PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE68920746T2 22.06.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0433400
Titel LICHTGESPEISTES ELEKTRONISCHES ENERGIEVERWALTUNGSSYSTEM.
Anmelder Solatrol, Inc., San Diego, Calif., US
Erfinder NIELSEN, Wyn, Y., La Jolla, CA 92037, US;
LUCK, Jonathan, M., La Jolla CA 92037, US
Vertreter Strehl, Schübel-Hopf, Groening & Partner, 80538 München
DE-Aktenzeichen 68920746
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, FR, GB, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 04.10.1989
EP-Aktenzeichen 909011157
WO-Anmeldetag 04.10.1989
PCT-Aktenzeichen US8904407
WO-Veröffentlichungsnummer 9004871
WO-Veröffentlichungsdatum 03.05.1990
EP-Offenlegungsdatum 26.06.1991
EP date of grant 18.01.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.06.1995
IPC-Hauptklasse H02J 1/10
IPC-Nebenklasse A01G 27/00   

Beschreibung[de]

Die Priorität der vorliegenden Patentanmeldung ist eine Teilfortführungsanmeidung einer am 22. September 1988 für eine FLEXIBLE PROGRAMMIERBARE BEWÄSSERUNGSSYSTEM-STEUEREINHEIT eingereichten US-Patentanmeldung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1.0 Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft sich selbst mit Energie versorgende Bewässerungssteuersysteme und Steuereinheiten, insbesondere Bewässerungssteuersysteme, die ihre Betriebsenergie zeitweise aus Licht gewinnen.

2.0 Hintergrund der Erfindung 2.1 Bewässerungssteuereinheiten und Ventile, die eine gemeinsame Fern-Wechselstromversorgung besitzen

Fast alle existierenden Bewässerungssysteme werden mit Wechselstrom betrieben (z.B. US-A-4 165 532). Die Verwendung von Wechselstrom erhöht jedoch die Kosten sowohl für das Installieren der Steuereinheiten selbst als auch für die hydraulischen Komponenten des Bewässerungssystems. Die herkömmlichen Steuereinheiten sind entweder an der Innen- oder Außenwand eines Gebäudes oder im Gelände auf einem Sockel montiert. An der Wand angebrachte Steuereinheiten haben den Vorteil, daß sie sich an einer zentralen Stelle befinden, an der eine Wechselstromversorgung zur Verfügung steht. Diese zentrale Anbringung der Steuereinheit erfordert jedoch oft die kostspielige Verlegung von langen Leitungsabschnitten, um die erforderliche Niederspannungsleitung von der Steuereinheit zu den Ventilen zu bringen. Zwar sind Steuereinheiten oft so ausgelegt, daß der Aufwand für die Verlegung der Leitungen zu den Ventilen gering ist, es ist jedoch klar, daß die Kosten für das Eingraben und Verlegen einer Wechselstromleitung, um diesen Steuereinheiten Energie zuzuführen, hoch sein können. Schon die Sockel allein sind kostspielig. In jedem Fall ist eine aufwendige Verkabelung unter einer Straße oder einem intensiv genutzten Bereich schwierig zu verlegen, zu reparieren, zu ersetzen oder auf neue Geländebereiche auszudehnen.

Manchmal erfordern kommunale Vorschriften vor dem Beginn von Bauarbeiten eine vorübergehende Bewässerung zur Stabilisierung von neu angelegten Böschungen. Um nur die erforderliche Energie zu den Bewässerungssteuereinheiten zu bringen, muß dabei mit hohen Kosten für eine bestimmte Zeit eine Wechselstrom-Energieversorgung eingerichtet werden, oft lange bevor die Bauarbeiten tatsächlich beginnen.

Im Zusammenhang mit der Abhängigkeit von Wechselstrom gibt es auch Zuverlässigkeitsprobleme. Die bestehenden Bewässerungssteuersysteme sind oft empfindlich gegenüber Störungen in der Energieversorgung und gegen Spannungsspitzen. Netzausfälle veranlassen wechselstromgespeiste Steuereinheiten in der Regel dazu, zu einem vorgegebenen "Reserve"-Programm zurückzukehren, wodurch eine sachgemäße Aufsicht erforderlich ist, um die Steuereinheiten reprogrammieren zu können. Spannungsspitzen und Entladungen können Steuereinheiten auch stören und sogar vollständig zerstoren. Um Steuereinheiten vor Spannungsspitzen zu schützen, wird oft von den Herstellern der Bewässerungssteuereinheiten eine aufwendige Ausrüstung zur Konditionierung der Energieversorgung vorgeschrieben. Ein wirksamer Schutz kann fast das gleiche kosten wie die Steuereinheit selbst. Da Bewässerungssteuereinheiten oft über große Geländegebiete verteilt und verkabelt sind, werden sie häufig von Spannungsspitzen beeinflußt, die von elektromagnetischen Impulsen und elektrostatischen Entladungen aufgrund von Blitzschlägen verursacht werden.

Ein zusätzliches Problem ist es bei den bestehenden Steuereinheiten und den üblichen 24-Volt-Wechselstromventilen, daß die eingegrabenen Steuerleitungen "Erdbezogen" sind und dazu neigen, große "Erdströme" aufzunehmen, insbesondere in der Nähe von Hochspannungsleitungen. Diese induzierten Ströme haben im wesentlichen die gleichen schädlichen Auswirkungen wie die Spannungsspitzen auf den Wechselstrom-Versorgungsleitungen.

Die Umwelt-Vorschriften für die Wechselstromverkabelung bei der Bewässerungssteuerung werden immer strenger. Die NEC-Vorschriften schreiben vor, daß jede elektrische Leitung, die an das Wechselstromnetz angeschlossen ist und die mit Wasser oder Rohrleitungen in Kontakt kommen kann, auf 15 Volt oder weniger begrenzt ist. Gegenwärtig werden nahezu alle elektromagnetisch betätigten Membranventile mit 24 Volt betrieben, so daß die vorhandene Ausrüstung diesem Standard nicht entspricht. Eine Änderung auf 12 Volt-Solenoide würde zum Betreiben der Ventile mehr als das Doppelte des Stromes erfordern und daher stärkere, aufwendigere Kabel und andere Komponenten notwendig machen.

Der Aufwand für die Arbeit und das Material zum Verlegen von Wechselstromleitungen zu den Steuereinheiten eines Bewässerungssystems stellt einen erheblichen Teil der gesamten Systemkosten dar. Zum Beispiel können die Leitungskosten für ein integriertes Multi-Station-Bewässerungssteuersystem für einen großen Wohnkomplex 63% der Gesamtkosten für die Installation des Bewässerungssystems betragen.

Wenn die Bewässerungssteuereinheiten sich selbst mit Energie versorgen können und keine Wechselstromquelle benötigen, können sie näher an den Ventilen angebracht werden, und die Länge der Niederspannungsleitungen von den verteilten, sich selbst mit Energie versorgenden Steuereinheiten zu den Ventilen kann erheblich verringert werden. Für die gleiche Installation können sich die Leitungskosten für den Unternehmer um bis zu 85% verringern. Es können daher viele Kosten eingespart werden, wenn bei einem Bewässerungssteuersystem die Wechselstromleitungen weggelassen werden. Wenn die Kosten für die Steuereinheiten und für die Ventile gleich bleiben (was nicht sicher ist), dann können die Gesamt-Installationskosten für das Bewässerungssystem um bis zu 54% (d.h. 63% x 85%) verringert werden.

2.1.1 Bewässerungssteuereinheiten und Ventile erfordern wegen ihres Verbrauchs an Energie und Leistung in der Regel eine Wechselstrom-Fernversorgung

Ein typisches elektromagnetisch betätigtes Membranventil, von denen in der Regel viele -zig oder -hundert bei der Bewässerung verwendet werden, benötigt bei 24 Volt Wechselspannung dauernd etwa 0,25 Ampere Strom, d.h. es verbraucht dauernd etwa 6 Watt. Diese elektromagnetisch betätigten Ventile werden von elektronischen oder elektromechanischen Steuereinheiten angesteuert. Wegen des hohen Stromverbrauchs der Elektromagneten sind diese Systeme meist an das Wechselstromnetz angeschlossen.

Es gibt einrastende elektromagnetisch betätigte Membranventile, die nur für eine kurze Zeit, beim Öffnen und Schließen (Einrasten und Entriegeln), Strom brauchen. Obwohl solche einrastende Solenoidventile generell teurer, komplizierter und Fehleranfälliger sind, verringern sie den Energiebedarf für das Gesamtsystem. Bei jedem Auftreten einer Ventilbetätigung erfordert jedoch ein Bewässerungssystem mit einrastenden Solenoidventilen typischerweise immer noch etwa 6 Watt an momentaner Leistung.

Eine elektronische Bewässerungssteuereinheit des Typs, wie er typischerweise bei einem Bewässerungssystem verwendet wird, um eine Anzahl von Bewässerungsstationen oder Ventilen zu steuern, verbraucht typisch etwa 0,5 Ampere Strom bei 120 Volt Wechselspannung oder 60 Watt. Der Energiebedarf für ein wirksames, modernes Bewässerungssteuersystem mit einer Steuereinheit und acht typischen Solenoidventilen wird daher im Bereich von 66 Watt gesehen, wenn ein Ventil angesteuert wird.

Obwohl der Verbrauch von 60 bis 66 Watt elektrischer Leistung für 24 Stunden am Tag und 365 Tage im Jahr nicht unwesentliche Kosten beim Betreiben eines Bewässerungssystemes darstellen, sind es die anfänglichen Installationskosten eines wechselstromgespeisten gegenüber einem sich selbst mit Energie versorgenden Bewässerungssystems, die ein primäres Problem darstellen, das von der vorliegenden Erfindung behandelt wird.

Bei der Realisierung eines sich selbst mit Energie versorgenden Bewässerungssystems, das jedes Erfordernis nach der Zuführung von Energie aus der Ferne, typischerweise Wechselstromenergie, beseitigt, treten technologische Probleme auf. Diese Probleme werden im folgenden Abschnitt diskutiert. In gewissem Maße sind die Probleme eine Folge der vom Bewässerungssystem verbrauchten Energie. Es ist daher nützlich, den wahrscheinlichen Energieverbrauch eines Bewässerungssystemes abzuschätzen, das mit bestehender Technologie so aufgebaut wird, daß es energiesparend ist. Um den Zustand zu ändern, benötigen einrastende Niedrigenergie-Solenoidventile für 100 msek etwa 24 V Gleichspannung und 200 mA. Eine aus komplementären Metalloxidhalbleitern (CMOS) mit geringem Energieverbrauch und einer Schaltungstechnologie mit mittlerem Integrationsgrad (MSI) und hohem Integrationsgrad (LSI) aufgebaute Bewässerungsssteuereinheit wird aus etwa 200 Chips bestehen. Eine solche Bewässerungssteuereinheit kann so konstruiert werden, daß sie weniger als 0,01 Watt oder 240 Milliwattstunden pro Tag verbraucht. Mit dieser Energie erfolgen ausreichend Berechnungen, um einen Bewässerungsplan auszuführen, bei dem ein oder mehrere Bewässerungsventile etwa 128 mal für alle Ventile betätigt werden. Jeder dieser Ventilzyklen verbraucht etwa 480 Milliwattsekunden oder 0,13 Milliwattstunden. Die gesamten 128 Ventilzyklen verbrauchen dann etwa 17 Milliwattstunden. Der Energiebedarf für ein kundenspezifisches Bewässerungssystem mit sehr, sehr geringem Energieverbrauch liegt daher im Bereich von 257 Milliwattstunden pro Tag plus Verluste. Dies ist etwa 5000 mal weniger als die 1440 Wattstunden, die eine herkömmliche Steuereinheit täglich braucht. In den folgenden Abschnitten wird erläutert, wie schwierig es ist, sogar diesen geringen Energiebedarf sicherzustellen.

2.1.2 Batterien können den Leistungs- und Energiebedarf für Bewässerungssteuersysteme erfüllen, es gibt dabei jedoch Probleme

Batterien reichen aus, um sowohl den Leistungs- als auch den Energiebedarf von Bewässerungssteuersystemen zu erfüllen. Eine Batterie hat einen geringen Innenwiderstand und kann in aller Regel die 200 mA Strom, die für eine kurze Zeit (etwa 100 msek) beim Einrasten eines Solenoidventils benötigt werden, leicht abgeben. Auch kann der gesamte Energiebedarf von energiesparenden Bewässerungssystemen mit Batterien erfüllt werden. Seit etwa 1988 gibt es bereits mindestens eine batteriebetriebene Steuereinheit auf dem Markt. Sie macht von 6 Volt-Taschenlampenbatterien Gebrauch.

Trockenbatterien haben sich jedoch als unzuverlässig für die Energieversorgung von Bewässerungssteuerungen erwiesen. Die Batterie befindet sich in einem im Freien befindlichen Gehäuse und unterliegt allen Klimaextremen wie Hitze, Kälte und Feuchtigkeit. Es ist schwierig, die genaue Lebensdauer der Batterie zu berechnen, die zum Teil von der intermittierenden Energieabgabe zum Steuern des Schaltens der Bewässerungsventile abhängt. In der Regel müssen die Batterien alle zwei Monate oder noch früher ausgetauscht werden. Auch wenn sie oft ausgetauscht werden (mit beträchtlichen Kosten), können die Batterien ohne Warnung einen Zustand annehmen, der nicht mehr ausreicht, das Bewässerungssystem zu versorgen. Da aufgrund einer ungenügenden Bewässerung die Vegatation sehr schnell stark geschädigt werden kann, insbesondere bei warmen Wetter, ist der Ausfall eines Bewässerungssystems aufgrund eines Batterieausfalls ein sehr unerwünschter Vorgang.

2.1.3 Durch Solarzellen wiederaufladbare Batterien können Bewässerungssteuersysteme versorgen, es gibt dabei jedoch Probleme

Angesichts des hohen Aufwandes, der periodisch häufigen Service-Anforderungen und der Unzuverlässigkeit von Trockenzellen für die Versorgung von Bewässerungssteuersystemen wurde bereits mindestens ein solarbetriebenes Bewässerungssteuer-System vorgeschlagen. Naßelementbatterien mit etwa der Größe und Energiespeicherkapazität von Autobatterien werden bei diesem System verwendet. Diese Batterien zeigen erhebliche Ladungsverluste bzw. eine erhebliche Selbstentladung, auch wenn keine Energie zum Betreiben des Bewässerungssteuersystems entnommen wird. Die Batterien versorgen eine typische Bewässerungssteuereinheit, die 8 einrastende Solenoidventile steuert, die zusammen bis zu 128 Gesamtzyklen pro Tag betätigt werden. Um die Verluste und die verbrauchte Energie zu ersetzen, ist ein Solarzellenfeld von einigen Quadratfuß, typisch mindestens sechs (6) Quadratfuß erforderlich, um ausreichend Solarenergie zu sammeln. Ein so großes Solarzellenfeld ist teuer, schwierig aufzustellen und gegen physische Schäden zu schützen sowie unschön in der Erscheinung. Es ist für die meisten kommerziellen und Wohngebiet-Bewässerungsanwendungen nicht geeignet.

Die Naßzellenbatterien haben, obwohl sie eine größere Dauerhaftigkeit besitzen als Trockenzellen, eine relativ kurze Lebensdauer von einigenn Monaten oder Jahren. Sie sind nur aufwendig und mühsam zu ersetzen. Bei manchen Anwendungen, bei denen Elektrolytverluste pflanzlichem oder tierischem Leben gefährlich werden können, stellen sie ein Sicherheitsrisiko dar -

2.2 Elektrolytkondensatoren mit Elektroden aus Kohlenstoffpaste können nennenswert Energie speichern, jedoch nicht viel Leistung pro Zeiteinheit abgeben

Die Verwendung von Kondensatoren zum Speichern von elektrischer Ladung oder Energie ist bekannt. Die relativ neuen Hochleistungs-Elektrolytkondensatoren auf der Basis von Elektroden aus Kohlenstoffpaste können große Mengen elektrischer Ladung speichern. Ein solcher Kondensator ist Gegenstand des US-Patents 3 536 963.

Diese Hochleistungs- oder "Super"-Kondensatoren können zwischen die Batterien und die herkömmlichen Kondensatoren eingereiht werden. Es ist bekannt, diese Super-Kondensatoren in Systemen mit Mikrocomputern und/oder CMOS-Speichern als Reserve-Energiequellen zu verwenden.

Unglücklicherweise sind die Superkondensatoren nicht zur Versorgung herkömmlicher Bewässerungssysteme mit Steuereinheiten und Ventilen geeignet. Um ausreichend Energie zu speichern, ist eine Anordnung von einigen zehn oder hundert dieser Superkondensatoren erforderlich, von denen jeder relativ gesehen teurer ist als eine Batterie. Eine so große Anordnung weist einen erheblichen Leckstrom auf. Dieser Leckstrom macht ein ähnlich großes Solarenergie-Sammelfeld erforderlich wie für die Naßzellenbatterien.

Schließlich haben Superkondensatoren einen hohen äquivalenten Reihenwiderstand (ESR) und sind deshalb in der Menge an Energie, die sie pro Zeiteinheit abgeben können, entsprechend begrenzt. Obwohl von einigen zehn oder hundert dieser Superkondensatoren in paralleler Anordnung eine beträchtliche Gesamtleistung abgenommen werden kann, sind einige wenige Superkondensatoren in der Regel nicht in der Lage, ausreichend Strom abzugeben, um ein einrastendes Solenoidventil geringer Leistungsaufnahme zu betätigen.

Diese Einschränkungen hinsichtlich der Kosten und des elektrischen Stromes von Superkondensatoren sind nicht auf einen vorgesehenen Einsatz in aufladbaren Energiequellen für herkömmliche Bewässerungssysteme beschränkt. Obwohl die Superkondensatoren hervorragende Eigenschaften haben, war es bei den bisherigen Anwendungen für zeitweise Reserve-Energiequellen bei digitalen Logikgeräten erforderlich, daß sie anfänglich von einer Stromversorgung aufgeladen werden, die in der Regel mit Wechselstrom betrieben wird.

2.3 Welche Art von Energiequelle für ein sich selbst mit Energie versorgendes Bewässerungssystem auch verwendet wird, es treten immer ernste Probleme mit der Quelle bezüglich einer ausreichenden Energiespeicherkapazität auf, um auch eine asynchron auftretende Benutzer-Kommunikation durchführen zu können und um auf Befehle reagieren zu können, die sich aus dieser Kommunikation ergeben

Die Energiequelle für ein sich selbst mit Energie versorgendes Bewässerungssystem wird normalerweise so bemessen, daß alle normalen Energieanforderungen des Systems im Ruhezustand erfüllt werden. Wenn die selbständige Energiequelle solarbetrieben ist, sollte die Energieaufnahme und die Speicherkapazität ausreichen, um das System während der Nacht, während aufeinanderfolgender bewölkter Tage usw. in Betrieb zu halten.

Ein sich selbst mit Energie versorgendes Bewässerungssystem muß die asynchrone Ankunft, bei Tag oder Nacht, von Wartungspersonal für das System unterstützen. Das Wartungspersonal kann mit der Bewässerungssteuereinheit in Verbindung treten, die Bewässerungsventile betätigen und/oder einen Bewässerungsplan einleiten, der zahlreiche sofortige Ventilbetätigungen erfordert. Jede dieser Aktivitäten ist für sich schwierig vorauszuplanen und mit der erforderlichen Energie zu versorgen. Wenn eine selbständige Energiequelle in der Bewässerungssteuereinheit oder dem System die Kommunikation des Systems ermöglichen muß, dann muß sie sehr viel mehr Energie speichern, als für den Ruhebetrieb erforderlich ist. Und doch sind asynchron auftretende Kommunikationsanforderungen an das Bewässerungssystem durch Wartungspersonal Routine und zu erwarten. Diese Anforderungen stellen eine große, im wesentlichen nicht zu bemessende und nicht zu steuernde Anforderung an die Energiequelle eines sich selbst mit Energie versorgenden Bewässerungssystems dar. Auch wenn die System-Energiequelle von ausreichender Kapazität ist, um diese Anforderungen zeitweise zu erfüllen, wie es normalerweise mit Batterien der Fall ist, wird gewöhnlich durch die Kommunikation das Wartungspersonals mit dem System der Energiespeicher des Systems erheblich geleert oder sogar erschöpft.

Dies trifft besonders dann zu, wenn das Wartungspersonal das System dadurch versuchsweise in Betrieb setzt, daß Zyklen der Bewässerungsventile ausgelöst werden. Allzuleicht wird ein solcher Versuchsbetrieb und eine solche Prüfung des sich selbst mit Energie versorgenden Bewässerungssystems den Energiespeicher des Systems derart beanspruchen, daß unmittelbar oder kurz nach Beendigung des Versuchsbetriebes und der Prüfung ein Energieausfall und ein Systemfehler eintritt.

Es treten weitere Probleme auf, wenn das Wartungspersonal einen neuen Bewässerungssteuerplan erstellt. Eine aufladbare selbständige Energiequelle, etwa eine durch Solarenergie aufladbare Batterie, kann ihre Tages-Energiemenge bei der Ausführung der Bewässerungssteuerung aufgebraucht haben und eine Neuaufladung benötigen, um denselben täglichen Bewässerungszyklus neu steuern zu können. Das Wartungspersonal kann einen neuen Bewässerungsplan aufstellen, der eine sofortige Energieabgabe erfordert, während die Energiequelle erschöpft ist. Diese Energieabgabe ist erforderlich, bevor die Quelle wieder ordnungsgemäß aufgeladen werden kann. Es reicht daher nicht aus, daß ein sich selbst mit Energie versorgendes Bewässerungssystem nicht vorgesehene Energieverluste bei der Kommunikation mit Wartungspersonal oder bei einem Versuchsbetrieb vermeidet. Für bestimmte Anlässe muß die Energiequelle des Systems nach der Kommunikation mehr Energie enthalten als vorher.

Entsprechend ist kein sich selbst mit Energie versorgendes Bewässerungssystem in der Lage, genügend Energie zu speichern, um auch eine nicht vorgesehene Energieabgabe von erheblicher Höhe asynchron zur normalen System-Energieabgabe zum Zwecke der Bewässerung zu erlauben, egal wie energiesparend das Bewässerungssystem ist und egal wie großzügig die Energiespeicherkapazität bemessen ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung beabsichtigt das Betreiben eines elektrischen Systems aus mehreren Energiequellen, wobei die Wahl der Energiequelle mit der Art der Arbeit in Übereinstimmung ist, die zu verschiedenen Zeiten vom System ausgeführt wird. Das System ist typischerweise ein Bewässerungssystem, das eine elektronische Bewässerungssteuereinheit und elektrisch betätigte Ventile beinhaltet. Die Steuereinheit führt, zu unterschiedlichen Zeiten, (i) die Bewässerungssteuerung aus und tritt, (ii) entweder direkt oder indirekt über ein Interface mit einem Benutzer/Programmierer für das Bewässerungssystem in Verbindung.

Eine lichtbetriebene erste Energiequelle liefert an das Bewässerungssystem die ganze Energie, die für dessen Bewässerungsfunktion erforderlich ist. Diese erste Energiequelle beinhaltet photovoltaische Einrichtungen, um Licht in Elektrizität umzuwandeln, und Hochleistungskondensatoren, um die Energie für Dunkelperioden zu speichern.

Eine zweite Energiequelle liefert der Bewässerungssteuereinheit des Bewässerungssystems die Energie, die für die Kommunikationsfunktion erforderlich ist. Diese zweite Energiequelle ist tragbar und in der Regel eine Batterie. Die Batterie wird zu der Bewässerungssteuereinheit gebracht und elektrisch damit verbunden, um die Kommunikation der Steuereinheit mit dem Benutzer/Programmierer einzuleiten und durchzuführen. Diese Kommunikation kann entweder direkt über ein Mensch/Maschine-Interface, das durch ein lokales Steuerfeld dargestellt wird, oder indirekt über eine Kommunikationsverbindung erfolgen, für die ein gebräuchlicher Ein/Ausgabeanschluß vorgesehen ist.

Die von der lichtbetriebenen ersten Energiequelle versorgte Bewässerungssteuerung erfordert in der Regel weniger Energie pro Zeiteinheit als die Kommunikation mit dem Bediener, die von der tragbaren zweiten Energiequelle versorgt wird. Dies ist immer der Fall, egal ob die Kommunikation über das Mensch/Maschine-Interface und der Darstellung von Anzeigen sowie der Betätigung von Schaltern erfolgt oder über einen Ein/Ausgabekanal und die Übermittlung von elektrischen Signalen. Die Kommunikation benötigt mehr Leistung und Energie, nicht nur wegen des Ansteuerns der Anzeige oder das Übertragen von elektrischen Signalen, wozu jeweils Energie erforderlich ist, sondern auch weil die Steuerung der Bewässerung gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der später noch erläutert wird, so wenig Leistung und Energie benötigt.

Entsprechend sieht die vorliegende Erfindung das Zuführen von Energie von der tragbaren zweiten Energiequelle, um die Steuereinheit zu betreiben und in Kommunikation zu treten, wobei die meiste Energie benötigt wird, und ansonsten von einer lichtbetriebenen ersten Energiequelle vor. Es wird dadurch das Dilemma beseitigt, das auftritt, wenn bei Tag oder Nacht mit einem in der Energie beschränkten elektrischen System wie einer Bewässerungssteuereinheit mit begrenzten Energiereserven asynchron in Verbindung getreten werden soll, da das Einleitung der Kommunikation automatisch die zur Durchführung der Kommunikation erforderliche Energie mit sich bringt.

Darüberhinaus werden erfindungsgemäß die Energiespeicherkondensatoren der ersten Energiequelle durch die Batterie der zweiten Energiequelle aufgeladen. Das heißt, daß jede Kommunikation mit der Bewässerungssteuereinheit die erste Energiequelle voll aufgeladen und in der Lage hinterläßt, die folgende Bewässerungssteuerung auszuführen, auch eine Bewässerungssteuerung, die in der Nacht beginnt oder die beginnt, nachdem das System eine Periode des nicht sachgemäßen Gebrauchs und der Entladung hinter sich hat. Die zweite Energiequelle erfüllt nicht nur die Energieanforderungen bei der Kommunikation, sondern hinterläßt immer das Bewässerungssystem bereit, die Speicherkapazität seiner ersten Energiequelle vollständig auszunutzen.

Die vorliegende Erfindung sieht des weiteren eine neue Art von Energiequelle vor, die Energie, die aus Licht gewonnen wird, als elektrische Ladung in einem Kondensator speichert, insbesondere in einem Hochleistungskondensator. Eine photovoltaische Energiequelle erzeugt beim Vorhandensein von Lichtenergie eine Spannung. An die photovoltaische Energiequelle ist über Dioden ein Kondensator angeschlossen. Der Kondensator akkumuliert die elektrische Ladung aus der Spannung, die von der photovoltaischen Energiequelle erzeugt wird. Ein Spannungssensor am Kondensator erzeugt ein Kontrollsignal, wenn die Ladung auf dem Kondensator einen vorbestimmten Bezugspegel übersteigt. Eine Verzögerungsschaltung nimmt das Kontrollsignal auf und verzögert es zeitlich, um ein verzögertes Kontrollsignal zu erzeugen. Auf den Erhalt des verzögerten Kontrollsignals hin schließt eine steuerbare Nebenschlußschaltung, die an die photovoltaische Energiequelle angeschlossen ist, die von der photovoltaischen Energiequelle erzeugte Spannung kurz.

Die Kondensatoren der ersten Energiequelle sind in der Regel vom elektrischen Doppelschichttyp, der elektrische Ladungen durch ein elektrisches Feld am Übergang zwischen zwei vorhandenen Phasen speichert. Die eine Phase ist in der Regel aktivierter Kohlenstoff und die andere Phase ein ionisch leitender Elektrolyt, in der Regel eine Schwefelsäurelösung. Diese Art eines Kondensators wird üblicherweise ein Hochleistungs- oder "Super"-Kondensator genannt, der in der Lage ist, große Energiemengen zu speichern. Bei der bevorzugten Ausführungsform der ersten Energiequelle werden vier solcher Superkondensatoren mit jeweils 1 Farad Kapazität verwendet. Zusammen können die Kondensatoren etwa 23 Joule = 23 Wattsekunden = 6,5 mWh an elektrischer Energie speichern.

Die photovoltaische Energiequelle erzeugt typischerweise 35 mA bei 10 V Gleichspannung oder 350 Milliwatt bei einem Sonnen-Lichtpegel und einer extrem geringen Kollektorfläche von 18 Quadratzoll. Diese Energieerzeugung ist für schwaches Licht aufgrund von bewölktem Wetter oder einem schlechten Platz, nördliche Breiten, Durchgangsverluste in einer transparenten Abdeckung, die verschmutzt ist, und für die Stunden der Dunkelheit beträchtlich herabgesetzt. Bei schlechten Lichtbedingungen und Anbringungsorten erzeugt die photovoltaische Energiequelle täglich 7,6 mWh Energie.

Die Energiespeicher- und Erzeugungskapazitäten der bevorzugten Ausführungsform der ersten Energiequelle stellen eine extreme Herausforderung für die Energie- und Leistungsverwaltung schon in der Ruhezustandssteuerung, ohne jede Kommunikation, eines Bewässerungssystemes dar.

Erfindungsgemäß wird diese Herausforderung erfüllt. Erfindungsgemäß ist die Bewässerungssteuereinheit in relativ langen Zeitabständen im Bereich von Minuten oder Stunden nur für sehr kurze Zeitspannen im Bereich von Bruchteilen einer Sekunde vollständig "wach" und in Betrieb, um die Bewässerungsstationen zu steuern. In der Regel ist die Steuereinheit jede Sekunde für 10 Millisekunden in Betrieb. Aus einer Konstantfrequenzquelle wird eine Uhr für die verstrichene Zeit in der Steuereinheit ständig aktualisiert. Der Rest der Steuereinheitlogik, der im wesentlichen aus einem Mikroprozessor besteht, ist vollständig "tot" oder statisch und nicht in Betrieb. In diesem Zustand verbraucht die Logik effektiv keine Energie. Die Uhr für die verstrichene Zeit ist als CMOS-Schaltung ausgeführt. Sie verbraucht extrem wenig Energie, in der Regel weniger als eine Digitaluhr, die auch eine Anzeige ansteuern muß. Der Mikroporzessor und die zugehörigen Logikschaltungen sind vorzugsweise auch als CMOS-Logik ausgeführt, vorzugsweise in der Form von zwei anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs). Bei dieser Ausführung verbraucht die gesamte Steuereinheit auf einer 24-Stunden-Basis (von denen die Steuereinheit nur einen winzig kleinen Bruchteil der Zeit arbeitet) nicht mehr Energie als 6,4 Milliwattstunden. Bei diesem Energiebedarf berechnet die Steuereinheit einen Bewässerungsplan und führt ihn aus, der die Zyklen von einem oder mehreren Bewässerungsventilen mit ultrageringem Enrgieverbrauch bis zu insgesamt 128 Zyklen für alle Ventile steuert.

Um eine Kommunikation auszuführen, muß die Bewässerungssteuereinheit in Betrieb oder "wach" sein. Das heißt im Falle einer mikroprozessorgesteuerten Bewässerungssteuereinheit, daß der Mikroprozessor mit einem akzeptablen Arbeitszyklus und mit einer akzeptablen Taktrate in Betrieb sein muß, die für die Berechnungsanforderungen ausreicht, um die Kommunikation auszuführen. Die Bewässerungsplanung und die Steueraufgabe ist vergleichsweise einfach.

Das Bewässerungssystem, das bei der vorliegenden Erfindung angewendet wird, ist vorzugsweise mit Ventilbetätigungen mit ultrageringem Energieverbrauch ausgestattet. Diese Betätigungselemente verbrauchen etwa 9,4 Mikrowattstunden pro Zyklus oder 1,2 Milliwattstunden täglich, um etwa 128 Betätigungszyklen auszuführen. Wenn solche Betätigungselemente verwendet werden, liegt der Energieverbrauch des gesamten Bewässerungssystems im Bereich von 7,6 Milliwattstunden pro Tag. Dies entspricht der minimalen Energieabgabe des photovoltaischen Moduls.

In Übereinstimmung mit der Energiespeicherkapazität der bevorzugten Ausführungsform der ersten Energiequelle kann die sich selbst mit Energie versorgende Bewässerungssteuereinheit genügend Energie speichern, um 128 Bewässerungsventilzyklen zu steuern, ohne daß eine Nachladung erforderlich ist. Gemäß der Energiesammelfähigkeit der bevorzugten Ausführungsform der ersten Energiequelle kann diese ausreichend Lichtenergie aufnehmen, um auch bei der Aufnahme von Licht, das, in nördlichen Breiten (z.B. in Kanada) an bewölkten Tagen auf etwa 18 Quadratzoll einfällt, einen kontinuierlichen Betrieb sicherzustellen. Die lichtbetriebene erste Energiequelle versorgt die Bewässerungssteuereinheit sogar bei hellem Mondlicht mit Energie.

Die erfindungsgemäße lichtbetriebene Bewässerungssteuereinheit unterscheidet sich somit erheblich von den bekannten Bewässerungssteuereinheiten und Systemen, die eine Wechselstromversorgung, große Batterien und/oder große Solarkollektoren benötigen. Der lichtbetriebene Ruhebetrieb wird zum Teil dadurch ermöglicht, daß der Betrieb der Steuereinheit zur Kommunikation, der mehr Energie pro Zeiteinheit erfordert, mit der tragbaren zweiten Batterie-Energiequelle durchgeführt wird. Der lichtbetriebene Ruhebetrieb wird zum Teil weiter dadurch ermöglicht, daß die Steuereinheit nur für solche Perioden und so lange aktiv und "Ein" ist, wie es unbedingt nötig ist, und daß fast der gesamte energieverbrauchende Teil der Steuereinheit für fast die gesamte Zeit in einem vollständig ausgeschalteten Zustand bleibt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Fig. 1 ist die Ansicht einer erfindungsgemäßen Bewässerungssteuereinheit;

die Fig. 2 ist die Blockdarstellung eines erfindungsgemäßen Bewässerungssystems mit der Bewässerungssteuereinheit der Fig. 1;

die Fig. 3 ist die Blockdarstellung einer ersten photovoltaischen und einer zweiten Batterie-Energiequelle für die erfindungsgemäße Bewässerungssteuereinheit;

die Fig. 4 ist ein elektrisches Schemadiagramm einer ersten Ausführungsform der lichtbetriebenen erfindungsgemäßen ersten Energiequelle zum Versorgen einer Vorrichtung und/oder eines Systems mit Energie, insbesondere um eine Bewässerungssteuereinheit und ein Bewässerungssystem mit Energie zu versorgen;

die Fig. 5a ist eine Darstellung der Wellenform der Ladespannung an den "Super"-Kondensatoren der ersten Ausführungsform der lichtbetriebenen ersten Energiequelle;

die Fig. 5b ist eine Darstellung des Stromes gegen die Spannung, der von der ersten Ausführungsform der ersten Energiequelle abgegeben wird;

die Fig. 6, die aus den Fig. 6a bis 6h besteht, ist eine schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bewässerungssteuereinheit mit einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der ersten Energiequelle;

die Fig. 7 ist die Blockdarstellung einer ersten (U1) anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), die bei der bevorzugten zweiten Ausführungsform der ersten Energiequelle bei einer erfindungsgemäßen Bewässerungssteuereinheit verwendet wird;

die Fig. 8a ist ein vereinfachtes elektrisches Schemadiagramm eines Abtastkondensatorarrays und von Schaltern, das bzw. die bei der ASIC U1 verwendet werden;

die Fig. 8b ist ein vereinfachtes elektrisches Schemadiagramm eines Abtastkomparators, der bei der ASIC U1 verwendet wird;

die Fig. 8c ist ein vereinfachtes elektrisches Schemadiagramm eines Aufwärts-Gleichspannungs-Umsetzers, der bei dem Schaltregler der ASIC U1 verwendet wird; und

die Fig. 9, die aus den Fig. 9a bis 9d besteht, ist die Blockdarstellung einer zweiten (U2) anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), die bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bewässerungssteuereinheit verwendet wird.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM 1.0 Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist eine lichtbetriebene Bewässerungstechniksteuereinheit auf

Die vorliegende Erfindung ist in eine lichtbetriebene Bewässerungssteuereinheit für 8 Stationen eingebettet. Die Steuereinheit wird als "lichtbetrieben" bezeichnet und bildet (zusammen mit den Bewässerungsventilen, die sie steuert) eine "lichtbetriebene Bewässerungstechnologie" (LEIT). Diese Beschreibung erfolgt anstelle der Angabe, daß die Steuereinheit zum Beispiel "solarbetrieben" ist, da ein extrem kleiner Licht-(Solar)-Kollektor verwendet wird. Als Ergebnis der sehr geringen gesammelten Energie verbraucht die Steuereinheit für alle Bewässerungsfunktionen, einschließlich der Steuerung von bis zu acht (8) Ventilen, extrem wenig Energie. Die Bezeichnung LEIT ist, wenn sie auf Bewässerungssteuerungen angewendet wird, d.h. bei LEIT Bewässerungssteuereinheiten, ein Warenzeichen von Solatrol, Inc.

1.1 Spezifikation der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bewässerungssteuereinheit

Es ist kein elektrischer Anschluß notwendig. Die erforderliche Lichtenergie beträgt 0,4 Milliwatt/cm² einfallendes Licht für ein Minimum von 7 Std./Tag. Dies ist etwa gleich einem Zehntel der Lichtmenge bei 55º nördlicher Breite (z.B. in Kanada) an einem bewölkten Wintertag.

Die Energie für die Anzeige der Steuereinheit (wenn sie aktiviert ist) wird von einer POWERKEY (Warenzeichen von Solatrol, Inc.) Energiequelle bezogen. Die POWERKEY Energiequelle beinhaltet eine 9-Volt-Alkalibatterie, die dazu verwendet wird, die Flüssigkristallanzeige (LCD) der Steuereinheit während der Installation und der Programmierung zu betreiben.

Das Ausgangssignal der Steuereinheit zu den davon gesteuerten Ventilen beträgt 3,5 Volt Gleichstrom bei 0,04 A. Es ist kein Ausschalter und kein Transformer erforderlich.

Bis zu 8 Ventile (davon bis zu 4 Hauptventile) können an jede Steuereinheit angeschlossen werden. An jede Steuereinheit können auch bis zu 8 elektronische Bodenfeuchtigkeitssensoren oder wahlweise andere elektronische Meßvorrichtungen angeschlossen werden.

In einem nichtflüchtigen Speicher sind für den Fall eines Speicherverlustes aufgrund längerer Lichtunterbrechung ein vom Benutzer definiertes Notfall-Reserve-Programm und kritische Systemparameter gespeichert; es sind keine Batterien erforderlich.

1.2 Die bevorzugte Ausführungsform von LEIT-Bewässerungssteuereinheit-Schnittstellen mit bestimmtem optionalen Zubehör

Die bevorzugte Ausführungsform einer LEIT-Bewässerungssteuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung steht mit bestimmten optionalem Zubehör und Geräten in Verbindung.

Die POWERKEY (Warenzeichen von Solatrol, Inc.) Energiequelle ist die Kombination einer Schlüsselring- und Schlüsseltaschenbatterie zum Betreiben der Anzeige während des Programmierens und/oder während interaktiver Operationen.

Eine optionale Multiprogrammer-(Warenzeichen)-Einheit kann in die digitale Schnittstelle der Steuereinheit eingesteckt werden, um Bewässerungsprogramme für bis zu 64 Steuereinheiten hinauf- und herunterzuladen.

Die optionale WIRESCOPE- (Warenzeichen von Solatrol, Inc.) Einheit ist eine tragbare Diagnoseeinheit, die den Steuereinheit- und Ventilbetrieb am Ventilstationsende jeder Stationsleitung prüft und die optional eine Identifikationsanzeige für die Ventil- und Sensornummer der Station und der Steuereinheit ausgibt.

Mit der Steuereinheit können wahlweise bis zu 8 Bodenfeuchtigkeitssensoren verbunden sein, um auf der Basis der Meßwerte für die Bodenfeuchtigkeitsspannung oder wahlweise die prozentuale Bodensättigung eine genaue Steuerung des Bewässerungssystems zu ermöglichen.

Die optionale Ferntestbefehlsanordnung ist eine Ersatz- Frontplatte für die Steuereinheit, die Signale von einem tragbaren Sender/Empfänger erhält, um eine drahtlose "manuelle" Fernbedienung der Ventile und Sensoren vom Ort der Ventile und Sensoren aus zu ermöglichen.

Das optionale Funkverbindungszentralmodul wird permanent unter der Steuereinheit angebracht und dient als Sender/Empfänger für eine drahtlose Verbindung zwischen der Steuereinheit und einem zentralen Funksystem.

Die POWERKEY Energiequelle wird manuell in die Steuereinheit eingesteckt, um der Steuereinheit Energie beim allerersten Gebrauch und danach jedesmal während der Programmierung/Parametrisierung des Betriebs der Steuereinheit und/oder das Überprüfen der Daten im Speicher der Steuereinheit zur Verfügung zu stellen. In den letzten beiden Fällen dient die POWERKEY Energiequelle auch zum Betreiben der eingebauten Beleuchtung der Anzeige und der Steuerschalter. Die Energiequelle, die während des Betriebs der Steuereinheit zum Steuern der Bewässerung verwendet wird, kann die POWERKEY Energiequelle sein, wenn sie (im unnormalen Zustand) eingesteckt geblieben ist, normalerweise ist es jedoch Licht (auch extrem schwaches Licht, wie Mondlicht), das auf die Steuereinheit fällt.

1.3 Merkmale und Vorteile der bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LEIT-Bewässerungssteuereinheit

Die bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewässerungssteuereinheit ist lichtbetrieben mit einem eingebauten Kollektor für einfallendes Licht. Sie besitzt eine genügende Energiespeicherung, um einen gebräuchlichen CMOS- Mikrocomputer mit ultrageringem Leistungsverbrauch mit einem 32K-RAM-Speicher zu betreiben und um bis zu acht (8) Bewässerungsventile mit ultrageringem Leistungsverbrauch bis zu sechzehn (16) Mal pro vierundzwanzig-(24)-Stunden-Periode anzusteuern. Es ergibt sich eine vollständige Unabhängigkeit vom Wechselstrom, was Energie und Installationskosten spart und es erlaubt, daß die Steuereinheit näher an den Ventilen angeordnet werden kann.

2.0 Überblick

Bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bewässerungssteuereinheit wird eine lichtbetriebene Bewässerungstechnologie (LEIT) verwendet. Diese arbeitet mit der Menge an einfallendem Licht, die in nördlichen Breiten an einem bewölkten Wintertag im schlechtesten Fall zur Verfügung steht, ohne daß Batterien, externe Solarzellen oder ein Wechselstromanschluß wie bei den herkömmlichen Steuereinheiten erforderlich sind bzw. ist. Sie ist außerdem extrem flexibel und im Betrieb vorteilhaft.

In der Fig. 1 ist eine Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der Steuereinheit mit entfernter Abdeckplatte und freiliegendem Bedienungsfeld dargestellt. Die Steuereinheit 1 ist typischerweise an einem Pfosten 2 befestigt. Unter der transparenten Abdeckung 11 des Gehäuses 12 befindet sich eine (nicht gezeigte) photovoltaische Vorrichtung 10.

Es sind verschiedene elektrische Anschlüsse vorgesehen. An einen Ventilanschlußblock 13 können mittels Leitungen (nicht gezeigt) bis zu acht (8) elektromagnetisch betätigte Ventile elektrisch angeschlossen werden. Ein Steuerschlüsselsockel 14 nimmt eine einsteckbare POWERKEY Energiequelle (nicht gezeigt) auf, die eine 9-V-Gleichspannungsbatterie ist, die sich in einem entsprechenden Gehäuse befindet, um in den Sockel 14 zu passen. Ein digitaler Zugangsanschluß 15 ermöglicht eine kommunikative Verbindung mit einer Multiprogrammereinheit (nicht gezeigt), die Programme in die Steuereinheit 1 hinauf- und hinunterladen kann (neben anderen Alternativen zum Programmieren der Steuereinheit 1). Der Anschluß 15 ist von einem Standardtyp und kann, unter Firmwarekontrolle der Steuereinheit 1, Schnittstelle für andere Geräte sein. Ein Sensoranschlußblock 16 ermöglicht den wahlweisen Anschluß von bis zu acht (8) Bodenfeuchtigkeitssensoren oder anderen Meßvorrichtungen. Diese Bodenfeuchtigkeitssensoren, und die darauf beruhende Steuerung, sind in dieser Beschreibung nicht erläutert, da sie für die vorliegende Erfindung nicht wichtig sind.

Ein Steuerfeld 20 enthält eine Flüssigkristallanzeige (LCD) 21 zur Darstellung von Informationen, Fragen und Anweisungen. Das Steuerfeld 20 enthält auch Druckschalter 22-25. Ein STOP-Schalter 22 stoppt die jeweilige Operation der Steuereinheit 1 und schaltet die Ventile aus, die vorher eingeschaltet wurden. Ein Hilfe-Schalter 23 veranlaßt die Steuereinheit 1, am LCD 21 mehr von den Informationen und/oder Instruktionen anzuzeigen, die mit der momentanen Operation oder der dargestellten Frage verknüpft sind. Der NEIN-Schalter 24 und der OK-Schalter 25 dienen zur Beantwortung der von der Steuereinheit vorgelegten Fragen über die Installation und die Parameter der Bewässerung (z.B. dem Bewässerungsplan) und zur selektiven Ausgabe der in der Steuereinheit gespeicherten Daten.

Die Steuereinheit 1 wird durch Firmware gesteuert, die in einer speziellen, anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) abläuft, die einen Mikroprozessor beinhaltet. Die Erläuterung der Hardware der Steuereinheit 1 ist in den Abschnitten 3-5 dieser Beschreibung enthalten. Der Anhang A dieser Beschreibung enthält die von der Steuereinheit 1 ausgeführte Firmware. Der Abschnitt 2 behandelt die Benutzeroberfläche der Steuereinheit 1 und dient dazu, deren vielfältige Aspekte in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung zu zeigen.

Die Bezeichnung "Programmierung", wie sie in dieser Beschreibung verwendet wird, schließt alle Aktionen ein, die an der Benutzerschnittstelle der Steuereinheit 1 ausgeführt werden - Aktionen, die normalerweise, jedoch nicht notwendigerweise im Gelände erfolgen - durch die die Steuereinheit 1 parametrisiert und zum programmierten Betrieb angewiesen wird. Die Firmware selbst ist selbstverständlich auch "programmiert". In manchen Fällen ändert der Vorgang der "Programmierung" am Bedienerfeld den Fluß und die verwendeten Parameter der Firmware, wodurch eine Form der "Programmierung" auf der Prozeßsteuerebene erfolgt. Das Wort "Programmierung" wird bezüglich dem gesamten Kompendium der Bediener/Progammiererschnittstelle für die Steuerung der Steuereinheit 1 verwendet.

Das Wort schließt Aktionen ein, die exakter als Parametrisierung bezeichnet werden (die typischerweise im Gelände erfolgt) sowie Aktionen, die exakter als Codierung bezeichnet werden (die typischerweise im Werk oder Depot erfolgt).

2.1 Übersicht über die bevorzugte Ausführungsform eines Bewasserungssystems

In der Fig. 2 ist die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bewässerungssteuersystems gezeigt. Die Bewässerungssteuereinheit 1 (die in der Fig. 1 gezeigt ist) arbeitet unter der Steuerung eines (Teils eines) Mikroprozessors U2, der programmierte Firmware ausführt, die in Speichern ROM U4, RAM U5 und EE U9 abgelegt ist. Der (Teil-) Mikroprozessor U2 steht mit manuell betätigbaren Tasten 22-25 (Fig. 1) zur Entgegennahme von Daten und Befehlen in Verbindung. Er ist mit der Anzeige 21 (Fig. 1) zur Anzeige von Fragen, Parametern und Hilfenachrichten an einen menschlichen Benutzer/Programmierer (genauer im vorigen Abschnitt 2.0 beschrieben) verbunden.

Der (Teil-) Mikroprozessor U2 der Bewässerungssteuereinheit 1 steht extern wahlweise über ein Sensorinterface 26 für die Steckbuchse 16 (Fig. 1) wahlweise mit bis zu acht Feuchtigkeitsmeßvorrichten 27a-27h (strichpunktiert gezeigt) in Verbindung. Mit dieser wahlweisen Verbindung kann die Bodenfeuchtigkeit an bis zu acht Stellen erfaßt werden. Der (Teil-) Mikroprozessor U2 steht über ein Ventilinterface 28 für die Steckbuchse 13 (Fig. 1) mit bis zu acht elektromagnetisch betätigten Steuerventilen 29a-29h (gestrichelt gezeigt) in Verbindung. Mit dieser Verbindung wird der Durchfluß an unter Druck stehendem Wasser von der Wasserversorgung 30 über ein bestimmtes der Steuerventile 29a-29h zu einer bestimmten Zeit zu dem entsprechenden Bewässerungskopf 31a-31h (gestrichelt gezeigt) gesteuert.

Der (Teil-) Mikroprozessor U2 kann wahlweise über die Steckbuchse 15 (Fig. 1) mit anderen Vorrichtungen 32 (strichpunktiert gezeigt) in Verbindung stehen, um Firmwareprogramme, Parameter und/oder Befehle herunterzuladen. Dieses Interface muß für den Betrieb der Bewässerungssteuereinheit 1 nicht freigegeben sein, die vorzugsweise vom Werk im ROM-Speicher U4 und dem EE-Speicher U9 mit einem Steuerprogramm ausgestattet wird, das dieser Beschreibung angeschlossen ist und bei dem alle erforderlichen Parameter und Steuervorgänge über die manuell betätigbaren Tasten 22-25 eingegeben werden. Falls erforderlich, kann Firmware auch über die manuell betätigbaren Tasten 22-25 in die Steuereinheit 1 eingegeben werden. Das digitale Interface für die anderen Vorrichtungen 32 stellt einfach einen weniger mühsamen Weg der Kommunikation dar.

Die bevorzugte Ausführungsform der Steuereinheit 1 bezieht normalerweise ihre gesamte Energie, und die Energie, die für die Feuchtigkeitsmeßvorrichtungen 27a-27h und die Steuerventile 29a-29h erforderlich ist, im Ruhebetrieb sowohl tagsüber als auch nachts aus der eingestrahlten Lichtenergie, die auf die Strahlungsenergie-Umwandlungseinheit (schließt die ASlC U1 ein) einfällt, die PVM1, U1 und zugehörige Schaltungen umfaßt. "PVM" steht für photovoltaisches Modul und "ASIC" für anwendungsspezifische integrierte Schaltung. Alle Bezeichnungen "U" stehen für IC-Chips, die in der Fig. 3 (die noch zu erläutern ist) zu finden sind.

Die bevorzugte Ausführungsform der Steuereinheit 1 bezieht während der Annahme von Benutzerprogrammen ihre Energie nicht aus der Strahlungsenergie-Konvertereinheit PVM1, U1 und der zugehörigen Schaltung, sondern aus der elektrischen Verbindung über die Steckbuchse 14 (Fig. 1) mit der einsteckbaren POWERKEY Batterie-Energiequelle 33. Diese Quelle 33, die normalerweise während des Ruhebetriebes nicht Teil der Steuereinheit 1 ist, ist weder strichpunktiert für wahlweise noch gestrichelt für auf die Steuereinheit 1 bezogen, aber nicht Teil davon gezeigt. Die einsteckbare POWERKEY Batterie-Energiequelle ist in ausgezogenen Linien dargestellt, um zu zeigen, daß sie beim Programmieren der erfindungsgemäßen Steuereinheit vorhanden sein muß.

Dies ist deshalb erforderlich, da die Quelle 33 die größere Energiemenge zuführt, die der (Teil-) Mikroprozessor U2 benötigt, um den vorherrschenden (inaktiven) Ruhezustand zu verlassen, den er sonst nur vorübergehend und kurzzeitig gemäß dem Bewässerungssteuerungsplan verläßt, und um im Betrieb einen hohen Arbeitszyklus anzunehmen. Die Quelle 33 führt auch die Energie für die manuell betätigbaren Tasten 22-25 und für die Anzeige 21 während der Benutzerprogrammierung zu. Obwohl die in der Strahlungsenergie-Umwandlungseinheit gespeicherte Energie ausreichen kann, um die Benutzerprogrammierung zu ermöglichen, ist es nicht ratsam, diese gespeicherte Energie in einer unbestimmten Menge (abhängig von der Länge und Schwierigkeit der Programmierung) zu verbrauchen - insbesondere bei Nacht, wenn keine Energiegewinnung möglich ist und insbesondere wenn die Steuereinheit darauf programmiert wird, sofort mit den Bewässerungszyklen zu beginnen. Statt dessen lädt die Quelle 33 die Energiespeicher in der Strahlungsenergie-Umwandlungseinheit auf und hinterläßt die Steuereinheit 1 am Ende der Benutzerprogrammierung voll mit Energie und bereit zur Steuerung der Bewässerung.

2.2 Die Elektrische Grundschaltung für die Speicherung von Energie aus Licht in einem Kondensator und für die Energieverwaltung in einem elektronischen Gerät, das zeitweilig mehr Energie verbraucht, als gespeichert ist

Als Blockschaltbild ist in der Fig. 3 eine elektrische Schaltung gezeigt, bei der die Grundprinzipien der Erfindung ausgeführt sind. Die Strahlungsenergie-Umwandlungsschaltung PVM, VI (vgl. Fig. 2) besteht aus einer photovoltaischen Energiequelle, einer Energiespeichersteuerung und Energiespeicherabschnitten. An die Anschlüsse T1, T2 der Schaltung PVM, U1I kann eine einsteckbare POWERKEY Batterie-Energiequelle angeschlossen werden. Sie liegt dann elektrisch zu der photovoltaischen Energiequelle parallel, die aus zwei in Reihe angeordneten photovoltaischen Modulen PVM1 und PVM2 besteht. Die Module PVM1 und PVM2 erzeugen aus einfallender Lichtenergie Spannung. Sowohl die einsteckbare POWERKEY Batterie-Energiequelle als auch die photovoltaische Energiequelle dienen als Energiequellen.

Es sollte in Betracht gezogen werden, daß auch noch andere Quellen elektrischer Energie als die Batterie in Form der einsteckbaren POWERKEY Batterie-Energiequelle die photovoltaische Energiequelle ergänzen und erforderlichenfalls der Bewässerungssteuereinheit 1 zusätzliche Energie bereitstellen können. Die Steuereinheit 1 kann vorübergehend an eine Gleichstromquelle angeschlossen werden, die von einem Motor oder auch über eine Wechselstromquelle, falls verfügbar, betrieben wird. Ein Gleichstromgenerator kann Energie aus fließendem Bewässerungswasser erzeugen. Die Steuereinheit kann so die periodische Erzeugung ihrer eigenen Zusatzenergieversorgung steuern.

Die entweder aus der photovoltaischen Energiequelle oder der einsteckbaren POWERKEY Batterie-Energiequelle abgeleitete Energie wird von der Energiespeichersteuerung zur Speicherung im Energiespeicher geführt. Die Anschlüsse T3 und T4 am Energiespeicher stellen die Energie für den Rest der Bewässerungssteuereinheit 1 zur Verfügung. Der Energiespeicherabschnitt beruht auf Kondensatoren, insbesondere auf Hochleistungs-Elektrolytkondensatoren mit einer Elektrode aus Kohlenstoffpaste, die allgemein "Super"-Kondensatoren genannt werden.

Die Superkondensatoren SC1 und SC2 müssen zu einem bestimmten Grad geladen bleiben und dürfen nicht überladen oder einer Überspannung ausgesetzt werden. Die Steuerung des Ladens der Superkondensatoren SC1, SC2 ist die Aufgabe des Energieladungssteuerabschnittes. Die Spannung an jedem der Superkondensatoren SC1, SC2 wird jeweils durch Spannungserfassungsund -überwachungsschaltungen UPPER V MONITOR 1 bzw. UPPER V MONITOR 2 überwacht. Diese Schaltungen erzeugen ein Steuersignal, wenn die Ladung auf dem zugehörigen Superkondensator SC1, SC2 eine vorgegebene Bezugsspannung, normalerweise 5,4 Volt Gleichspannung, übersteigt. Das Steuersignal von der Schaltung UPPER V MONITOR 1 bzw. UPPER V MONITOR 2 wird über die Schaltung SHUNT ON DELAY 1 bzw. SHUNT ON DELAY 2 geleitet und verzögert. Die verzögerten Steuersignale werden dann dazu verwendet, die Schaltungen SHUNT 1 und/oder SHUNT 2 zu schließen, um die an den photovoltaischen Energiequellen PVM1 und PVM2 erzeugten Spannungen kurzzuschließen und die weitere Ladung der Superkondensatoren SC1, SC2 zu verhindern.

In der Fig. 3 ist der Strompfad für die gleichzeitige Aufladung der Superkondensatoren SC1 und SC2 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Wenn der Superkondensator SC1 voll aufgeladen ist (d.h. auf 5,4 V Gleichspannung), schließt sich nach einer Verzögerungszeit SHUNT 1, und der Strompfad wird so, wie es bei 2 angegeben ist. Wenn andererseits der Superkondensator SC2 derjenige Superkondensator ist, der voll aufgeladen ist, wird der Strompfad nach einer Verzögerung so, wie es bei 3 angegeben ist. Wenn beide Superkondensatoren SC1 und SC2 voll (auf den vorbestimmten Schwellenwert) aufgeladen sind, dann leitet sowohl SHUNT 1 als auch SHUNT 2, und der von den Photovoltaikmodulen PVM1 und PVM2 erzeugte Strom fließt über den Pfad 4 in die Kurzschlußwiderstände der Nebenschlußschaltungen.

In der Fig. 4 ist schematisch ein Detail der ersten Ausführungsform der elektrischen Schaltung für die erste Energiequelle gezeigt, die in der Fig. 3 als Blockschaltbild gezeigt ist. Es ist ersichtlich, daß tatsächlich vier Superkondensatoren verwendet werden, von denen zwei in Reihe und parallel zu den anderen beiden in Reihe angeordnet sind. Der Betrieb der in der Fig. 4 gezeigten Schaltung, die mit diskreten Komponenten ausgeführt ist, wird durch Bezug auf die Fig. 3 ersichtlich.

In der Fig. 5a ist die Wellenform der Ladespannung an den Superkondensatoren gezeigt. Die Spannung steigt an, bis V upper (Vu), normalerweise 5,4 Volt für jeden Superkondensator (10,8 Volt für ein in Reihe verbundenes Paar) überschritten wird. Nach einer Verzögerungszeit schließt sich der Nebenschlußkreis, und die Spannung am Superkondensator fällt schnell ab, was heißt, daß der Spannungspegel Vu - Vhysterese schnell erreicht wird. Der Nebenschlußkreis öffnet sich und die Ladung beginnt wieder. Für die vorbestimmte Verzögerungsseit wird die Ladung fortgesetzt, auch wenn Vu bald überschritten wird. Die vorgegebene Verzögerungszeit ist typisch 10 msek. Das abwechselnde Laden und Nebenschließen wird fortgesetzt. Der Superkondensator geht noch langsamer auf die Spannung Vu - Vhysterese zurück. Schließlich tritt das kurze, typisch 10 msek-Intervall der Ladung nur mehr selten auf (wenn aufgrund des Vorhandenseins von Licht Ladespannung verfügbar ist). Wenn der Superkondensator entladen ist, wobei seine Spannung abfällt, beginnt bei Vorhandensein einer Ladespannung durch einfallendes Licht die Aufladung sofort.

In der Fig. 5b ist die Strom-Spannungs-Kurve sowohl der in der Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der Energiequelle 1 als auch der in den Fig. 6 und 7 gezeigten bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Jeder Superkondensator hat einen inneren äquivalenten Reihenwiderstand (ESR) von etwa 7 Ohm. In zehnfach vergrößertem Maßstab ist der maximale Strom in Milliampere gegen die gemeinsame Versorgungsspannung aufgetragen, den die 4 Superkondensatoren zusammen abgeben können. Die Versorgungsspannung wird auf 10,8 Volt gehalten (abgeleitet von zwei Superkondensatoern in Reihe), was der Punkt der maximalen Energie auf der Kurve der Fig. 5b ist. Bei dieser Spannung können die vier Superkondensatoren der ersten Energiequelle zusammen etwa 0,39 Milliampere abgeben.

3.0 Funktionale Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Bewässerungssteuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung

In der Fig. 2 ist die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bewässerungssteuersystems gezeigt. Die Bewässerungssteuereinheit 1 (die in der Fig. 1 gezeigt ist) arbeitet unter der Steuerung eines (Teils eines) Mikroprozessors U2, der programmierte Firmware ausführt, die in Speichern ROM U4, RAM US und EE U9 abgelegt ist. Der (Teil-) Mikroprozessor U2 steht mit manuell betätigbaren Tasten 22-25 (Fig. 1) zur Entgegennahme von Daten und Befehlen in Verbindung. Er ist mit der Anzeige 21 (Fig. 1) zur Anzeige von Fragen, Parametern und Hilfenachrichten an einen menschlichen Benutzer/Programmierer (genauer im vorigen Abschnitt 2.0 beschrieben) verbunden.

Der (Teil-) Mikroprozessor U2 der Bewässerungssteuereinheit 1 steht extern wahlweise über ein Sensorinterface 26 für die Steckbuchse 16 (Fig. 1) wahlweise mit bis zu acht Feuchtigkeitsmeßvorrichten 27a-27h (strichpunktiert gezeigt) in Verbindung. Mit dieser wahlweisen Verbindung kann die Bodenfeuchtigkeit an bis zu acht Stellen erfaßt werden. Der (Teil-) Mikroprozessor U2 steht über ein Ventilinterface 28 für die Steckbuchse 13 (Fig. 1) mit bis zu acht elektromagnetisch betätigten Steuerventilen 29a-29h (gestrichelt gezeigt) in Verbindung. Mit dieser Verbindung wird der Durchfluß an unter Druck stehendem Wasser von der Wasserversorgung 30 über ein bestimmtes der Steuerventile 29a-29h zu einer bestimmten Zeit zu dem entsprechenden Bewässerungskopf 31a-31h (gestrichelt gezeigt) gesteuert.

Der (Teil-) Mikroprozessor U2 kann wahlweise über die Steckbuchse 15 (Fig. 1) mit anderen Vorrichtungen 32 (strichpunktiert gezeigt) in Verbindung stehen, um Firmwareprogramme, Parameter und/oder Befehle herunterzuladen. Dieses Interface muß für den Betrieb der Bewässerungssteuereinheit 1 nicht freigegeben sein, die vorzugsweise vom Werk im ROM-Speicher U4 und dem EE-Speicher U9 mit einem Steuerprogramm ausgestattet wird, das dieser Beschreibung angeschlossen ist und bei dem alle erforderlichen Parameter und Steuervorgänge über die manuell betätigbaren Tasten 22-25 eingegeben werden. Falls erforderlich, kann Firmware auch über die manuell betätigbaren Tasten 22-25 in die Steuereinheit 1 eingegeben werden. Das digitale Interface für die anderen Vorrichtungen 32 stellt einfach einen weniger mühsamen Weg der Kommunikation dar.

Die bevorzugte Ausführungsform der Steuereinheit 1 bezieht normalerweise ihre gesamte Energie, und die Energie, die für die Feuchtigkeitsmeßvorrichtungen 27a-27h und die Steuerventile 29a-29h erforderlich ist, im Ruhebetrieb sowohl tagsüber als auch nachts aus der eingestrahlten Lichtenergie, die auf die Strahlungsenergie-Umwandlungseinheit (schließt die ASIC U1 ein) einfällt, die PVM1, U1 und zugehörige Schaltungen umfaßt. "PVM" steht für photovoltaisches Modul und "ASIC" für anwendungsspezifische integrierte Schaltung. Alle Bezeichnungen "U" stehen für IC-Chips, die in der Fig. 3 (die noch zu erläutern ist) zu finden sind.

Die bevorzugte Ausführungsform der Steuereinheit 1 bezieht während der Annahme von Benutzerprogrammen ihre Energie nicht aus der Strahlungsenergie-Konvertereinheit PVN1, U1 und der zugehörigen Schaltung, sondern aus der elektrischen Verbindung über die Steckbuchse 14 (Fig. 1) mit der einsteckbaren POWERKEY Batterie-Energiequelle 33. Diese Quelle 33, die normalerweise während des Ruhebetriebes nicht Teil der Steuereinheit 1 ist, ist weder strichpunktiert für wahlweise noch gestrichelt für auf die Steuereinheit 1 bezogen, aber nicht Teil davon gezeigt. Die einsteckbare POWERKEY Batterie-Energiequelle ist in ausgezogenen Linien dargestellt, um zu zeigen, daß sie beim Programmieren der erfindungsgemäßen Steuereinheit vorhanden sein muß.

Dies ist deshalb erforderlich, da die Quelle 33 die größere Energiemenge zuführt, die der (Teil-) Mikroprozessor U2 benötigt, um den vorherrschenden (inaktiven) Ruhezustand zu verlassen, den er sonst nur vorübergehend und kurzzeitig gemäß dem Bewässerungssteuerungsplan verläßt, und um im Betrieb einen hohen Arbeitszyklus anzunehmen. Die Quelle 33 führt auch die Energie für die manuell betätigbaren Tasten 22-25 und für die Anzeige 21 während der Benutzerprogrammierung zu. Obwohl die in der Strahlungsenergie-Umwandlungseinheit gespeicherte Energie ausreichen kann, um die Benutzerprogrammierung zu ermöglichen, ist es nicht ratsam, diese gespeicherte Energie in einer unbestimmten Menge (abhängig von der Länge und Schwierigkeit der Programmierung) zu verbrauchen - insbesondere bei Nacht, wenn keine Energiegewinnung möglich ist und insbesondere wenn die Steuereinheit darauf programmiert wird, sofort mit den Bewässerungszyklen zu beginnen. Statt dessen lädt die Quelle 33 die Energiespeicher in der Strahlungsenergie-Umwandlungseinheit auf und hinterläßt die Steuereinheit 1 am Ende der Benutzerprogrammierung voll mit Energie und bereit zur Steuerung der Bewässerung.

3.1 Beschreibung der Hardware der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bewässerungssteuereinheit

Die Darstellungen in den Fig. 6a bis 6h - im wesentlichen ein Blockschaltbild, da die wesentlichen Funktionen der gezeigten Schaltungen in den beiden anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) U1 (Fig. 4) und U2 (Fig. 5) enthalten sind - zeigen die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bewässerungssteuereinheit 1 (vgl. Fig. 1 und 2).

Gemäß den Fig. 6a und 6c wird der erfindungsgemäßen Bewässerungssteuereinheit Energie primär durch das photovoltaische Modul PVM1 oder alternativ über die POWERKEY Energiequelle zugeführt. Die POWERKEY Energiequelle ist eine Batterie, die zwischen den Anschlüssen BAT+ und BAT- angeschlossen ist. Bei der Programmierung der Steuereinheit 1 ist die POWERKEY Energiequelle (nicht gezeigt) immer angeschlossen. Die Batterie stellt daher die beträchtliche Energie zur Verfügung, die erforderlich ist, um die Anzeige LCD1 zu betreiben und um, was wichtig ist, die Steuereinheit 1 mit dem hohen Arbeitszyklus zu betreiben, der erforderlich ist, um mit dem Bediener in Verbindung zu treten. Die Batterie dient auch dazu, jedesmal dann sofort (mit begrenztem Strom) den Kondensator-Energiespeicher aufzuladen, wenn die POWERKEY Batterie- Energiequelle in ihre Steckdose l4 (in der Fig. 1 und 2 gezeigt) eingesteckt wird. Damit wird sichergestellt, daß nach jeder Verbindung mit dem Bedienerinterface die Steuereinheit im voll aufgeladenen Zustand zurückgelassen wird

Während des normalen Ruhebetriebs werden alle CMOS-Schaltungen geringer Leistungsaufnahme und die Ventile mit geringem Energieverbrauch mit der Energie versorgt, die in den Superkondensatoren (Supercaps) C1, C2 gespeichert ist. Es ist die Aufgabe der ersten ASIC U1, die Spannungs- und Leistungspegel der Bewässerungssteuereinheit zu verwalten und insbesondere die Aufladung der Supercaps C1, C2 mittels des PVM1 und der POWERKEY Energiequelle zu steuern. Die Supercaps C1, C2 werden beim Anschluß der POWERKEY Energiequelle automatisch aufgeladen. Die ASIC U1 steuert diese Aufladung über eine Konstantstromquelle, die durch Transistoren Q3, Q4 und einen Widerstand R2 gebildet wird. Diese Konstantstromquelle wird durch einen Schaltregler gesteuert, der aus dem Transistor Q2, der Induktivität L1, der Diode D4 und den Kondensatoren C3, C4 gebildet wird, die alle von der ASIC U1 angesteuert werden. Der Schaltregler und die Konstantstromquelle wirken zusammen, um bei hellem Sonnenschein oder dem Vorhandensein der POWERKEY Energiequelle die Supercaps C1, C2 mit bis zu 63 Milliampere über die Steuerdiode D3 aufzuladen. Die Dioden D1 und D2 verhindern die Entladung der aufgeladenen Supercaps C1, C2.

In der Fig. 6a sind die Verbindungen mit der ASIC U1 gezeigt, die für die Energieverteilung und die Steuerung verwendet werden und die VDD2 einschließen. VDD2 ist die +5 V- Gleichspannungs-Hauptenergie für die Bewässerungssteuereinheit 1 und andere Komponenten (wie den Steuerventilen 29a-29h oder den Feuchtigkeitsmeßvorrichtungen 27a-27h der Fig. 2), die zur Bildung eines Bewässerungssystems daran angeschlossen sind. Signale BA und DX dienen zur lokalen Steuerung des Schaltreglers und der Konstantstromquelle. Die Abkürzung NSL steht für niedrige Systemspannung, NSVL für sehr niedrige Systemspannung, NSHl1 für den ersten Nebenschluß des oberen Supercaps, NSH2 für den zweiten Nebenschluß des unteren Supercaps, und NBP erzeugt ein Kontrollsignal für die Anwesenheit einer Batterie. Das Ausgangssignal PULSE ist ein Realzeit-Taktinterrupt von 30 Mikrosekunden Dauer, der alle 1/2 Millisekunden auftritt.

Die logischen Steuerfunktionen der Bewässerungssteuereinheit 1 werden im wesentlichen von der digitalen ASIC U2 ausgeführt, die sich über die Fig. 6b, 6d, 6f und 6h erstreckt. Die Hauptschaltsteuereingänge 51-56 der ASIC U2, die für die Bedienerprogrammierung der Steuereinheit 1 verwendet werden, kommen von den entsprechenden Schaltern 51-56 der Fig. 6a. Die Schalter 51-56 erzeugen das Stop-, nicht belegt, nicht belegt, Hilfe-, Nein- bzw. OK-Schaltsteuereingangssignal der ASIC U2. Diese Schalter 51-56 stellen in der Fig. 2 die manuell betätigbaren Tasten dar.

Wie in den Fig. 6b und 6d gezeigt, erzeugen bis zu acht Bodenfeuchtigkeitssensoren, die an den Anschlußblock J3 angeschlossen werden können, Signale, die zu acht entsprechenden Analog-Digital-Konverterkanälen AD CH1 bis AD CH8 der ASIC U2 geleitet werden.

Auf ähnliche Weise ist jeweils eine Seite der einzelnen Spulentreiber für die bis zu acht Ventile, die an den acht Ventilkanälen am Anschlußblock J2 hängen, intern in der ASIC U2 als Signaleingang mit einem der verbleibenden acht Analog-Digital-Konverterkanäle verbunden. Die ASIC U2 weist daher insgesamt 16 A/D-Kanäle auf, von denen acht intern und acht extern sind. Die Bewässerungsventilsteuerungs- oder Ansteuersignale, die von der ASIC U2 erzeugt werden, werden zum Anschlußblock J2 geführt. Dieser Anschlußblock J2 führt zur Steckbuchse 13 der Fig. 1 und 2.

Gemäß den Fig. 6f und 6h arbeitet die ASIC U2 Firmwareanweisungen und Parameter ab, die im Festwertspeicher ROM U4 und im Direktzugriffsspeicher RAM US abgespeichert sind. Die ASIC U2 adressiert beide Speicher über den Adressendecoder U7. Die Steuereinheit 1 ist generell progranurierbar und parametrisierbar. Im RAM US sind daher viele Firmwareanweisungen abgelegt, die die ASIC U2 ausführt, und sie werden entsprechend den Benutzeranforderungen geladen. Andere Firmwareanweisungen befinden sich im ROM U4.

Gemäß Fig. 6g ist die erfindungsgemäße Steuereinheit 1 außer mit dem RAM US (Fig. 7h) noch mit einem weiteren programmierbaren Speicher verbunden. Dies ist der elektrisch löschbare (EE) 1024-Bit serielle Speicher U9. Dieser EE-Speicher zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß er auch bei totaler Abwesenheit von Energie seine Information behält (im Gegensatz zum RAM US). Trotzdem ist sein Inhalt änderbar, im Gegensatz zum nicht flüchtigen ROM U4. Der 1024-Bit serielle Speicher U9 ermöglicht die Programmierung von Geheimcodes, lebenswichtigen Einstellinformationen und anderen benutzerspezifischen Informationen (im Gegensatz zu den im Werk einprogrammierten Informationen des ROM U4) vor Ort, wobei diese Informationen während einer Unterbrechung der Energiezufuhr zu der Steuereinheit nicht verlorengehen.

Das vollständige Firmwareprogramm, das in den Speichern U4, US und U9 ständig vorhanden ist und das vom Mikroprozessor in der ASIC U2 ausgeführt wird, ist als Anhang A dieser Beschreibung beigefügt.

Die Schaltungen U6 (bis auf ein unbenutztes Ersatzgatter in der Fig. 3c), U7 und U8 bilden ein Steuerinterface des Standardtyps zwischen der ASIC U2 und dem 1024-Bit seriellen EE-Speicher U9. Im Adressenbus zwischen der ASIC U2 und der Steuerinterfaceschaltung UB schaltet die Adressenleitung AD0 ein, die Adressenleitung AD1 wählt aus, und die Adressenleitung AD2 taktet die seriellen Daten von der Leitung AD3 in den 1024-Bit-Speicher U9. Das einzige serielle Datenausgangsbit D0 des 1024-Bit-Speichers U9 wird im nichtinvertierenden Element U10 verstärkt und dem Adressenbus der ASIC U2 als Bit AD0 zugeführt.

Die Funktion der Schaltungen der Bewässerungssteuereinheit 1, die im wesentlichen in ASIC U1 und U2 enthalten sind, bei der Bewässerungssteuerung gehen aus der genauen Beschreibung dieser ASIC U1 und U2 in den folgenden Abschnitten 4 und 5 und aus dem vollständigen Firmwareprogramm hervor, das dieser Beschreibung als Anhang A beigefügt ist.

4.0 Funktionale Beschreibung der Vorrichtung ASIC U1

Das Blockschaltbild der Fig. 4 zeigt dem Gesamtaufbau der ersten (U1) anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), die bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bewässerungssteuereinheit verwendet wird. Die genaue Funktion der ASIC U1 ist im wesentlichen für die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht wichtig und wird hier nur wegen der Vollständigkeit wiedergegeben. Das photovoltaische Modul (PVM; Fig. 6a), die Supercaps C1 und C2 (Fig. 6a) und die ASIC U1 (Fig. 6a) können einfach als eine spezielle Form einer lichtbetriebenen Energieversorgung betrachtet werden. Allgemein ist die Ausführung einer Wechselstrom- oder Batterie-Energieversorgung natürlich in der Elektrik Routine.

Die Vorrichtung ASIC U1 dient zur Erzeugung einer 5- Volt-Versorgungsenergie, die die Energie von einem photovoltaischen Modul oder einer Batterie verwendet. Die Energie wird durch Aufladen sehr großer Superkondensatoren ("Supercaps") auf 10,8 Volt gespeichert. Die gespeicherte Energie wird dann zum Betreiben während Dunkelperioden verwendet. Da die in den Supercaps gespeicherte Energie gleich 1/2 CVcap² ist, ist die Laufzeit der Steuereinheit in der Dunkelheit stark davon abhängig, wie nahe die maximale Ladespannung an die maximal tolerierbare Spannung der Supercap-Komponenten gebracht werden kann. Um die Dunkellaufzeit zu erhöhen, werden die Supercaps daher sehr sorgfältig überwacht, so daß sie auf den maximalen Wert aufgeladen werden können, ohne überladen zu werden.

Die Vorrichtung ASIC U1 ist dafür vorgesehen, bei minimalem Leistungsverbrauch fünf (5) Funktionen auszuführen:

Erstens werden die Supercap-Spannungen überwacht und die Ladeströme kurzgeschlossen, wenn sie überladen werden. Die Überwachung hält die Spannung innerhalb +/- 1,75%.

Zweitens wird eine 5 Volt +/- 2,5%, 0-65 mA Ausgangsspannung für andere Elektronikkomponenten erzeugt.

Drittens werden Statussignale erzeugt, die den Zustand der Energieversorgung anzeigen.

Viertens wird ein 2 kHz, 30 us-Impuls zur Verwendung als Zeitbasis abgegeben.

Fünftens wird eine 9-Volt-Batterie auf 17 Volt gebracht, um die Supercaps zu laden und während des Programmierens Strom für andere Elektronikkomponeten zu erzeugen (der Leistungsverbrauch spielt in diesem Modus keine große Rolle).

Zur Überwachung der verschiedenen Kondensator- und Energieversorgungsspannungen werden Abtastkondensatoren verwendet, was den Gebrauch von nur einem Komparator ermöglicht, um Strom zu sparen. Um Analogströme zu minimieren, werden CrSi 100 kX/Widerstände verwendet.

Die Bezugsspannung wird durch Schmelzmetall auf dem Chip eingestellt.

Es gibt 3 potentielle 'positivste' Spannungen und zwei potentielle 'negativste' Spannungen, wodurch Substratverbindungen erschwert werden. Dies wird durch eine bipolare pn- Übergang-Isolierungen gemeistert, bei der die isolierten n-Bereiche als separate CMOS-Substrate benutzt werden. Dadurch kann die CMOS-Schaltung mit verschiedenen Versorgungsspannungen arbeiten, von denen sich jede zu einer anderen Zeit auf dem höchsten Potential befinden kann.

Die Logik bewegt sich generell zwischen VSS1 (0 V) und VDD2 (0-5 V) mit einer Pegelverschiebung, falls erforderlich. Analoge Bezugsspannungen liegen zwischen VSS1 und VDD1 (0-11 V). Die Schaltreglerkomponenten liegen zwischen VSS2 (-0,7 bis +5,5 V) und VBAT (0 bis 15 V). Der obere Nebenschlußtransistor liegt an einer Spannung im Bereich von 0 bis VDD1 +0,7 V.

4.1 VREF1 Bezugsspannung. Die VPEFI-Schaltung X4 erzeugt eine Bezugsspannung zum Überwachen der Supercaps, der niedrigen und der sehr niedrigen Systemspannung. Die Schaltung weist keine Operationsverstärker auf, wodurch Offsetfehler verringert werden. NMOS-Transistoren an den Kollektoren von non-Bandabstand-Transistoren dienen dazu, frühe Spannungseffekte zu beseitigen. Die Schaltung hat ein gepuffertes Ausgangssignal, das die Bandabstandsspannung multipliziert und auf 1,50 Volt eingestellt ist. Diese Einstellung erfolgt mit Schmelzmetall auf dem Chip. Der Einstellbereich beträgt etwa 1,5 +/- 0,1 Volt mit minimalen Stufen von 3 mV. Es ist zusätzlich ein +/-1 LSB vorgesehen, wenn die ursprüngliche Einstellung unrichtig ist. Der Temperaturkoeffizient der Schaltung ist typisch 60 ppm/ºC und im schlechtesten Fall 150 ppm/ºC.

4.2 IBIAS & XTAL BIAS Vorstromgenerator. Die IBIAS & XTAL BIAS-Schaltung X1 erzeugt 20 nA-Vorströme für andere Zellen und 100 nA Vorstrom (Spannung) für den xtal-Oszillator. Sie erzeugt eine gepufferte 2 Vth-Spannung "VLOW" zum Betreiben des xtal-Oszillators und Teiler höherer Ordnung bei geringem Strom. Es werden CrSi- und p-Widerstände kombiniert, um TC von Vbe anzupassen. Der Vorstrom variiert etwa um +/- 28% über alle Parameter.

4.3 XTAL Oszillator & Teiler höherer Ordnung. Die XTAL & 2 kHz-Teilerschaltung X2 erzeugt ein Taktsignal für die Kondensatorschaltseguenz. Es wird ein Niedrigstromoszillator (CASC1 von TCJ) verwendet, der mit der zweiten Versorgungsspannung Vth läuft, die VLOW genannt wird. An den Kristallstiften sind interne Trimmkondensatoren angebracht, die über Metallmasken einstellbar sind. Die 2 kHz-Teiler laufen mit VLOW, werden dann auf VSS1 und VDD2 (0 bis 5 V) pegelverschoben. Dadurch wird eine Pegelverschiebung bei 32 kHz vermieden und Strom gespart.

Der Schaltungseingang PULSE erhält einen 2 kHz-30 Mikrosekunden-Impuls für die Chip-Ein und Aus-Zeitgabe zugeführt. Der Schaltungseingang NSTROBE erhält einen 2 kHz-15 us-Negativimpuls für die Chip-Ein-Zeitgabe zugeführt, der 60 us nach PULSE auftritt. Die Pegelschieber benötigen bei 2 kHz je etwa 30 nA.

4.4 Abtastschaltdecoder. Die SS-Decoderschaltung X3 wird durch das Eingangssignal PULSE getaktet. Ein monostabiler Multivibrator wird dazu verwendet, um für die Schalterausgangssignale effektiv ein nicht überlappendes Taktsignal zu erzeugen. Nach jedem Taktsignal werden alle Schaltsignale für 0,6 bis 4 us (durch die Eingänge E und NE) gesperrt.

Schaltfolgen tasten den oberen Supercap, den unteren Supercap, die niedrige und die sehr niedrige Systemspannung in dieser Reihenfolge ab. Die Eingänge NSC1, NSC2, NSSL und NSSVL legen fest, welche Spannung erfaßt wird. Jede Spannung wird alle 7,8 ms abgetastet.

Der Eingang NCMP_CLK ist der Komparatortakt. Der Eingang NCMP_ON schaltet den Komparator während Nichtgebrauchsperioden ab.

4.5 Abtastkondensatorarray & Schalter. Die Kondensatorarray & Schalterschaltung X5 enthält Abtastkondensatoren, die im wesentlichen von einer Einheitsgröße sind. Aufgrund der Unterschiede der abgetasteten Spannungen sind Bruchteile der Einheit erforderlich. Poly-Ätztoleranzen können einen Verhältnisfehler von etwa 0,2% verursachen.

Die Eingänge 51, 52, 53, 58 und 59 erfordern Signalpegel oberhalb von VSS2 (der normale Logikpegel ist VSS1, VDD2). Die Eingänge S1, S2, S3, S8 und S9 müssen Elemente sichern, die an VSS1 & VDD1 hängen. Alle anderen Schalter können an VSS1 und VDD2 hängen. Dies schließt p-Kanal-Elemente ein, da sie bei diesem Prozeß vom Substrat isoliert sind.

Die Abtastung erfolgt derart, daß der Knoten OUT auf dem Bezugsspannungspegel bleibt, wenn die abgetastete Spannung exakt auf dem Auslösepunkt liegt. Dadurch werden parasitäre Kapazitäten an diesem Knoten hoher Impedanz vermieden.

Durch Umschalten zwischen den geringfügig verschiedenen Kondensatorspannungen wird den SL- und SVL-Tests eine 100 mV- Hysteresis hinzugefügt.

Die Fig. 5a zeigt ein vereinfachtes elektrisches Schema für die Kondensatorarray & Schalterschaltung X5 und ihre Funktion. Im Betrieb ist VOUT = VREF, wenn VABTAST C1 = VREF C2 ist.

4.6 Abtastkomparator. Die SCOMP-Schaltung X7 vergleicht das Ausgangssignal des Kondensatorarrays mit der Bezugsspannung. Sie ist von selbst Offsetkompensiert. Die Ansprechzeit beträgt weniger als 25 us.

Die Fig. 5b zeigt ein vereinfachtes elektrisches Schema für die SCOMP-Schaltung X7 und ihre Funktion. In der Phase 1 wird der n-Kanal kurzgeschlossen, so daß dessen Gatespannung den Wert annimmt, bei dem sie exakt den Stromquellenstrom aufnimmt. Der Eingangskondensator wird auf VREF kurzgeschlossen und speichert den Unterschied zwischen dieser Gatespannung und VREF. In der Phase 2 wird der n-Kanal geöffnet und verbindet den Kondensator mit der Eingangsspannung. Wenn sich die Eingangsspannung von der Bezugsspannung unterscheidet, wird das Gate höher oder niedriger gezogen, wodurch der Ausgang der Stromquelle heruntergezogen wird oder die Stromquelle hochzieht.

4.7 Komparator-Datenlatch. Die Comp DL-Schaltung X11 speichert das Ausgangssignal des Komparators in dem Latch, das der getesteten Spannung entspricht. Sie wird durch den Eingang NSTROBE getaktet.

4.8 Wartezeitgeber. Die WT-Zeitgeberschaltung X12 wird zur "zeitlichen Hysterese" benutzt, wenn die Supercap-Spannungen abgetastet werden.

Nahe der Auslösespannung tendieren die Kondensatoren dazu, bei der Aufladung über der Auslösespannung zu liegen und sofort unter die Auslösespannung zu fallen, wenn der Ladestrom nebengeschlossen wird. Dies liegt am Innenwiderstand der Supercaps von etwa 7X.

Die Supercaps werden alle 7,8 ms abgetastet, unter der obigen Bedingung würde sich die Aufladung/Entladung mit etwa 50% des Arbeitszyklusses abwechseln. Ein typischer Ladestrom von 20 mA würde sich auf 10 mA mitteln, während ein typischer Laststrom fortlaufend bei 12 mA liegt, mit dem Ergebnis eines Netto-Energieverlustes. Es würde sich wegen des internen I-R-Abfalles eine Kondensatoraufladung auf weniger als den Maximalwert ergeben.

Um dies zu vermeiden, wird das Komparator-Datenlatch für 3x7,8 ms gesperrt, wenn es aus dem Nebenschlußmodus kommt. Es ergibt sich ein 3:1 Ladungs-Nebenschluß-Verhältnis, wodurch sichergestellt ist, daß der Netto-Ladestrom positiv ist.

4.9 Nebenschlußtransistoren. Die Nebenschlußtransistoren X10 leiten bis zu 70 mA von den Supercaps ab, wenn die maximale Spannung überstiegen wird. Die Nebenschlußtransistoren haben einen Widerstand von etwa 3,5 X.

4.10 Schaltregler. Die Schaltreglerschaltung X9 erzeugt aus einer 9-Volt-Batterie 17 Volt. Der die Induktivität kurzschließende Transistor befindet sich nicht auf dem Chip (der IC muß nicht 17 Volt verarbeiten).

Der Ausgang NBP teilt der VDD2-VSS1-Logik mit, wenn an den BAT- und VSS2-Anschlüssen eine Batterie liegt.

Die Fig. 5c zeigt ein vereinfachtes elektrisches Schema für den Aufwärts-Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler der Schaltreglerschaltung X9 und deren Funktion. Wenn der Schalter 5 geschlossen ist, liegt die Batteriespannung an der Induktivität L an. Durch die Induktivität fließt ein Ladestrom und baut ein Magnetfeld auf, das ansteigt, solange der Schalter geschlossen ist. Wenn der Schalter geschlossen ist, ist die Diode D in Rückwärtsrichtung vorgespannt (offener Kreis), und der Last wird über den Kondensator C Strom zugeführt. Bis der Schalter geöffnet wird, steigt der Induktionsstrom linear auf einen Maximalwert an, der durch die Batteriespannung, den Wert der Induktivität und die Zeit bestimmt ist, für die der Schalter geschlossen ist (IMAX = VBAT/L x TEIN) Wenn der Schalter geöffnet wird, bricht das magnetische Feld zusammen, und die im magnetischen Feld gespeicherte Energie wird in einen Entladestrom umgewandelt, der in der gleichen Richtung durch die Induktivität fließt wie der Ladestrom. Da der Strom nicht durch den Schalter fließen kann, muß er durch die Diode fließen, um zur Last zu kommen und den Ausgangskondensator aufzuladen.

Wenn der Schalter wiederholt mit einer Rate, die viel größer ist als die Zeitkonstante der Ausgangs-RC-Schaltung, geöffnet und geschlossen wird, wird am Ausgang eine konstante Gleichspannung erzeugt.

4.10.1 Schaltreglervorspannung. Die interne Vorspannung der Schaltreglerschaltung X9 wird nur zum Vorspannen der Schaltreglerkomponenten verwendet. Die Vorspannung wird von einer 5 uA-Standard-Vorspannungszelle des Typs A54020 erzeugt. Der absolute Wert davon ist unkritisch.

4.10.2 VREF2. Die Schaltreglerschaltung X9 weist eine interne Bezugsspannung zum Überwachen der Schaltregler-Ausgangsspannung auf. Die Bezugsspannung wird durch eine Bezugsspannungs-Standardzelle des Typs A53000 erzeugt, die für die Verwendung von CrSi modifiziert ist.

Die Bezugsspannung wird so gewählt, daß die non-Kollektoren auf positiver Spannung gehalten werden. (Der Schaltregler kann Spannungen unter der Substratspannung VSS1 aufweisen.

Der Wert und der Temperaturkoeffizient der Schaltung sind unkritisch, eine Einstellung ist nicht erforderlich.

4.10.3 RC-Oszillator. Die Schaltreglerschaltung X9 weist eine interne Taktgeberschaltung zum Schalten des Reglers mit etwa 25 kHz auf. Der Takt wird durch Teilen von 50 kHz abgeleitet, um einen Arbeitszyklus von 50% zu ergeben. Es wird eine Standard-Bezugszelle des Typs A55010 verwendet, die für CrSi modifiziert ist. Es ist ein externer Widerstand von etwa 150 kX erforderlich.

4.10.4 Schaltreglerkomparator. Die Schaltreglerschaltung X9 besitzt einen Komparator, der für eine verbesserte Ansprechzeit von maximal 3,5 us eine positive Rückkopplung benutzt.

4.11 VREG. Die 5 V-Reglerschaltung X6 erzeugt eine geregelte 5 Volt +/-2,S% Ausgangsspannung für externe Elektronikkomponenten und für VDD2 der internen Logik. Es wird ein externer NPN verwendet, um thermische Effekte auf dem IC zu vermeiden.

4.12 Niederspannungs-RESET. Die Low-Reset-Schaltung X8 setzt die gesamte ASIC U1 zurück. Die Energieversorgung kann (unter bestimmten Lichtbedingungen) Minuten bis Stunden bis zum Einschalten brauchen, wodurch normale Einschalt-Rücksetz-Schaltungen nicht verwendbar sind. Die Schaltung muß sicherstellen, daß alle Ausgangssignale gültig sind, bis die Analogschaltungen arbeiten.

Das Ausgangssignal hält alle Latches im Rücksetzzustand, bis die Vorspannung, die Bezugsspannung und die Reglerschaltungen auf Pegeln arbeiten, die für den Betrieb akzeptabel sind.

4.13 Bevorzugte Technologie für die ASIC U1

Die ASIC UI wird geeignet in BIPOLAR-CMOS-Technik ausgeführt, die von mehreren Halbleiterherstellern verfügbar ist. Typischerweise wird sie im BI-CMOS-Prozeß der Micro-Rel Division von Medtronic, Inc., 2343 W. 10th Place, Tempe, Arizona 85281 ausgeführt.

5.0 Funktionale Beschreibung der Vorrichtung ASIC U2

Das Blockschaltbild der Fig. 6, das aus den Fig. 6a bis 6f besteht, zeigt dem Gesamtaufbau der zweiten (U2) anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), die bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bewässerungssteuereinheit verwendet wird.

Die Vorrichtung ASIC U2 ist mit Berechnungen, Befehlen und der Steuerung befaßt. Sie arbeitet hauptsächlich digital und kann als spezialisierter Mikroprozessor mit wesentlichen analogen und digitalen Ein/Ausgabemöglichkeiten betrachtet werden. Die Darstellung der Vorrichtung ASTC U2 zeigt die Verbindung der verschiedenen funktionellen Blöcke im einzelnen.

5.1 Architekur der Vorrichtung ASIC U2

5.1.1 Mikroprozessor. Der zentrale Mikroprozesoor Y31 der Vorrichtung ASIC U2 ist eine NCR 65CX02 Makrozelle. Sie besitzt eine 8-Bit-Datenwegstruktur, die von einem internen programmierbaren Logikarray (PLA) mittels 8-Bit-Instruktionen gesteuert wird und eine 16-Bit-Adressiermöglichkeit hat. Es ist wichtig, daß die gesamte interne Schaltung des Mikroprozessors vollständig statisch und komplementär ist, so daß das Taktsignal eingefroren werden kann und dann nur Leckstrom verbraucht wird. Sie hat eine Taktrate von 455 kHz und eine Zykluszeit von 2,2 Mikrosekunden.

Der Mikroprozessor Y31 führt das Anweisungsrepertoire des kommerziell erhältlichen Mikroprozessors des Typs 6502 aus. Die mnemonischen Codes der Anweisungen für dieses Repertoire, wie sie als mnemonische Codes im Firmwareprogramm im Anhang A auftreten, stellen übliche mnemonische Anweisungen dar. Eine vollständige Beschreibung des Anweisungsrepertoires des Mikroprozessors 6502 ist unter anderem in dem Buch "6502 Assembly Language Programming" von Lance A. Leventhal, herausgegeben 1979 von Osborne/McGrawhill, 630 Eancroft Way, Berkeley, California 94710 enthalten. Es ist ersichtlich, daß in Übereinstimmung mit den geringen Berechnungsansprüchen einer Bewässerungssteuereinheit die relativ einfache 6502 Mikroprozessor-Makrozelle nicht der einzige Typ ist, der verwendet werden kann, sondern daß viele Mikroprozessoren einschließlich solcher Typen, die gewöhnlich in ASICs enthalten sind, für den Gebrauch in der erfindungsgemäßen Bewässerungssteuereinheit geeignet sind.

Die vom Mikroprozessor Y31 ausgeführte Firmware belegt die Speicheradressen gemäß der folgenden Speicheraufteilungstabelle:

00-3F Ein/Ausgabeeinheiten

40-7FFF RAM-Speicher U5 (Fig. 3h)

8000-FFFF ROM-Speicher U4 (Fig. 3f)

Die Operandenfelder der Firmwareanweisungen können gemäß der folgenden Speicheraufteilungstabelle interpretiert werden:

00 O Mikroprozessor aus

01 O RTC-Zähler löschen

02 O A/D-Energie, 1=ein, 0=aus

03 O A/D Interface, 1=frei, 0=gesperrt

04 O LCD Energie, 1=ein, 0=aus

05 O LCD interface, 1=frei, 0=gesperrt

06 O Ventilauswahlbyte

Bits 0-2 - Ventil #, + Seite

Bits 3-5 - Ventil #, - Seite

Bit 6 - Polarität, 0=normal

1=07 umgekehrt

O Ventilfreigabe, 1=ein, 0=aus

08 O Zeitgeber Hi Byte Latch

09 O Zeitgeber Lo Byte Latch

0A O Zeitgebersteuerung, 1=ein, 0=aus

0B O RTC, 1=10 Sekunden, 0=1 Minute

0C O Serieller Takt

0D O Zeitgeber laden

0E O Serielle Daten heraus schreiben

0F O Serieller Ausgang bereit

10 I RTC-Zähler Hi Byte

11 I RTC-Zähler Lo Byte

12 I Statusregister 1

Bit 0 - 0=externe Batterie angeschl.

Bit 1 - 1=Laufzeitüberwachung

Bit 2 - 0=niedr. Systemspannung

Bit 3 - 0=sehr niedr. Systemspannung

Bit 4 - 0=RTC-Impuls

Bit 5 - 1=Batterie leer oder Kondens. laden sich auf

Bit 6 - 1=ser. Datenverbdg vorh.

Bit 7 - 0=ser. Datenverbdg. bereit

13 I Statusregister 2

Bit 0 - Schalter 1, 1=STOP gedrückt

Bit 1 - Schalter 2

Bit 2 - Schalter 3

Bit 3 - Schalter 4 HILFE

Bit 4 - Schalter 5 NEIN

Bit 5 - Schalter 6 OK

Bit 6 -Bit 7 - A/D Ende der Umwandlung

14 I Serielle Daten einlesen

15 I A/D-Konverter auslesen

16 I Serielles Schieberegister laden

17 I Eingang-Bereit-Latch löschen

18 I LCD-Belegtflag & Adresszähler (RS=0)

Bit 7 - 1=belegt

O LCD-Befehlsregister (RS=0)

19 I LCD Einlesedaten (RS=1)

O LCD Schreibdaten (RS=1)

1A O LCD Kontrastwahl (0-7)

1B O Laufzeitüberwachung löschen

1C O RTC-Zähler takten

1D 1/0 EEPROM

1E O Spulentesttreiber

1F O Sensortesttreiber

20 O Start A/D Kanal 0, Sensor 1

21 O Start A/D Kanal 1, Sensor 2

22 O Start A/D Kanal 2, Sensor 3

23 O Start A/D Kanal 3, Sensor 4

24 O Start A/D Kanal 4, Sensor S

25 O Start A/D Kanal S, Sensor 6

26 O Start A/D Kanal 6, Sensor 7

27 O Start A/D Kanal 7, Sensor 8

28 O Start A/D Kanal 8, Ventil 1

29 O Start A/D Kanal 9, Ventil 2

2A O Start A/D Kanal 10, Ventil 3

2B O Start A/D Kanal 11, Ventil 4

2C O Start A/D Kanal 12, Ventil S

2D O Start A/D Kanal 13, Ventil 6

2E O Start A/D Kanal 14, Ventil 7

2F O Start A/D Kanal 15, Ventil 8

30-3F

40-FF Nullseitenvariable, Zeiger und Tabellen

100-1FF Stack

200-3FF Programmvariable

8000 ROM Start

FFFA-FFFB NMI-Vektor

FFFC-FFFD RESET-Vektor

FFFE-FFFF IRQ-Vektor

5.1.2 Treiber. Die Spulentreiber Y20 arbeiten paarweise, um für den Betrieb der elektromagnetisch betätigten Ventile relativ große, bidirektionale Stromimpulse abgeben zu können. Zu einem Zeitpunkt ist immer nur ein Paar von Spulentreibern aktiv, wie es durch den Inhalt des Datenbusses angegeben wird. Zusätzlich haben die Ausgangs- (Spulen-) Treiber die Fähigkeit, für Test- und Progammierzwecke einen geregelten Strom zu ziehen.

5.1.3 Zeitgeber. Der Zeitgeber Y26 besteht aus zwei 8-Bit- Latches auf dem Datenbus und einem 16-Bit-Abwärtszähler, der mit 2 kHz getaktet wird. Das Laden des Zählers und der Latche erfolgt unter der Steuerung des Mikroprozessors. Wenn der Zähler Null erreicht, wird ein Prozessor-Interrupt erzeugt.

5.1.4 ADC. Der Analog-Digital-Konverter Y43 erhält Signale von den externen Sensoren und von den Ventilen, auf insgesamt 16 Kanälen, die in digitale Informationen umgewandelt werden und auf den Datenbus gegeben werden. Die Auswahl der zu digitalisierenden Kanäle erfolgt auf der Basis des Inhaltes des Adressbusses. Die umgewandelten Daten werden als acht-Bit- Anteile ausgedrückt. Für die von den Sensoren kommenden acht Kanäle und für die von den Spulen kommenden acht Kanäle ist dieser Anteil das Verhältnis der Eingangsspannung zur vollen Spannungsversorgung. Alle 16 ADC-Eingänge können durch einen Poly-Widerstand und einen n-Kanal-Schalter auf Masse gezogen werden, die zusammen einen Widerstand mit nominell 330 Ohm bilden. Die den acht Kanälen zugeordneten Widerstände, die von den Sensoren kommen, werden einzeln auf den Befehl des Prozessors hin freigegeben (wie es durch den Inhalt des Datenbusses angegeben wird). Die Spezifikationen für die Analog- Digital- (A/D) Konverter sind wie folgt:

a. Auflösung/Genauigkeit - 8 Bit ± ein halb LSB für VIN = 1(Vd)

- 8 Bit ± ein LSB für VIN = 1/2 (Vd)

b. Umwandlungszeit - 8/fosz x n, wobei n = 8 oder 9 ist, abhängig davon, ob die Umwandlung für Voll- oder Halbausschlag ist.

c. Betriebsstrom - Maximal 3 mA

d. Analoger Bezug - Digitale Versorgungsspannung (Vd)

e. Analogeingänge (Vin) - Jede Eingangsspannung steht im Verhältnis zur digitalen Versorgungsspannung (Vd), wobei:

Vin für Vollausschlag = 1/2(Vd) für die A/D-Kanäle 1-8

Vin für Vollausschlag = 1(Vd) für die A/D-Kanäle 9-16.

5.1.5 Uhr/Kalender. Diese Uhr/Kalender Y22 dient mehreren Zeitgeberfunktionen. Sie erzeugt einen 2 Sekunden-Zeitgeberimpuls im 10 Sekunden- oder 1 Minuten-Intervall.

Sie überwacht den Status der Programmierbatterie durch Erzeugen eines "Batterie leer"-Statusbits, wenn während des Programmierens eines der beiden "Supercap Nebenschluß"-Signale für mehr als 64 Sekunden nicht auftritt.

Sie zählt bis zu 65535 Impulse hoch, wenn sich der Prozessor in einem Niedrigspannungs-Abschaltemodus befindet, um einen Kalenderspeicher zu bilden. Der Kalenderinhalt kann auf den Datenbus gegeben werden.

Sie unterhält einen 128 Sekunden-Totmannzeitgeber, der einen Hardwarereset erzeugen kann, wenn der Prozessor ausfällt.

5.1.6 Schalterregister. Das Schalterregister Y2 dient als Interface zwischen den sechs externen Konfigurationsschaltern und dem Datenbus. Ein zusätzliches Eingangssignal ist das Signal für das Ende der Umwandlung vom Analog-Digital-Konverter.

5.1.7 Statusregister. Das Statusregister Y3 stellt dem Prozessor für Daten auf dem Datenbus die folgenden internen Flags zur Verfügung: Batterie angeschlossen, Totmann-Zeitüberschreitung, niedrige Systemspannung, sehr niedrige Systemspannung, Realzeit-Taktimpuls, Batterie leer, serielle Datenverbindung vorhanden, und extern bereit.

5.1.8 Serielle Datenverbindung. Die serielle Datenverbindung Y1ermöglicht eine schnelle, synchrone Zwei-Wege-Kommunikation zwischen der Vorrichtung und einem entfernten Datensender/Empfänger. Die Daten werden unter der Kontrolle des Prozessors über den Datenbus geladen oder ausgelesen. Die Übertragung der seriellen Daten wird ebenfalls direkt vom Prozessor gesteuert.

5.1.9 Bereit. Diese Schaltung Y23 dient dem Quittungsaustausch zwischen dem Prozessor und einer externen Vorrichtung (wie der seriellen Datenverbindung) über das Statusregister und den Datenbus.

5.1.10 Aufwachen. Die Aufwachschaltung Y27 startet auf die Stimulation durch entweder eine vorhandene serielle Datenverbindung oder den Uhr/Kalender-Zeitgeber oder eine angeschlossenen Batterie den Hauptsystemoszillator und entfernt dann nach einer Verzögerung von 500 Mikrosekunden den Systemreset. Bei der Stimulation durch das sehr niedrige Systemspannungssignal oder den Prozessor veranlaßt die Aufwachschaltung sofort einen Systemreset. Das Totmann-Zeitüberschreitungssignal löst einen 30 Mikrosekunden-Resetimpuls aus, der in zwei-Sekunden-Intervallen auftritt, bis ihn der Prozessor abstellt.

5.1.11 Hauptoszillator. Der Hauptoszillator Y25 macht von einem externen Kondensator und einem Ladungs-Entladungsschema Gebrauch, um für den Prozessor einen schnellen Takt zu erzeugen. Zur Energieeinsparung kann der Oszillator abgeschaltet werden. Auf Befehl startet er sofort wieder. Die Oszillationsfrequenz wird durch die Größe des externen Kondensators bestimmt. Die Beziehung zwischen der Kondensatorgröße und der Frequenz sowie die Frequenzstabilität bei Änderungen in den Betriebsbedingurigen können unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen, unter denen die Bewässerungssteuereinheit verwendet wird, entsprechend eingestellt werden.

5.1.12 LCD-Interface. Das LCD-Interface Y29 besteht aus einem Latch auf dem Datenbus und der Steuerschaltung, die für das Betreiben einer externen Flüssigkristallanzeige und des DAC erforderlich ist. Das LCD-Interface kann so gestaltet werden, daß es als der 6502-Datenein/ausgangsanschluß dient. Das Interface ist nur in einem speziellen Testmodus so gestaltet.

Unter Prozessorsteuerung wird ein Flipflop gesetzt, das die internen Logikwege so ändert, daß der LCD-Bus als 6502-Datenein/ausgangsanschluß dient. Diese spezielle Testfunktion ermöglicht es, daß der 6502 unabhängig von der peripheren Logik getestet werden kann.

5.1.13 DAC. Der Vier-Bit-Digital-Analog-Konverter Y32 erzeugt eine Spannung entsprechend dem Inhalt des Datenbusses am LCD- Interface für die Kontraststeuerung der externen Flüssigkristallanzeige.

Die Spezifikation des DAC ist wie folgt:

a. Auflösung: 4 Bit

b. Genauigkeit: ± 1/2 LSB für alle Spannungsstufen

c. Vaus = n(0,147), wobei 0 ≤ n ≤ 15

d. Io (min) = 500 uA für Vaus = 0V ± 50 mV

e. Vo (max) = ± 50 mV für Io = 500 uA für die DAC- Einstellung D3 = D2 = D1 = D0 = 0

5.1.14 Adressendecodierung. Die Adressendecoderschaltung Y38 bildet alle internen Funktionen eindeutig in die Nullseite des Speicherraumes des Prozessors ab. Der Decoder erzeugt Zeitgeber- und Steuersignale für diese internen Schaltungen sowie für das Auslesen und Einschreiben aus bzw. in den externen Speicher.

5.1.15 Einschalter. Die Einschaltschaltung Y28 steuert die Energieversorgung für das externe ROM und die Anzeige sowie die internen Analogfunktionen, um Energie zu sparen und es der Bewässerungssteuereinheit zu ermöglichen, in einen "Schlaf"- Modus einzutreten.

5.1.16 Widerstandskontrolle. Die Widerstandskontrollschaltung U42 ermöglicht eine Rekonfiguration des Sensor- und des Spuleninterfaces für eine Kommunikation auf jedem der A/D-Kanäle, so daß die Integrität der Ventilspulen und der Feuchtigkeitselemente einem Selbsttest unterzogen werden kann. Dies erfolgt durch selektives Einschalten eines Widerstandes mit niedrigem Wert zwischen die Kanal-Signalleitung und Masse.

5.2 ASIC U2: Beschreibung der Ein/Ausgänge

5.2.1 CD0-CD15 - Spulentreiberausgänge. Diese Anschlüsse arbeiten paarweise, immer ein Paar zu einer Zeit, wenn sie die Spulen der elektromagnetisch betätigten Ventile ansteuern. Ein Anschluß des Paares geht hoch, während der andere nach unten geht, um einen bidirektionalen Strom zu erzeugen. Inaktive Spulentreiberpaare nehmen einen Zustand hoher Impedanz an. Wenn die Spule abgeschaltet wird, muß die Treiberschaltung die Energie des zusammenbrechenden Feldes aufnehmen. CD8-CD15 dienen auch als Analogeingänge für den ADC. Diese Anschlüsse können für Test- und Programmierzwecke einen geregelten Strom ziehen.

5.2.2 ADC0-ADC15 - Analogeingänge für den ADC. Diese Anschlüsse ergeben Informationen von den Spulen und Sensoren, deren Integrität der Prozessor bewerten muß. ADC8-ADC15 sind für die 8 Ventilleitungen CD8-CD15. ADC0-ADC7 sind für die 8 Sensorleitungen. Alle diese 166 Leitungen haben die Fähigkeit, für Testzwecke einen geregelten Strom zu ziehen.

5.2.3 SL - Niedrige Systemspannung. Ein aktiv niedriger Eingang zeigt an, daß der Zustand der Energieversorgung derart ist, daß bald ein Betrieb unmöglich wird. Der Prozessor schließt bei Erhalt des Signals in Erwartung einer Abschaltung sofort alle Ventile.

5.2.4 SVL - Sehr niedrige Systemspannung. Ein aktiv niedriges Signal zeigt an, daß der Zustand der Energieversorgung derart ist, daß ein weiterer Betrieb unmöglich ist. Bei Erhalt des Signals geht der Prozessor sofort in den "Winterschlaf". Nach etwa 100 Millisekunden erfolgt unabhängig vom Prozessor ein Hardware-Systemreset.

5.2.5 SH0, SH1 - Supercap-Nebenschlußsignale. Wenn eines dieser Signale für mehr als 64 Sekunden auf dem hohen Zustand bleibt, wird der Batterie-leer-Status erzeugt.

5.2.6 BPR - Batterie angeschlossen. Ein aktiv niedriges Signal zeigt an, daß eine Batterie an die Energieversorgung angeschlossen ist, so daß der Prozessor kontinuierlich laufen kann.

5.2.7 S1-S6 - Schaltereingänge. Aktiv hohe Eingänge mit internen Herabziehungen gehen direkt zum Schalterregister.

5.2.8 A0-A14 - Adressenausgänge. Der externe RAM und ROM werden über diese Anschlüsse adressiert. A0-A7 dienen in Verbindung mit ALE auch als D0-D7.

5.2.9 D0-D7 - Bidirektionaler Datenbus. Der externe RAM und ROM verwendet diese Leitungen zum Übertragen von Daten zu und von der Vorrichtung. In Verbindung mit dem ALE-Signal werden die niedrigeren Adressbits auf diesen Leitungen mit den Daten gemultiplext.

5.2.10 ALE - Adressenlatchfreigabe. Wenn dieses Signal auf hohem Pegel ist, kann auf den Anschlüssen D0-D7 eine Datenübertragung erfolgen. Wenn das Signal auf niedrigem Pegel ist, werden die gleichen Anschlüsse als Ausgänge A0-A7 verwendet.

5.2.11 RDYIN - Eingang bereit. Dieses Signal erscheint als eines der Bits des Statusregisters. RDYIN erzeugt ein Quittungsprotokoll für eine seriellen Datenverbindung. Ein niedrig-hoch-Übergang dieses Signals setzt das Statusbit für das Vorhandensein einer seriellen Datenverbindung herab. Das Signal ist mit einer internen Herabziehung versehen.

5.2.12 RDYOUT - Ausgang bereit. Dieses Signal gibt den Inhalt des Datenbusbits Null unter der Steuerung des Prozessors aus der Vorrichtung ab, um ein Quittungsprotokoll für eine serielle Datenverbindung zu erzeugen.

5.2.13 CEROM - ROM-Chip-Freigabe. Dieses Signal wird zur Freigabe der Ausgänge des externen ROMs auf den Anschlüssen D0-D7 verwendet.

5.2.14 LCD0-LCD7 - Flüssigkristalldaten. Dieses bidirektionale Signal überträgt Daten zur und von der externen Flüssigkristallanzeige. Es ist mit einem internen Herabziehen versehen.

5.2.15 LCDEN - LCD-Freigabe. Dieses Ausgangssignal gibt die externe Flüssigkristallanzeige frei. Das Ausgangssignal kann eine hohe Impedanz mit einem internen Rerabziehen zeigen.

5.2.16 LCDRS-LCD-Registerauswahl. Dieses Ausgangssignal informiert das externe LCD-Modul darüber, daß an den Dateneingängen entweder Daten oder Befehle erscheinen. Das Ausgangssignal kann eine hohe Impedanz mit einem internen Herabziehen haben.

5.2.17 LCDRD - LCD-Lesen. Dieses Ausganssignal steuert die Richtung des Datenflusses zur oder von der externen Flüssigkristallanzeige. Das Ausgangssignal kann eine hohe Impedanz mit einem internen Herabziehen haben.

5.2.18 VLCD - Analogausgang vom DAC zur externen Flüssigkristallanzeige. Dieses analoge Ausgangssignal wird zur Steuerung des Anzeigekontrastes verwendet.

5.2.19 VL - Energie für die externe Flüssigkristallanzeige. Wenn dieses Signal eingeschaltet ist, wird Strom vom Versorgungseingang VDD der Vorrichtung abgegeben. Wenn es ausgeschaltet ist, wird Strom in die Versorgungsrücknahme VSS gezogen.

5.2.20 VA - Energie für die externen Sensoren. Wenn dieses Signal eingeschaltet ist, wird Strom vom Versorgungseingang VDD der Vorrichtung abgegeben. Wenn es ausgeschaltet ist, wird Strom in die Versorgungsrücknahme VSS gezogen. 5.2.21 VP - Energie für das externe ROM. Wenn dieses Signal eingeschaltet ist, wird Strom vom Versorgungseingang VDD der Vorrichtung abgegeben. Wenn es ausgeschaltet ist, wird Strom in die Versorgungsrücknahme VSS gezogen.

5.2.22 Serieller Takt - Taktein/ausgang für den seriellen Datentransfer. Wenn es von der Vorrichtung für eine Datenübertragung nach außen ausgegeben wird, nimmt das Signal abwechselnd einen hohen Zustand niedriger Impedanz und einen niedrigen Zustand niedriger Impedanz an. Wenn der niedrige Zustand für mehr als 20 bis 40 Nanosekunden andauert, bleibt das Signal mit einem internen Herabziehen auf hoher Impedanz. In diesem Zustand kann der Anschluß von einer externen Quelle für eine Datenübertragung nach innen (Empfang) angesteuert werden. Die an diesem Anschluß erzeugten Taktsignale können eine Rate von bis zu 32 000 Hertz haben. Der Anschluß kann mit bis zu 300 Picofarad Kapazität geladen werden.

5.2.23 Serielle Daten - Datenein/ausgang für den seriellen Datentransfer. Wenn es von der Vorrichtung für eine Datenübertragung nach außen ausgegeben wird, nimmt das Signal immer dann einen Zustand niedriger Impedanz an, wenn das serielle Taktsignal hoch ist, und dann, wenn der niedrige Zustand des Taktsignals für mehr als 20 bis 40 Nanosekunden andauert, eine hohe Impedanz mit einem internen Herabziehen. In diesem Zustand kann der Anschluß von einer externen Quelle für eine Datenübertragung nach innen (Empfang) angesteuert werden. Die an diesem Anschluß erzeugten Daten können eine Rate von bis zu 32 000 Bit haben. Der Anschluß kann mit bis zu 300 Picofarad geladen werden.

5.2.24 C01, C02 - Kondensatoranschlüsse. Stellen einen Anschluß für den Kondensator dar, dessen Wert die Frequenz des Hauptoszillators bestimmt.

5.2.25 Lesen (Nicht Schreiben) - R/W-Signal vom Prozessor. Zeigt an, ob ein Speicher-Lese- oder ein Speicher-Schreibzyklus ausgeführt wird.

5.2.26 PH12 - Prozessortakt. Dieses Signal ist während des aktiven Teils des Prozessorbetriebs hoch. Wenn es niedrig ist, lädt der Prozessor die internen Busse vor. Das Signal muß sich logisch mit Schreiben und den entsprechenden Adressendecodierungen kombinieren lassen, um die Steuersignale für die externen Speicher zu erzeugen.

5.2.27 CSE2 - EEPROM-Chipauswahl. Dieses Signal wird in Verbindung mit LESEN und PH12 für den Betrieb des externen EEPROMs verwendet.

5.2.28 RSTB - Prozessorreset. Das aktiv niedrige Signal zeigt an, daß der Prozessor abgeschaltet ist, und es kann dazu verwendet werden, externe Schaltungen in den richtigen Zustand für den Prozessorstart zu bringen.

5.2.29 PAGE0 - Nullseite. Dieser Anschluß geht hoch, wenn sich der Adressenbus im Adressenbereich 0040H bis einschließlich 7FFFH befindet.

5.2.30 VDD - Positive Versorgungsspannung für die Vorrichtung.

5.2.31 VSS - Negative Versorgungsspannung für die Vorrichtung.

5.2.32 CK - Realzeit-Takteingang für den Uhr/Kalender- Zeitgeber. Die Frequenz beträgt nominell 2 kHz mit einem hochgehenden Impuls von 30 us.

5.2.33 SPSEL. Wenn SPSEL=1 ist, benötigt der Chip eine 32 kHz-Zeitbasis am CK-Eingang. Bei SPSEL=0 benötigt der Chip eine 2 kHz-Zeitbasis am CK-Eingang.

5.3 ASIC U2 Anforderungen an die Energieversorgung

Parameter Symbol Einheit Stromversorgung Alle Schaltungen aktiv Realzeittakt, Interrupt und Batterie-leer-Erfassungsschaltung in Betrieb. Alle anderen Schaltungen auf einem statischen, definierten logischen Pegel (und daher nicht getaktet). Aktiver Versorgungsstrom

VDD=5,5V, 2 kHz-Realzeittakt in Betrieb, Hauptoszillator in Betrieb, Prozessor, ADC, LCD-Interface (nur) logisch in Betrieb, DAC in Betrieb, Spulenansteuerungen im Zustand hoher Impedanz, externe Interfaceschaltungen für EEPROM, ROM und RAM aktiv, jedoch ohne den Aktivstrom für das EEPROM, ROM und RAM.

Ruhe-Versorgungsstrom

VDD=S,SV, 2 kHz-Realzeittakt in Betrieb, Hauptoszillator gestoppt, Prozessor gestoppt, Spulenansteuerungen im Zustand hoher Impedanz, ADC, LCD, DAC ausgeschaltet. Externes EEPROM und ROM ausgeschaltet. Das externe RAM befindet sich auf einem statischen, definierten logischen Pegel (und wird daher nicht getaktet). Der Ruhestrom für das RAM ist in Iq nicht enthalten.

5.4 ASIC U2 Anforderungen an die Signalanschlüsse

Soweit nichts anderes angegeben ist, gelten die folgenden Kennwerte über den gesamten, oben angegebenen Versorgungsspannungsbereich. Alle Anschlüsse sind gegen elektrostatische Entladungen geschützt.

Parameter Symbol Einheit Eingangskapazität Ausgangskapazität Dreizustandskapazität Eingangsleckstrom Dreizustandsleckstrom Passiver Herabziehstrom (Vih = VDD) Aktiver Herabziehstrom(Vi = 2,SV)
VA, VL, VP
Parameter Symbol Einheit Hohe Ausgangsspannung Niedrige Ausgangsspannung Hoher Ausgangsstrom (Voh = VDD-0,3V) Niedriger Ausgangsstrom
VLCD
Parameter Symbol Einheit Ausgangsspannungsbereich Ausgangsstrom (Vol = 0,05V)
Spulentreiberanschlüsse
Parameter Symbol Einheit Eingangsspannungsbereich Ausgangsabfall p. Paar (I = 4SmA, Vdd = 4,SV) Siehe unten
ADC0-ADC15
Parameter Symbol Einheit Eingangswiderstand Eingangsspannungsbereich
C01, C02
Parameter Symbol Einheit Hohe Ausgangsspannung Niedrige Ausgangsspannung Hoher Ausgangsstrom (Voh = 2,5V) Niedriger Ausgangsstrom (Vol = 0,4V)
Alle anderen Anschlüsse
Parameter Symbol Einheit Hohe Eingangsspannung Niedrige Eingangsspannung Hohe Ausgangsspannung Niedrige Ausgangsspannung Hoher Ausgangsstrom (Voh = VDD-0,5V)
Niedriger Ausgangsstrom (Vol = 4,0V)

5.5 ASIC U2 Mechanische Eigenschaften

5.5.1 Gehäuse. Die Vorrichtung befindet sich in einem Kunststoff-Chipträger mit 84 Pins. Die Lebensdauer des Gehäuses beträgt mehr als 20 Jahre.

5.5.2 Umgebungsbedingungen. Die unten angegebenen Grenzwerte stellen die Umgebungsbedingungen dar, denen die Vorrichtung gewöhnlich ausgesetzt wird.

Kennwert Wert Einheit Lagertemperatur Betriebstemperatur Zuleitungstemperatur (4 min Löten) Feuchtigkeit

5.6 Bevorzugte Technologie für die Ausführung der ASIC U2

Die bevorzugte Ausführungsform der ASIC U2 wird vorzugsweise in der CMOS-Technologie der NCR Corporation, Dayton, Ohio ausgeführt. Diese Technologie und die Designregeln und Standardzellen dafür sind im "NCR ASIC Datenbuch" vom Januar 1987 beschrieben. Entsprechende Technologien anderer Herstel-1er können gleichermaßen geeignet sein. Das Bewässerungssystem der Fig. 2 kann auch mit integrierten Standardschaltungen und Mikroprozessorkomponenten in Verbindung mit einem entsprechenden Steuerprogramm ausgeführt werden. Ein solches System kann alternativ für das vorliegende Verfahren verwendet werden.

6.0 Variationen und Anpassungen der Erfindung

Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit elektrischen Schaltungen beschrieben wurde, die ziemlich kompliziert sind, um eine vorwiegend digitale ASIC (ASIC U2) zu bilden, ist ersichtlich, daß die Funktion der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bewässerungssteuereinheit auch durch andere, alternative Konstruktionen erhalten werden kann.

Insbesondere ist der zentrale Mikroprozessor der bevorzugten Ausführungsform zu 100% mit dem Industrie-Standardtyp 6502 kompatibel. Alle Firmware dieser Beschreibung kann auf einem 6502 Mikroprozessor ausgeführt werden, und sie kann leicht in alternative Mikroinstruktionsrepertoires für alternative Mikroprozessoren umgewandelt werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Schaltungen, mit denen manuell Daten in den Mikroprozessor eingegeben und angezeigt werden, und die Steuerung der Bewässerungsventile in besonderer Weise in Zuständen der Aktivität mit Energie versorgt und angesteuert. Nichtsdestoweniger ist ersichtlich, daß durch jeden Elektrikpraktiker alternative Ausführungen dieser Schaltungen realisiert werden können, insbesondere bei höherem Leistungsverbrauch und/oder höheren oder kontinuierlichen Arbeitszyklen. Entsprechend ist die vorliegende Erfindung aus der Sicht der Funktionen zu betrachten, die sie ausführt, und nicht nur aus der Sicht einer bestimmten Ausführung zur Realisierung dieser Funktionen.

Insbesondere kann die Energieerzeugung, die Speicherung und das Verbrauchsgleichgewicht des Systems geändert werden, ohne daß vom Erfindungsgedanken abgewichen wird. Das photovoltaische Modul kann vergrößert werden, um mehr Lichtenergie aufzunehmen. Der Superkondensator-Energiespeicher kann anders bemessen werden. Schließlich kann der Energieverbrauch höher angesetzt werden, insbesondere wenn die Steuereinheit in einem sonnigen Klima verwendet wird.

Entsprechend diesen und anderen Aspekten und Attributen der Erfindung soll diese nur im Umfang der folgenden Ansprüche und nicht allein anhand der jeweiligen Ausführungsformen bestimmt werden, anhand deren sie erläutert wurde.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung (1) zum Versorgen eines Systems mit Energie, das zu Zeiten eine Funktion ausführt, die keine Kommunikationsfunktion ist und bei der relativ wenig Energie verbraucht wird, und das zu anderen Zeiten eine Kommunikationsfunktion ausführt, bei der relativ viel Energie verbraucht wird, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (PVM) zum Gewinnen von elektrischer Energie aus Strahlungsenergie, die auf die Vorrichtung einfällt;

eine Einrichtung (SC1, SC2) zum Speichern der elektrischen Energie, die aus der Gewinnungseinrichtung erhalten wird, um das System bei der Funktion zu betreiben, die nicht die Kommunikationsfunktion ist; und durch

eine transportable Energieversorgungseinrichtung, die mit der Vorrichtung immer während der Zeiten verbunden ist, wenn das System die Kommunikationsfunktion ausführt, um das System dabei ohne wesentliche Verringerung der in der Energiespeichereinrichtung gespeicherten Energie zu betreiben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Speichereinrichtung einen Kondensator aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Kondensator ein Elektrolytkondensator mit wenigstens einer Elektrode aus Kohlenstoffpaste ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Kondensator ein Kondensator großer Kapazität mit einer elektrischen Doppelschicht ist, bei der Ladungen an der Übergangsstelle durch das elektrische Feld zwischen einer Phase mit aktivierten Kohlenstoffteilchen und einer zweiten Phase mit Schwefelsäure gespeichert werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die transportable Energieversorgungseinrichtung eine Batterie enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zum Betreiben eines Bewässerungssteuersystems verwendet wird, die zu Zeiten eine Bewässerungssteuerfunktion ausführt, bei der relativ wenig Energie verbraucht wird, und die zu anderen Zeiten eine Kommunikationsfunktion mit einem Benutzer/Programmierer für das Bewässerungssteuersystem ausführt, bei der der Benutzer/Programmierer Anweisungen zur Bewässerungssteuerung an das System gibt, und wobei

die Gewinnungseinrichtung eine photovoltaische Einrichtung zum Gewinnen von elektrischer Energie aus Lichtenergie;

die Speichereinrichtung einen Kondensator; und die transportable Energieversorgungseinrichtung eine Batterie aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die transportable Energieversorgungseinrichtung nicht nur zum Betreiben des Systems ohne wesentliche Verringerung der in der Speichereinrichtung gespeicherten Energie dient, sondern auch die in der Speichereinrichtung gespeicherte Energie ergänzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gewinnungseinrichtung eine photovoltaische Energiequelle zum Erzeugen von Spannung beim Vorhandensein von Lichtenergie;

und wobei die Speichereinrichtung einen Kondensator zum Akkumulieren elektrischer Ladungen in Reaktion auf die von der photovoltaischen Energiequelle erzeugte Spannung aufweist.

9. System, das von der Vorrichtung nach Anspruch 1 mit Energie versorgt wird, wobei das System, obwohl dauernd mit Energie versorgt, wesentliche Perioden aufweist, in denen nur unbedeutend Energie verbraucht wird.

10. System nach Anspruch 9, mit

einer Uhr zum Feststellen der Zeit;

wobei die wesentlichen Perioden des Systems, in denen nur unbedeutend Energie verbraucht wird, durch die Uhr festgelegt werden.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com