Elektronik_Header_3LŘftersteuerung mit ESP-01

 

WordClock V2

Die erste Version meiner selbst gebauten WordClock wurde von einem Arduino Nano V3 befeuert und funktioniert dank der Vorarbeiten der Forumsmitglieder einwandfrei.

Ich habe dann den Fehler gemacht, die Uhr herumzuzeigen, was darin m├╝ndete, dass ich weitere Wort-Uhren bauen musste - Jeder der das Teil sah, wollte ebenfalls eins haben.

Da ich ziemliche Probleme mit den in der Arduino-Version verbauten Echtzeituhr-Modulen und den DCF77-Empf├Ąngern hatte, bin ich f├╝r die weiteren Ausgaben der Uhr auf die Version von Manuel Bracher (bracci) umgestiegen, die als Hirn eine NodeMCU-Platine bzw. den “ESP8266 D1 mini” einsetzt.

Da ich weiterhin die auch bei der Arduino-Version verwendeten LED-Stripes einsetzen wollte und die Front des Display aufgrund der Einschr├Ąnkungen meiner CNC-Fr├Ąse nicht gr├Â├čer als 23 x 23 cm sein durfte, passte eine normale NodeMCU- oder WEMOS D1 mini-Platine nicht ins Konzept - genaugenommen nicht in den Rahmen.

Die zuerst als Alternative ins Auge gefassten ESP-01-Module sind zwar sch├Ân klein und sehr preiswert, haben aber leider keinen Analogeingang f├╝r die Helligkeitsregelung.
Bleibt zu erw├Ąhnen, dass selbst diese Winzlinge die Firmware der QlockWiFive problemlos verarbeiten, wenn die Parameter in der Firmware passend eingestellt werden. Die automatische Helligkeitsregelung ist allerdings nicht m├Âglich, meine Versuche, den A0-Pin direkt am IC abzugreifen sind ins Leere gelaufen. Man kommt mit Hobbymitteln nicht an den Anschluss heran um dort einen Draht anzul├Âten.

    Aktualisierung
    Der ESP-01 kann einen I┬▓C-Anschluss zur Verf├╝gung stellen, ├╝ber den ein passender “Ambient Light Sensor”, der BH1750, f├╝r die Helligkeitsregelung angesprochen werden kann. Somit ist die Realisierung einer WordClock mit ESP-01 ebenfalls m├Âglich.


Die n├Ąchst gr├Â├čeren ESP8266-Module am Markt, ESP-12E, sind schmal genug um in den verf├╝gbaren Platz zu passen und stellen alle notwendigen Anschl├╝sse zur Verf├╝gung, meine WordClock wird also auf einem ESP-12E basieren.

Daf├╝r habe ich einen weiteren Adapter entworfen, der eingangsseitig pinkompatibel zum ESP-01-Programmieradapter ist und ansonsten als Breadboard f├╝r einen ESP-12E dient, dessen IOs - soweit frei nutzbar - auf Pins gef├╝hrt sind. Zus├Ątzlich sind noch f├╝r den Betrieb des ESP-12E notwendige PullUp- und PullDown-Widerst├Ąnde sowie der Spannungsteiler-Widerstand f├╝r den LDR der WordClock implemetiert. Der LDR ist zwischen VCC (+3,3 V) und dem Pin 5 am Stecker SV2 anzuschlie├čen.

ESP-12E-Adapter - Click f├╝r gr├Â├čere Aufl├Âsung            (Click auf das Bild f├╝r gr├Â├čere Darstellung)


Das Board ist einseitig entflochten, es sind lediglich 2 Br├╝cken notwendig. Um das Board so schmal wie m├Âglich auslegen zu k├Ânnen, habe ich das Layoutsymbol des ESP-12 ge├Ąndert, so dass die asymmetrisch angelegten Pads nach innen statt nach au├čen zeigen. Auf diese Weise konnte ich die Breite der Platine auf etwas ├╝ber 20 mm beschr├Ąnken, was noch in den Rahmen meiner WordClock hinein passt.

ESP-12E-Adapter            (Click auf das Bild f├╝r gr├Â├čere Darstellung)


Die vier L├Âtpads am oberen Rand der Platine sind in der Standardausf├╝hrung der WordClock unbenutzt. Wird ein RTC-Modul DS3231 angeschlossen, erfolgt die Zuf├╝hrung des SQW-Signals ├╝ber den Eingang GPIO13, das L├Âtpad ganz links in der Reihe. Diese Verwendung des SQW-Signals ist in der Bracci Standard-Firmware nicht enthalten.

Die bei der WordClock benutzten Anschl├╝sse sind auf den einreihigen Stecker links gef├╝hrt - im Wesentlichen der Data-Ausgang f├╝r die LED-Stripes und der Analogeingang f├╝r den LDR. Daneben liegen hier die Anschl├╝sse f├╝r 3,3 V, GND sowie zwei nicht verwendete GPIO (GPIO4 und GPIO5) des ESP8266. Hier k├Ânnten z.B. ein Piezo-Lautsprecher und ein IR-Empf├Ąnger Anschluss finden, was aber in meiner Version der Firmware nicht ber├╝cksichtigt ist. Genauso kann ├╝ber diese beiden Anschl├╝sse der I┬▓C Bus nach au├čen gef├╝hrt werden, um beispielsweise die RTC-Backupfunktion zu realisieren. Das ist notwendig, wenn die Uhr nicht permanent WLAN Zugang hat.

Programmiert wird der ESP-12E ├╝ber den links zwischen den beiden L├Âtbr├╝cken sitzenden 8-poligen Stecker. Der Programmieradapter  wird ├╝ber ein 8-poliges Kabel “Stecker auf Buchsen” am WordClock Board angeschlossen, dabei ist darauf zu achten, dass die Signale Rx und Tx ├╝berkreuz verbunden werden m├╝ssen. Alle andere Leitungen werden 1:1 verbunden.

Die Widerst├Ąnde sind SMD-Typen und sitzen auf der Unterseite der Platine.

Die Schaltunterlagen im EAGLE Format sind hier bereit gestellt.


nota bene
F├╝r den Betrieb des ESP-12E m├╝ssen bestimmte Pins des Chip auf bestimmte Potentiale gelegt werden.

Eine sehr ├╝bersichtliche Darstellung der den Bootvorgang betreffenden Pins am ESP8266 und weitere Informationen bzgl. Nutzung dieser Pins im eigenen Programm habe ich bei Forward Computing and Control gefunden.

Die Tabelle - angelehnt an die Darstellung bei Forward Computing and Control - der beim Bootvorgang und im Betrieb ber├╝cksichtigten Pins hier auf die Schnelle:

GPIO15

GPIO2

GPIO0

CH_PD
Chip_EN

Mode

Kommentar

L

H

H

H

Flash

Boot aus dem  Flash
 

L

H

L

H

UART

programmieren ├╝ber UART (Tx/Rx)

H

x

x

H

SDIO

Boot von SD-Karte
 


Man sieht, CH_PD und GPIO2 m├╝ssen zum Betrieb des Moduls immer auf High-Potential, GPIO15 immer auf Low-Potential gezogen werden - jeweils vorzugsweise ├╝ber einen Widerstand von z.B. 10 k╬ę. GPIO0 entscheidet, ob vom Flash gebootet oder das Flash neu programmiert werden soll.

Die Widerst├Ąnde f├╝r den Betriebsfall, also booten aus dem Flash, sind in der oben dargestellten Schaltung enthalten. Das Herunterziehen von GPIO0 zum Flashen erledigt der Programmieradapter.


Da die WordClock mit ESP keine Bedienelemente am Geh├Ąuse ben├Âtigt - alle Einstellungen k├Ânnen ├╝ber das WEB-Interface vorgenommen werden - habe ich die Front ohne L├Âcher f├╝r die Sensor-LEDs ausgef├╝hrt, alle anderen Eigenschaften entsprechen der ersten Version mit Arduino.

Die Bedienung ist nat├╝rlich vollkommen anders, weshalb ich hier eine auf meine Firmware-Version abgestimmte Anleitung zur Verf├╝gung stelle. Auf Funktionen, die in der Firmware prinzipiell enthalten sind und per Compiler-Schalter ein- oder ausgeschaltet werden k├Ânnen, in meiner Version aber nicht enthalten sind, gehe ich nicht ein.


Hinweis
Nach einigen Monaten in Betrieb hat meine WordClock angefangen, unmotiviert zu blitzen und zu flackern, meist dann, wenn sich die Raumhelligkeit ver├Ąndert hat, aber auch zwischendurch ohne erkennbaren Anlass.
Einen Wackelkontakt konnte ich nach eingehender Untersuchung ausschlie├čen. Andere WordClocks mit identischem Aufbau funktionieren klaglos, es muss also an meiner Uhr liegen.

Letztlich stellte sich die Versorgungsspannung als Ursache f├╝r das Problem heraus.
Der ESP-12E wird in meiner Uhr durch ein StepDown Schaltnetzteil versorgt, dessen Ausgangsspannung mit einem winzigen Poti eingestellt werden muss. Bei meinem Modul war die Spannung auf 3,28 V eingestellt. Nach Justierung der Spannung auf 3,32 V war das Geflacker weg. Meine Empfehlung: Spannung auf 3,3 .. 3,5 V einstellen.

Das eigentliche Problem ist hierbei nicht die Betriebsspannung f├╝r den ESP sondern das zu niedrige High-Potential am Eingang des mit 5 V betriebenen LED-Stripe. Die erste LED hat schlichtweg den High-Pegel nicht sicher als Solchen erkannt.

Achtung, das Poti ist ziemlich schlecht zu bedienen und sein Wert ├Ąndert sich beim Bedienen teilweise sehr sprunghaft, auch gerne mal ├╝ber die zul├Ąssigen 3,6 V hinaus. Es empfiehlt sich also, den ESP w├Ąhrend des Einstellvorgangs von der Spannungsversorgung zu trennen.

Wer hier auf Nummer Sicher gehen will, nimmt lieber StepDown-Wandler die mit folgendem Suchstring in ebay zu finden sind: “Mini Buck Converter DC-DC 12-24V To 5V 3A”. Diese Module haben neben dem Poti noch eine Reihe Festwiderst├Ąnde an Bord, mit denen sich konkrete Spannungen durch setzen eines L├Âtpunktes einstellen lassen. Die Verbindung zum Poti wird daf├╝r aufgetrennt.


Ich weise nochmals ausdr├╝cklich darauf hin, dass die Firmware f├╝r meine WordClock von Manuel Bracher stammt und von mir nur f├╝r meine Zwecke angepasst wurde.


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