Die Fertigung eines Smart Desks. Aufbau, Programmierung und Inbetriebnahme


Diplomarbeit, 2015
91 Seiten, Note: 1
Mirac Henn (Autor)

Leseprobe

Inhalt

Abstract

Kurzfassung

1. Allgemeines
1.1. Projektentstehung und Planung
1.2. Aufgabenstellung
1.3. Aufgabenverteilung
1.4. Kooperation mit Firmen
1.5. Zusammenarbeit
1.5.1. Positive Erfahrungen
1.5.2. Negative Erfahrungen

2. Beschreibung der elektronischen Komponenten
2.1. Blockschaltbild der einzelnen Bauteile
2.2. Arduino (Bartmann, 2011)
2.2.1. Was ist Arduino?
2.2.2. Programmierung
2.2.3. Mikroprozessor
2.3. Digitaler Luxsensor
2.3.1. Aufbau und Funktionsweise
2.3.2. Fazit
2.4. Fotowiderstand
2.4.1. Funktionsweise
2.4.2. Eigenschaften
2.4.3. Fazit
2.5. Spannungsregler

3. Hardware
3.1. Mechanik
3.1.1. Konstruktionsprogramm
3.1.2. Tischaufbau
3.2. Elektronik und Elektrik
3.2.1. Konstruktionsprogramm
3.2.2. Ansteuerung LED-Leiste und Platinenentwürfe
3.2.3. Sensorplatine
3.2.4. Platinenentwicklung
3.2.5. Verdrahtung

4. Programmierung
4.1. Ansteuerung des Displays
4.1.1. Anschließen des Displays und Controller
4.1.2. Programmcode für die Displayansteuerung
4.1.3. Anzeige des Displays
4.1.4. Einlesen der Werte eines Sensors und Ausgabe auf das Display
4.1.5. Controller-, Sensor- und Displayanschluss
4.1.6. Warnmeldung beim Über- und Unterschreiten der Werte
4.2. Pulsweitenmodulation
4.2.1. Theorie zur Pulsweitenmodulation
4.2.2. Tastgrad

5. Lichtregelung
5.1. If-Vergleiche
5.2. Regelkreis
5.3. Lichtmessungen
5.4. Lichtregelung mit LDR
5.4.1. Praktisches Beispiel
5.4.2. Problematik des LDR-Regelkreises

6. Strombedarf

7. Bedienungsanleitung
7.1. Erste Schritte
7.2. Funktionsbeschreibung

8. Erweiterungsmöglichkeiten

9. Danksagungen

10. Verzeichnisse
10.1. Abbildungsverzeichnis
10.2. Quellenverzeichnis
10.3. Literaturverzeichnis

11. Anhang
11.1. Programmanhang
10.4. ACAD - Zeichnung vom Tisch

Abstract

The goal of our diploma thesis is the manufacture of a „Smart Desk“, which is equipped with two microcontrollers, different sensors, light sources and a display. Several light sensors capture the lighting conditions and send the data to a light control which creates a comfortable working atmosphere. The luminosity should be adapted dependent on different external factors like the sunlight. Additional sensors measure the temperature, as well as the humidity and output the values on a display. In case of deviation of the standard values it is adjusted in a simulation and warning is outputted.

Five light depending resistors are mounted on the desks surface which act as light sensors and measure the incidence of light. Their data is transmitted to the microcontroller. The light is regulated on a set value and a constant illumination is given. Five LED bars, which are installed above the light sensors on a panel, are controlled over a microcontroller. The panel is fixed with two metal profiles. The control of the LED bars is managed through a pulse width modulation signal which is sent by the microcontroller. A constant current source makes sure that the currents of the LED bars are limited.

Under the desk a temperature and humidity sensor is attached and sends the measured values to the microcontroller. The values are outputted to a display that is integrated into the table top. If the measured values are above or under the standard value, a warning message is written on the display and a warning signal is sounded. This signal sounds so long as the standard value is achieved.

A control switch regulates between “manual” and “automatic” mode. At the “manual” mode the light intensity can be adjusted arbitrarily with a potentiometer. In the “automatic” mode the light is automatically controlled on a set value and because of this there is even illumination on the hole are of the desk surface.

Saving of energy is very relevant and because of that the current consumption is captured. The results are outputted on an internet site. Thus the current saving can be compared to full intensity of the LED bars.

Kurzfassung

Das Ziel der Diplomarbeit besteht aus der Fertigung eines Smart Desk’s, der mit zwei Mikrocontrollern, verschiedenen Sensoren, sowie Lichtquellen und einem Display ausgestattet ist. Durch mehrere Lichtsensoren werden die auftretenden Lichtverhältnisse erfasst und die Daten zur Schaffung eines angenehmen Arbeitsklimas der Lichtregelung zugeführt. Die Lichtstärke soll in Abhängigkeit von äußeren Faktoren, wie zum Beispiel durch Sonneneinstrahlung, dynamisch nachgeregelt werden. Weitere Sensoren erfassen die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit im Tischbereich und geben die Werte auf einem Display wieder. Bei Abweichungen von den Normbereichen wird in einer Simulation nachgeregelt und eine Warnung ausgegeben.

Auf dem Tisch sind fünf lichtabhängige Widerstände angebracht, die als Sensoren fungieren und den Lichteinfall messen. Diese Daten werden weiter auf den Mikrocontroller gesendet und verarbeitet. Das Licht wird auf einen Sollwert geregelt und somit herrscht immer eine konstante Beleuchtungsstärke auf der Tischoberfläche. Dazu werden fünf LED-Leisten einzeln angesteuert, die über den Sensoren auf einer Platte montiert sind. Diese ist über zwei Metallprofile mit dem Tisch verbunden und wird als Vorrichtung bezeichnet. Die Ansteuerung der LED-Leisten erfolgt über ein Arduino-Modul, welches ein pulsweitenmoduliertes Signal aussendet. Eine Konstantstromquellenschaltung sorgt dafür, dass der Strom der LED-Leisten begrenzt wird.

Unter dem Tisch ist ein Temperatur-/Luftfeuchtigkeitssensor montiert, der die Messdaten an den Mikrocontroller auf dem Arduino-Board sendet. Die Ausgabe dieser Werte erfolgt auf einem Display, das im Tisch integriert ist. Außerdem wird beim Verlassen der Normbereiche eine Warnmeldung als Text ausgegeben und ein Warnsignal ertönt. Dieses Warnsignal ertönt solange bis der jeweilige Normbereich wieder erreicht ist.

Durch Betätigen eines Auswahlschalters kann zwischen automatischem- und manuellem Betrieb gewechselt werden. Beim manuellen Betrieb kann die Helligkeit nach Belieben eingestellt werden. Beim automatischen Betrieb wird das Licht laufend nachgeregelt.

Da Energiesparen ein aktuelles Thema ist, wird der Strombedarf durch einen Klappkernwandler erfasst und auf einer Internetseite ausgegeben. Somit kann die Stromeinsparung mit der vollen Aussteuerung der LED-Leisten verglichen werden.

1. Allgemeines

1.1. Projektentstehung und Planung

Die Projektidee entwickelte sich im Laufe der ersten Monate des fünften Schuljahres. Unsere Überlegungen fingen mit einem lichtgeregelten Raum an. Die Lichtquellen in diesem Raum sollten so nachgeregelt werden, dass im Raum auch bei verschiedenen Einflüssen überall die gleiche Helligkeit herrscht. Die Sensoren die die Lichtverhältnisse aufnehmen, sollten gleichmäßig im Raum verteilt sein. Insgesamt war die Idee dahinter Energie zu sparen und eine konstante Beleuchtung im Raum herzustellen. Am Jahresanfang wurde die Diplomarbeitsidee mit einem Lehrer diskutiert.

Jedoch kamen bei dieser einige Schwierigkeiten auf. Deshalb sind wir zu einer neuen gekommen, die vom Prinzip her der alten ähnelte. Unsere neue Idee war es einen Smart Desk zu konstruieren, der ein angenehmes Arbeitsklima schaffen kann.

1.2. Aufgabenstellung

Viele Menschen arbeiten täglich für einen längeren Zeitraum an einem Tisch. Beim Lernen oder anderen Tätigkeiten wechseln die Umgebungseinflüsse und oft ist es schwierig die gute Konzentration über ein längeres Intervall aufrecht zu erhalten. Dafür sind die ausreichende Beleuchtung und ein angenehmes Raumklima von besonderer Bedeutung. Der Smart Desk erfasst alle wichtigen Daten und bereitet die Informationen so auf, dass das Licht, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit je nach Bedarf nachgeregelt werden können.

Meilensteine der Diplomarbeit:

- Aufbau und Programmierung eines Prototypen mit einem Sensor und einer Lichtquelle (Ende November)
- Kommunikation zwischen Mikrocontroller und den Lichtsensoren herstellen (Ende Dezember)
- Lichtmessung am Tisch und Regelung der Lichtstärke auf den Normwert anpassen (Ende Dezember)
- Messung der Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Raum und Ausgabe der Werte auf eine Anzeige mit Warnmeldung bei Über- oder Unterschreitung der Normwerte (Ende Januar)
- Fertigstellung des Tisches samt Verdrahtung der Busleitung (Ende Februar)
- Inbetriebnahme, Fehlerkorrektur, Verbesserungen (Ende März)

1.3. Aufgabenverteilung

Die Aufgabenverteilung war nicht von Anfang an festgelegt. Erst als der richtige Arbeitsprozess begann, wurden die Aufgaben verteilt. Jeder aus der Gruppe sollte sich mit einem Thema beschäftigen. Oft waren die Aufgaben themenübergreifend, sodass jeder ungefähr wusste, womit sich der andere in der Gruppe beschäftigt. Da die Gruppe aus drei Personen besteht, kam es auch oft dazu, dass zwei gleichzeitig an einer Aufgabe arbeiteten, wie z.B. am Aufbau und an der Konstruktion des Tisches. Da die finanziellen Mittel der Schule begrenzt sind, war es wichtig diese effizient zu nützen. Das bedeutet, dass Materialien zuerst in der Schule oder im Materiallager der Schule gesucht werden und diese dann möglicherweise vorhanden sind. Die notwendigen Sensoren wurden alle bestellt und von der Schule bezahlt.

1.4. Kooperation mit Firmen

Kooperationen mit Firmen waren erwünscht. Deshalb wurden verschiedenen Firmen kontaktiert und danach gefragt, ob sie bereit wären die Diplomarbeit Smart Desk mit Sponsoring zu unterstützen.

Der „Smart Desk“ sollte ein robustes Konstrukt haben und natürlich auch stilvoll sein. Der Projektbetreuer bot der Gruppe einen alten Bürotisch an, der schon etwas abgenutzt war und auch keinen smarten Eindruck machte. Stattdessen setzte sich ein Gruppenmitglied mit den Firmen Neudoerfler und Bene in Kontakt. Die Firma Bene war interessiert und lud die Gruppe zum Treffen ein.

Diese Zusammenkunft fand Ende November 2014 in einem Schauraum im 1. Wiener Gemeindebezirk statt. Die Projektidee wurde vorgestellt und fand Anklang bei der Ansprechperson der Firma Bene. Während des Gesprächs erfuhren die Diplomanden, dass es bereits vorhandene Innovationen der Firma Bene im Bereich Büro- bzw. Arbeitsmöbel gibt. Die Ansprechperson sagte unserer Diplomarbeitsgrupppe Unterstützung zu.

Wir bekamen ein Angebot uns mit einer schwedischen Softwarefirma in Kontakt zu setzen. Diese sollte uns Unterlagen zum besseren Verständnis des Datenbusses zuschicken. Nach längerer Überlegung wurde der Entschluss gefasst dem Angebot nicht nachzukommen. Das Aneignen einer neuen Programmiersprache und das Beschäftigen mit dem Datenbus würde zu viel Zeit in Anspruch nehmen. Dennoch erhielten wir einen Tisch von der Firma Bene. Ein großes Problem war gelöst.

Noch ein wichtiges Segment der Diplomarbeit ist die Beleuchtung. Die Gruppe entschied sich für eine Beleuchtung mit LED-Technologie. Durch die Zusammenarbeit mit einem ehemaligen Schüler der HTL Wien 10 wurden LED-Leisten von der Firma BEST gesponsert.

1.5. Zusammenarbeit

Als wir uns entschlossen die Diplomarbeit durchzuführen, war eine der Prioritäten, dass jeder von jedem etwas lernen kann. Es ist wichtig, dass man anderen bei ihren Ideen für das weitere Vorgehen zuhört. Ohne Kompromiss kommt man bei einer Teamarbeit nicht voran. Ein weiterer wichtiger Aspekt beim Zusammenarbeiten ist, dass auch wenn man nicht derselben Meinung wie die Kollegen ist, über positive und negative Aspekte jeder Meinung, auch seiner eigenen, diskutieren kann. Möglicherweise stellt sich die eigene als mangelhaft heraus und das muss akzeptiert werden.

Bei unserem Team funktionierte die Zusammenarbeit relativ gut. Von Anfang teilten wir die zu erledigenden Aufgaben gleichmäßig auf. Es kam auch vor, dass beispielsweise einer aus unserem Team viel für die Schule zu tun hatte und dafür die anderen einen Teil seiner Arbeit für diesen Zeitraum übernahm. Die Diplomarbeit beanspruchte viel Zeit. Oft arbeiteten wir auch nach Unterrichtsende in der Schule. Dabei verging die Zeit sehr schnell.

Ab und zu gab es innerhalb des Teams Streitereien. Diese dauerten nicht lange, da wenn zwei stritten, der dritte die beiden versöhnte. Im Großen und Ganzen ist die Zusammenarbeit bis jetzt gut vorangegangen.

Bei dem bisherigen Verlauf des Projekts darf die Rolle unserer Projektbetreuer nicht vernachlässigt werden. Auch andere Lehrer die unser Projekt nicht betreuten, waren bereit uns bei unseren Problemen zu helfen. Beide Projektbetreuer wurden laufend über den Stand der Dinge informiert.

1.5.1. Positive Erfahrungen

Im Laufe der Diplomarbeit sammelten wir sehr viele positive Erfahrungen für unser Leben. Diese kann man als Bereicherung sehen, die man nicht bezahlen kann:

- Firmentreffen Bene
- Tüfteln, Herumtesten
- Internetrecherche
- Problemlösung

1.5.2. Negative Erfahrungen

Einige waren:

- Unterschätzen von Problemen
- Falsche Zeiteinschätzung, die ein Vorhaben beansprucht
- Mühsames Fehlersuchen
- Warten auf Bestellungen

2. Beschreibung der elektronischen Komponenten

2.1. Blockschaltbild der einzelnen Bauteile

Das einfache Blockdiagramm veranschaulicht die physikalische Verdrahtung der einzelnen Komponenten. Insgesamt werden zwei Mikrocontroller verwendet. Der erste „Arduino 1“ ist mit den fünf LED-Leisten, den dazugehörigen Fotowiderständen und dem Potentiometer verbunden. Im automatischen Betrieb gibt das Potentiometer den Sollwert der Ansteuerung der LED-Leisten vor. Der zweite Mikroprozessor „Arduino 2“ ist mit dem Display, dem Temperatur- und Feuchtesensor und dem Piezoslautprecher verbunden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Einfaches Blockschaltbild der Komponenten

Der zweite Mikrocontroller übernimmt auch die I2C Kommunikation. Diese ist im Diagramm orange gekennzeichnet. Die blauen Leitungen zeigen die parallele Übertragung. Die Fotowiderstände geben analoge Werte von 0-1023 aus. Das heißt, sie verfügen über eine 10 Bit Auflösung. Die LED-Leisten haben eine 8 Bit (0-255) und das Potentiometer eine 10 Bit (0-1023)Auflösung.

2.2. Arduino (Bartmann, 2011)

2.2.1. Was ist Arduino?

Arduino ist eine aus Soft- und Hardware bestehende Physical-Computing-Plattform.
Physical Computing bedeutet im weitesten Sinne Systeme durch die Verwendung von Hardware und Software zu erstellen und umfasst solche, die sich mit den Menschen und der digitalen Welt beschäftigen.

Soft- als auch Hardware sind zufolge von Open Source quelloffen. Die Programmierung erfolgt in der Programmiersprache C beziehungsweise C++. Vom Hersteller vorgegebe umfangreiche Bibliotheken und Beispielprogramme vereinfachen die Programmierung erheblich.

2.2.2. Programmierung

Die Programmierung ist relativ einfach. Im Grunde genommen besteht das Programm aus zwei Teilen:

- Setup()
- Loop()

Das Setup wird beim Starten des Boards einmalig aufgerufen, dabei ist es egal, ob gerade das Programm über die USB Schnittstelle hochgeladen wird oder ein Reset durchgeführt wird. Im Setup werden die einzelnen Pins als Eingänge oder Ausgänge definiert.

Die Befehle in der Loop werden durchgehend durchlaufen, solange das Board in Betrieb ist. Die Struktur soll an einem Beispielprogramm erläutert werden. Vor dem Setup werden die einzelnen Variablen definiert. Die Abbildung 2 zeigt ein Programm, das auch in den Beispielprogrammen unter „Blink“ zu finden ist. Dabei handelt es sich um das einfachste Programm, nur um die Funktionen des Setups und der Loop zu veranschaulichen. Die Befehle sind in den Kommentaren beschrieben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Arduino Beispielprogramm [1]

2.2.3. Mikroprozessor

2.2.3.1. Allgemeines

Das Herzstück der Diplomarbeit ist das Arduino Uno Mikrocontroller Board (siehe Abbildung 3). Es basiert auf einem ATmega328.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Arduino Uno Mikrocontroller Board [2]

Der Mikroprozessor lässt sich sowohl über die USB Schnittstelle, als auch über ein Netzteil versorgen.

2.2.3.2. Eigenschaften

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Eigenschaftes des Arduino Uno [3]

Wie man in der Abbildung 4 sieht, wird der Prozessor extern entweder über die USB-Schnittstelle oder eine Spannungsquelle mit 5V versorgt. Dazu verfügt er über 14 digitale Eingangs- bzw. Ausgangspins, die der Anwender als Eingang oder Ausgang definieren kann, sowie sechs analoge Eingänge. Sechs der digitalen Ausgänge können zur Pulsweitenmodulation genutzt werden.

Außerdem kann das Arduino Board auch mit 3,3V betrieben werden. Dies liegt an den moderneren Bauteilen der Mikroelektronik, die mit einer niedrigeren Spannung versorgt werden. Sie werden nicht mehr auf 5V Betriebsspannung ausgelegt, sondern auf 3,3V. Weiters besitzt es zwei nicht flüchtige Speicher (Flash und EEPROM) zu je 32kB und 1kB und einen flüchtigen mit 2kB (SRAM). Der Mikroprozessor wird mit 16 MHz getaktet. Dazu dient der interne Quartz. Zum besseren Verständnis wird der Kern des Mikroprozessors, der Atmega328 und die AVR CPU genauer beschrieben. Somit sind einige Programmabläufe leichter verständlich.

2.2.3.3. Blockdiagramm

In Abbildung 5 wird das Blockdiagramm des ATmega328 dargestellt und darauf folgend werden einzelne Begriffe erklärt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Blockdiagramm ATmega328 [4]

- Power Supervision POR / BOD & RESET

Am Eingang zwischen Masse und +5V befindet sich die Spannungsüberwachung (Power Supervision, BOD = Brown-out detector). Diese beobachtet kritische Einschaltzustände, wie zum Beispiel das langsame Hochfahren der Spannung. Außerdem dient das POR „power on reset“ dazu, dass beim Einschalten oder bei einem Neustart die Adresse des Mikroprozessors auf Null gesetzt wird.

- Watchdog

Der „Watchdog Timer“ und sein Oszillator sind mit der Spannungsüberwachung verbunden. Der „Watchdog“ (Wachhund) muss in regelmäßigen Intervallen mit einem Bit gesetzt werden, ansonsten leitet er den Neustart des Prozessors ein. Der Neustart stellt den vom Anwender zuletzt programmierten Ausgangszustand her.

- debugWIRE

Mit der Spannungsüberwachung ist auch der „debugWire“ (debug = Fehler suchen) verbunden. Über diese Verbindung kann der Prozessor- und der Speicherzustand extern ausgelesen werden. Das erleichtert die Fehlersuche.

- PROGRAM LOGIC

In der „Program Logic“ arbeitet der Prozessor das Programm ab.

- Flash

Die vollständige Bezeichnung heißt „Flash-EEPROM“ und dieser ist ein nicht flüchtiger Speicher. Dadurch wird die Speicherung der Programmierung auf dem Mikrocontroller mit niedrigem Energieverbrauch optimiert.

- SRAM

- „Static random access memory“

Dies ist der Arbeitsspeicher des Mikroprozessors. Er ist ein flüchtiger Speicher und besteht aus Flipflops.

- EEPROM

- „electric erasable read only memory“

EEPROM ist ein elektrisch formatierbarer Speicher und ist nicht flüchtig.

- AVR CPU

- „Central processing unit“

In der CPU befinden sich die zentrale Recheneinheit (ALU => „arithmetic logic unit“) und die Register, die schnellsten Speicher. Die CPU wird später genauer beschrieben.

- 8 Bit T/C

Diese Einheit ist ein 8 Bit „Timer“ und „Counter“ (Zähler). Dadurch wird das Zählen bis 28 = 256 ermöglicht. Das Timing hängt von der Anzahl der Bits ab. Bei 28 ist das Timing bis 256 μs möglich.

- A/D Converter

Der Analog-Digital-Wandler konvertiert analoge in digitale Werte. Dabei ist zu unterscheiden, ob die Spannungen „single ended“ (d.h. auf Masse bezogen) oder differenziell (von Masse unabhängig) erfasst werden. Die Anzahl der Bits steht für die Auflösung der Spannung in Stufen. Der Atmega328 verfügt über einen 10 Bit ADC und kann daher die Spannung in 1024 Stufen darstellen (210 = 1024). Bedeutend sind auch die Abtastrate (wie oft kann er diese Spannung messen, bei 10kHz = 10000 Mal pro Sekunde) und die Anzahl der Kanäle. In dem Fall stehen acht Kanäle zur Verfügung.

- Internal Bandgap

„Internal Bandgap“ ist eine Spannungsreferenz, die sehr unabhängig von der Temperatur ist. Die Referenz ist Teil des Analog-Digital-Wandlers.

- Analog Comparator

Wie der Name schon sagt, handelt es sich hierbei um einen analogen Komparator, der zwei analoge Werte vergleicht und als Ausgang digital zeigt, welche der beiden Eingangsspannungen höher ist. Dadurch lassen sich beispielsweise analoge Sensorwerte digitalisieren. Dabei wird immer eine Ja/Nein-Entscheidung getroffen (Beispielsweise wird überprüft, ob der gemessene Wert den Normwert überschreitet). Die If-Abfragen in Programmabläufen können im analogen Komparator stattfinden.

- USART

USART („universal synchronous/asynchronous receiver transmitter“) ist eine serielle Schnittstelle und dient zum Senden und Empfangen von Daten. Dabei handelt es sich um eine Messgeräteschnittstelle, die Spannungen zwischen 0 und 15V schaltet.
Zum Beispiel: Schnittstelle RS232.

- SPI

„serial peripheral interface“ ist ebenfalls eine serielle Schnittstelle und dient der Kommunikation innerhalb des Mikroprozessors mit Daten- und Taktsignal.

- TWI

„two wire interface“ ist der I2C-Bus. Aus rechtlichen Gründen gibt es zwei Bezeichnungen dafür, technisch gesehen sind die beiden aber ident. „two wire“ steht für die zwei Leitungen SDA (Datenbus) und SCL (Taktleitung). Beim Prozessor Atmega328 ist die Taktleitung als analoger Eingang A5 und der Datenbus als analoger Eingang A4 definiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: I2C Schaltungsbeispiel [5]

In Abbildung 6 sind drei Geräte am I2C-Bus angeschlossen. Die beiden Busleitungen werden über zwei Pull-Up-Widerstände gegen 5V geschaltet. Bei der seriellen Datenübertragung gibt es grundsätzlich immer einen Master und ein oder mehrere Slaves. Wenn mehrere Master in Betrieb sind, so spricht man vom Multi-Master Mode. Hier ist es wichtig, dass die zwei Master sich nicht gegenseitig stören. In der Diplomarbeit wird die genaue Funktionsweise der I2C Kommunikation im Kapitel 4. Programmierung erläutert.

- Ports

Im anderen Ende, gegenüber der Spannungsüberwachung, befinden sich drei Ports (B, C und D). Zu einem Port gehören acht Pins, die als digitale Ein- oder Ausgänge definiert werden können, und ein Datenrichtungsregister DDR. Port C hat aufgrund von Platzmangel am Prozessor nur sieben Pins. Der Datenbus geht quer durch den Baustein und, wie auf der Abbildung 8 zu sehen ist, mehrere Einheiten sind mit ihm verbunden. Außerdem gehören die Anschlüsse „XTAL1“ und „XTAL2“ dem Quartz, der die Frequenz bestimmt. In der Abbildung 7 wird das Blockdiagramm der AVR Architektur gezeigt, anschließend werden die wichtigsten Begriffe erläutert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: AVR Architektur [6]

Zur Maximierung der Leistung und Effizienz werden beim ATmega328 die Speicher- und Busleitungen für die Programmierung und die Daten getrennt geführt. Die Mikrocontroller besitzen die RISC Architektur („reduced instruction set computer“). Diese verfügt über ca. 100-150 Befehle.

Nun zu den einzelnen Begriffen:

- Status and Control

Das ist ein Register, das über den Zustand der ALU (zentrale Recheneinheit) Auskunft gibt.

- General Purpose Register

In der RISC Architektur werden frei verwendbare Register verwendet, welche sich beliebig als Daten- oder Adressregister einsetzen lassen. Diese Register erlauben die Rechenvorgänge der ALU und speichern die Zwischenergebnisse dort. 32 steht für die Anzahl der Register (32 Bytes für den allgemeinen Gebrauch) und 8 für die 8 Bit-Breite des Datenbusses.

- ALU

Die ALU ist die zentrale Recheneinheit. Sie führt die Rechenvorgänge durch.

- Program Counter

- Befehlszähler, der im Hintergrund mitläuft. Der Zählerwert wird gespeichert.

- Flash Program Memory

Hier sind die einzelnen Befehle des Mikrocontrollers gespeichert. In der RISC Architektur gibt es ca. 100-150 Befehle.

- Instruction Decoder

Hier definiert der Hersteller, wie die einzelnen Befehle abzuarbeiten sind. Zu jedem Befehl gibt es ein Mikroprogramm, das vom Hersteller programmiert wurde und im Chip gespeichert ist. Dieses Programm ist ein Algorithmus im Prozessor und dient dem Steuern des Rechenwerks.

- Instruction Register

Hier landet der Inhalt des Programmspeichers von der Adresse "Programm Counter" immer zuerst, da ja der AVR erstmals selber schauen muss, was für ein Befehl das wohl ist. Jedes Befehlswort beinhaltet kodiert drei Dinge: "WAS", "WOHER" und "WOHIN". Einiges kann direkt im SRAM oder in den Register eine Auswahl treffen, einiges muss weiter zum „Instruction Decoder“.

Zusammenfassend gilt, dass sowohl der „Instruction Decoder“ als auch das „Instruction Register“ für die Ausführung des Befehls zuständig sind.

2.3. Digitaler Luxsensor

Der TSL2561 Digitalluxsensor erfasst präzise Werte von 0,1 bis 40000 Lux.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Digitaler Luxsensor [7]

2.3.1. Aufbau und Funktionsweise

Dieser Sensor verfügt über ein digitales Interface (I2C) und wird mit 3,3V über den Mikroprozessor versorgt. Wie in der Abbildung 8 zu sehen ist, hat er sechs Anschlüsse. Jedoch werden nur fünf genutzt. SCL (serial clock line) und SDA (serial data line), also Takt- und Datenleitung, werden auf die I2C-fähigen Pins des Mikroprozessors geführt. Dabei ist zu beachten, dass pro Mikroprozessor nur drei digitale Luxsensoren betrieben werden können.

Dies liegt an dem Address-Pin der Adresse, die im Programm definiert wird. Dabei können drei Zustände auftreten: Wird der Pin nicht angeschlossen, so schreibt man im Programm „FLOAT“. Wird er an 5V angeschlossen, dann „HIGH“ und wird er auf Masse angeschlossen dann „LOW“.

Der Luxsensor ermittelt die Lichtstärke über die verschiedenen Anteile des Lichts, unter anderem den Infrarotanteil, das volle Spektrum und das für uns Menschen sichtbare Licht.

2.3.2. Fazit

Der digitale Luxsensor schien uns zunächst viel besser geeignet als der Fotowiderstand. Einerseits weil er den Wert digital als Luxwert ausgibt und andererseits da der I2C Aufbau der Regelung erhalten bleibt. So werden Leitungen gespart, jedoch ist der Luxsensor zu träge für die Regelung und wurde deshalb durch den Fotowiderstand ersetzt.

2.4. Fotowiderstand

Ein Fotowiderstand (englisch light dependent resistor = LDR) ist ein lichtabhängiger Widerstand, der über eine Halbleiterschicht verfügt. Der elektrische Widerstand hängt reziprok proportional mit der Lichtstärke zusammen. Je höher der Lichteinfall, desto kleiner wird der Wert des elektrischen Widerstandes.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9 :Fotowiderstand [8]

2.4.1. Funktionsweise

Bei Halbleitern, die für Fotowiderstände verwendet werden, wird nicht der innere fotoelektrische Effekt genutzt, sondern es werden Übergänge zu Störstellen genutzt. Das Licht ionisiert eine Störstelle im Kristallgitter und diese verbessert die elektrische Leitfähigkeit nach einigen Millisekunden. Da die Ionisierung und die anschließende Neutralisierung etwas lange dauert, erhält man eine relativ hohe Empfindlichkeit, aber dadurch auch eine langsame Reaktion. Beim Fotowiderstand ist besonders auf die Oberfläche zu achten. Kleinste Veränderungen der Mikrostruktur oder auch Verunreinigungen führen zu Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit und somit auch zur Änderung des Widerstandes.

2.4.2. Eigenschaften

Auch nach langer Abdunkelung der Oberfläche des Fotowiderstandes verbleiben freie Ladungsträger und verursachen einen sogenannten Dunkelstrom. Dieser ist eine Funktion der Temperatur und kann durch die Zuführung von Kälte verringert werden. Folgende Parameter kennzeichnen den Fotowiderstand:

- Dunkelwiderstand:

Das ist der Widerstandswert des Fotowiderstandes bei Dunkelheit. In der Praxis ist dieser typisch 1MΩ bis 100MΩ und wird erst nach langer Zeit (ca. 30-60 Sekunden) Dunkelheit erreicht.

- Hellwiderstand:

Dies ist der Widerstandswert bei einer Helligkeit von 1000 Lux und ist typisch 100Ω bis 2kΩ.

- Ansprechzeit:

Die richtige Definition der Ansprechzeit lautet: Das ist die Zeit, die nach Einschalten einer Beleuchtungsstärke von 1000 Lux nach Dunkelheit vergeht, bis der Strom 65 % seines spezifizierten Wertes erreicht hat. In anderen Worten ist dies auch die Reaktionszeit des Fotowiderstandes und beträgt in der Praxis 1 bis 3 Millisekunden.

- Empfindlichkeitskurve:

Die Empfindlichkeitskurve, die in der Abbildung 10 zu sehen ist, zeigt den Zusammenhang zwischen der Lichtstärke in Lux und dem elektrischen Widerstand in Ohm.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Empfindlichkeitskurve des Fotowiderstandes [9]

2.4.3. Fazit

In unserer Regelung werden fünf Fotowiderstände verwendet, die die fünf I2C Luxsensoren ersetzt haben. Der wesentliche Grund für die Änderung der Sensoren liegt in der Ansprechzeit. Die digitalen Sensoren brauchten 10-15 Millisekunden für die Verarbeitung und Berechnung der Werte. Der Fotowiderstand braucht lediglich 1 bis 3 Millisekunden, was die Lichtregelung dynamischer macht.

2.5. Spannungsregler

Der verwendete Spannungsregler ist ein linearer Längsregler. Da die LED-Leisten einen konstanten Strom benötigen, wird mit Hilfe des Spannungsreglers eine Konstantstromquelle konzipiert. Dabei wird an den Ausgang des Reglers ein Widerstand angeschlossen. Durch den konstanten Widerstand und die konstante Spannung ergibt sich ein konstanter Strom.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: LM317T mit Beschriftung [10]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Interne Schaltung eines Längsreglers [11]

Der Regler vergleicht die Ausgangsspannung mit der intern erzeugten Referenzspannung. Ist die Ausgangsspannung zu niedrig, wird der interne Transistor, der den Ausgangsstrom führt, stärker angesteuert. So verstärkt sich der Ausgangsstrom, bis die gewünschte Ausgangsspannung erreicht ist.

Wird die Ausgangsspannung jedoch zu groß, reduziert der Transistor den Strom, bis sich die Spannung wieder stabilisiert hat. Der Transistor funktioniert wie ein variabler Widerstand. Die Spannungsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung fällt an ihm ab.

Ein großer Nachteil des Spannungsreglers ist der relativ kleine Wirkungsgrad bzw. die Verlustleistung. Die Spannung, die am Eingang zugeführt wird und am Ausgang nicht benötigt wird, fällt am Transistor ab und wird dort in Wärme umgewandelt.

- Wirkungsgrad (ohne Berücksichtigung des eigenen Strombedarfs)
- Verlustleistung

Die LED-Leisten, die am Tisch angebracht sind, benötigen jeweils 500mA. Die Eingangsspannung am Regler beträgt 16V und ausgegeben werden 14V. Somit fallen 2V am Spannungsregler ab. Das entspricht einer Verlustleistung von:

PV = 2V * 0,5A = 1W

- Kühlung

Es ist darauf zu achten, dass der Spannungsregler ausreichend gekühlt wird. Der LM317T besitzt ein TO-220 Gehäuse. Laut Datenblatt hat dieses Gehäuse einen Wärmewiderstand Sperrschicht-Umgebung von 50°C/W und einen Wärmewiderstand Sperrschicht-Hülle von 3°C/W. Die Außentemperatur beträgt ca. 20°C. Aus diesen Parametern ergibt sich dann das Ersatzschaltbild der Konvektion.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 13: Wärmeersatzschaltbild

RthJC => Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Hülle

RthJA => Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung

Bei einem Watt Verlustleistung ergibt sich eine Temperatur von 3°C zwischen Sperrschicht und Hülle und 47°C zwischen Hülle und Umgebung. Inklusive der Umgebungstemperatur ergibt dies eine Sperrschichttemperatur von 70°C.

Laut Datenblatt hält der Kristall des Spannungsreglers 125°C aus. Die Gesamttemperatur beträgt laut Berechnung 70°C. Das bedeutet, dass kein Kühlkörper benötigt wird. Aus empirischen Gründen wurde trotzdem einer angebracht, weil bei den ersten Versuchen mit dem Ansteuern der LED-Leiste die Spannung „eingebrochen“ ist. Wenn der Spannungsregler eine bestimmte Temperatur erreicht, bricht die Spannung ein und das Gehäuse des Reglers wurde brennend heiß. Der Spannungsregler verfügt über eine interne Schutzschaltung, welche bei Übertemperatur den Strom drosselt. Da damals das Problem mit der Kühlung nicht bekannt war, griff ein Kollege den Regler an und verbrannte sich den Finger. Deswegen wurde anschließend ein Kühlkörper montiert. Es wurden erneut Versuche gestartet und diesmal brach die Spannung nicht ein. Den eigentlichen Grund, wieso ein Kühlkörper benötigt wird, wurde trotz Benutzung des Internets nicht gefunden. Und da uns die Zeit fehlte, uns genauer mit dem Problem zu beschäftigen, wurde einfach ein ausreichend großer Kühlkörper montiert, sodass die Spannung konstant blieb.[xii]

3. Hardware

3.1. Mechanik

3.1.1. Konstruktionsprogramm

Das Programm AutoCAD ist ein sehr bedeutender Teil der CAD-Produktpallette von Autodesk. Da das Unternehmen immer die neuesten Softwarekomponenten für Schüler drei Jahre lang kostenlos zur Verfügung stellt, wurde die aktuellste Version „AutoCAD 2015“ verwendet. Diese Version und all ihrer Vorgänger wurden als grafischer Zeichnungseditoren vom Unternehmen entwickelt, um die grafische Darstellung zu vereinfachen. Der Ursprung des Programmes beruht auf einem einfachen CAD-Programm mit Programmierschnittstellen zum Erstellen von technischen Zeichnungen. Viele Möglichkeiten wurden hinzugefügt, welche die dreidimensionale Modellierung ermöglichen. Grundsätzlich basiert AutoCAD auf einfachen Objekten, wie Linien, Polylinien, Kreisen, Bögen und Texten, welche die Grundlage des vektororientiertem Zeichenprogrammes darstellen, um das Konstruieren von 3D-Objekten zu ermöglichen.

3.1.2. Tischaufbau

3.1.2.1. Der Weg zum Tisch

Das Ziel der Diplomarbeit besteht aus der Fertigung des Smart Desks, der mit zwei Mikrocontrollern, Sensoren, Lichtquellen und einem Display ausgestattet ist. Die ersten Überlegungen waren, einen gewöhnlichen Tisch zu kaufen. Doch nach Absprache mit den betreuenden Lehrern, wurden Sponsoranfragen an die Firmen Bene und Neudörfler verschickt. In der E-Mail wurden die grundsätzlichen Ideen unserer Diplomarbeit vorgestellt. Die Firma Bene erwies sich als kooperationsfreudig. Einige Wochen später konnte der Tisch zur Verfügung gestellt werden. Er wurde in die 3D-Ansicht von AutoCAD gezeichnet (siehe Abbildung 14).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 14: Tisch in der 3D-Ansicht von AutoCAD

Um mit den Arbeiten beginnen zu können, mussten zuerst die Zeichnungen konstruiert und alles gut überlegt werden.

3.1.2.2. Fertigung der U-Stahl-Träger

Die Vorrichtung des Tisches musste montiert werden um mit den Messungs- und Programmierungsarbeiten anfangen zu können. Dafür mussten die Träger gefertigt werden. Da die ausreichende Kenntnis der Maschinenbau fehlte, wurde ein Fachlehrer der Maschinenbauabteilung um Rat gebeten. Die Entscheidung fiel auf die U-Stahl-Träger, da sie eleganter aussahen. Dies zu Folge wurde eine Zeichnung erstellt, wie die Träger ausschauen müssen. Die Höhe der Träger wurde nach der Stärke der LED-Leisten definiert, da sie nur bis zu einer gewissen Entfernung, von dem zu beleuchtenden Objekt, die versprochene Lichtstärke vorweisen können. Hierbei wurde die 2-D-Ansicht von AutoCAD genutzt um die Träger zu konstruieren, siehe Abbildung 15.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 15:U-Stahlträger (Maße in cm)

Mit der Zeichnung konnten die Fertigungsarbeiten begonnen werden. In der Schmiedewerkstätte unserer Schule wurde das Material bearbeitet. Hierbei wurden die Stahlformrohre, die mit einander geschweißt werden, mittels Winkelsäge im 45° Winkel geschnitten.

Die anderen Enden des Profils wurden in einem 23° Winkel geschnitten. Da dies aber mit der Maschine nicht auszuführen war, musste dieser mit einem Winkelschleifer getätigt werden.

Als nächsten Schritt wurden die Befestigungslöcher mit der Standbohrmaschine gebohrt.

Anschließend wurden die Teile miteinander verschweißt.

Der letzte Arbeitsschritt war das Lackieren der U-Stahlträger. Als erstes wurde die Konstruktion mit einen Metallentfetter gereinigt, bis diese silberhaft schimmerte. Anschließend wurde ein Spraylack, bei dem kein Grundierungsbedarf besteht, auf dem U-Stahl gesprüht.

[...]


1 http://de.wikipedia.org/wiki/Arduino_%28Plattform%29

2 http://www.watterott.com/de/Arduino-Uno

3 http://www.watterott.com/de/Arduino-Uno

4http://www.atmel.com/images/doc8161.pdf

5 http://www.robot-electronics.co.uk/acatalog/I2C_Tutorial.html

6 http://www.atmel.com/images/doc8161.pdf

7 http://www.adafruit.com/datasheets/TSL2561.pdf

8 http://de.wikipedia.org/wiki/Fotowiderstand

9 http://www.vias.org/mikroelektronik/sensor_photowid.html

10 http://lm317.nedir.com/

11 http://rn-wissen.de/wiki/index.php/Spannungsregler

[xii] http://de.wikipedia.org/wiki/AutoCAD

Ende der Leseprobe aus 91 Seiten

Details

Titel
Die Fertigung eines Smart Desks. Aufbau, Programmierung und Inbetriebnahme
Hochschule
Höhere Technische Bundeslehranstalt Wien 10
Note
1
Autoren
Jahr
2015
Seiten
91
Katalognummer
V305574
ISBN (eBook)
9783668034563
ISBN (Buch)
9783668034570
Dateigröße
5669 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
fertigung, smart, desk´s
Arbeit zitieren
Mirac Henn (Autor)Emir Avdic (Autor)Belal Shadi (Autor), 2015, Die Fertigung eines Smart Desks. Aufbau, Programmierung und Inbetriebnahme, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/305574

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