Luxmeter

Autoren: Jens Schwabe, Jahn Gross
Gruppe: 1.7
Projekt: 96
Betreuer: Prof. Göbel

→ zurück zur Übersicht: WS 20/21: Fachpraktikum Elektrotechnik (MTR)

Einleitung

In diesem Projekt soll ein tragbares, batteriebetriebenes Luxmeter zur Messung der momentanen Beleuchtungsstärke entwickelt werden. Als besondere Spezifikation soll der Benutzer eine Rückmeldung durch das Messgerät bekommen, ob der ermittelte Messwert ober- oder unterhalb eines eingestellten Sollwerts liegt. Die detaillierten Anforderungen werden nachfolgend aufgelistet.

Anforderungen

Das Endprodukt soll die nachfolgenden Anforderungen erfüllen:

Messung der momentanen Beleuchtungsstärke
Anzeige der momentanen Beleuchtungsstärke
Optische Bewertung (LED rot/grün), ob der Messwert einem vorgegebenen Sollwert entspricht
Tragbar und kompakt
Einfache Bedienung
Ausgabe eines akustischen Signals, falls der Messwert unterhalb eines vorgegebenen Sollwerts liegt

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Funktionaler Systementwurf

Aufbau:

Gehäuse (Größe einer Küchenwaage, 3D-Druck / Aluminium)
Arduino Uno R3 + Battery Pack
Ein-/ Aus-Schalter
Lichtsensor BH1750
LCD-Display (LCD1602, 16 Zeichen, 2 Reihen; Funktion: Anzeige der Messwerte)
Startbutton (Funktion: "Messung starten")
LED-Dioden (Farbe: grün, rot; Funktion: Beleuchtungsstärke über/unter 500lux)
RGB-LED-Diode (Funktionen: Startphase (rot blinkend), Messbereit (grün leuchtend), Messung läuft (gelb blinkend))
Akustischer Signalgeber (Aktivbuzzer; Funktion: Akustisches Signal während die Messung läuft, oder die Messung abgeschlossen ist)

Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

2-teiliges Gehäuse: Gefertigt durch einen 3D-Drucker
Arduino Uno R3: Ähnlicher Microcontroller(Firma: Funduino)
Ein-/ Aus-Schalter: 2 Schaltstellungen
Lichtsensor BH1750: 5 Anschlusspins (GND, AD0, SDA, SCL, VCC); Betriebsspannung 5V, Messung der Beleuchtungsstärke (Reichweite: 1lx - 65535lx); Datenübertragung: I2C-Bus
LCD-Display LCD1602: 16 Zeichen (Spalten), 2 Reihen (Zeilen); Betriebsspannung 5V
Startbutton: Taster mit nachgeschaltetem Pulldown-Widerstand
LED-Dioden: Farben: grün, rot; Vorwiderstände: 220 Ohm
RGB-LED-Diode: Vorwiderstände: 220 Ohm
Akustischer Signalgeber: Konstanter Ton (Lautstärke bei ca. 85dB)

Umsetzung (HW/SW)

Hardware
Für die Erstellung der Hardware wurde SolidWorks 2020 verwendet. Mit Hilfe der kostenlosen Lizenz für Studierende, war es uns möglich ein 3D Modell zu erstellen. Dieses Modell war die Grundlage für das Erstellen des Luxmeters mit Hilfe eines 3D Druckers. Als Vorlage für das 3D Modell zeichneten wir uns im Vorhinein eine Skizze mit den passenden Maßen. Diese errechneten wir uns aus den Grundmaßen der verwendeten Bauteile und dem nötigen Platz für Verdrahtungsarbeiten beim Zusammenbau des Luxmeters.

Als Muster für das Design verwendeten wir das Modell einer Küchenwaage. Gerade die Idee eines angeschrägten Displays wollten wir unbedingt bei unserem Projekt übernehmen, um das Ablesen des Displays für den Benutzer zu vereinfachen. Die gerade Fläche auf der Oberseite bot den idealen Platz, um den Sensor zu platzieren und eine möglichst störfreie Messung durchzuführen. Auf der Rückseite des Modells fügten wir einen Ein-/Ausschalter hinzu. Dieser war somit nicht im direkten Sichtfeld des Benutzers und schonte im ausgeschalteten Zustand die Batterie.

Das Modell wurde aus zwei Teilen gefertigt. Damit konnten die einzelnen Bauteile samt Verdrahtung eingebaut werden, bevor das Modell mit Magneten verschlossen wurde. Auf der Innenseite des Deckels wurde die gesamte Elektrik verbaut und befestigt. Dabei wurde für jede Aussparung ein Sockel auf der Innenseite erzeugt, woran man das Bauteil befestigen konnte. Für den Sensor wurde außerdem, um die Aussparung herum, ein kleiner Tunnel bedacht. Dieser schützt den Sensor vor Störungen und verhindert somit eine Messverfälschung durch die eingebauten LEDs.

Software

Wir haben die Software mit der Arduino IDE umgesetzt. Die Software besteht dabei aus den Standard-Blöcken „setup“ und „loop“. Beim Starten des Microcontrollers werden jedoch zuerst die Bibliotheken und Variablen geladen. Nachdem der Microcontroller gestartet ist und die „setup“-Routine durchlaufen wurde, startet die Endlosschleife „loop“.

Das Hauptprogramm ist in zwei Zustände aufgeteilt. Im ersten Zustand wurde der Start-Taster betätigt und die Messung startet. Dazu wechselt die RGB-LED ihre Farbe von grün auf gelb. Parallel erscheint in der Anzeige ein Ladebalken mit der Aufforderung, dass gewartet werden soll („Wait…“). Währenddessen findet die Messung der Beleuchtungsstärke statt. Nach 3 Sekunden wird der Messwert auf der Anzeige ausgegeben. Ist der Wert größer als 500 lux leuchtet die grüne Diode für 1,5 Sekunden. Andernfalls ertönt ein Warnton und die rote LED leuchtet für 1,5 Sekunden. Anschließend befindet sich das Programm in dem zweiten Zustand.

Im zweiten Zustand ist der Microcontroller in einem „Standby-Zustand“. Dabei signalisiert die RGB durch grünes Leuchten die Betriebsbereitschaft des Messgeräts. Der Benutzer wird durch einen Text auf der Anzeige aufgefordert, den Taster zu betätigen, um eine Messung zu starten („Push the Button:“). Es wird so lange gewartet, bis der Taster gedrückt wurde. Erst dann wechselt das Programm in den ersten Zustand und führt eine erneute Messung durch.

Ergebnis

Das Projekt konnte erfolgreich umgesetzt werden. Alle Anforderungen wurden erfüllt, sodass wir letztendlich ein funktionierendes Messgerät mit einem Microcontroller realisiert haben, welches die lokale Beleuchtungsstärke messen kann. Darüber hinaus gibt das Messgerät eine optische und akustische Bewertung, ob der ermittelte Wert, verglichen mit einem „Sollwert“, als in Ordnung oder nicht in Ordnung anzusehen ist.

Zusammenfassung

In diesem Projekt sollte ein mechatronisches Produkt mit einem Microcontroller entwickelt, konstruiert und gefertigt werden. Nachdem wir diese drei Schritte durchlaufen haben, können wir rückblickend festhalten, dass wir sehr viele Erfahrungen sammeln konnten. Diese beschränken sich nicht auf das mechatronische System. Bei Themen wie der zeitlichen Projekt-Planung, Aufteilung der Aufgaben und dem permanenten Integrieren von neu entstehenden Verbesserungsvorschlägen konnten wir unser Können stärken. Jedoch sind wir auch auf Komplikationen gestoßen, welche in den „Lessons Learned“ näher beschrieben werden.

Lessons Learned

Während der Umsetzung vielen uns an unserem entwickelten Produkt zunehmend Punkte auf, die intelligenter gelöst werden könnten. Zuerst ist hier die Wandstärke des Gehäuses zu nennen. Das Gehäuse ist durch einen 3D-Drucker gefertigt worden. Unser Ansatz war eine möglichst geringe Materialstärke, um Gewicht und Materialkosten zu sparen. Bezogen auf die Stabilität würden dickere Außenwände die Robustheit des Produkts deutlich erhöhen.
Ein weiteres Verbesserungspotential liegt in der Sensoröffnung. Die aktuelle Öffnung für den Lichtsensor ist eine einfache Aussparung in dem Deckel des Gehäuses. Dadurch gelangt Staub ungehindert in das Innere des Messgeräts.
Bei zukünftigen Projekten sollte darauf geachtet werden, dass die Anschlüsse des Microcontrollers für die Stromversorgung und die PC-Schnittstelle von außen zugänglich sind. Dadurch könnte das verschleißbringende Öffnen des Gehäuses verhindert werden.

Projektunterlagen

Projektplan

Projektdurchführung

Die Idee für dieses Projekt haben wir gemeinsam durch Brainstorming anhand der Vorgaben erarbeitet. Durch die darauffolgende Einteilung der Aufgaben mit eigens angesetzten Deadlines, wurde die gesamte Planung auf beide Mitglieder gerecht aufgeteilt.
Nachdem das Software-Programm erstellt und das Modell fertig gedruckt wurde, begannen wir mit dem Zusammenbau der Elektronik innerhalb des Gehäuses. Dabei befestigten wir alle Bauteile an den vorgesehenen Stellen und verdrahteten diese planungs- und ordnungsgemäß.
Die abschließende Dokumentation wurde ebenfalls zu Beginn des Projekts untereinander aufgeteilt. Somit konnte von jedem Mitglied die jeweilige geleistete Arbeit festgehalten und nach der Fertigstellung des Luxmeters in den Wiki-Artikel eingefügt werden.

YouTube Video

Unter diesem Link finden Sie ein Video, in dem die Funktion des Luxmeters gezeigt wird.
YouTube Video des Luxmeters

Literatur