Dzień dobry,

pracuję nad projektem automatycznego systemu podlewania. Projekt jest oparty na NodeMCU V2, który steruje elektrozaworami na 12 V (zawór główny oraz cztery zawory odpowiedzialne za poszczególne strefy). Do tego zastosowane zostały cztery analogowe pojemnościowe czujniki do pomiaru wilgotności ziemi, czujnik temperatury DS18S20 oraz czujnik ciśnienia atmosferycznego BMP280. Odczyt danych pomiarowych oraz sterowanie zaworami jest przeprowadzane za pośrednictwem utworzonej w tym celu aplikacji na Androida.

Układ jest zasilany za pomocą stabilizowanego zasilacza 12 V 3.15 A, który jest podłączony do zaworów oraz przetwornicy LM2596, której napięcie wyjściowe jest ustawione na 3.3 V. Wydajność prądowa przetwornicy to 2 A (3 A z zastosowaniem radiatora). Pobór prądu przez pojedynczy zawór wynosi ok. 250 mA (po ustablizowaniu, w trakcie otwierania według producenta wynosi ok. 500 mA). Nie mierzyłem jaki jest pobór prądu pozostałych elementów, tym niemniej układ w takiej konfiguracji pracuje stabilnie.

Do sterowania pojedynczym zaworem zastosowany został tranzystor mocy TIP120 o wzmocnieniu hFE = 2000 (odczytane z charakterystyki tranzystora dla założonego obciążenia, przyjętego z pewnym buforem bezpieczeństwa, wynoszącego Ic = 800 mA) i spadku napięcia Vbe = 1.4 V. Stąd wychodzi, że prąd przepływający przez bazę Ib = Ic / hFE = 0.0004 A a opornik na bazie to Rb = (Vcc – Vbe) / Ib = (3.3 V – 1.4 V) / 0.0004 A = 4750 ohm. Najbliższa standardowa wartość opornika to 4k7 ohm.
Wartość opornika podciągającego pull down dobrałem na podstawie opinii z internetu, według której wartość powinna być 10 razy większa od opornika na bazie lub 100k ohm.

Przykładowe podłączenie tranzystora:


O stanie wysterowania tranzystora informuje żółta dioda LED, której opornik obliczyłem na podstawie spadku napięcia na samej diodzie równego ok. 2 V (odczytane z charakterystyki diody dla założonego poboru prądu, który ustaliłem na ok. 8 do 10 mA, ponieważ wydajność prądowa pojedynczego wyjścia NodeMCU V2 wynosi według producenta 12 mA, a 1 mA pobiera sam tranzystor). W takim przypadku Rd = (Vcc – Vd) / Id = (3.3 – 2 V) / 0,008 A = 162,5 ohm. Najbliższa standardowa wartość opornika to 160 ohm, dla którego Id = (3.3V – 2V) / 160 ohm = 0,0081A = 8,1 mA.

Płytka została zaprojektowana w programie Eagle z zastosowaniem dwóch warstw. Jest ona podzielona na strefę zasilaną 12 V (zawierającą zawory) oraz 3.3 V (procesor, rejestr przesuwny 74HC595 oraz płytka z multiplekserem analogowym 74HC4051). Są one połączone za pośrednictwem przetwornicy napięcia. Masy obu stref są rozprowadzone za pomocą polygonów (po jednym na warstwie górnej i dolnej na jedną strefę) oraz zwarte w jednym punkcie za pomocą opornika R0. Zasilanie jest poprawadzone ścieżkami o szerokości 32 mil, a sygnały 10 mil. Zastosowałem elementy do montażu przewlekanego, które poza pojedynczymi opornikami znajdują się na górnej warstwie. Ogólnie płytka jest pozbawiona podstawowych błędów, tj. przechodzi test DRC, ratsnest nie znajduje żadnych niezrealizowanych połączeń.

Schemat elektryczny:
Część 1:

Część 2:


Projekt PCB:
Warstwa górna z wyłączonymi polygonami:

Warstwa dolna z wyłączonymi polygonami:

Obie warstwy z włączonymi polygonami:


Proszę o sprawdzenie schematu oraz projektu płytki PCB (logika, poprawność podłączeń, estetyka), a także udzielenie odpowiedzi na poniższe pytania. Otwarcie przyznam, że jestem początkującym adeptem elektroniki i projektowania płytek drukowanych, a do informacji z internetu podchodzę z pewnym sceptycyzmem.

Pytania:
1. Płytka z czujnikiem ciśnienia atmosferycznego BMP280 oraz złącze śrubowe X3, do którego podłączany jest czujnik temperatury DS18S20 znajdują się w obszarze analogowym (tworzonym przez złącza śrubowe X2 oraz płytkę z multiplekserem analogowym 74HC4051). Magistrala i2c oraz 1 wire nie będą przeszkadzać w pomiarze analogowym? Złącze X3 oraz płytka BMP280 nie powinny znajdować się jak najbliżej mikrokontrolera?

Zaznaczona strefa analogowa, 1 wire oraz magistrala i2c


2. W projekcie dodałem parę przelotek o średnicy 23 mil, które łączą polygony masy znajdujące się na górnej i dolnej warstwie, żeby wyeliminować obszary, które są pozbawione wypełnienia masą. Powinienem ponadto dodać też przelotki rozmieszczone równomiernie po powierzchni płytki, żeby niejako skrócić ścieżki masy?
3. Czy analogowe czujniki ciśnienia powinny posiadać osobną analogową masę AGND oraz przypisany jej polygon, która (podobnie jak masa GND12) powinna być połączona z główną masą GND w jednym punkcie za pomocą opornika 0 ohm?
4. Jakie powinny być właściwości tekstu znajdującego się na silkscreenie, żeby tekst został wydrukowany prawidłowo i był czytelny? Ja stosuję ratio 15%, font vector oraz size 39 mil w przypadku oznaczeń znajdujących się wewnątrz obrysu danego elementu lub size 50 mil we wszystkich pozostałych przypadkach.
5. Jaka jest dobra praktyka przy projektowaniu ścieżek? Grubość 32 mil dla ścieżek zasilania i 10 mil dla sygnałów jest wystarczająca? Dystrybucja zasilania zaworów jest prawidłowa czy też każdy zawór powinien posiadać osobne zasilane prowadzone z jednego punktu? O ile dobrze pojmuję, obecnie ścieżką zasilania idącą od diody D1 do D2 może przepływać w najgorszym przypadku prawie 2 A (przy założeniu, że wszystkie zawory są załączone jednocześnie).

Dystrybucja zasilania zaworów:

6. NodeMCU powinno mieć podciągnięte zasilanie do wszystkich pinów 3V3 czy też tylko do jednego? Na tę chwilę doprowadziłem je do wszystkich pinów (pomimo tego, że są one wewnętrznie zwarte) na zasadzie podobieństwa do atmega328p (w tym przypadku znajduje się szereg poradników dot. minimalnego podłączenia, w których zasilanie jest podłączone do wszystkich pinów 5V).

Pozdrawiam,
opp34