Projekt 25c: Aktive Designer Lampe
Autoren: Valentin Rentzsch, Vincent Holthaus
Betreuer: Daniel Klein
Das Projekt wurde im Rahmen des GET-Fachpraktikums im WS 18/19 realisiert. Ziel war es ein bereits vorhandenes Projekt[[1]] einer Ikea PS2014 Hängeleuchte zu optimieren.
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Aufgabe
Erweitern Sie die IKEA Hängeleuchte „PS 2014“ um einen Stellmotor und realisieren Sie eine Ansteuerung per App sowie per Potentiometer.
Erwartungen an die Projektlösung
- Recherche bisheriger Lösungen (Teilaufbau vorhanden)
- Entwurf der Schaltung , Konstruktion und Beschaffung der Bauteile, damit sich die Lampe elektrisch angetrieben öffnen und schließen lässt
- Realisierung der Schaltung durch Fertigung eines prototypischen Arduino-Uno-Shields
- Programmierung mit Simulink
- Test und wiss. Dokumentation
- Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert.
- Live Vorführung während der Abschlusspräsentation
Projekt
Bestandsaufnahme
Entgegengenommen wurde ein Ikea Hängeleuchte "PS2014", welche über einen außerhalb der Leuchte verbautes Potentiometer geöffnet und geschlossen werden konnte. Bei Öffnung leuchteten alle Farben des RGB-LED-Streifens (entspricht der Farbe Weiß). Im Inneren der Leuchte war ein Arduino Uno mit Prototyping Shield, ein Servomotor, zwei Taster sowie ein Bluetooth-Modul verbaut. Die Ansteuerung über Potentiometer war einwandfrei möglich. Die Steuerung über Bluetooth war uns nicht möglich, da die Dokumentation in diesem Punkt sehr lückenreich war.
Projektplan
Zu Beginn wurde eine Bestandsaufnahme durchgeführt und der aktuelle Stand des Projekts untersucht. Anschließend wurde eine Liste mit Verbesserungsmöglichkeiten erstellt. Insbesondere wurde die Erstellung eines Gehäuses geplant. Durch den begrenzten Platz im inneren der Lampe wurde sich dazu entschlossen, den vorhandenen Arduino Uno mit Prototyping Shield durch eine neue, kleinere Platine mit einem Wemos D1 mini als Microcontroller zu ersetzen. In diesem Zug sollte auch die Schaltung optimiert werden und durch zwei weitere Mosfets ergänzt werden. Somit sollte die Ansteuerung jeder beliebigen RGB Farbe möglich sein. Da die Dokumentation keine App für die Steuerung der Lampe per Bluetooth beinhaltete, wurde sich dazu entschlossen, eine zu Programmieren. Da die Steuerung per Bluetooth eine Steuerung über das vorhandene Potentiometer überflüssig macht und dieses einen optischer Störfaktor darstellte, sollte dieses entfernt werden.
Projektdurchführung
Während der Schaltplan für das Projekt mit dem neuen Microcontroller erstellt wurde, konnten parallel dazu die Maße des Lampeninnenraums gemessen und ein passgenaues Gehäuse inklusive Fassung für die ursprüngliche Lampe zur Befestigung in Solid Works erstellt werden. Dieses wurde im späteren Verlauf des Projekts 3D-gedruckt. Anschließend wurde die überarbeitete Schaltung zu Testzwecken auf einem Steckbrett aufgebaut. In diesem Zuge konnte parallel die Android App programmiert und getestet werden. Dieser Teil hat den größten Zeitraum in Anspruch genommen. Nach den erfolgreichen Tests wurde die Schaltung auf eine Lochrasterplatine gelötet. Nachdem das Gehäuse gedruckt war, konnte die neue Platine mit der vorhandenen Hardware verbunden und in das Gehäuse gesteckt werden. Anschließend wurde die Lampe wieder zusammengebaut und einigen abschließenden Tests unterzogen. Der letzte Schritt des Projekts stellte die Fertigstellung der Dokumentation, der Dreh und Schnitt eines Videos und die Vorbereitung für die Präsentation auf der Messe dar.
Hardware
Microcontroller
Als Ersatz für den bereits verbauten Arduino UNO haben wir uns für einen WeMos D1 Mini entschieden. Dieser [2] ist ein sehr kleiner, leistungsstarker Microcontroller, welcher über 11 digitale IO Pins, einen analogen Input und 4MB Flash Speicher verfügt. Besonders wichtig war hier die Größe, um das Projekt in einem Gehäuse im Innenraum der Hängeleuchte zu realisieren zu können.
Bluetooth-Modul
Bei dem verbauten Bluetooth-Modul handelt es sich um ein Arduino HC-05[3], welches bereits im Projekt verbaut war. Es handelt sich um ein sehr kleines Modul, welches sich als Master oder Slave einsetzen lässt. Die Versorgungsspannung beträgt 3.3V.
Spannungsversorgung
Zur Versorgung aller Komponenten mit Spannung, sind insgesamt drei Spannungen nötig:
- 12 Volt für den LED Streifen
- 5 V für den Servomotor
- 3,3 V für den Microcontroller und das Bluetooth Modul.
Diese verschiedenen Spannungen werden wir folgt zur Verfügung gestellt:
- 12 V durch das bereits vorhandene Netzteil
- 5 V und 3,3 V jeweils durch einen Spannungsregler [4] [5]
Neben den Bauteilen, die. bereits genannt wurden, kamen die bereits verbauten Taster[6] zum Einsatz um die zwei Zustande der Lampe bestimmen zu können und MOSFETs[7], um die einzelnen Farben der des LED-Streifens ansteuern zu können.
Schaltplan und Platinenlayout
Software
Android App
Die App wurde mit Hilfe von Xamarin Native programmiert. Dieses Tool ermöglicht es, native Andriod Apps in C# zu schreiben. Mit Hilfe der App ist es möglich, eine Bluetooth Verbindung zur Lampe aufzubauen, die Befehle für das Öffnen und Schließen zu geben und die Farbe ich Echtzeit beliebig zu wechseln. Außerdem lässt sich die Helligkeit der Lampe über einen Slider anpassen. Die App schickt bei jeder Änderung der Farbe einen String mit den drei RGB Werten und einer Zahl für den Zustand der Lampe in Form einer „0“oder „1“. Diese sind jeweils durch ein „,“ getrennt. Das Ende des Strings wird durch ein „*“ gekennzeichnet.
Software auf dem Microcontroller
Die Software auf dem Microcontroller fragt laufend ab, ob etwas per Bluetooth empfangen wird. Ist das der Fall, wird der von der App geschickte String gelesen und die drei Farbwerte und die Zustandsvariable in ein Array geschrieben. Diese Farbwerte werden dann in Form eines PWM Signals über die Mosfets an den LED Streifen weitergegeben. Die Zustandsvariable gibt den Zustand der Lampe an. „0“ für geschlossen und „1“ für geöffnet.
Gehäuse
Parallel zum elektrotechnischen Aufbau wurde mithilfe von Solid Works ein Gehäuse konstruiert. Dieses besteht aus zwei Teilen, dem eigentlichen Gehäuse und einem Deckel. Am oberen Ende des Gehäuses ist ein herkömmliches Glühbirnengewinde versehen. Dieses lässt sich in die Originalfassung der Hängeleuchte schrauben. Durch den unteren Teil lässt sich das Gehäuse verschließen und somit auch der Microcontroller, die Platine und das Bluetooth-Modul verstecken.
Ergebnis
Das Ergebnis des Projekts ist ein funktionsfähiger Umbau einer Ikea Hängeleuchte "PS2014". Über eine App auf dem Smartphone ist es möglich die Lampe zu öffnen und zu schließen. Außerdem ist es möglich die Farbe der Lampe frei auszuwählen. Auch eine Dimm Funktion ist vorhanden. Die Platine, der Microcontroller sowie das Bluetooth-modul sind in einem passenden Gehäuse, welches in der Fassung der ursprünglichen Lampe verschraubt ist, verbaut. Die geplanten Optimierungen konnten erfolgreich umgesetzt werden.
Zusammenfassung
Lessons Learned
Das Thema, das uns die größten Probleme bereitet hat, war die Bestückung der Platine. Hierfür waren insgesamt 2 Versuch nötig, da wir im ersten Versuch alle digitalen Pins des Microcontrollers verwendet haben. Dieser hat nach Fertigstellung der Platine nicht mehr gebootet. Nach langer Suche nach Kurzschlüssen, kalten Lötstellen etc. auf der Platine haben wir in einem Forum den Hinweis darauf gefunden, dass der Wemos je nach dem, ob an Pin D3, D4 und D5 eine Spannung anliegt oder nicht, in verschiedene Bootmodi wechselt. Nach diesem Hinwei war der Fehler schnell gefunden und das Projekt konnte weiter gehen.
Projektunterlagen
YouTube Video
Weblinks
Literatur
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