Projekt 56: Binäruhr

Autor: Viola Vogt
Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

Entwicklung einer Binäruhr.

Stromversorgung mittels wiederaufladbarer Batterien.

Ändern der Zeit mittels Taster.
Anzeige der Zeit durch Dioden.

Erwartungen an die Projektlösung

Darstellung der Theorie
Realisierung mittels geeigneter Bauteile
Planung des Aufbaus
Beschaffung der Bauteile
Realisierung des Aufbaus
Programmierung der Anzeige
Elektrische Inbetriebnahme
ansprechendes Gehäuse/äußeres Design
Erstellung eines spektakulären Videos
Test und wiss. Dokumentation der Lösung
Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Schwierigkeitsgrad

Anspruchsvoll (***)

Einleitung

In dem Projekt geht es darum eine Binäruhr mittels Dioden, die die Zeit anzeigen zu realisieren. Dabei soll die Zeit über 2 Tasten einzustellen sein und die Stromversorgung soll über Batterien sichergestellt werden. Final soll die Uhr in einem ansprechendem Design erstellt werden.

Planung

Für Designanregungen und einer Idee zur groben Umsetzung der Binäruhr wird im Internet recherchiert. Als Orientierung dient dann die Umsetzung der Binäruhren folgender Seiten Binäruhr3 und Binäruhr

Vorbereitung

Unter Berücksichtigung des Budgets wird ein Schaltplan entworfen und möglichst darauf geachtet günstigere Bauteilalternativen in Betracht zu ziehen und das alle Bauteile möglichst bei einem Hersteller wir Conrad oder Reichelt bestellt werden können. Zum Schluss werden alle Bauteile in einer Bestellliste aufgelistet.

Bauteilliste

Anzahl	Bauteil
1	Arduino Uno
4	MOS 4094, 8-stufiges Schieberegister
4	GS16, IC-Sockel
6	LED Grün, 5mm 40mcd
6	LED Blau, 5mm 60mcd
5	LED Rot, 5mm 200mcd
2	SMDLED, SMD 3528 (1411)
1	Summer 3V
1	Schottky-Diode
6	Transistoren
1	LM751
2	Batteriehalter, HALTER 2XAAZ
1	Kühlkörper für LM751
2	Taster
3	designte Platinen
Widerstand LED
6	22 Ohm
6	180 Ohm
5	100 Ohm
Widerstand Summer
1	100 Ohm
Widerstand Taster
2	1 kOhm
Widerstand SMDLED
6	10 kOhm
4	82 Ohm
2	150 Ohm

Gehäusebauteile

Für das spätere Gehäuse werden je nach Design verschiedene Materialien aus dem Baumarkt benötigt wie...

Holzplatten
viereckiger Plastikturm (z.B. Spaghettidose)
Metallwinkel
Schrauben
milchiges Plastik
Klebefolie
Magnet zum öffnen und schließen der Seitenklappe

Zum Bearbeiten benötigt man

Stichsäge
Akkuschrauber
Schere
Lineal
Bleistift

Durchführung

Platine entwerfen

Der während der Vorbereitung entworfene Schaltplan wird mittels Multisim und später Ultiboard entworfen um die Platinen fräsen zu können. Dabei sollte in Ultiboard nicht nur auf die mindestabstände der Bauteile geachtet werden, sondern auch das man später mit den Fingern gut an die Steckverbindungen drankommt.

Multisim

Ausgangspunkt ist die Platine mit dem Adruino Uno. Er steuert die 4 Schieberegister und den Summer an. Es gibt je ein Schieberegister für Sekunden, Minuten, Stunden und das HSHL-Logo. Während die LEDs für Stunden, Minuten und Sekunden je einen Vorwiderstand Richtung Schieberegister haben, benötigen aufgrund der begrenzten Anzahl an Ports des Arduinos, die RGB-SMDLEDs je einen Transistor und Vorwiderstand. Die SMDLEDs besitzen einen gemeinsamen +Pol und 3 Grounds und werden somit über den Ground angesteuert, was sich am besten mit Transistoren realisieren lässt. Dafür benötigen die Transistoren auch je einen Vorwiderstand. Die Stromversorgung wird extern von den Batterien über den LM751 eingespeist und versorgt alle Bauteile. Die Taster werden an Eingangsports des Adruino-Unos angeschlossen und benötigen je einen Pull-Down-Widerstand.

Projektdateien für Multisim 14 Uhr Multisim

Ultiboard

Die Bauteile werden so auf der Platine verteilt, das sie zum einen logische Blöcke ergeben und zum anderen mit den Fingern für eventuellen Austausch gut erreichbar sind Die Stromversorgung der Bauteile über den LM751, so wie alle benötigten Steckverbindungen und unbenutzte Ports des Arduino-Unos werden als Lötaugen auf die Platine geführt. Dabei wird darauf geachtet, das der Benutzer später gut an die jeweiligen Steckverbindungen herankommt. Die beiden Platinen für das HSHL-Logo und die LED-Zeitanzeige werden so designt das zum einen die Zeitanzeige außerhalb des späteren Gehäuses liegt und das die SMDLEDs des HSHL-Logos ihr Licht mittig an die spätere Außenwand des Gehäuses abstrahlen.

Projektdateien für Ultiboard 14 Uhr Ultiboard

Programmcode

Parallel zum Entwurf des Platinenlayouts kann mit der Programmierung des Programmcode begonnen werden, mittels der Software Arduino IDE 1.7.8 (Freeware). Zum testen der Software kann der serielle Monitor genutzt werden. Der Programmcode ist selbsterklärend.

Programmcode für die Uhr Uhr-code

Bedienung

Sobald die Uhr an die Batterien angeschlossen ist, kann über den schwarzen und grünen Taster die Uhrzeit eingestellt werden. Der schwarze Taster wechselt zwischen den einzelnen Modi und der grüne Taster addiert die jeweilige Zeiteinheit hoch. Die Uhr zählt von 0 bis 24 Stunden.

Die Uhr befindet sich im Normalmodus. Wird der schwarzen Taster einmal gedrückt leuchten nur die LEDs für die Stunden auf und können nun durch drücken des grünen Taster hochgezählt werden. Erneutes drücken des schwarzen Taster wechselt in den Minutenmodus und nur die LEDs für die Minuten leuchten auf und können nun durch drücken des grünen Taster hochgezählt werden. Wiederrum erneutes drücken des schwarzen Tasters speichert nun die neue Uhrzeit und wechselt in den Normalmodus, in den die Uhrzeit angezeigt wird. Möchte man die neue Uhrzeit jedoch nicht speichern, muss lediglich 5 Sekunden lang keine Taste gedrückt werden, denn befindet sich die Uhr im Stunden- oder Minutenmodus und es wird 5 Sekundenlang keine Taste gedrückt, bricht der Modus ab und wechselt zurück in den Normalmodus und zeigt die alte Uhrzeit wieder an.

schwarzer Taster	grüner Taster
Normalmodus	keine Wirkung
Stundenmodus	inkrementieren der Stunden
Minutenmodus	inkrementieren der Minuten

Video

Uhr

Ausblick

Um Energie zu sparen, damit die Batterien länger halten, ist es möglich den Programmcode dahingehend zu ändern, das der Adruino Uno in der Zwischenzeit während keine Aktion ausgeführt wird, in den Ruhemodus geht.
Eine weitere Möglichkeit wäre es auch Solarzellen vom Typ "Monokristallin Conrad YH-39X35 4 V 35 mA" in Reihe und Parallel zu verbauen, auf der Hauptplatine ist ein Anschluss an die Batterien schon realisiert.

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