Berührungsloser Desinfektionsspender

Autoren: Leon Hundertmark, Marc Eidhoff
Betreuer: Prof. Schneider

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Einleitung

Im Rahmen des Praktikums "Angewandte Elektrochtechnik" im Studiengang Business and Systems Engineering soll ein Desinfektionsspender entwickelt werden. Dieser soll durch den Einsatz eines Infrarotsensors berührungslos arbeiten. Bei einer Annäherung soll der Spender eine definierte Menge Desinfektionsmittel aus einem Behälter spenden. Dies soll durch die Ansteuerung einer Schlauchpumpe für eine definierte Zeit erfolgen.

Anforderungen

Um die Funktionsweise des berührungslosen Desinfektionsspenders bestmöglich zu erreichen werden einige Anforderungen definiert. Diese Anforderungen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Mithilfe eines Komponententests können nach der Fertigstellung der Hardware und der Software die definierten Funktionen überprüft werden. Dabei wird jede Andorderung im Komponententest "gegengeprüft" und ermittelt, ob die Anforderung erfüllt wurde.

ID	Inhalt	Ersteller	Datum
Req_10	Der Spender soll berührungslos arbeiten.	Eidhoff, Hundertmark	27.10.2020
Req_20	Als Sensor soll ein Sharp-Infrarotsensor (Messbereich 4-30cm) benutzt werden.	Eidhoff, Hundertmark	27.10.2020
Req_30	Als Aktor soll eine Schlauchpumpe mit einer Förderleistung von mindestens 30 ml/min eingesetzt werden.	Eidhoff, Hundertmark	27.10.2020
Req_40	Die Erkennung der Hände und die Ansteuerung des Aktors sollen durch LEDs angezeigt werden.	Eidhoff, Hundertmark	27.10.2020
Req_50	~~Die Datenverarbeitung und Ansteuerung des Aktors soll durch einen Arduino UNO erfolgen.~~	Eidhoff, Hundertmark	27.10.2020
Req_51	Die Datenverarbeitung und Ansteuerung des Aktors soll durch einen ATtiny-Mikrocontroller erfolgen.	Eidhoff, Hundertmark	10.12.2020
Req_60	Der Spender soll bei einer Entfernung zwischen 5cm und 10cm für eine definierte Zeit auslösen.	Eidhoff, Hundertmark	27.10.2020

Im Laufe der Entwicklung hat sich ergeben, dass die Anforderung Req_50 nicht mehr gilt und durch Req_51 ersetzt wird: Die Datenverarbeitung und Ansteuerung des Aktors soll durch einen ATtiny-Mikrocontroller erfolgen.

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Im Folgenden wird der zu Beginn des Projekts erarbeitete Aufbau des Spenders schematisch dargestellt. Hier kann zwischen funktionalem und technischem Systementwurf unterschieden werden.

Funktionaler Systementwurf

Abb. 1: Funktionaler Systementwurf des Spenders.

Der funktionale Systementwurf stellt die Funktionen und Beziehungen der einzelnen Funktionseinheiten auf Basis der Anforderungen dar.

Technischer Systementwurf

Abb. 2: Technischer Systementwurf.

Der technische Systementwurf ist der erste Ansatz zur technischen Realisierung des Projekts. Die einzelnen Funktionen werden dabei auf die verschiedenen Komponenten übertragen.

Komponentenspezifikation

Der berührungslose Desinfektionsspender besteht neben dem ursprünglich per Hand betätigtem Spender aus drei weiteren Komponenten. In der folgenden Tabelle werden diese spezifiziert.

Komponenten

Beschreibung

Bild

Steuerungs-Platine

Hauptmerkmale:

ATtiny84A-PU Mikrocontroller
L7805ACV Spannungsregler 5V
IRLZ44NPBF MOSFET
2 Status-LEDs

Schnittstellen:

Buchse für Hohlstecker 6mm, 7V bis 35V
SPI-Schnittstelle für Programmierung
5-Pol Stiftleiste für IR-Sensor & Pumpe

Infrarot-Sensor

Sharp GP2Y0A41SK0F [1]

Messbereich: 4cm bis 30cm
Versorgungsspannung: 4,5V bis 5,5V
Ausgangsspannung: typ. 0,4V bis 2,65V

Schlauchpumpe

Nennspannung: 6V
Durchfluss: max. 60 ml/min

Umsetzung (HW/SW)

Im Folgenden wird die Umsetzung von Hard- und Software näher beschrieben. Grundsätzlich ist zwischen den zwei Versionen der Steuerung zu unterscheiden. Die erste, prototypische Version wurde auf Basis eines Arduino UNO entwickelt. Da dieser aufgrund der geringen Anzahl an benötigten IO-Bausteinen (1x Sensor-Input, 2x Output MOSFET & LED, 1x SPI-Schnittstelle) und dem geringen Platzangebot überdimensioniert war, wurde die finale Version als kompakte Platine mit ATtiny-Mikrocontroller realisiert.

Hardware

Alle Komponenten des Arduino-Protoyps wurden auf einem ProtoShield untergebracht. Dieses ermöglicht eine kompakte Bauweise ohne zusätzliches Steckbrett und lange Verbindungskabel. Dennoch erwies sich dieser Aufbau als zu groß für die Unterbringung auf dem schmalen Gehäuse des Spenders (vgl. Abbildung 3 und 6). Daher wurde diese Version lediglich als Muster für die Software-Entwicklung genutzt und parallel dazu eine möglichst kompakte Platine mit gleichem Funktionsumfang entwickelt. In Abbildung 3 wird der Größenunterschied deutlich.

Abb. 3: Vergleich: Prototyp auf Arduino-UNO-Basis (links) und gefertigte Platine.

Weitere Vorteile der Platine auf ATtiny-Basis wie der geringere Stromverbrauch werden hier vernachlässigt, könnten aber zum späteren Zeitpunkt relevant werden (siehe Ausblick).

Schaltplan & Layout

Abbildung 4 und 5 zeigen den Schaltplan und das Layout der Platine. Ein 5V-Spannungsregler sorgt für die konstante Spannungsversorgung von Mikrocontroller und Pumpe. Der ATtiny wird mit einem externen 8-Mhz-Quarz betrieben und kann über die 6-polige SPI-Schnittstelle programmiert werden. Das Ausgangssignal des Infrarot-Sensors wird über einen ADC-Pin eingelesen und verarbeitet. Ein MOSFET ermöglicht die Ansteuerung der Schlauchpumpe. Durch eine LED am gleichen Port wird das Schalten des MOSFETs angezeigt. Eine weitere LED kann beliebig angesteuert werden und dient hier zur Anzeige einer Näherung am IR-Sensor. Eine Schottky-Diode am Pumpen-Anschluss dient als Freilaufdiode und schützt die Schaltung vor Überspannungen.

Abb. 4: Schaltplan der Steuerungs-Platine.
Abb. 5: Layout der Steuerungs-Platine.

Stückliste

Die folgende Tabelle zeigt die Stückliste der gefertigten Platine.

ID	Wert	Teile-Nr.	Package	Beschreibung
7805	7805	L7805ACV	TO220V	Linearer Spannungsregler 5.0V 1.0A
ATTINY		ATtiny84A-PU	DIP14	AVR 8-Bit Mikrocontroller
C1	100u	EEU-FM1E101	E2,5-6E	Elko 100uF 25V
C2	100n	C1206C104K5RAC7411	1206	MLCC - SMD/SMT 50V 0.1uF
C3	22p	885012008011	1206	MLCC - SMD/SMT 16V 22pF
C4	22p	885012008011	1206	MLCC - SMD/SMT 16V 22pF
C5	100n	C1206C104K5RAC7411	1206	MLCC - SMD/SMT 50V 0.1uF
C6	100n	C1206C104K5RAC7411	1206	MLCC - SMD/SMT 50V 0.1uF
D1	1N4004	1N5819	DO41-10	Schottky Diode 40V 1A
HDR		10129378-905003BLF	1X05	Stiftleiste 1x5 2.54mm
IFR	RED	LTL-4221	LED3MM	LED - THT - Red Diffused
MOSFET	IRLZ44N	IRLZ44NPBF	TO-220-3	Logic Level N-Channel MOSFET 55V 41A
MOT	GREEN	LTL-4231	LED3MM	LED - THT - Green Diffused
PLUG	DCJ0202	PJ-050B	DCJ0202	DC-Steckverbinder 24V 2.5A
Q1	8 Mhz	FOXSLF/080-20	QS	Quarz 8MHz 20pF
R1	10k	CRCW120610K0FKEA	1206	Dickfilmwiderstand SMD 10 kOhm
R2	10k	CRCW120610K0FKEA	1206	Dickfilmwiderstand SMD 10 kOhm
R3	100	CRCW1206100RFKEA	1206	Dickfilmwiderstand SMD 100 Ohm
R4	200	RC1206FR-07200RL	1206	Dickfilmwiderstand SMD 200 Ohm
R5	200	RC1206FR-07200RL	1206	Dickfilmwiderstand SMD 200 Ohm
SPI		10129381-906004BLF	2X03	Stiftleiste 2x3 2.54mm

Zusammenbau

Alle Komponenten wurden auf der Oberseite des Spenders montiert (siehe Abbildung 6). Vier Bohrlöcher in der Platine ermöglichen dessen Montage mit Kunststoff-Abstandshaltern auf der Oberseite des soliden, metallischen Gehäuses. Die Platzierung des Infrarotsensor am vorderen Ende des Auslegers sorgt für eine zuverlässige Hand-Erkennung.

Abb. 6: Ansicht der Spender-Oberseite mit allen Komponenten.

Für Batteriebetrieb optimierte Version

Eigenschaft	L7805ACV [4]	MCP1703A [5]	Unterschied
Gehäuse	TO-220	SOT-223	n.a.
Ruhestrom bei 7,5V Eingangsspannung	4mA	2µA	- 99,95%
Spannungsabfall bei 20mA Last	1,5V	0,025V	-98,33%

Software

Bei der Software-Entwicklung wurde auf einen modularen Aufbau mit drei Modulen gesetzt (vgl. Abbildung 7). Dies ermöglicht eine hardware-unabhängige Entwicklung des Verhaltens und eine gute Portierbarkeit zwischen unterschiedlichen Hardware-Versionen, wie ATmega328 beim Arduino-UNO-Prototypen und ATtiny84 bei der finalen Platine.

Abb. 7: Software-Architektur.

Zustandsautomat

Das gewünschte Verhalten des Spenders wurde als Zustandsautomat in Matlab Stateflow realisiert. Der einfache Automat mit lediglich drei Zuständen (vgl. Abbildung 8) steuert die Dauer des Pump-Vorgangs in Abhängigkeit des Sensor-Signals und der verstrichenen Zeit seit der Hand-Erkennung. Das Desinfektionsmittel lässt sich damit gut portionieren und die zeitliche Begrenzung verhindert eine übermäßige Mengenabgabe.

Mit Hilfe des Embedded Coder lässt sich aus dem Stateflow-Modell effizienter C-Code generieren, welcher wiederum im übrigen C-Code eingebunden werden kann.

Hardware-Abstraktionsschicht

Die Hardware-Abstraktionsschicht greift auf die Mikrocontroller-Komponenten wie Ports, Timer-Bausteine und Register zu und stellt die für das Projekt relevanten, hardwareabhängigen Funktionen bereit:

Hw_Init()

Initialisierung des Mikrocontrollers: Setzen aller Ports, Parametrierung der Timer etc.

Hw_GetSensor()

Ausgabe des Infrarotsensor-Signals

Hw_SetPumpe(unsigned char Pumpe)

An-/Ausschalten der Pumpe. Optional ist eine Soft-PWM-Ansteuerung zur Reduzierung der Durchflussmenge möglich.

Diese Funktionen sind nach außen hin hardware-unabhängig, sodass die restliche Software bei einer Portierung auf andere Mikrocontroller-Systeme nicht verändert werden muss.

Verbindungscode

Der Verbindungscode stellt die Verbindung zwischen Zustandsautomat und Hardware-Abstraktionsschicht dar. Nach der Initialisierung (u.a. über Hw_Init()) wird der Zustandsautomat zyklisch alle 100ms ausgeführt. Dabei werden erst alle Eingangswerte eingelesen und dann nach einem Zeitschritt des Automaten dessen Ausgangswerte wieder ausgelesen (vgl. Abbildung 9).

Programmierung des Mikrocontrollers

Der ATtiny84-Mikrocontroller lässt sich über die 6-polige SPI-Schnittstelle auf der Steuerungs-Platine ohne Demontage programmieren (In-System-Programmierung - ISP). Mit der Software ArduinoISP kann ein Arduino UNO als ISP-Programmer betrieben werden (siehe Abbildung 10). Dieser lässt sich darüber hinaus als Programmier-Tool direkt in Microchip Studio eingebunden werden und ermöglicht damit eine komfortable Programmierung der Steuerungs-Platine.

Komponententest

Testfall-ID	Anforderungs-ID	Erwartung	Ergebnis	Bewertung
1	Req_30	Als Aktor soll eine Schlauchpumpe mit einer Förderleistung von mindestens 30 ml/min eingesetzt werden.	Die Schlauchpumpe fördert zwischen 30 ml/min bei 70%-PWM und 50 ml/min bei 100%-PWM.	i.O.
2	Req_40	Die Erkennung der Hände und die Ansteuerung des Aktors sollen durch LEDs angezeigt werden.	Die beiden Status-LEDs auf der Platine zeigen die Erkennung und die Ansteuerung an.	i.O.
3	Req_60	Der Spender soll bei einer Entfernung zwischen 5cm und 10cm für eine definierte Zeit auslösen.	Die Erkennung erfolgt mit einer Hysterese im definierten Bereich.	i.O.
Zusätzliche Testfälle
4	-	Der ATtiny-Mikrocontroller soll durch eine SPI-Schnittstelle im eingebauten Zustand programmiert werden können.	Der ATtiny lässt sich durch die SPI-Schnittstelle im eingebauten Zustand programmieren.	i.O.
5	-	Die Förderleistung soll sich durch eine PWM-Ansteuerung drosseln lassen.	Die Förderleistung lässt sich durch die implementierte PWM-Ansteuerung bis zum Stillstand drosseln.	i.O.
6	-	Der Spannungsregler soll eine konstante Spannung von 5V liefern.	Der Spannungsregler liefert bei einer Spannung am Netzteil von 7.5V, 9V und 12V eine konstante Spannung von 5V.	i.O.

Ergebnis

Die zu Beginn des Projekts definierten Anforderungen sowie der erdachte Systementwurf konnten erfolgreich umgesetzt werden. Die gefertigte Platine steuert zuverlässig die Flüssigkeits-Abgabe und konnte im Gegensatz zum Arduino-Prototypen auf dem Spender montiert werden. Darüber hinaus kann das Verhalten bei Bedarf schnell durch die SPI-Schnittstelle umprogrammiert werden.

Ausblick

Der berührungslose Desinfektionsspender ließe sich in mehreren Punkten weiter optimieren:

Die verwendeten Bauformen von Spannungsregler und MOSFET sind für diese Anwendung überdimensioniert und könnten durch kompaktere Bauteile ersetzt werden.
Durch eine Implementierung der Stromspar-Funktionen des ATtiny könnte ein Batterie-Betrieb realisiert werden.

Beide Punkte wurden bei der für einen Batteriebetrieb optimierten Version der Steuerungs-Platine umgesetzt. Weiterhin ist jedoch der verwendete Infrarot-Sensor mit einer Stromaufnahme von typ. 12 mA ([1], S.3) der mit Abstand größte Verbraucher. Darüber hinaus ist dieser Sensor vergleichsweise langsam und liefert bei einmaliger Aktivierung den ersten Messwert erst nach 25,2 ms ([1], S.3, worst case). Alternativ könnte daher ein anderer IR-Sensor eingesetzt werden, bspw. der Sharp GP2Y0D810Z0F (siehe [2]). Dieser bietet zahlreiche Vorteile:

Niedrigere Versorgungsspannung möglich, z.B. 3,3V statt 5V. Dies würde auch die Stromaufnahme des Mikrocontrollers um fast 50% reduzieren ([3], S.246).
Stromaufnahme von typ. 5 mA ([2], S.3) statt 12 mA.
Output von logisch 0 bei einer Entfernung von 2cm bis 10cm. Der Sensor könnte also direkt an einen digitalen IO-Pin des Mikrocontrollers angeschlossen werden. Es kann auf die AD-Wandlung verzichtet werden, was Zeit und Strom spart.
Schnelle Lieferung des ersten Messwerts nach nur 5,65 ms ([2], S.4) statt 25,2 ms. Damit könnte der Anteil der Zeit, in der der Mikrocontroller während der 100ms-Zyklusschleife im stromsparenden Idle-Modus läuft, deutlich verlängert werden.

Weitere Punkte sind:

Eine z.B. im 3D-Druck-Verfahren hergestellte Abdeckung zur Unterbringung der Komponenten würde den Spender optisch aufwerten.

Lessons Learned

In diesem Praktikum bzw. mit diesem Projekt wurde das Ziel verfolgt, dass Studierende im Bereich Elektrotechnik Schaltungen für die Auswertung von Sensorinformationen entwerfen können, sowie verschiedene Aktortypen theoretisch und praktisch ansteuern.

Mit der Verwendung eines Infrarot-Sensors und einer Schlauchpumpe sowie LEDs als Aktor wurde dieses Aufgabengebiet sehr gut abgedeckt. Durch die Ansteuerung durch den Prototyp des Arduinos als auch durch das Erstellen einer eigenen Mikrocontroller-Steuerungs-Platine wurde die Steuerung ebenfalls gemäß den Praktikumszielen entwickelt.

Folgende Punkte sind nur ein Teil der angewendeten elektrotechnischen Aufgaben:

Projektplan Erstellung
Anforderungsmanagement (funktionaler / technischer Systementwurf)
Schaltplan und Leiterplatten Layout mit EAGLE
Verhaltensmodellierung mit Zustandsautomaten
Mikrocontroller-Programmierung mit generiertem C-Code aus MATLAB Simulink
Debugging des Softwarecodes
Löten von SMD-Bauteilen mit einer Lötzange
Abnahme Test

Projektunterlagen

Projektplan

Abb. 11: Projektplan

Projektdurchführung

Alle Unterlagen zur Durchführung wurden im SVN-Gruppenordner hinterlegt.

YouTube Video

Imagefilm des Projekts.

Literatur

[1] Datenblatt Infrarot-Sensor
[2] Datenblatt alternativer Sensor
[3] Datenblatt ATtiny24A/44A/84A
[4] Datenblatt L7805ACV
[5] Datenblatt MCP1703A