Bau eines 6Ah Akkupacks

Zum Betrieb von Amateurfunk-Equipment oder Teleskopmontierungen fern jeglicher 230V-Steckdose ist ein Akku das Mittel der Wahl. 

 Damit verbunden sind folgende Einschränkungen:

1. Die Kapazität des Akkus und dessen Entladecharakteristik beschränken die Einsatzdauer.
2. Das Gewicht und Größe des Akkus beschränken die Transportfähigkeit.
3. Die Selbstentladung beschränkt die Lagerfähigkeit.
4. Die maximal möglichen Ladezyklen beschränken den langfristigen Einsatz des Akkus.
5. Die mechanische und/oder technologische Robustheit beschränken die Handhabbarkeit.
   

Nicht zu vergessen, die eigene Vergesslichkeit, den Akku rechtzeitig vor dem nächsten Einsatz zu laden. Schwierig, wenn der Einsatz nicht geplant war. Nachdem ich schon NiMH- und Bleigel-Akkus mehr oder weniger lange im Einsatz hatte und diese zumeist durch Tiefentladung ihr Einsatzende erreichten, War eine neue Technologie notwendig.

Nach Vergleich und Abwägung aller Pro und Contras, entschied ich mich für LiFePO4 (Lithium-Eisen-Phosphat) Zellen. Sie sind zwar etwas teurer als LiPo-Akkus, sind dafür aber sicher bzgl. Brand- und Explosionsgefahr. Als konfektioniertes Pack enthalten sie bereits ein Batterie-Management-System (BMS) zum Laden und Schutz der Zellen.

 

Welche Kapazität ist sinnvoll?

Bei der Teleskopmontierung hatte ich meist einen 7Ah Akku, der zum automatischen Nachführen mehr als eine Nacht hielt. 

Etwas Recherche brachte mich zum Anbieter EREMIT. Meine Wahl fiel auf einen 12,8V Akkupack, bestehend aus 4x 32700er Zellen inkl. BMS, mit 6Ah Kapazität. (Datenblatt: hier)

Mein Transceiver für Outdoor-Einsätze ist ein Xiegu G90. Bei einer Sendeleitung von 20W liegt der max. Strom bei ca. 3A. Bei 5W Sendeleistung sind ca. 1,8A notwendig.
Bei Betrieb mit 5W Sendeleistung und 30% Zyklus heißt das pro Stunde 0,3h senden und 0,7h empfangen. Kurz überschlagen: 0,7h * 0,5A + 0,3h * 1,8A = 0,89Ah. Die Kapazität würde für rund 6h reichen. 

 

Das Gehäuse

Angeboten hat sich ein Polycarbonat Gehäuse von Pollin mit den Abmessungen 120x80x85mm in IP65 Ausführung - auch wenn die IP65 durch die weitere Bearbeitung verloren gingen, so ist es doch ein robustes, witterungs- und UV-beständiges Gehäuse.
Die Innenmaße lassen ausreichend Platz für eine Lage Luftpolsterfolie zur Stoßdämpfung. Die Anschlussleitung wurde mit einer XT60 Hochstrombuchse versehen, um Ober- und Unterschale des Gehäuses trennen zu können und einen Akkutausch zu vereinfachen.

Auf der Oberschale befinden sich die Anschlüsse zum Abgreifen der Energie, und natürlich auch zum Laden des Akkus. Es handelt sich hierbei um Anderson Powerpole® Steckverbinder für 30A - Verbinder, die sowohl Stecker als auch Buchse sind.

Sie wurden mit einem 3d-gedruckten Wallsocket (Thingiverse) auf der Oberschale montiert und mit einem XT60 Stecker abgeschlossen.

Zur Überwachung der Akkuspannung wurde noch ein Voltmeter. Da ich nicht möchte, dass das Voltmeter dauerhaft eingeschaltet ist, kommt noch ein Schiebeschalter hinzu. So kommt es nicht zu Störung der Dunkeladaption des Auges bei astronomischen Beobachtungen, und das Entladen des Akkus bei Lagerung wird vermieden. Der Akku selbst wird nicht geschaltet.

Schalter und Voltmeter werden mit Heißkleber fixiert, der Schalter zusätzlich verschraubt.

Das Display des Voltmeters habe ich plan zur Oberfläche eingefügt, um anschließend eine Schutzfolie aufkleben zu können. Als Stoßdämpfung dient eine Lage Verpackungsschaumstoff.

Ein erster Funktionstest:

Abschließend wird noch das Cover aufgeklebt. Für das Display wurde eine Aussparung vor dem Laminieren aus dem bedruckten Papier geschnitten.

Nun muss sich der Akkupack noch im Ausseneinsatz beweisen.

Gewicht: 850g

Kosten: 65 €

• Akku 47 €
• Gehäuse 11 €
• Stecker 2 €
• Schalter 1 €
• Voltmeter 4 €
  

Zum Vergleich: Ein Bleiakku ähnlicher Kapazität (7Ah) kostet nur ca. 20 €, ist jedoch doppelt so groß und 3x so schwer.

GPS-Mouse RoyalTek RGM-2000

Ich habe sie beim Aufräumen wieder gefunden. Ursprünglich war die GPS-Mouse zum Anschluss an die Vpower Teleskopsteuerung gedacht. Da ich mich damals jedoch nicht entscheiden konnte, wo ich genau die Stecker an der Vpower anbringe (Handbox oder Hauptgerät), habe ich die Idee nicht weiter verfolgt.

Nun ist die RoyalTek RGM-2000 wieder aus der Versenkung aufgetaucht und hat meine Neugier geweckt.
Da der Stecker der GPS-Mouse nicht zu gebrauchen war, wurde er durch eine einfachere Zugangsmöglichkeit ersetzt:

Kabelbelegung der RGM-2000:

                           rot = +5 V

                       schwarz = GND

                          gelb = TX

                          weiß = RX

User Manual: http://www.royaltek.com/download/RGM-2000_user_manual.pdf

Die GPS-Mouse habe ich an den Arduino Mega angeschlossen, weil er hardwareseitig mehrere serielle Schnittstellen hat.

Anschluss:

GPS-Mouse TX --> Arduino Pin 18 (RX1)

GPS-Mouse RX --> Arduino Pin 19 (TX1)

Mit dem Programm "MultiSerialMega" und dem seriellen Monitor kann man ohne großen Aufwand die NMEA 0183 Datensätze sichtbar machen (NMEA = National Marine Electronics Association).

Bei mehreren Inbetriebnahmen der Schaltung dauerte es zwischen 50 s und 2 Minuten bis ein gültiger Datensatz generiert wurde.

NMEA 0183 definiert, dass der Sender die Daten gemäß RS-232 (z.B. serielle Schnittstelle am PC) bereitstellt. Die Übertragungsgeschwindigkeit beträgt 4800 bit/s. Die Daten werden im ASCII-Format (American Standard Code for Information Interchange) bereitgestellt.
Geliefert werden von der RGM-2000 zwei Datensätze:

$GPGGA,174916.918,4912.3456,N,00612.3456,E,1,05,1.8,183.9,M,47.8,M,0.0,0000*7A
$GPVTG,,T,,M,0.00,N,0.0,K*7E

Der Inhalt wird auf der Web-Site http://www.NMEA.de beschrieben. 

Das erste Datenfeld (Komma als Trennzeichen) bedeutet:

$GP = GPS

GGA = Global Positioning System Fix Data

VTG = Track made good and Ground speed

Der GGA-Datensatz setzt sich wie folgt zusammen:

174916.918 = Zeit (UTC) im Format hhmmss.sss
 4912.3456 = Breitengrad im Format XXYY.ZZZZ ⇒ XX°YY'(0.ZZZZ * 60)" 

         N = Nord
00612.3456 = Längengrad im Format XXXYY.ZZZZ 

         E = Ost
         1 = GPS Signalqualität (0 - fix not available, 1 - GPS fix,
             2 - Differential GPS fix )
        05 = Anzahl der empfangbaren Satelliten (00 - 12)
       1.8 = horizontale Abweichung
     183.9 = Höhe der Antenne über dem Geoiden (eine idealisierte Form 
             der Erde zu Messzwecken)
         M = Einheit des vorherigen Datenfeldes = Meter

      47.8 = Abweichung des  WGS-84 Ellipsoiden vom Geoiden

         M = Einheit des vorherigen Datenfeldes = Meter

       0.0 = Alter des differential GPS Datensatzes
      0000 = Differential GPS Referenz Stations ID, 0000-1023
         * = Ende des Datensatzes (Payload)

        7A = Prüfsumme des Datensatzes

Der VTG-Datensatz enthält folgende Felder:

leer = Richtung in ° (leer, weil sich der Empfänger nicht bewegt hat)
   T = True (geografische Richtung)
leer = Richtung in °
   M = Magnetic (Richtung gemäß Magnetfeld)
leer = Geschwindigkeit in Knoten
   N = Knoten
leer = Geschwindigkeit in km/h
   K = km/h

   * = Ende des Datensatzes (Payload)

  7E = Prüfsumme

Ein Programm, um die Daten zu visuallisieren ist VisualGPS.
Man kann nach Auswertung mehrerer Datensätze z.B. erkennen, dass die mittlere Genauigkeit - hier beim Empfang von 3 bis 5 Satelliten - ca. 6 m im Breitengrad und 5 m im Längengrad betrug:

Pimp my Vpower!

Wie im LittleFoot Vpower Post erwähnt, lässt sich die Steuerung, zumindest auf der Hardwareseite - noch aufmöbeln und an die eigenen Bedürfnisse anpassen.

Ziel der Neubau-Aktion: ein Basisgerät, mit Anschlüssen für die Motoren, für die PC-Anbindung, für Endschalter (für eine Montierung mit Tangentialantrieb), Anbindung für einen Fokusiermotor und die Handbox. Da ich nicht vor hatte Astrofotographie zu machen, verzichtete ich auf eine separate Autoguiding Schnittstelle. Desweiteren sollte das Basisgerät einen Echtzeittimer und eine Stromversorgung mit 12V und 5V Versorgungsspannung enthalten und eine Kühlung des Spannungsreglers und der beiden Motortreiber-ICs vorsehen. 

Die Handbox sollte mit einem möglichst flexiblen und dünnen Kabel am Basisgerät angeschlossen werden. Sie sollte neben den üblichen Richtungstastern und einem 3-stufigen Geschwindigkeitswahlschalter, auch einen Taster erhalten, mit dem man die Menü-Ebene der Vpower erreichen konnte. Bei der originalen Vpower ist dies nur durch Stellen auf mittlere Geschwindigkeit und gleichzeitigem drücken aller vier Richtungstasten erreichbar. Da man die Display Funktion nur über dieses Menü erreichen kann, wäre das für meine Geschmack zu unkomfortabel geworden. Das Display sollte auch in die Handbox, ebenso ein SD-Karten-Slot und ein Drehregler für den Fokusiermotor. 

Ein Vpower Basis-Kit (Platine mit MCU) und eine Display-Platine war schnell erworben. Die Bestückung der Vpower habe ich diesmal etwas abgeändert. Der Spannungsregler wurde mit Kabel an die Platine angeschlossen, so dass er später mit dem geplanten Aluminiumgehäuse als Kühlkörper verschraubt werden konnte. Dazu mussten alle Bauteile, die höher als die gesockelten ICs waren, auf die Platinenunterseite verlegt werden. Im Wesentlichen waren das die Elektrolykondensatoren und aufrecht zu bestückende Widerstände. Auf die ICs sollte ein durchgängiger Rippenkühlkörper mit Wärmeleit-Pads aufgeklebt werden.

Die nächste Optimierung betrifft den AT89C2051 (im Foto mit "LF" beschriftet), der die Tasten und Schalter auswertet. Diesen Chip habe ich entfernt und auf eine Streifenrasterplatine in der Handbox verlagert. Dadurch habe ich 5 Adern im Verbindungskabel zum Basisgerät eingespart - Vorteilhaft für die Flexibilität und das Gewicht des Kabels. Die Bauteile zur Beschaltung des ICs wurden ebenfalls auf dieser Platine untergebracht. Mit auf die Platine kamen noch 4 Dioden, mit denen das gleichzeitige Schließen aller 4 Richtungstaster durch einen "Menü-Taster" ermöglicht wurde und ein Drehencoder für die Ansteuerung des Fokusiermotors.

Die Bestückung ist beidseitig, so dass die Richtungstaster und die LED ebenfalls Platz auf der Platine fanden und keine extra Verkabelung notwendig war.
Im geöffneten Handbox-Gehäuse rechts zu sehen, ist das Display, unterhalb davon der SD-Card Slot und am Ende des Flachbandkabels eine Schnittstelle, die zum evtl. Update der Display-Firmware benötigt wird.
Das Gehäuse selbst war etwas zu flach, so dass innen etwas ausgefräst werden musste, damit das Display genug Platz fand. 

Die Display Platine ist übersichtlich. Da sie für das Aufstecken auf die Vpower vorgesehen ist, hat sie oben und unten Schnittstellen zum PC bzw. zur Handbox der originalen Vpower. Die PC-Schnittstelle benötigte ich nicht an dieser Stelle, da ich sie am Basisgerät habe. 

Für die Grundfunktionen des Displays ist ein ATmega162 ausreichend. Möchte man die SD-Card nutzen, wird ein Upgrade auf den ATmega128 notwendig. Da diese MCU nicht als DIL Variante erhältlich ist, muss ein Breakout-Board herhalten. Das TQFP Gehäuse des ATmegas hat ca. 0,35 mm breite Pins und musste selbst aufgelötet werden. Mein erster Kontakt mit SMD Bauteilen. Der Prozessor hat das Verlöten mit einer 2 mm breiten Lötspitze, viel Lötzinn und Entlötlitze klaglos überstanden, wie sich später zeigen würde.

Denn vor dieser Erkenntniss stand erst einmal das Aufspielen der Display-Firmware in den neuen Prozessor. Das war nicht über die übliche serielle Schnittstelle möglich, da der Prozessor noch keinen Bootloader hatte. Zum Aufspielen des Boatloaders habe ich einen mySmartUSB Programmer von myAVR benutzt. 
Auf einem Steckbrett wurde noch der Quarzoszillator angeschaltet und die Verbindung zwischen Breakout-Board und Programmer hergestellt.

Das Aufspielen des Bootloaders wird im Supportforum sehr gut beschrieben und funktionierte mit AVR Studio problemlos. Im Anschluss habe ich die Firmware über die serielle Schnittstelle des Diplays eingespielt. Die notwendige Software dazu (und für spätere Updates) wird ebenfalls im Supportforum bereitgestellt. Danach gabe es endlich das erhoffte "Lebenszeichen" des Displays.

Fehlte nur noch der SD-Card Slot. Die Verbindung zum SD Interface am ATmega128 ist schnell verkabelt. Die optimale Unterbringung im Gehäuse habe ich vorher schon getestet und die entsprechende Öffnung gesägt und gefeilt. 

Und dann fügte sich zusammen, was zusammen ... ... nein, so einfach war es dann doch nicht. Das ATmega-Upgrade hatte einen höheren Aufbau, als ich erwartet und bei der Gehäusewahl berücksichtigt hatte.
Daher musste ich an der Gehäuserückseite einen entsprechenden Ausschnitt anbringen und einen Deckel aufkleben (in der Seitenansicht mit SD-Slot erkennbar). Ich habe dazu einen etwas weicheren Kunststoff genutzt. So dient der Deckel auch noch als Puffer beim Ablegen des Gehäuses.

Im Basisgerät:
Die modifizierte Vpower-Platine habe ich auf Abstandhaltern so montiert, dass die (hier blauen) Trimmer zur Motorstromeinstellung vor entsprechenden Löchern im Gehäuse platziert werden konnten. Der Spannungsregler wurder mit dem Gehäuse verschraubt.
Das Kabel links enthält Abgriffe an den Enable-Pins der Motor-Treiber. Über eine kleine Zusatzschaltung mit 2 MOSFET können Endschalter eines Tangentialantriebs die Motoren ausschalten.

Die batteriegepufferte Echtzeiterweiterung wurde ebenfalls im Basisgerät untergebracht. Eingesetzt wurde ein DS1307 Chip. Es sind desweiteren 2 Steckplatze für EEPROM Erweiterung vorhanden, für die ich bis heute jedoch noch keine Anwendung gesehen habe. Angesteuert wird der Baustein über die I2C Schnittstelle des ATmega128. Dafür waren 2 Adern im Anschlusskabel der Handbox vorzusehen.

Rückseitig ist noch ein LM75 SMD Temperaturbaustein untergebracht - eine in der Astronomiepraxis eher unbrauchbare Spielerei, da die Platine ja in einem Gehäuse steckt und die Gehäuse-Innentemperatur nicht interessant ist.
Im Grunde kann auf diese Platine verzichtet werden, und den DS1307 Chip werde ich bei Gelegenheit in der Handbox unterbringen.

Die Rückseite:
Links oben befindet sich der Sicherungshalter, um die Spannungsversorgung vor Kurzschluss und Überlast zu schützen. Ich schließe das Gerät an einen 12V 7Ah Bleigel-Akku an, dessen Ladung für mehrere Beobachtungsnächte ausreicht.
Rechts befinden sich 2 9-polige D-Sub Buchsen zum Anschluss der RA- und DEC-Schrittmotoren und eine Schalterleiste, an der z.B. die Drehrichtung für Nord-/Sübhalbkugel eingestellt werden kann.
Unten in der Mitte ist ein D-Sub Stecker mit den Endschaltereingängen, schaltbaren Spannungen und Fokusiermotoranschluss belegt.

Die Frontplatte: 
Der rote Drucktaster links schaltet das Gerät ein, die LED darunter zeigt Betriebsbereitschaft an. Der Drucktaster daneben schaltet die rückwärtig herausgeführten Spannungen an. Damit kann z.B. eine LED-Beleuchtung betrieben werden.
Die beiden roten LEDs zeigen an, wenn ein Endschalter auslöst. Hat man die Stellung des Tangentialantriebs angepasst, kann man die Auslösung mit dem blauen Taster wieder aufheben.
Links unten ist die PC-Schnittstelle. Hier könnte über ein Breakout-Kabel auch ein ST-4 kompatibler Autoguider angeschlossen werden. Rechts ist der Anschluss für die Handbox.

Das Endergebnis: 

Ein Foto vom Innenleben des Basisgerätes habe ich bewusst weggelassen. Durch die vielen Schnittstellen und die damit verbundene Verkabelung, war ich froh, als das Gehäuse geschlossen war ;-)

LittleFoot Vpower

Es ist zwar schon einige Zeit vergangen, seit ich diese Steuerung für eine parallaktische Montierung zusammengebaut habe, aber ich bin nach wie vor von ihrer Funktion begeistert.
Auf die LittleFoot Vpower wurde ich durch Diskussionen in diversen Astronomie-Foren aufmerksam. Für eine kommerziell angebotene Steuerung mit ähnlicher Ausstattung muss man schon mal an die 1000€ hinzublättern. Da ist es sehr verlockend für unter 100€ eine selbst zu bauen. Besonders, wenn Selbstbauern  im Support Forum kompetent geholfen wird.
Das Äußere ist recht unscheinbar, aber praxisorientiert. Auf Beschriftung und Design kann verzichtet werden. Dafür sind die Bedienelemente intuitiv erfassbar und mit Handschuhen bedienbar. Wichtig, da Hobby-Astronomie im Dunkeln und auch gerne mal bei winterlichen Minusgeraden stattfindet. Einzig die LED gibt 2-farbig Rückmeldung über den Betriebsmodus.

Zusammengelötet war das Gerät an einem Abend. Das Gehäuse zu bearbeiten, Anschlusskabel für Versorgungsspannung, Motoren und ein Null-Modem-Kabel , haben genau so lange gedauert. Ein Aufspielen der Firmware war nicht erforderlich, da ich einen Basisbausatz gekauft hatte, der neben schwer erhältlichen Bauteilen die Platine mit dem rückseitig bereits bestückten Controller samt Firmware enthielt.

Die inneren Werte: unter der Haube werkelt als zentraler Controller ein Atmel ATMEGA162. Er kommuniziert mit einem Atmel AT89C2051, der für die Auswertung der Bedienelemente und die Ansteuerung der LED zuständig ist. Über einen MAX232 Baustein erfolgt die serielle Kommunikation mit dem PC, um Montierungsparameter einzustellen oder die Steuerung per LX200 Protokoll als Slave zu nutzen. Letzteres erlaubt Planetariumssofware als User-Interface mit Goto-Funktion zu dienen. Als Motortreiber für Schrittmotoren kommen 2 L6207N Treiber zum Einsatz.

Der Zusammenbau: problemlos. An der ein oder anderen Stelle könnte man die Bauteilbestückung anders gestalteten, aber es geht auch so und alles passt ins Gehäuse. Zugeschraubt, Spannung angelegt, LED leuchtet - ein erstes Hochgefühl (keine Rauchentwicklung).
Über zwei Trimmer wird der benötigte Motorstrom für Normalbetrieb und schnellen Vorlauf (Boost) eingestellt - der einzige Arbeitsschritt, bei dem ein Messgerät erforderlich ist. Nach dem Anschluss der Vpower via Null-Modem-Kabel an einen seriellen Port des PCs, habe ich die Parametrisierungssoftware V4 Control aufgespielt. Nach Eingabe der Getriebeübersetzungen der Montierung und Übernahme in die Steuerung konnte der praktische Einsatz beginnen. 

Vorab ein "Trockenlauf" in der Werkstatt:

Praxis: An meiner Celestron ADM angeschlossen - geht!
Der Rektaszensionsmotor surrte in der richtigen Geschwindigkeit vor sich hin, der Deklinationsmotor wie üblich nach Tastendruck. Auch die anderen Funktionen, wie z:b. schnelle Vor- und Rückwärtsbewegungen in 2 unterschiedlichen Geschwindigkeitsstufen, funktionierten tadellos.
Mit Hilfe von V4 Control kann man die Stufen einstellen und so herausfinden, was die Motoren maximal an Schrittfrequenz mitmachen.

Fazit: der Zusammenbau hat sich für mich gelohnt. Es hat Spaß gemacht, ich habe viel dabei gelernt und bezahlbar war es auch.
Wo Licht ist, ist auch Schatten. Folgende Schwächen sind mir aufgefallen:
Spannungsregler und Motortreiber könnten einen Kühlkörper vertragen, wenn man die maximal lieferbare Stromstärke ausreizen möchte. Dafür müsste die Bestückung optimiert werden. Andererseits kann man sich im Winter gut die Hände daran wärmen ;-).
Der Hohlstecker für die Stromversorgung kann bei leichtem Zug am Kabel rausfallen. Das kann man leicht beheben, wenn man die Motorkabel und das Stromversorgungskabel nahe an der Handbox mit Klebeband oder einem Kabelbinder zusammenfasst. Wenn noch ein PC mit angeschlossen ist, hängen 4 Kabel an der kleinen Handbox, was die Handhabung etwas unkomfortabel macht.
Ergo, irgendwann hat es trotz problemlosen Betrieb in den Fingern gejuckt, die Schwächen zu beseitigen. Da es mittlerweile ein aufsteckbares Display, eine SD-Karten Option für Goto-Bilbliotheken, ein Prozessorupgrade, ein Echtzeitmodul und eine GPS-Option gab, lag es nahe, das Gerät zu überarbeiten oder zu verkaufen und von vorne anzufangen. Also letzteres ;-)