Version vom 21. Januar 2018, 12:59 Uhr

Autoren: Willy Argan Yopa Heubo, Erwin Büttner,Samuel Oscar Boumela Datewo Betreuer: Prof.Göbel

Aufgabenstellung

Entwicklung und Aufbau eines interaktiven LED-Tischaufbau mit Hilfe eines Arduinos Mikrokontroller. Es Soll ein LED-Tisch entwickelt/konstruiert werden, der aus Ein- und Ausgabegeräten sowie einer Verarbeitungseinheit besteht.

Eingabegeräte: Mobiltelefon über Bluetooth-Verbindung
Verarbeitung: Arduino
Ausgabe: LED-Matrix als Bildschirm

Erwartungen an die Projektlösung

Recherche bisheriger Lösungen
Entwurf der Schalung , Konstruktion des(absolut robusten!) Tischaufbaus und Beschaffung der Bauteile
Realisierung der Schaltung durch Fertigung eines prototypischen Arduino-Uno-Schields
Programmierung und Visualisierung
Realisierung eines Videos, welches die Funktion visualisiert
Test und wissenschaftliche Dokumentation
Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Schwierigkeitsgrad

Anspruchsvoll (***)

Plannung

Projektplan

Zunächst wurde ein Projektplan erstellt mit vier Phasen:

Planung
Konzept/Entwurf
Realisierung
Dokumentation

Materialbeschaffung

Folgende Materialien können aus der Bills-of-Materials-Liste vom SVN-Projektordner entnommen werden.

Diamex LED-Streifen mit WS281-LEDs, 30 LEDs / Meter
PLEXIGLAS® WN070 weiß opal, Lichtdurchlässigkeit 30% Maße: 410mm x 410mm, 3mm Stärke.
Aduino Nano
Lochrasterplatine
Litze H05V-K 1 x 0.75 mm² Schwarz 5m
Wippschalter

Einige Materialien konnten nicht bei vorgegebenen Händlern bestellt werden, deshalb wurden diese aus eigener Kasse erworben:

MDF-Platte
HC-05 Bluetooth-Modul
Ikea Tisch vom Model LACK
Netzteil 5V, 12A
Weiße T-Leiste

Konzeption/Entwurf

CAD-Entwurf

CAD-Zeichnung vom Entwurf für den LED-Tisch

Zunächst wurde ein 3D-Modell mit CAD entworfen. Es wurden folgende Teile konstruiert:

Ein Beistelltisch, der sich am Aufbau des Modells LACK vom IKEA orientiert.
Eine Gitterkonstruktion für die LED-Matrix
Ein Unterkasten-Aufbau für Elektronik (Netzteil, Leiterplatte)

Leiterplattenentwurf

Der elektrische Schaltplan wurde mit Hilfe von einem Freeware-Software (http://fritzing.org/home/) realisiert. Mit dieser Software ist es möglich einzelne elektrische Bauteile virtuell miteinander zu verschalten und zu parametrisieren. Bauteile, wie die LED-Streifen, wurden aus einer Library entnommen. Diese wurde von der Seite (https://github.com/adafruit/Fritzing-Library) heruntergeladen und hinzugefügt.

Es ist auch möglich aus dieser virtuellen Steckplatine einen elektrischen Schaltplan zu erzeugen und sogar auch Leiterplatten-Design ist hiermit möglich. Die verschalteten elektrische Bauteile, der Schaltplan, die Leiterplatten-Layout und auch der Arduino-Code zusammen lassen sich in einem Fritzing-Projekt als eine Datei speichern.

Realisierung

Hardware Design

Unter Hardware soll hier der Aufbau des Tisches und der Leiterplatten-Konstruktion verstanden werden.

Tisch

Für den Grundaufbau des Tisches entschied man sich für ein Ikea Möbelstück. Es sollte billig, stabil und einfach zu bearbeiten sein. Die Wahl ist auf das Model LACK gedallen. Dieser Tisch ist relativ Kostengünstig, durch seine Innere Knochenbau-Papp-Konstruktion ist es relativ stabil und einfach zu bearbeiten, weil die Stärke des Holzes nur 3mm beträgt.

Zunächst wurde ein Loch auf der Oberseiten zugeschnitten. Die Größe des Loches beträgt hier 415mm auf 415mmm. Da die Holzstärke nur drei Millimeter beträgt, wurde ein einfaches Cuttermesser verwendet und entlang eines Winkels das Oberloch zugeschnitten. Diese Größe wurde wegen der Plexiglasscheibe gewählt, da diese 410mm auf 410mm beträgt.

Um die Elektronik zu verstauen, wurde ein Unterkasten gefertigt. Diese wurde aus einer MDF-Platte und schmalen Latten gefertigt. Die Maße diese Kasten sind 306mm Länge, sowie Breite und 60mm Höhe. Dabei lässt sich die Unterplatte dieses Kasten aus dem ausgeschnittenen Unterstück (siehe weiter unten) herstellen.

Von der Unterseite schnitt man ein 300mm auf 300mm großes Loch zu. Wie oben erwähnt, lässt sich dieses ausgeschnittene Stück wiederverwenden.

Für die Stromversorgung wurde ein einfaches Kabel mit einem Stecker verwendet. Zunächst wurde ein Loch in eines der vier Tischbeine mittig von unten aufgebohrt. Zusätzlich wurde ein Loch an der unteren Kante zum vorher gebohrten Loch nachgebohrt, damit, wenn das Kabel später zugeführt wird von der Seite raus geht. Von oben wurde ein weiteres Loch gebohrt. Dies aber nicht mittig, sondern seitlich in die Ecke. Am Tisch wurde dementsprechend das Gegenloch gebohrt. Mit Schnurr und Draht lies sich das Kabel durchführen. Vorteilhaft ist es dabei, wenn zuerst ein langes Stück des Kabel abisoliert wird. Dies erleichtert das durchstecken.

Anschließend wurde ein Loch seitlich am Tisch hinzugefügt, dass der Größe des Wippschalters entspricht.

Gitterkonstruktion

Für die Gitterkonstruktion, die mit den LEDs als LED-Matrix fungieren soll, wurde eine MDF-Platte verwendet. Diese wurden auf ein Maß von einer Längen von 410mm und einer Höhe von 35mm zugeschnitten. In elf gleichen Abstände wurden Einschnitte getätigt, die die Hälfte der Breite entsprechen. Diese Gittersegmente lassen sich per Steckprinzip zu einem Gitter zusammensetzen. Jedes Gitter hat nun eine Größe von 34mm auf 34mm.

LED Matrix

Die zuvor ausgeschnittene Unterplatte wurde nun in diesem Schritt verwendet. Zunächst wurde der LED-Streifen zugeschnitten. Dabei wurde ein Streifentyp verwendet mit einer LED-Dichte von 30 LEDs pro Meter. Das heißt, jedes LED-Segment ist 33mm lang. Es werden Streifen zugeschnitten, die aus 12 LED bestehen und somit einer Länge von 400mm entsprechen. Diese wurden auf die Oberplatte, die zuvor gereinigt wurde, geklebt und zwar so, dass die Datenübertragungsleitung in zickzack verläuft. Schematisch sieht es so aus:

DI: 1---2---3
            |
    6---5---4
    |
    7---8---9 :DO

Der Kontakt für das Digitale-Ausgangssignal wurde mit dem Eingangssignal-Kontaktstelle des anderen Streifen verbunden. So auch "GND" mit "GND" und "+5V" mit "+5V"

Leiterplatte und Verkabelung

Software Design

Hier soll die Softwareentwicklung vorgestellt werden. Verwendet wurde der MIT App Inventor und die Arduinosoftware.

App Inventor

Um die App für das Mobiltelefon zu realisieren, wurde die Freeware-Software MIT App Inventor verwendet (http://appinventor.mit.edu/explore/). Diese Programm verwendet eine visuelle Programm Oberfläche, das jedem erlaubt eine einfache bis komplexe App selber zusammenzustellen. Der MIT App Inventor ist ein Versuch die Softwareentwicklung zu demokratisieren und durch die Einfachheit des Erstellens des Softwaredesigns und der Softwareprogrammierung durch Drag&Drop-Prinzip den Weg zu bereiten von Technik-Konsum zu Technikentwicklung.

Die entwickelte App verbindet das Mobiltelefon mit dem HC-05 Bluetooth-Modul. Die App wurde so programmiert, dass, wenn ein Pfeil getätigt wird, diese Information vom Mobiltelefon zum Bluetooth-Modul gesendet wird. Dabei baute man auf eine vor entwickelte App auf (http://www.martyncurrey.com/arduinobtcontrol/).

Der Code wurde auf dem SVN-Projektordner hochgeladen.

Arduino Code

Problematiken/Verbessersvorschläge

1. Die Oberfläche des Tisches ist sehr empfindlich. Leichte Stöße werden schon zu sichtbaren dellen. Leichte Kratzer sind gut sichtbar. Wegen dieser Kratzempfindlichkeit wurde die gewünschte Oberfläche nicht erreicht.

Es wird vorgeschlagen, sehr vorsichtig mit dem Tisch umzugehen.

2. Gitterkonstruktion ist nicht gut gelungen. Probleme waren, dass mit der Handkreissäge die Segmente nicht einheitlich ausgeschnitten wurden. Außerdem wurden die Einschnitte für die Streckverbindungen zu schmal ausgeschnitten. Dies führte auch dazu, das das Gitter beschädigt wurde und einzelne Zellen nachgebessert werden mussten.

Bevorzugt wird hier der Schnitt mit einer Tischkreissäge. Optimal wäre eine Fräsmaschine, die die Segmente einzeln ausschneidet.
Steckschlitze breiter wählen, sodass sie leichter miteinander verbunden werden können.

3. Die Gittersegmente waren zu hoch. Die 35mm höhe war nicht richtig gewählt worden.

Eine höhe von 30mm würde völlig ausreichen.

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 ===Arduino Code===
+=Problematiken/Verbessersvorschläge=
+. Die Oberfläche des Tisches ist sehr empfindlich. Leichte Stöße werden schon zu sichtbaren dellen. Leichte Kratzer sind gut sichtbar. Wegen dieser Kratzempfindlichkeit wurde die gewünschte Oberfläche nicht erreicht.
+*Es wird vorgeschlagen, sehr vorsichtig mit dem Tisch umzugehen.
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+. Gitterkonstruktion ist nicht gut gelungen. Probleme waren, dass mit der Handkreissäge die Segmente nicht einheitlich ausgeschnitten wurden. Außerdem wurden die Einschnitte für die Streckverbindungen zu schmal ausgeschnitten. Dies führte auch dazu, das das Gitter beschädigt wurde und einzelne Zellen nachgebessert werden mussten.
+*Bevorzugt wird hier der Schnitt mit einer Tischkreissäge. Optimal wäre eine Fräsmaschine, die die Segmente einzeln ausschneidet.
+*Steckschlitze breiter wählen, sodass sie leichter miteinander verbunden werden können.
+. Die Gittersegmente waren zu hoch. Die 35mm höhe war nicht richtig gewählt worden.
+*Eine höhe von 30mm würde völlig ausreichen.

Projekt 19: Interaktiver LED-Tisch: Unterschied zwischen den Versionen