Das Ziel der Arbeit ist die Entwicklung und Dokumentation eines Persistence-of-Vision-Anzeigeelements. Dabei handelt es sich um ein Anzeigeelement, welches aus einem Rotor mit darauf aufgebrachten Lichtpunkten besteht. Diese Lichtpunkte können individuell von einem Mikrocontroller angesteuert werden und stellen die Pixel der Bildfläche dar. Ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Rotors schneller als die für das menschliche Auge maximal wahrnehmbare Geschwindigkeit, ergibt sich für den Betrachter ein zusammenhängender Bildeindruck.
Die Motivation dieser Arbeit ist es, diese Anzeigetechnologie zu verstehen und selbst anzuwenden, da diese Technologie bisher kommerziell nicht genutzt wird und es wenige Anbieter am Markt gibt, die ein Persistence of Vision Display herstellen. Außerdem bietet dieses Anzeigeelement gegenüber einem klassischen Display Vorteile. Beispielsweise wirkt bei hohen Umdrehungsfrequenzen des Rotors die Anzeige durchsichtig. Dadurch erschließen sich neue Einsatzmöglichkeiten.
Es werden die wissenschaftlichen Grundlagen erarbeitet und anschließend ein technisches Konzept zur Realisierung des Persistence of Vision Anzeigeelementes entwickelt. Auf Basis der elektrischen und mechanischen Konstruktion werden die benötigten Bauteile bestellt. Zusätzlich wird geeignete Software zur Steuerung entwickelt und das Anzeigeelement aufgebaut.
Diese Arbeit baut auf dem ersten Teil der Studienarbeit auf, in der bereits ein Prototyp entwickelt werden konnte. Dabei erkannte Optimierungspotentiale werden in dieser Arbeit berücksichtigt. Als Ergebnis wird ein funktionsfähiges Persistence of Vision Anzeigeelement entwickelt und aufgebaut. Dieses kann alphanumerische Zeichen, Freihandzeichnungen und Bilddateien darstellen. Damit wird die Funktionsfähigkeit des Konzeptes nachgewiesen. Zukünftig kann die Verarbeitungsgeschwindigkeit mithilfe eines leistungsfähigeren Mikrocontrollers erhöht werden oder mehr individuelle Leuchtdioden verwendet werden, um höhere Bildauflösungen zu ermöglichen.
Die Ausarbeitung enthält alle notwendigen Informationen zum Verständnis der Technologie und zum eigenständigen Aufbau eines leistungsfähigen Persistence-of-Vision-Displays.
Inhaltsverzeichnis
1. Gegenstand und Ziele der Arbeit
1.1. Einführung
1.2. Problemstellung und Motivation
1.3. Aufgabenbeschreibung und Ziele
1.4. Vorgehensweise
2. Persistence of Vision
2.1. Definition und biologischer Hintergrund
2.2. Vergleich mit herkömmlichen Displaytechnologien
2.3. Anwendungsmöglichkeiten
2.4. Technische Umsetzung
3. Technische Grundlagen
3.1. Leuchtdioden LEDs
3.1.1. Grundlagen
3.1.2. Bauformen
3.1.3. LED Streifen
3.2. Elektromotor
3.2.1. Gleichstrommotor
3.2.2. Wechsel- und Drehstrommotor
3.3. Elektronische Impulsgeber
3.3.1. Mechanische Impulsgeber
3.3.2. Optische Impulsgeber
3.3.3. Magnetische Impulsgeber
3.4. Mikrocomputer und Mikrocontroller
3.4.1. Mikrocomputer
3.4.2. Mikrocontroller
3.5. Energieversorgung
3.5.1. Netzteil
3.5.2. Induktive Übertragung
3.5.3. Akkumulator
3.5.4. Spannungswandler
3.6. Drahtlose Datenübertragung
3.6.1. Bluetooth
3.6.2. WLAN
4. Konzeptionierung des POV Anzeigeelementes
4.1. Rahmenbedingungen
4.2. Methodik
4.2.1. Kreativitätsmethoden zur Lösungsgenerierung
4.2.2. Bewertungsmethoden
4.3. Bewertung der Lösungsvorschläge
4.3.1. Leuchtelement
4.3.2. Antrieb
4.3.3. Bewegungssensor
4.3.4. Steuereinheit
4.3.5. Energieübertragung
4.3.6. Datenübertragung
4.3.7. Trägerstruktur
5. Umsetzung Prototyp
5.1. Mechanischer Aufbau
5.2. Elektrische Implementierung
5.3. Software Implementierung
5.3.1. Displayaufteilung
5.3.2. Darstellung von Nutzereingaben
5.3.3. HTML-Webseite als Schnittstelle zum Anwender
5.3.4. Programmstruktur
5.3.5. Funktionsweise des Programmcodes
5.4. Inbetriebnahme und Ergebnis
5.5. Herausforderungen
5.6. Bewertung der Wirtschaftlichkeit
6. Fazit und Reflexion
6.1. Fazit
6.2. Literatur Diskussion
6.3. Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Dokumentation eines funktionsfähigen Prototyps für ein graphisches Anzeigeelement, das auf dem Persistence of Vision (POV) Prinzip basiert und durch eine WLAN-Schnittstelle von Nutzern gesteuert werden kann.
- Grundlagen und Untersuchung des Persistence of Vision Prinzips
- Technische Konzeption und detaillierte Nutzwertanalysen zur Komponentenauswahl
- Hardware-Umsetzung: Mechanik, Elektronik und Energieversorgung
- Software-Entwicklung: Implementierung der Ansteuerung, Bildverarbeitung und Web-Schnittstelle
- Erprobung, Inbetriebnahme und wirtschaftliche Bewertung des Prototyps
Auszug aus dem Buch
3.1.1. Grundlagen
Bei Leuchtdioden handelt es sich um spezielle Dioden, welche bei einem Stromfluss in Durchlassrichtung Energie in Form von Licht emittieren. Die Wellenlänge des ausgestrahlten Lichts hängt dabei vom Halbleitermaterial und der Dotierung ab. Als Material werden Mischkristalle aus drei- bis fünfwertigen Elementen verwendet. Durch unterschiedliche Mischungszusammensetzungen können verschiedene Emissionswellenlängen dargestellt werden und somit auch die unterschiedlichen Farben rot, grün und blau. Einfarbige LEDs bestehen daher nur aus einer einzigen Leuchtdiode oder mehreren Dioden mit der gleichen Materialzusammensetzung. Um alle Farben darstellen zu können werden innerhalb einer RGB LED drei verschiedene LEDs verbaut welche die unterschiedlichen Farben (rot, grün, blau) emittieren können. Bei farbwechselnden LEDs können die Ströme durch die jeweilige LED (rot, grün oder blau) verändert werden und so jede gewünschte Zielfarbe eingestellt werden. LEDs zeichnen sich durch eine hohe Lebensdauer von typischerweise über 100.000 Stunden sowie einer geringen Baugröße aus. Des Weiteren besitzen sie einen hohen Wirkungsgrad und emittieren somit weniger Verlustleistung in Form von Wärme als andere Leuchtmittel.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Gegenstand und Ziele der Arbeit: Diese Studienarbeit thematisiert den Entwicklungsprozess eines Persistence of Vision Anzeigeelementes und definiert die Anforderungen an einen mobil nutzbaren Prototyp.
2. Persistence of Vision: Hier werden die biologischen Grundlagen und das optische Prinzip des POV-Effekts sowie dessen technische Umsetzung mittels rotierender Leuchtelemente erläutert.
3. Technische Grundlagen: Dieses Kapitel behandelt die wissenschaftlichen und technischen Basisinformationen zu Leuchtdioden, Motortechnik, Sensoren und Mikrocontrollern, die für das Projekt entscheidend sind.
4. Konzeptionierung des POV Anzeigeelementes: Die Auswahl der Komponenten für das System wird mittels einer strukturierten Nutzwertanalyse auf Basis definierter Rahmenbedingungen objektiv bewertet.
5. Umsetzung Prototyp: In diesem zentralen Kapitel wird der mechanische Aufbau, die elektrische Implementierung, das Softwaredesign sowie die finale Inbetriebnahme und wirtschaftliche Analyse des Prototyps detailliert dargestellt.
6. Fazit und Reflexion: Dieses Kapitel zieht ein abschließendes Resümee über den Projekterfolg, reflektiert die verwendeten Quellen kritisch und gibt einen Ausblick auf potenzielle Erweiterungen.
Schlüsselwörter
Persistence of Vision, POV, Mikrocontroller, ESP32, LED, Anzeigetechnologie, Elektromotor, Nutzwertanalyse, Prototyp, WLAN, Bildverarbeitung, 3D-Druck, Mechatronik, Visualisierung, Anzeigeelement
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Dokumentation eines Persistence of Vision Displays, das als rotierendes, transparent wirkendes Anzeigeelement fungiert.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die zentralen Schwerpunkte liegen auf der mechanischen Konstruktion, der elektronischen Schaltungstechnik, der Embedded-Softwareentwicklung und der Konzeptionierung mittels systematischer Bewertungsverfahren.
Was ist das primäre Ziel des Projekts?
Das Ziel ist die Erstellung eines funktionsfähigen Prototyps, der über eine Web-Schnittstelle von einem Benutzer gesteuert werden kann und einfache Grafiken, Texte oder Bilddaten visualisiert.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Auswahl der Komponenten verwendet?
Der Autor nutzt die Nutzwertanalyse, um auf Basis definierter Kriterien und Gewichtungen die jeweils optimalen technischen Lösungsansätze für die einzelnen Funktionsbausteine zu ermitteln.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen technischen Grundlagen, das strukturierte Konzeptionsverfahren sowie die detaillierte Beschreibung des Prototypen-Aufbaus inklusive der Softwarearchitektur.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit beschreiben?
Die Arbeit wird maßgeblich durch Begriffe wie Persistence of Vision, ESP32, Mechatronik und Nutzwertanalyse charakterisiert.
Wieso wurde der ESP32 als Mikrocontroller ausgewählt?
Der ESP32 zeichnet sich durch ein exzellentes Preis-Leistungs-Verhältnis, eine hohe Taktfrequenz, integrierte WLAN-Funktionalität und eine große Auswahl an unterstützenden Bibliotheken aus.
Wie erfolgt die Bildübertragung an das rotierende Display?
Die Bildübertragung erfolgt über einen integrierten WLAN-Webserver, der die Bilddaten in kartesische Koordinaten empfängt und diese in der Software in Polarkoordinaten für das Display transformiert.
- Arbeit zitieren
- Alexander Backes (Autor:in), 2022, Entwicklung eines Persistence-of-Vision-Anzeigeelementes, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1246649
