Projekt 20b: Smarte Tischleuchte

Autoren: Felix Bruchhage, Luca Di Lillo:
Betreuer: Prof. Schneider

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Einleitung

Das Modul Mechatronische Systeme 2 im 5. Semester des Studiengangs Mechatronik beinhaltet das GET-Fachpraktikum, das die angewandte Elektrotechnik zum einen in vier Laborversuchen vertiefen soll. Zum anderen werden diverse mechatronische Projekte in Kleingruppen behandelt, sodass die Studierenden erste Erfahrungen in der Planung und Umsetzung von technischen Projekten sammeln können und ihr theoretisches Wissen in der Praxis anwenden können. Es bestand die Möglichkeit aus vorgegebenen Projekten auszuwählen oder sich ein eigenes Projekt zu wählen, dass in den zeitlichen Rahmen des Praktikums passt und die fachlichen Inhalte abdeckt. Dieser Artikel beschäftigt sich mit einem selbst definierten Projekt, bei dem eine intelligente Schreibtischleuchte entwickelt und gebaut werden soll, die sich selbstständig an die Lichtverhältnisse auf dem Schreibtisch anpasst. Dazu wurden die folgenden Anforderungen als Aufgabe gestellt:

Erwartungen an die Projektlösung

• Planung und Konstruktion der Leuchte
• Darstellung der regelungstechnischen Theorie
• Beschaffung der Bauteile (Miniaturisierung z.B. Arduino Nano)
• Systemidentifikation (Übertragungsfunktion der Regelstrecke bestimmen)
• Realisierung des Aufbaus
• Vergleichen und bewerten Sie verschiedene Regleransätze (P, PI, PID und andere).
• Modellbasierte Programmierung der Hardware via Simulink
• Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert.
• Test und wiss. Dokumentation
• Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Kür: Steuerung über eine Windows App.

Aufgabe

Es soll eine RGB-LED-Tischleuchte gebaut werden, die zum einen manuell über einen Schalter ein- und ausgeschaltet und einen Drehgeber gedimmt werden kann. Außerdem soll ein Automatikmodus zur Verfügung stehen, bei dem sich die Leuchte automatisch an die Beleuchtungssituation im Raum anpasst. Dazu wird die Beleuchtungsstärke auf dem Arbeitsplatz über einen Helligkeitssensor gemessen und die Leuchte entsprechend eines Regelungsalgorithmus automatisch gedimmt. Weiterhin soll die Steuerung der Leuchte mit Hilfe einer Windows-Applikation über einen PC möglich sein. Dieses Projekt deckt alle Facetten der Mechatronik ab. Es können Kenntnisse in der mechanischen Fertigung, des elektrischen Schaltungsentwurfs, der Umsetzung der elektronischen Schaltung sowie der Programmierungen von Mikrocontrollern gewonnen werden. Auch die Programmierung einer Windows Applikation wird eine Herausforderung an das Projekt stellen.

Projekt

Projektplanung

Projektmanagement

Zu Beginn des Projektes wurde zunächst nach einer geeigneten Projektmanagementmethode gesucht, um die Aufgaben im Team aufzuteilen, Fristen für die Aufgabenpakete zu definieren und um einen Überblick über die auszuführenden und abgeschlossenen Tätigkeiten für alle Gruppenmitglieder zu gewährleisten. Es wurde sich für die Kanban Methode entschieden. Umgesetzt wurde Projektmanagement mit der web-basierten Software Trello. Der aktuelle Stand des Projektes ist nicht nur für die Gruppenmitglieder sichtbar, sondern wurde veröffentlicht, um eine transparente Vorstellung unseres Projekts zu ermöglichen. Bei der Kanban-Methode wird eine Tafel mit drei Spalten erstellt. Die erste Spalte erhält den Namen „To Do“. In diese werden zu Beginn des Projektes alle Aufgaben in Form von einzelnen Karten geschrieben, die aus den Projektanforderungen abgeleitet werden. Diese Karten sollten mit absteigender Priorität in der Spalte geordnet werden. Außerdem werden die Verantwortlichen für jede Aufgabe definiert und die Bearbeitungsfristen festgelegt. Die zweite Spalte wird als „In Bearbeitung“ bezeichnet. Jeder Mitarbeiter kann selbstständig die Aufgabenkarten von der Liste „To Do“ in die Liste „In Bearbeitung“ ziehen. Ist die Bearbeitung einer Aufgabe abgeschlossen wird die jeweilige Karte in die letzte Spalte „Abgeschlossen“ gezogen. Mit dieser Methode hat jedes Gruppenmitglied eine gute Übersicht über den Projektfortschritt und über die Aufgaben, die in den jeweiligen Fristen fertig gestellt sein müssen. Am Ende einer jeweiligen Frist wurde in unserer Gruppe ein Meilensteintermin angehalten, in der die jeweiligen Ergebnisse vorgestellt, überprüft und verbessert wurden. Durch diese Methode konnten Probleme schnell erkannt und behoben werden. Außerdem war es uns möglich durch eng gesetzte Fristen, das Projekt weit vor dem eigentlichen Präsentationstermin fertigzustellen.

Planung der Umsetzungsmöglichkeiten

Bei der Planungstätigkeit wurde ein morphologischer Kasten aufgestellt, um aus den Projektanforderungen konkrete Lösungsvarianten abzuleiten und um sich für einen Lösungsweg für die Projektumsetzung zu entscheiden. Auf einige Punkte des morphologischen Kastens soll kurz eingegangen werden: Ein Arduino Uno wurde ausgewählt, da dieser bereits durch den dritten Versuchstermin zur Verfügung stand. Für die Umsetzung hätte ein Arduino Nano in Bezug auf die Ein- und Ausgänge gereicht. Dieser wurde allerdings aufgrund von unnötigen Zusatzkosten nicht beschafft. Der Lichtsensor mit Fotodioden wurde gewählt, da Dioden als Halbleiterelement schneller auf Veränderungen der Helligkeit reagieren als ein Fotowiderstand. Dadurch war es uns möglich in Kombination mit dem Regelungsalgorithmus schnell auf Änderungen zu reagieren und keine Verzögerungen durch einen trägen Sensor in Kauf nehmen zu müssen. Außerdem ist der gewählte es TSL2591-Sensors mit IC und ADCs ausgestattet. Damit wird direkt der Strom der Photodiode in einen digitalen Wert umgerechnet. Mit diesem kann über eine I2C-Verbindung zum Arduino direkt die Beleuchtungsstärke in Lux ermittelt werden, ohne im Programm einen analogen Wert umrechnen zu müssen. Ein Drehgeber wurde einem Potentiometer vorgezogen, damit es zu keinen Helligkeitsänderungen kommt, wenn aus dem Automatikbetrieb in den manuellen Betrieb umgeschaltet wird. Ein Potentiometer hätte einen festen Widerstandswert unabhängig von der eingestellten Helligkeit im Automatikbetrieb behalten. Mit dem Drehgeber war es möglich, den Helligkeitswert aus dem Automatikbetrieb ohne Differenz in den manuellen Betrieb zu übernehmen. Die Verbindung der Leuchte über Bluetooth mit dem Computer wurde nicht gewählt, da ein Bluetooth-Modul einen zusätzlichen Kostenpunkt dargestellt hätte, was das Budget zu sehr ausgelastet hätte.

Materialplanung

Nachdem die Planung des Projektes abgeschlossen war, wurde ein Materialplan erstellt, um möglichst schnell die Bauteile bestellen zu können und mit der Umsetzung anfangen zu können. Die Bauteile sind in folgender Liste zu finden:

Die grau hinterlegten Bauteile waren bereits als privater Eigentum vorhanden und mussten daher nicht bestellt werden.

Literatur

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