Jak jsem stavěl box pro Prusa MK4S – Zapojení

Rozdělme si zapojení do několika menších kapitol. Mohli bychom tomu říkat i části, což víceméně odpovídá funkcím boxu, které jsem implementoval, jednu po druhé. Jsou to – „napájecí krabice“, LED pásek, vnější senzor teploty a vlhkosti, vnitřní senzor teploty a vlhkosti, detektor plynů, ventilátor, dvířka ventilátoru a ovládací panel.

„Napájecí krabice“

„Napájecí krabice“ je místem, kde to všechno začíná žít a… pak zase zemře. Bez proudících elektronů by se tisknout nedalo… Jak jsem psal v úvodní kapitole, řídicí jednotka by měla být schopna tiskárnu vypnout v případě, že uvnitř skříně detekuje vysokou teplotu a/nebo kouř. Zde, v „napájecí krabici“, je to, mimo jiné, skutečně zapojeno.

Varování. Nepokoušejte se zapojovat tuto část, pokud nevíte, co děláte, a to ani podle zde uvedeného popisu. To by měl dělat pouze certifikovaný elektrikář! Nezaručuji, že zde uvedený obvod/přístup je 100% správný. „Napájecí krabice“ vás může vystavit život ohrožujícímu napětí/proudu. To znamená, že vás může vážně zranit nebo dokonce zabít!!!

Zapojení „napájecí skříňky“ je zde uvedeno pouze pro úplnost popisu řešení krytu.

Zapojení boxu pro MK4S – Zapojení „napájecí krabice“

Ve spodní části diagramu vidíte záložní zdroj Compass PG-500. Toto je první zdroj napájení hned za zásuvkou ve zdi. V tomto případě je potřeba UPS „trochu výkonnější než obvykle“, protože Prusa MK4S vyžaduje stabilní napájení s výkonem přibližně 240 W. Moje standardní UPS s jednou 9V baterií se tedy okamžitě přetížila. Musel jsem tak použít UPS se dvěma 9V bateriemi, která dokáže poskytnout až 300 W.

Z UPS vede napájecí kabel CYSY 3×1,5 do „napájecí krabice“. To je ta velká šedá krabice na obrázku. Krabice obsahuje dvě 220 V zásuvky, jednu pro tiskárnu (levá) a jednu pro pomocná zařízení (například web kameru). Obě tyto zásuvky se zapínají podsvícenými vypínači na boku – takže víte, kdy spínači prochází proud.

Fázový vodič (L1) z kabelu vede do svorkovnice a odtud vede jeden kabel do jedné ze spínacích svorek na každém ze dvou vypínačů. Nulový vodič (N) vede do další svorkovnice, která spojuje všechny nulové vodiče a totéž platí pro ochranný zemnící vodič (PE). Jedna ze čtyř svorek na každém vypínači (nemohu přesně říct která, musíte si to zjistit u vašeho vypínače, v mém případě je to ta, která je vodorovně naproti svorce, kde je vstupní fázový vodič) je modrým vodičem připojena ke svorkovnici nulových vodičů – díky tomu se spínač rozsvítí, když je zapnutý a prochází jím elektřina.

Fázový vodič připojený k výstupní svorce (té, která je aktivní při zapnutí vypínače) pomocného vypínače (spodní) je připojen k další svorkovnici. Tato svorkovnice spojuje kabel s fázovým vodičem pro pomocnou zásuvku (tu vpravo) – s jejím levým „otvorem“. Fázový vodič vede vlevo, alespoň u nás v České republice. Nulový vodič vede z pravého otvoru zásuvky ke svorkovnici nulových vodičů. Ochranný zemnící vodič vede z kolíku zásuvky (toho nad a mezi levým a pravým otvorem) ke svorkovnicím ochranných uzemňovacích vodičů. Zapojení těchto dvou vodičů (N a PE) je stejné pro obě zásuvky.

Další fázový vodič, který je připojen ke stejné svorkovnici jako fázový vodič pro pomocnou napájecí zásuvku, je součástí dalšího kabelu CYSY 3×1,5, který je připojen k fázové svorce spínaného napájecího zdroje Mean Well LRS-50-12. Další dva potřebné vodiče – N a PE – jsou připojeny k příslušným svorkám na napájecím zdroji a k příslušným svorkovnicím v „napájecí skříni“, což je celkem jednoduché. Zdroj Mean Well LRS-50-12 napájí Arduino UNO a všechny jeho připojené komponenty. Je připojen k pomocné napájecí zásuvce, protože potřebujeme, aby tyto komponenty měly napájení, i když je zásuvka pro tiskárnu vypnutá.

Nyní k zásuvce tiskárny. Fázový vodič připojený k výstupní svorce (opět té, která je aktivní, když je vypínač zapnutý) horního vypínače jde na svorku 1 relé SSR-25-DA. To je polovodičové relé. Relé je zde proto, že potřebujeme, aby Arduino UNO dokázalo „odpojit“ tiskárnu od proudu v případě, že detekuje nějaké nebezpečné podmínky v boxu. Ze svorky 2 relé jde „výstupní“ fázový vodič na další svorkovnici. Z této svorkovnice jde konečně fázový vodič k levé svorce „otvoru“ zásuvky tiskárny. Je jasné, kam vedou vodiče N a PE ze zásuvky tiskárny, doufám 🙂 Vidíte, že ze zmíněné svorkovnice jde ještě další fázový vodič. Ten jde na jednu ze svorek 220V LED indikátoru. Druhý terminál indikátoru je modrým vodičem připojen k neutrální svorkovnici. Tento indikátor nám ukáže, že SSR je skutečně zapnuté a tedy že zásuvka tiskárny je napájena.

Relé SSR je řízeno 5V signálem z desky Arduino. Sledujte čáry na diagramu a zjistíte, že záporný (-) pól relé je připojen k uzemňovací svorkovnici pro 5V obvody (deska Arduino UNO je také připojena k této svorkovnici). Kladný (+) pól je připojen k PINu 13 Arduina UNO, který pak ovládá relé SSR. Pro ladění „firmwaru“ mého Arduino ovladače jsem přidal přepínač, který mi umožní obejít vypnutí napájení tiskárny Arduinem kvůli nějaké hloupé softwarové chybě, což by způsobilo předčasné selhání tisku. Přepínač má jeden pól připojený k distribuční svorkovnici 5V a druhý ke kladnému pólu relé SSR. Takže když je vypínač zapnutý (ON), relé bude zapnuté (ON), i kdyby Arduino dávalo relé signál k odpojení.

Na schématu zapojení už nám toho moc nezbývá, jen to co je napravo od zdroje Mean Well. Připojili jsme vstupní vodiče, takže zbývají výstupní vodiče. Výstupní svorky – plus a mínus (zem) zdroje jsou připojeny ke třem místům. Za prvé, plus jde ke dvěma 12V svorkovnicím (protože 12V je nativní výstup zdroje). Mínus jde ke dvěma zemnícím svorkovnicím pro 12V obvody. Výstupní svorky zdroje jsou také připojeny ke dvěma step-down měničům napětí. Jeden snižuje napětí na 9V – ten slouží k napájení desky Arduino UNO (vím, že pro něj můžeme použít i maximum 12V, ale já jsem chtěl použít 9V, což obvykle používají napájecí adaptéry pro Arduino). Druhý snižuje napětí na 5V, což používá většina komponent připojených k Arduinu. Výstupy tohoto step-down měniče jsou připojeny ke dvěma 5V distribučním svorkovnicím a ke dvěma zemnícím svorkovnicím pro 5V obvody. Výstup 9V měniče je připojen přímo ke kabelu napájejícímu desku Arduino UNO.

No, bylo napsáno hodně slov, ale když se to bere krok za krokem, není to tak složité. Což se dá snadno říct, když to máte hotové 🙂

Níže je galerie některých použitých komponent:

LED pásek

Uzavření tiskárny v krabici by jí mělo z hlediska teploty zajistit lepší pocit, ale na druhou stranu se může cítit trochu nepříjemně kvůli tmě, kterou toto vylepšení v určité fázi dne, přinese. Proto by bylo hezké mít uvnitř i světlo… Samozřejmě zvolíme řešení se stmívatelným LED páskem.

Zapojení boxu pro MK4S – Zapojení LED pásku

LED pásky jsou obvykle napájeny 12V nebo 24V, takže s nimi nemůžeme pracovat přímo skrze desku Arduino UNO. Z kapitoly „napájecí krabice“ víte, že máme 12V zdroj, takže používáme 12V LED pásek. Pro ovládání LED pásku musíme mezi něj a Arduino umístit „něco“ a já jsem použil PWM MOSFET modul LR7843. Tento modul umožňuje řídit velké zátěže pomocí PWM. Takže ho jednou stranou připojíme k jednomu z PWM výstupů Arduina (PIN 5 na schématu, připojený modrým kabelem) a druhou k LED pásku. Řídicí napětí pro modul je 3,3 – 5V, takže přesně pro Arduino. Výstupní strana desky má 3 svorky: plus, mínus a zátěž. Kladný pól připojte k distribuční svorkovnici 12V. Kladný kontakt LED pásku se také připojí ke stejné distribuční svorkovnici 12V. Záporný pól modulu se připojí k uzemňovací svorkovnici pro 12V obvody a záporný pól LED pásku se připojí k zátěžové svorce modulu, čímž se obvod uzavírá. Uvedené svorkovnice jsou stejné jako na schématu „napájecí krabice“.

Níže je galerie některých použitých komponent:

Vnější čidlo teploty a vlhkosti

Potřebujeme vědět nejen, jaké je prostředí uvnitř boxu pro tiskárnu, ale i venku. Pro venkovní prostředí postačí teplota a vlhkost. Použil jsem modul DHT11. Jeho měřicí rozsah je menší než u DHT22, který se používá uvnitř, ale myslím, že rozsah teplot 0–60 °C a 20 % až 90 % pro vlhkost je dostatečný. Pokud se v místnosti, kde tisknete, dostanete mimo tyto rozsahy, myslím, že to bude dost nepříjemné pro všechny – pro vás, tiskárnu a většinu ostatních tvorů, kteří se v místnosti nacházejí.

Zapojení boxu pro MK4S – Zapojení senzoru teploty a vlhkosti DHT11

Zapojení je docela snadné. Prosím, ignorujte, že senzor DHT11 na obrázku má čtyři výstupy, skutečně použitý modul má pouze tři. Jeden je kladný pól, který je připojen k 5V distribuční svorkovnici. Druhý je záporný pól, který je připojen k zemnící svorkovnici pro 5V obvody. Poslední je digitální odečet teploty/vlhkosti, který je oranžovým vodičem připojen k PINu 7 Arduina.

Níže je galerie některých použitých komponent:

Vnitřní čidlo teploty a vlhkosti

Prvním ze dvou senzorů, které nám pomáhají monitorovat prostředí a potenciálně nebezpečné podmínky uvnitř boxu pro tiskárnu, je senzor teploty/vlhkosti. Použil jsem modul DHT22, protože jeho rozsah měření teploty je od -40 do 80 °C a pro vlhkost až do 100 %.

Zapojení boxu pro MK4S – Zapojení senzoru teploty a vlhkosti DHT22

Zapojení modulu DHT22 se provádí stejným způsobem jako u DHT11. Má kladný pól pro přivedení vstupního napětí, který se připojuje k distribuční svorkovnici 5V. Záporný pól (uzemnění) se připojuje k zemnícímu bloku pro 5V obvody. A poslední svorka (vím, že na schématu jsou 4, ale my používáme desku, která má pouze 3 výstupy) je digitální odečet teploty/vlhkosti a je připojen k Arduinu, PINu 4, oranžovým vodičem.

Níže je galerie některých použitých komponent:

Detektor plynů

Druhým ze dvou senzorů, které nám pomáhají monitorovat prostředí a potenciálně nebezpečné podmínky uvnitř boxu pro tiskárnu, je detektor plynů MQ2, respektive deska s tímto senzorem, která zjednodušuje jeho připojení a použití.

Zapojení plynového senzoru MQ2 (pokud je použit na desce modulu, jako je tomu v našem případě) je také jednoduché. Připojíme svorku Vcc, tj. napájecí napětí, k 5V svorkovnici. Uzemnění k zemnící svorkovnici 5V obvodů. Na desce MQ2 pak zbývají dva kontakty. D0 – digitální výstup, který se aktivuje z nízké na vysokou úroveň při detekci předem definované hladiny plynu. Je třeba jej připojit ke vstupu, který podporuje přerušení, v tomto případě nám na Arduinu UNO poslouží PIN 3 (připojen modrým vodičem). A poslední analogový výstup A0, který umožňuje analogové odečítání měření plynového senzoru. Je připojen zeleným vodičem k analogovému PINu A0 na Arduinu UNO.

Níže je galerie některých použitých komponent:

Větrací ventilátor

Zapojení ventilátoru se ukázalo být trochu náročnější. Nemohl jsem jen tak použít další PWM desku nebo podobný přístup, jako jsem použil v kokpitu. Nebo jsem možná nechtěl, teď si to nepamatuji. Možná jsem se chtěl naučit, jak ovládat ventilátor přímo přes Arduino. Existuje na to spousta různých návodů, ale ovládání počítačového ventilátoru přímo přes Arduino se ukázalo být ne tak jednoduché, jak by si člověk přál. Každopádně zapojení, které mi fungovalo, i pro způsob, jakým je napsán kód pro Arduino, je na následujícím diagramu:

Zapojení boxu pro MK4S – Zapojení větráku ventilace

Abych to vysvětlil, ventilátor je napájen 12V, proto je zde 12V zdroj napájení, 12V distribuční svorky a zemnící svorky pro 12V obvody. Také jsem nechtěl mít 12V na ventilátoru stále, i když je vypnutý, takže jsem přidal relé, které zapne napájení ventilátoru pouze tehdy, když je to potřeba. Jedná se o standardní 5V jednokanálové relé, které je součástí většiny Arduino sad . K tomu slouží distribuční svorky 5V zdroje napájení a zemnící svorky pro 5V obvody. Ty se spojují s příslušnými svorkami na relé. Řídicí svorka relé je připojena k Arduinu oranžovým kabelem na PINu 12. Kladný pól ventilátoru je připojen k 12V svorkovnici. Svorka COM relé (prostřední) je připojena k zemnící svorkovnici pro 12V obvody. Mínusový (uzemňovací) pól ventilátoru je připojen k NO svorce relé, čímž se uzavírá napájecí obvod ventilátoru. PWM signál ventilátoru (modrý vodič) je připojen k PINu 9 PWM Arduina. Prostřednictvím tohoto propojení bude Arduino řídit rychlost ventilátoru. Terminál pro snímání otáček (zelený vodič) je připojen k PINu 2 přes 1kΩ rezistor zapojený sériově.

A proč je tam ten rezistor 1kΩ? To pochází ze specifikací Noctua, které říkají:

„Všechny ventilátory Noctua poskytují výstupní signál otáčkoměru s následujícími charakteristikami: dva cykly na otáčku, výstup s otevřeným kolektorem. Maximální proud je 5 mA pro 5 V a 12 V ventilátory a 2 mA pro 24 V ventilátory, takže například při použití ventilátoru 12 V je vhodná hodnota rezistoru 2,7 kΩ nebo větší.“

V kombinaci s faktem, že vstup je ve zdrojovém kódu pro „firmware skříně“ definován jako INPUT_PULLUP – takže navíc používá interní pull-up rezistor Arduina, jsem při implementaci tak nějak došel k závěru, že mohu použít 1kΩ rezistor, abych se ujistil, že zůstanu v mezích limitů Noctuy a Arduina. A také to byla jedna z hodnot rezistorů, které jsem v té době měl v sadě Arduino věcí.

Níže je galerie některých použitých komponentů:

Dveře větracího ventilátoru

Výstup ventilátoru je zakryt „dvířky“, která lze otevírat/zavírat dle potřeby. Bylo by trochu hloupé stavět kryt pro zadržení teploty pro tisk uvnitř skříně a nechat ji utíkat obrovským otvorem pro ventilátor ve stropě. Dvířka jsou ovládána mikroservem – opět základním komponentem, který je součástí většiny sad Arduino.

Zdejší zapojení je jako vystřižené z návodů k Arduinu. Nic zvláštního. Kladný pól (Vcc) serva se připojuje k 5V svorkovnici. Mínusový pól (zem) se připojuje k zemnící svorkovnici pro 5V obvody. A poslední, řídicí svorka, se připojuje k PWM PINu 11 Arduina zeleným kabelem.

Jedinou složitou částí zapojení pro mě byla identifikace správných kabelů na samotném servu, protože k němu není vůbec žádný popis. Metodou pokus-omyl (a spálením jednoho nebo dvou) jsem zjistil, že v případě mých serv je Vcc prostřední červený kabel, zem je hnědá a signál je žlutý. Přeji vám hodně štěstí s vaším.

Níže je galerie některých použitých komponent:

Ovládací panel

Ovládací panel je místo, kde budeme komunikovat se „strojem“. Neboli „Mouseviator MK4S – ECS“, jak jsem pojmenoval ten svůj ovládací panel 🙂 Což je zkratka pro Mouseviator MK4S – Enclosure Control System (Ovládací Systém pro Box) 🙂 Skládá se z 16×2 LCD displeje, otočného enkodéru s tlačítkem, aktivního 5V bzučáku pro vydávání nepříjemných zvuků a efektní červené LED diody.

Zapojení boxu pro MK4S – Zapojení ovládacího panelu

Všimněte si, že všechny komponenty potřebují k provozu 5V. Svorkovnice 5V i svorkovnice pro uzemnění 5V obvodu se nacházejí uvnitř krytu ovládacího panelu a jsou připojeny k příslušným svorkovnicím, které jsou znázorněny na schématu „napájecí krabice“. Použil jsem kabel „silnější než u jiných připojení Arduina“, myslím, že je to CYSY 2×0,75.

Může se to zdát složité, ale většinou se jedná jen o součet propojení příslušných komponent podle tutoriálů k Arduinu. Červená LED dioda je standardní příklad z tutoriálů, s katodou připojenou na zem a anodou k výstupu Arduina – PIN 10 přes modrý kabel a rezistor 220 Ω v sérii.

Aktivní bzučák je ovládán přes kladný pól připojený k Arduinu zeleným kabelem na PINu 8. Jeho zem je připojena k … zemi přes 1kΩ pull-down rezistor, aby se zabránilo nežádoucímu nebo škodlivému chování.

Navzdory tomu, že otočný enkodér využívá 5 vodičů, je také jednoduchý. Jako další součástka potřebuje napájení, takže 2 z těchto 5 vodičů spotřebujeme na 5V Vcc (bílý) a zem (černý). Poté vysílá dva analogové signály. S1 je připojen modrým vodičem k analogovému PINu A1 na Arduinu UNO. S2 je připojen zeleným vodičem k analogovému PINu A2 na Arduinu UNO. Poslední vodič, žlutý, je připojen k PINu 6 a slouží k detekci stisknutí tlačítka. Používáme enkodér s RC filtrem, který filtruje šum a další nepříjemné věci, které bychom jinak museli řešit softwarově, což usnadňuje jeho použití.

Poslední zbývající položkou je 16×2 LCD displej s I2C enkodérem. Je také zapojen dle návodů k tomuto produktu a Arduinu UNO. Potřebuje napájení – takže bílý vodič s 5V jde k Vcc a černý na zem. Zbývající svorky jsou SDA a SCL. SDA se připojuje modrým vodičem na analogový PIN A4. SCL zeleným vodičem na analogový PIN A5.

Níže je galerie některých použitých komponentů:

Galerie zapojení

Níže je galerie s fotografiemi skutečného, reálného zapojení:

To je vše, lidičky

… nebojte se, jen pro dnešek. Další epizoda je ve fázi psaní. V té začneme s programováním Arduina. Ale nemůžu slíbit, kdy ji zveřejním. Zase to dávám dohromady asi „půl roku nazpět“.

A pro připomenutí:

Nepokoušejte se zapojit co je zde popsáno, pokud nevíte, co děláte! Pokud si nejste jisti, nechte to udělat odborníky. Buďte opatrní!!!