Schreibtischlampe mit Wetteranzeige

Autoren: Hendrik Steffen, Sven Posner
Gruppe: 2.8
Betreuer: Prof. Schneider

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Einleitung

Das hier vorgestellte Projekt ist Teil des GET Fachpraktikums im 5. Semester des interdisziplinären Studiengangs Mechatronik. Ziel des Projektes ist es ein mechatronisches System zu bauen, und in betrieb zu nehmen. Abschließend wird das Projekt im Rahmen einer digitalen Messe vorgestellt. In dem Projekt werden alle drei wesentlichen Disziplinen benötigt. Die mechanische Konstruktion des Bauteils, die elektrische Funktionsfähigkeit, sowie die Programmierung eines Mikrocontrollers.
Wir haben als Projekt eine Schreibtischlampe gebaut, die ein in der Säule integriertes Display hat, auf dem Wetterinformationen, sowie die aktuelle Uhrzeit angezeigt werden.

Anforderungen

Die Schreibtischlampe soll im Wesentlichen die folgenden Funktionen erfüllen.

• Modernes Design
• Stromsparende LED Beleuchtung
• Anzeige von Wetterinformationen auf dem integrierten Display.
• Luftfeuchtigkeit und Temperatur
• Zusätzlich Anzeige von Datum und Uhrzeit
• Anzeige des aktuellen Co2 Gehalts
• Eingebaute Schalter um das Display und die Lampe unabhängig voneinander ein und auszuschalten.
• Zusätzlicher Schalter, um das ganze System auszuschalten

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Blockschaltbild der Schreibtischlampe

Das Blockschaltbild wurde mit der Software Microsoft Visio erstellt. Es dient dazu, sich einen groben Überblick über die verwendeten Komponenten und deren Verschaltung zu gewinnen. So dient der Arduino als zentrale Auswerteeinheit. Die Sensoren für Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Helligkeit und RTC-Modul werden direkt an den Arduino angeschlossen. Zusätzlich werden noch 2 Schalter zum Ein- und Ausschalten des Displays und der Lampe angeschlossen. Die Lampe wird über einen LED-Streifen realisiert, der über einen NPN-Transistor geschaltet wird. Das Highlight ist das in die Säule verbaute Display. Darüber wird die aktuelle Uhrzeit, die Temperatur und Luftfeuchtigkeit und die Helligkeit angezeigt. Der angeschlossene Helligkeitssensor kann genutzt werden um die Helligkeit der LED automatisch anzupassen. Zusätzlich kann über den Touchscreen auch eine manuelle Helligkeit eingestellt werden.
Weitere Funktionen können noch einfach hinzugefügt werden.

CAD-Modell der Lampe

Das CAD Modell der Lampe wurde mit der Software Solid Works erstellt. Das Display ist in der Säule integriert und die Lampe steht auf einem Sockel, indem später die Elektronikkomponenten untergebracht sein werden. W

Komponentenspezifikation

• Real Time Clock

Das sogenannte RTC Modul ist ein Modul, dass per I2C Schnittstelle mit dem Arduino verbunden wird und die aktuelle Uhrzeit liefert.

Real Time Clock Modul

In dem RTC Modul ist eine Batterie integriert, sodass die Zeit weiterläuft, auch wenn das Modul nicht mit dem Arduino verbunden ist. Ein Uhrenquarz dient dabei als Taktquelle.

• DHT11 Feuchtigkeitssensor

Temperatur- und Feuchtesensor DHT11

Der DHT11 ist ein Verbundsensor, der Temperatur und Feuchtigkeit aufnimmt. Er besteht aus einem NTC-Widerstand für die Temperaturmessung und einem kapazitiven Feuchtigkeitssensor. Des Weiteren ist ein IC verbaut, der aus den beiden Sensordaten ein Digitales Signal generiert. Zur Messung der Feuchte existieren im Feuchtigkeitssensor zwei Elektroden mit einem feuchtigkeitshaltenden Substrat dazwischen. Wenn sich also die Luftfeuchtigkeit ändert, ändert sich die Leitfähigkeit des Substrats oder der Widerstand zwischen diesen Elektroden. Diese Widerstandsänderung wird vom Chip gemessen und verarbeitet, so dass sie von einem Mikrocontroller gelesen werden kann.

• Helligkeitssensor (Fotowiderstand)

LDR Fotowiderstand

Der LDR ist ein sogenannter Fotowiderstand. Je mehr Licht auf den Widertand fällt, desto geringer wird sein Widerstand. Dies basiert auf dem photoelektrischen Effekt. Fällt Licht auf das Halbleitermaterial, werden Elektronen freigesetzt und das Material wird leitfähiger. Mit einem Widerstand wird ein Spannungsteiler aufgebaut. Die Spannung, die an dem Analogeingang des Arduinos anliegt, ist somit die, die über dem Fotowiderstand abfällt. Der Rest der 5V fallen an dem anderen Widerstand ab. Damit lässt sich dann der Wiederstand des KLDR und damit die Helligkeit bestimmen

• C02 Warner

CO2-Warner MQ-135

• Schalter

Schalter zum Ein- und Ausschalten des Geräts und der Beleuchtung

Dieser Schalter wurde zweimal verbaut. Es handelt sich um einfache runde Kippschalter, wie sie im PKW-Bereich eingesetzt wurden. Sie sind einfach durch eine Bohrung zu montieren. Der Schalter wird einmal als Ein- und Ausschaler für das ganze System genutzt und einmal zum Ausschalten der Beleuchtung. Im ersten Fall ist der Schalter einfach mit der Spannungsversorgung in Reihe geschalten und unterbricht diese. für das Ausschalten der Beleuchtung wird der Schalter auf einen Digitalen Eingang gelegt. Um dort ein eindeutiges Signal zu erhalten wird der Schalter an einen Pulldown-Widerstand gekoppelt.

• LED Streifen

Temperatur- und Feuchtesensor DHT11

Der LED-Streifen ist eines der wichtigsten Elemente der Lampe. Er ist mit Hilfe einer Aluminium-Schiene am Lampenarm befestigt und ist die Lichtquelle. Er hat eine Lichtleistung von 700 lm und damit bei der verbauten Länge von 25 cm eine Lichtleistung von 175 lm. Bei einer Arbeitsfläche von 0,35 m² ergibt sich somit eine Beleuchtungsstärke von exakt 500 lx. Das entspricht den genau den Anforderungen der DIN EN 12464-1 für den Arbeitsbereich in einem Büro. Dabei hat der LED-streifen eine Lichtfarbe von 3000 K, was ungefähr der Wahrnehmung von warmweiß entspricht. Der Farbwiedergabeindex von 83 ist für die Anwendung im Büro völlig ausreichend. eine Wichtige Funktion des LED-Streifens ist die Dimmbarkeit, da er über die Touchschaltflächen des Displays gedimmt werden soll. Da der LED-Streifen eine Leistungsaufnahme von 9,6 W/m hat, bei 12 V Versorgungsspannung, hat, wird ein Transistor zum Schalten der Leistung benötigt.

• PN2222A NPN-Transistor

Bipolar-Transistor PN2222A

Dieser Taransistor wird benötigt, um den LED-Streifen mittels Pulsweitenmodlation ein- und auszuschalten. ERsdient als Leistungsverstaärker, da die Ausgänge des Arduinos maximal 40 mA liefern können und statt 12 V nur eine Spannung von 5 V liefern.

Umsetzung (HW/SW)

Umsetzung der Hardware

Wir haben uns dazu entschieden das Gehäuse der Lampe mithilfe eines 3D Druckers zu realisieren. Dazu haben wir die Lampe in 6 kleinere Teile zerlegt, die wir in einem Stecksystem ineinander fügen können. So war es uns möglich die Teile mit dem 3D Drucker erstellen zu lassen. Ein Druck im ganzen wäre technisch nicht umsetzbar gewesen, da der Drucker lediglich ein aktive Druckfläche von 200mmx200mmx60mm hat. Die einzelnen Komponenten sind in der dargestellten Explosionszeichnung gut zu erkennen. Vielen Dank an dieser Stele an Herrn Ebmeyer, der uns bei dem Druck der Teile unterstützt hat.

Zusammengebaute Ansicht der Schreibtischlampe

Explosionsansicht der Schreibtischlampe

Umsetzung der Software

Darstellung der Software-Architektur

Die Software ist modular aufgebaut. Sie kann in drei große Teilbereiche unterteilt werden, auf die das Hauptprogramm zugreift: Die Regelung für die Helligkeit der Lampe, die Ansteuerung des Displays und die Auswertung der Sensorik. Das Hauptprogrammm führt dann diese Teile zusammen und koordiniert die Funktionen.

Regelung der Helligkeit

Darstellung der Software-Architektur

Die Regelung der Helligkeit kann über das Display ein und ausgeschaltet werden. ist die Regelung eingeschaltet, wird die Helligkeit automatisch auf einen bestimmten Prozentsatz der maximalen Helligkeit des Sensors geregelt. Dazu wird der Ist-Wert mit dem Soll-Wert verglichen und in den PID-Regler gegeben. Dieser ist Softwareseiting implementiert. Nach einigen Testläufen hat sich herausgestellt, dass es bei dem I-Anteil zu schnell zu einen Windup kommt und bei dem D-Anteil es zu einem Flackern kommt. Also wurde der Regler als reiner P-Regler realisiert. Der Regler gibt als Reglerausgangsgröße ein Signal von 0 bis 255 heraus. Dieses wird von dem A/D-Wandler in eine Spannung von 0 bis 5 V umgewandelt. Damit wird dann die Lampe angesteuert und die Regelstrecke bedient. die Ausgegebenen Helligkeit wird dann von dem Helligkeitssensor am Sockel der Lampe erfasst und und wieder zurückgeführt. Plan darstellen?

Ansteuerung des Displays

Das Display wird über die Funktion "update_displayView" angesteuert. Dabei bei werden die Daten der Sensoren auf dem Display und die Darstellung aktualisiert. Wenn die automatische Helligkeitsregelung aktiviert ist, verschwinden die Taster zum Regulieren der Helligkeit. Um die Daten darzustellen wird die Funktion "show_value" verwendet. Sie greift auf die Funktion "show_text" zu und bettet so den Anzuzeigenden Text in die Kacheln ein. Die Taster auf dem Bildschirm werden in ähnlicher Weise generiert. Zusätzlich wird noch die Funktion "update_time" verwendet, um die Zeitdarstellung zu aktualisieren

Auswertung der Sensorik

Aufteilung Display -> Sven
Sensoren -> Hendrik

Schaltplan

Schaltplan der Spannungsversorgung

Auf der ersten Seite des Schaltplans ist die Spannungsversorgung dargestellt. Die Lampe wird über in 12 V-Netzteil mit einem Rundstecker versorgt. Von dort aus kann die Versorgung noch einmal über einen Schalter unterbrochen werden von dem aus dann die Platine versorgt wird. An die 12 V sind der Transistor zum schalten der LED und der Arduino angeschlossen, der die Spannung intern auf 5 V herunterregelt.

Schaltplan des Displays

Auf der Zweiten Seite ist die Ansteuerung des Displays dargestellt. Das Display verfügt über 5 Steuerleitungen, eine Spannungsversorgung und über einen 8-Bit breiten parallelen Datenbus zur Übertragung der Daten auf das Display. Zusätzlich ist hier auch noch abgebildet, wie der Helligkeitssensor angeschlossen ist.

Schaltplan der Sensoren

Auf der letzten Seite ist der Anschluss der Restlichen Sensorik an den noch übrigen Ports zu sehen.

Projektunterlagen

Projektplan

Projektplan

YouTube Video

In dem hier verlinkten Youtube Video sieht man die Schritte von der Planung über einen Prototypen bis hin zur fertigen Schreibtischlampe.

YouTube Video Schreibtischlampe mit Wetteranzeige

Literatur

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