Mess- und Steuerungssystem auf Arduino-Basis: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 28. Januar 2022, 11:50 Uhr

Autor: Maik Schmotz
Betreuender Prof.: Prof. Dr. Mirek Göbel
Art: Projektarbeit
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Thema

Thema dieser Projektarbeit ist, ein Mess- und Steuerungssystem auf Basis eines Arduino Mikrocontrollers zu entwickeln.

Ziel

Dieses Steuerungssystem soll durch verschiedene Sensoranschlüsse und Bussysteme variabel für den Betrieb beliebiger Mess- und Prüfstände einsatzbar sein. Um dies zu gewährleisten muss eine Platine gefertigt werden, welche all diese Ansprüche erfüllen kann. Zudem soll ein User Interface erstellt werden, welcher die ermittelten Daten auf einem PC darstellt.

Aufgabenstellung

Zur Verwirklichung dieser Projektarbeit wurde folgende Aufgabenstellung erstellt.

1. Recherche
2. Auswahl geeignter Mikrocontroller
3. Entwicklung der Steuerplatine
4. Fertigung der Platine
5. Entwicklung und Konstruktion eines Gehäuses
6. Beispielhaftes einlesen aller Senorwerte
7. Verbesserung der GUI
8. Wiss. Dokumentation der Ergebnisse

Lösung der Aufgabenstellung

Einführung
Für die Verwendung des Mess- und Steuerungssystems für verschiedene Anwendungen werden unterschiedliche Sensoren und Schaltungen benötigt. Um dies zu gewährleisten kann das System folgende Sensoren und Aktuatoren ansteuern oder verarbeiten.
- 3 Stromsensoren
- 4 Hallsensoren
- 4 Drucksensoren
- 1 DC Motor
- Schrittmotoren

Des Weiteren besitzt das System verschiedene Schnittstellen zur Kommunikation, darunter:
- I²C- Schnittstellen
- RS485-Schnittstellen
- RS422-Schnittstelle
- CAN-Bus Schnittstelle

2. Auswahl geeigneter Mikrocontroller
Zur Realisierung des Mess- und Steuersystems soll ein Arduino Mikrocontroller verwendet werden. Dazu wurden verschiedene Controllertypen gegenübergestellt und mit den Anforderungen verglichen. Die geforderten Eigenschaften des Controllers sind in der folgenden Tabelle beschrieben.

Digitale Pins	Analoge Pins	Taktfrequenz	Serielle Schnittstellen	Versorgungsspannung
10	13	16MHZ	3	5V

In der Folgenden Tabelle sind die Ergebnisse der Controller zu erkennen.

Möglichkeit	Controller	Digitale Pins	Analoge Pins	Taktfrequenz	Serielle Schnittstellen	Versorgungsspannung
1	Ardunio Uno	14	6	16MHZ	1	5V
2	Arduino Leonardo	20	12	16MHZ	1	5V
3	Arduino Mega	54	16	16MHZ	3	5V
4	Arduino Nano	22	8	16MHZ	1	5V
5	Arduino Zero	20	6	48MHZ	1	3,3V

Beim Vergleichen der verschiedenen Controller wird klar, dass sie ähnliche Eigenschaften haben, jedoch nur der Arduino Mega die Vorraussetzungen von 13 analogen Pins erfüllt.

Entwicklung und Fertigung

Für die Entwicklung der Steuerplatine wurde das Programm NI Multisim und NI Ultiboard verwendet. Dort konstruiert wurde es in eine Gerber-Datei umgewandelt und auf der hochschuleigenen Platinenfräse gefertigt.

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-Mess- und Steuerungssystem auf Arduino-Basis
+[[Datei:Ansteuerbox.jpg|350px|thumb|right|Draufsicht auf die Platine]]
+'''Autor:''' [[Benutzer:Maik Schmotz|Maik Schmotz]] <br />
+'''Betreuender Prof.:''' [[Benutzer:Mirekgoebel|Prof. Dr. Mirek Göbel]] <br />
+'''Art:''' Projektarbeit <br />
+'''Zurück zu [[Studentische_Arbeiten]]'''
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+==Thema==
-Autor: Maik Schmotz
+Thema dieser Projektarbeit ist, ein Mess- und Steuerungssystem auf Basis eines Arduino Mikrocontrollers zu entwickeln.
-Betreuender Prof.: Dr. Mirek Göbel
+==Ziel==
+Dieses Steuerungssystem soll durch verschiedene Sensoranschlüsse und Bussysteme variabel für den Betrieb beliebiger Mess- und Prüfstände einsatzbar sein. Um dies zu gewährleisten muss eine Platine gefertigt werden, welche all diese Ansprüche erfüllen kann. Zudem soll ein User Interface erstellt werden, welcher die ermittelten Daten auf einem PC darstellt.
+==Aufgabenstellung==
+Zur Verwirklichung dieser Projektarbeit wurde folgende Aufgabenstellung erstellt.
+[[Datei:Draufsicht_Platine-min.jpg|250px|thumb|right|Draufsicht auf die Platine]]
+[[Datei:Ansicht_Platine_unten-min.jpg|250px|thumb|right|Ansicht der Platine von unten]]
+. Recherche <br />
+. Auswahl geeignter Mikrocontroller <br />
+. Entwicklung der Steuerplatine <br />
+. Fertigung der Platine <br />
+. Entwicklung und Konstruktion eines Gehäuses <br />
+. Beispielhaftes einlesen aller Senorwerte <br />
+. Verbesserung der GUI <br />
+. Wiss. Dokumentation der Ergebnisse
+==Lösung der Aufgabenstellung==
+'''Einführung'''
+<br />
+Für die Verwendung des Mess- und Steuerungssystems für verschiedene Anwendungen werden unterschiedliche Sensoren und Schaltungen benötigt. Um dies zu gewährleisten kann das System folgende Sensoren und Aktuatoren ansteuern oder verarbeiten.
+<br />
+- 3 Stromsensoren <br />
+- 4 Hallsensoren <br />
+- 4 Drucksensoren <br />
+- 1 DC Motor <br />
+- Schrittmotoren <br />
+<br />
+Des Weiteren besitzt das System verschiedene Schnittstellen zur Kommunikation, darunter: <br />
+- I²C- Schnittstellen <br />
+- RS485-Schnittstellen <br />
+- RS422-Schnittstelle <br />
+- CAN-Bus Schnittstelle <br />
+<br />
+<br />
+'''2. Auswahl geeigneter Mikrocontroller'''<br />
+Zur Realisierung des Mess- und Steuersystems soll ein Arduino Mikrocontroller verwendet werden. Dazu wurden verschiedene Controllertypen gegenübergestellt und mit den Anforderungen verglichen. Die geforderten Eigenschaften des Controllers sind in der folgenden Tabelle beschrieben.<br />
+<br />
+{| class="wikitable"
+|-
+!Digitale Pins
+!Analoge Pins
+!Taktfrequenz
+!Serielle Schnittstellen
+!Versorgungsspannung
+|-
+| 10
+| 13
+| 16MHZ
+| 3
+| 5V
+|}
+<br />
+In der Folgenden Tabelle sind die Ergebnisse der Controller zu erkennen.
+<br />
+{| class="wikitable"
+|-
+!Möglichkeit
+!Controller
+!Digitale Pins
+!Analoge Pins
+!Taktfrequenz
+!Serielle Schnittstellen
+!Versorgungsspannung
+|-
+| 1
+| Ardunio Uno
+| 14
+| 6
+| 16MHZ
+| 1
+| 5V
+|-
+| 2
+| Arduino Leonardo
+| 20
+| 12
+| 16MHZ
+| 1
+| 5V
+|-
+| 3
+| Arduino Mega
+| 54
+| 16
+| 16MHZ
+| 3
+| 5V
+|-
+| 4
+| Arduino Nano
+| 22
+| 8
+| 16MHZ
+| 1
+| 5V
+|-
+| 5
+| Arduino Zero
+| 20
+| 6
+| 48MHZ
+| 1
+| 3,3V
+|}
+<br />
+Beim Vergleichen der verschiedenen Controller wird klar, dass sie ähnliche Eigenschaften haben, jedoch nur der Arduino Mega die Vorraussetzungen von 13 analogen Pins erfüllt.
+<br />
+<br />
+==Entwicklung und Fertigung==
+<br />
+<br />
+Für die Entwicklung der Steuerplatine wurde das Programm NI Multisim und NI Ultiboard verwendet. Dort konstruiert wurde es in eine Gerber-Datei umgewandelt und auf der hochschuleigenen Platinenfräse gefertigt.
+==Anschlussplan der Platine==
+[[Datei:Anschlussplan_Arduino.png|500px|thumb|left|Anschlussplan der Platine]]