstände besitzen
(die verwendeten IRLML0030 - MOSFETs können Ströme >2A und Spannungen bis 24V schalten, Hochstrom-LEDs und Infrarot-LEDs sind damit ebenfalls direkt steuerbar, z.B. pulsweitenmoduliert)
>> 6 analoge I/Os (A0 ... A5) können als anloge Eingänge und digitale Ausgänge verwendet werden. Dabei können die Eigenschaften als analoge Eingänge per Jumper programmiert werden:
>> Programmierbare Eingangsspannungsbereiche: 0 bis +5V; 0 bis +10V; -5V bis +5V;
Darüberhinaus kann ein 10k Ohm Pullup-Widerstand z.B. für NTCs zugeschaltet werden.
>> 1 Trimmpotentiometer ist vorhanden, mit dem eine analoge Spannung (0 ...+5V) z.B. zum Testen über Jumper und Taster auf die analogen Eingänge geschaltet werden kann
>> 1 Reset-Taster, mit dem ein Arduino-Reset ausgelöst werden kann. (Wichtig, weil man beim Etagenaufbau oft nicht an den Arduino Reset-Taster dran kommt!)
>> Prototypenbereich mit Lochraster-Lötaugen für eigene kleine Schaltungen
>> Lötpads zum Anschluss für die verbreiteten 433Mhz-Sender (an Port D05) und -Empfänger (an Port D03) u.a. für die Steuerung von Funkschaltsteckdosen
>> Lötpads für 5V-Buzzer (Port D07)

Das nächste Bild zeigt das fertige Board von der Bestückungsseite:

   

Mit dem nachfolgenden Schemabild erklärt sich für den Fachmann die Funktion der Jumper-Programmierung :

   

Und hier sieht man, wo welche Jumper gesetzt werden müssen.

   


Das I/O-Shield_Board im typischen Etagenverbund:

   

Auf dem Board können sehr einfach die sehr preiswerten kleinen 433Mhz-Sender und -Empfänger eingelötet werden. Damit lassen sich dann Funksteckdosen aus dem Baumarkt etc. steuern und auch deren ausgesendeter Code empfangen.


3 Anwendungsmöglichkeiten
Verwendbar ist das Shield für nahezu alle Arduinos mit dem standardmäßigen Pinout.
Das sind heute : UNO, Duemilanove, MEGA2650, YUN, Due, Leonardo, und ,und, und.
Sicher wird das verwendete Pinout auch in zukünftigen Arduinos verbreitet sein, so daß das Shield immer wieder eingesetzt werden kann!
Die Anschlussmöglichkeiten von Sensoren und Aktoren sind natürlich sehr vielseitig und können hier nicht alle beschrieben werden.

Weiter hervorzuheben ist, daß mit dem I/O-Shield sehr einfach auch stromhungrige Aktoren bis zu 24V geschaltet werden können. Aber es sind auch sehr verbreitete sog. 1-Wire-Temperatursensoren wie die DS18B20 Sensoren direkt anzuschalten. NTC-Temperatursensoren können sogar direkt angeklemmt werden, weil der notwendige 10k-Pullup-Widerstand einfach per Jumper zugeschaltet wird.

Und wer doch gerne die zuverlässigen Federklemmleisten von WAGO oder PHOENIX einsetzen möchte, der kann statt der verwendeten Schraubklemmleisten die entsprechenden Federklemmleisten einlöten. Das Platinenlayout ist so gestaltet, daß Klemmleisten im 2,5mm und 5mm Rastermaß passen. Hier ein Beispiel eines I/O-Shields mit jeweils einer typischen Federklemmleiste im 2,5mm Rastermaß und einer im 5mm-Rastermaß:

   

Ganz besonders ist das I/O-Shield-Board für den Homeduino geeignet. Dies ist ein Hard- und Software-Konzept auf Basis von verbreiteten Arduino-Komponenten, mit dem sich drahtgebunden über LAN oder drahtlos über WLAN recht einfach per Browserbefehlen die verschiedensten Sensoren und Aktoren in die heimische Automatisierung einbinden lassen. Mehr dazu hier:
http://www.stall.biz/?project=homeduino-...automation


4 Wo bekommt man das I/O-Shield-Board ?
Das I/O-Shield_Board gibt es nur als Teil-Bausatz. Dabei sind die sehr schwierig zu handhabenden SMD-Teile bereits auf der Platine verlötet. Andere Bauteile wie die 433Mhz-Sender und -Empfänger und auch der Buzzer müssen selbst beschafft und nach Bauanleitung in die Platine eingelötet werden. Auch die Programmierung der Jumper ist beispielsweise nach den gewünschten Pinfunktionen vorzunehmen.

Interessierte können mich per email ansprechen.Weitere infos mit den letzten Informationen hierzu auf meiner Website: http://www.stall.biz/
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