Sieben-Lampen-Rätsel: Unterschied zwischen den Versionen

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== Umsetzung SW==
== Umsetzung SW==
'''Verwendete Toolbox:''' Matlab Support Package für Arduino Hardware, Simulink Support Package für Arduino Hardware
'''Verwendete Toolbox:''' Simulink Support Package für Arduino Hardware, LiquidCrystal_I2C aus der Arduino IDE
=== Programmablaufplan ===
=== Programmablaufplan ===


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|[[Datei:Programmablaufplan_7_Lampen_Raetsel.PNG|mini|338px|Abb. 7: Programmablaufplan]]
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In Abbildung 7 ist der Ablauf dargestellt, der für das Projekt implementiert bzw. erstellt werden muss.
In Abbildung 7 ist der Ablauf dargestellt, der für das Projekt implementiert bzw. erstellt werden muss.
=== Simulink ===
Das Projekt wird mit der Simulationsfunktion von Matlab: Simulink durchgeführt. Dafür wird die Toolbox "Support Package für Arduino Hardware" benötigt. In der folgenden Abbildung 8 ist das gesamte Modell einmal zusehen.
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Dieses Modell mit den Verschiedenen In- und Outputs ist das entwickelte Modell für dieses Projekt. Die einzelnen Bestandteile dieses Modells werden nachfolgend einzeln beschrieben.
==== LCD Display mit I2C-Anschluss ====
Das LCD Display wurde in Simulink integriert, indem das [https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Erstellen_eigener_Code-Bl%C3%B6cke_f%C3%BCr_den_Hardware-Zugriff_mittels_IO_Device_Builder Tutorial von Professor Göbel] durchgeführt wurde (siehe Video 1).
'''URL:''' https://youtu.be/BXF9x-Tmzhg
{{#ev:youtube|https://youtu.be/BXF9x-Tmzhg | 500| | Video 1: Tutorial Video von Professor Göbel |frame}}
Das Display ist der Block LCD_I2C_DDAppGeneratedBlock mit einem Eingang "Input". Davor ist ein Convert-Block, um den Datentyp "int8" festzulegen.<br>
Damit auf dem Display das richtige Angezeigt wird, bekommt der erstellte Block die Anzahl der im Kreis leuchtenden LEDs übergeben. In der ersten Zeile wird immer ausgegeben wie viele LEDs leuchten (siehe Abbildung 9). In der zweiten Zeile wird der Code ausgegeben, wenn alle sieben Lampen leuchten (siehe Abbildung 10).<br>
Im folgenden wird der C++ Code gezeigt, mit dem der Display Block in Simulink die Logik bekommt, was angezeigt wird. Wie diese Datei erstellt werden kann, wird ebenfalls in Video 1 gezeigt.
<div style="width:1200px; height:1000px; overflow:scroll; border: hidden">
<syntaxhighlight lang="cpp" style="border: none; background-color: #EFF1C1; font-size:larger">
//%*************************************************************** *
//%                  Hochschule Hamm-Lippstadt                    *
//%*************************************************************** *
//% Modul         : Simulink model of LCD Display with I2C      *
//%                                                                *
//% Datum          : 18.12.2024                                  *
//%                                                                *
//% Funktion        : Code for the display block in Simulink with  *
//%                  the rules for when to display what.          *
//%                                                                *
//% Implementation  : MATLAB 2024b                                *
//%                                                                *
//% Req. Toolbox    : LiquidCrystal_I2C from Arduino IDE          *
//%                                                                *
//% Author          : Jan van Pels                                *
//%                                                                *
//% Letzte Änderung : 29.12.2024                                  *
//%****************************************************************
#include "LCD_I2C.h"
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); // Adress 0x27, 16 columns, 2 rows
bool show_code = false; // True if all 7 LEDs are on and the COde is shown
                        // on Display
// Setup Function for LCD
void setupFunctionLCD_I2C(){
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  // Insert initial state
  lcd.setCursor(0, 0); // Cursor on row 0, column 0
  lcd.print("LEDs on:  /7");
}
// Function to check what needs to be displayed with the currently
// active number of LEDs.
void stepFunctionLCD_I2C(int8_T Input,int size_vector_a){
  // Insert the number of LEDs that are currently on
  lcd.setCursor(9, 0);
  lcd.print(Input);
  // Are all 7 LEDs on?
  if (Input == 7){
    lcd.setCursor(0, 1); // Cursor on row 1, column 0
    lcd.print("Code: 1768"); // Show the Code
    show_code = true;
  }else if (show_code){ // Only if the Code was shown before
    lcd.setCursor(0, 1); // Cursor on row 1, column 0
    lcd.print("          "); // Hide the Code
    show_code = false;
  }
}
</syntaxhighlight>
</div>
<br clear=all>
</div>
<br clear=all>
==== Taster ====


== Komponententest ==
== Komponententest ==

Version vom 29. Dezember 2024, 18:34 Uhr

Abb. 1: Aufbau des Sieben-Lampen-Rätsels [1]
Autor: Jan van Pels, Joe Schröder
Betreuer: Prof. Göbel

Autor: Jan van Pels, Joe Schröder


Einleitung

Das Knobelspiel „Sieben-Lampen-Rätsel“ ist ein einfaches Knobelspiel, in dem das Ziel ist, alle 7 Lampen zum Leuchten zu bringen. In Abbildung 1 ist der Aufbau der Lampen im Kreis zu erkennen. Die Lampen haben außerdem einen zugeordneten Taster. Zusätzlich gibt es einen Taster zum Zurücksetzen des Spiels (alle Lampen ausschalten). Wenn alle 7 Lampen leuchten wird auf dem Display ein Zahlencode angezeigt, um das nächste Escape Game spielen zu können.
Wenn ein Taster einer Lampe gedrückt wird, geht diese Lampe an. Es gehen ebenfalls die Lampen rechts und links neben der gedrückten Lampe an. Wenn eine dieser Lampen leuchten sollte, geht diese Lampe wieder aus.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an das Escape Game
ID Inhalt Prio Ersteller Datum Geprüft von Datum
1 Die entsprechenden Lampen müssen angehen, wenn ein Taster gedrückt wurde. 1 Jan van Pels 28.09.2024 Joe Schröder 30.09.2024
1 Die Lampen müssen ausgehen, wenn diese leuchtet und ein entsprechender Taster gedrückt wird. 1 Jan van Pels 28.09.2024 Joe Schröder 30.09.2024
1 Die Zahlenkombination muss angezeigt werden, wenn alle Lampen an sind. 1 Jan van Pels 28.09.2024 Joe Schröder 30.09.2024
1 Das Betätigen des Zurücksetzen-Buttons muss alle Lampen ausschalten. 1 Jan van Pels 28.09.2024 Joe Schröder 30.09.2024
1 Das Rätsel soll nach Erklärung innerhalb von 5 Minuten lösbar sein. 1 Jan van Pels 28.09.2024 Joe Schröder 30.09.2024
1 Das System muss zur Aufbewahrung in einen Schuhkarton passen. 1 Jan van Pels 28.09.2024 Joe Schröder 30.09.2024

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Das System ist in Abbildung 1 zu sehen und besteht aus den Komponenten in Tabelle 2. Die sieben Taster und Lampen können alternativ auch in ein Bauteil zusammengeführt werden. Die Taster und Lampen werden über den Arduino ausgelesen und angesteuert. Eine Zahlenkombination, die vorher festgelegt wurde, wird auf dem Display angezeigt, wenn der Arduino erkennt das alle Lampen leuchten. Dafür wird das Signal mit der Zahlenkombination vom Arduino an das Display versendet.

Tabelle 2: Materialliste
Nr. Anz. Beschreibung
1 1 Funduino Arduino UNO R3
2 8 Taster
3 1 16x2 LCD-Display mit I2C-Modul
4 7 Lampen/LED mit integriertem Vorwiderstand

Funktionaler Systementwurf

Der funktionale Systementwurf ist in Abbildung 1 dargestellt. Dazu kommt das Display zum Anzeigen der Zahlenkombination. Außerdem ist es möglich das die Lampen und Taster nicht in einem Bauteil wie in Abbildung 1 zusammengefasst sind.

Technischer Systementwurf

Möglicher Schaltplan für einzelne Taster und Lampen:

    Abb. 2: Systementwurf des Sieben-Lampen-Rätsels [2]


  • Taster 1 bis 8 an den Pins D2 bis D9 angeschlossen und Pull-Down Widerstand mit GND verbunden oder Pull-Up Widerstand des Arduinos aktiviert.
  • Lampen 1 bis 7 an den Pins D10 bis D13 sowie A0 bis A2.
    • Anoden mit Widerstand und Arduino Pins verbunden (möglicherweise 220 Ohm) oder LEDs mit integriertem Vorwiderstand genutzt.
    • Kathoden mit GND verbunden.
  • LCD-Display mit I2C an SDA (Pin A4) und SCL (Pin A5) angeschlossen, zusätzlich mit 5V und GND.






    • Komponentenspezifikation

    Stückliste (BOM)

    In der folgenden Tabelle befinden sich die benötigten Komponenten, mit beigefügtem Datenblatt, für das 7-Lampen-Rätsel. Der Arduino wurde bei Conrad, das Display bei Reichelt und die Taster mit LED bei Funduino bestellt. Der Gesamteinkaufspreis liegt bei 77,53€.

    Tabelle 3: BOM
    ID Anzahl Kosten pro Stück € Summe Bezeichnung / Komponente Einkaufsseite Beschreibung Datenblatt Abbildung
    1 1x 22,08€ 22,08€ + 4,16€ Versand Arduino Uno Rev 3 smd Breadboard + Kabel Arduino Uno Rev 3 Einkaufsseite Der Arduino Uno Rev 3 verfügt über 14 digitale I/O - Schnittstellen. Des weiteren sind 6 analoge Eingänge für die Verarbeitung analoger Signale vorhanden. Arduino Uno Rev 3
    Abb. 03: Arduino Uno Rev 3
    2 1x 5,80€ 5,80€ + 5,95€ Versand LCD 16x2 Display LCD 16x2 Display Einkaufsseite Das Display hat eine I2c Schnittstelle, mit der das Display am Arduino angeschlossen wird. Datenblatt LCD 16x2 Display
    Abb. 04: LCD 16x2 Display
    3 8x 4,33€ 34,64€ + 4,90€ Versand Drucktaster, Chrom - 5V, LED beleuchtet Taster mit LED Einkaufsseite Der Drucktaster mit LED wird mit 5V betrieben und die Farbe der LED ist Blau.
    Abb. 06: Datenblatt Taster mit LED
    Abb. 05: Taster mit LED

    Umsetzung HW (mechanisch)

    Umsetzung HW (elektrisch)

    Schaltplan
    Abb. 6: Schaltplan

    In dem gezeigten Schaltplan in Abbildung 6 ist die Schaltung der acht Taster und acht LEDs mit dem Arduino dargestellt. Das LCD Display ist über die I2c Schnittstelle angeschlossen.

    Verdrahtungsplan
    Abb. 7: Verdrahtungsplan

    In dem gezeigten Verdrahtungsplan in Abbildung 7 ist die Verdrahtung der acht Taster, acht LEDs und dem Display mit dem Arduino dargestellt. Die Ground Anschlüsse der Taster und LEDs werden auf einer Lochrasterplatte zusammengelötet. Von dieser Platte, die alle Ground-Anschlüsse der Taster und LEDs verbindet, wird über ein Kabel eine Verbindung zum Arduino hergestellt, sodass Ground an allen Tastern und LEDs anliegt.

    Anbindung des Tasters

    Im Schaltplan ist die Anbindung des Tasters dargestellt. Um im nicht-geschaltetem Zustand ein definiertes Potential zu gewährleisten, muss ein Pullup-Widerstand oder Pulldown-Widerstand verwendet werden. Für unsern Projekt wird der interne Pullup-Widerstand des Arduinos benutzt. Somit muss kein Pullup- oder Pulldown-Widerstand verdrahtet werden.

    Vorwiderstände der LEDs

    Um den Strom, der durch die LED fließt, zu begrenzen, wird ein Vorwiderstand benötigt. Dieser Vorwiderstand schützt die LED vor Beschädigung durch Überstrom und sorgt dafür, dass der Strom innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt. Die verwendete LED, hat nach Anfrage beim Verkäufer, einen bereits integrierten Vorwiderstand. Es muss damit kein weitere Vorwiderstand verdrahtet werden.

    Umsetzung SW

    Verwendete Toolbox: Simulink Support Package für Arduino Hardware, LiquidCrystal_I2C aus der Arduino IDE

    Programmablaufplan
    Abb. 7: Programmablaufplan

    In Abbildung 7 ist der Ablauf dargestellt, der für das Projekt implementiert bzw. erstellt werden muss.

    Simulink

    Das Projekt wird mit der Simulationsfunktion von Matlab: Simulink durchgeführt. Dafür wird die Toolbox "Support Package für Arduino Hardware" benötigt. In der folgenden Abbildung 8 ist das gesamte Modell einmal zusehen.

    Abb. 8: Simulink Modell

    Dieses Modell mit den Verschiedenen In- und Outputs ist das entwickelte Modell für dieses Projekt. Die einzelnen Bestandteile dieses Modells werden nachfolgend einzeln beschrieben.

    LCD Display mit I2C-Anschluss

    Das LCD Display wurde in Simulink integriert, indem das Tutorial von Professor Göbel durchgeführt wurde (siehe Video 1). 

    URL: https://youtu.be/BXF9x-Tmzhg
    Video 1: Tutorial Video von Professor Göbel

    Das Display ist der Block LCD_I2C_DDAppGeneratedBlock mit einem Eingang "Input". Davor ist ein Convert-Block, um den Datentyp "int8" festzulegen.
    Damit auf dem Display das richtige Angezeigt wird, bekommt der erstellte Block die Anzahl der im Kreis leuchtenden LEDs übergeben. In der ersten Zeile wird immer ausgegeben wie viele LEDs leuchten (siehe Abbildung 9). In der zweiten Zeile wird der Code ausgegeben, wenn alle sieben Lampen leuchten (siehe Abbildung 10).

    Im folgenden wird der C++ Code gezeigt, mit dem der Display Block in Simulink die Logik bekommt, was angezeigt wird. Wie diese Datei erstellt werden kann, wird ebenfalls in Video 1 gezeigt. 

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//% Modul	        : Simulink model of LCD Display with I2C       *
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//% Datum           : 18.12.2024                                   *
//%                                                                *
//% Funktion        : Code for the display block in Simulink with  *
//%                   the rules for when to display what.          *
//%                                                                *
//% Implementation  : MATLAB 2024b                                 *
//%                                                                *
//% Req. Toolbox    : LiquidCrystal_I2C from Arduino IDE           *
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//% Author          : Jan van Pels                                 *
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//% Letzte Änderung : 29.12.2024                                   *
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#include "LCD_I2C.h"
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); // Adress 0x27, 16 columns, 2 rows
bool show_code = false; // True if all 7 LEDs are on and the COde is shown
                        // on Display

// Setup Function for LCD
void setupFunctionLCD_I2C(){
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  // Insert initial state
  lcd.setCursor(0, 0); // Cursor on row 0, column 0 
  lcd.print("LEDs on:  /7");
}

// Function to check what needs to be displayed with the currently 
// active number of LEDs. 
void stepFunctionLCD_I2C(int8_T Input,int size_vector_a){
  // Insert the number of LEDs that are currently on
  lcd.setCursor(9, 0);
  lcd.print(Input);
  // Are all 7 LEDs on?
  if (Input == 7){
    lcd.setCursor(0, 1); // Cursor on row 1, column 0 
    lcd.print("Code: 1768"); // Show the Code
    show_code = true;
  }else if (show_code){ // Only if the Code was shown before
    lcd.setCursor(0, 1); // Cursor on row 1, column 0 
    lcd.print("          "); // Hide the Code
    show_code = false;
  }
}



    Taster

    Komponententest

    Tabelle 4: Komponententest
    ID Komponente Prio Durchgeführter Test erwartetes Ergebnis 1.Prüfer Datum Ergebnis 1.Prüfung 2.Prüfer Datum Ergebnis 2.Prüfung
    1 Taster 1 Taster 2x betätigen LEDs gehen an und aus Joe Schröder 27.11.2024 Erfolgreich Jan van Pels 16.12.2024 Erfolgreich
    2 Arduino 1 Angeschlossen, hochgefahren, Pins überprüft Arduino fährt hoch, Pins senden und empfangen gewünschte Signale Joe Schröder 27.11.2024 Erfolgreich Jan van Pels 16.12.2024 Erfolgreich
    3 Display 1 Angeschlossen und diverse Werte/Zeichen ausgeben lassen Alles wird angezeigt Joe Schröder 27.11.2024 Erfolgreich Jan van Pels 16.12.2024 Erfolgreich

    Ergebnis

    Zusammenfassung

    Lessons Learned

    Projektunterlagen

    Projektplan

    Der Projektplan zeigt den zeitlichen Ablauf des Projekt von Ende September 2024 bis Januar 2025. In der Ganttproject ist ein Gantt-Diagramm aufgebaut, dass die Einzelnen Aufgaben als Balken darstellt. Es ist Start- und Endzeit, der Bearbeiter und der Fortschritt der jeweiligen Aufgabe dargestellt.

    Projektdurchführung

    YouTube Video

    Weblinks

    [1] Beschreibung des Rätsels: Sieben-Lampen

    Literatur

    → zurück zur Übersicht: WS 23/24: Angewandte Elektrotechnik (BSE)

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