Projekt 25c: Aktive Designer Lampe

Autoren: Valentin Rentzsch, Vincent Holthaus
Betreuer: Daniel Klein

Das Projekt wurde im Rahmen des GET-Fachpraktikums im WS 18/19 realisiert. Ziel war es ein bereits vorhandenes Projekt[[1]] einer Ikea PS2014 Hängeleuchte zu optimieren.

Geöffnete Leuchte

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Aufgabe

Erweitern Sie die IKEA Hängeleuchte „PS 2014“ um einen Stellmotor und realisieren Sie eine Ansteuerung per App sowie per Potentiometer.

Erwartungen an die Projektlösung

• Recherche bisheriger Lösungen (Teilaufbau vorhanden)
• Entwurf der Schaltung , Konstruktion und Beschaffung der Bauteile, damit sich die Lampe elektrisch angetrieben öffnen und schließen lässt
• Realisierung der Schaltung durch Fertigung eines prototypischen Arduino-Uno-Shields
• Programmierung mit Simulink
• Test und wiss. Dokumentation
• Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert.
• Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Projekt

Zustand Lampe Anfang

Bestandsaufnahme

Entgegengenommen wurde ein Ikea Hängeleuchte "PS2014", welche über einen außerhalb der Leuchte verbautes Potentiometer in zwei Zuständen geöffnet und geschlossen werden konnte. Bei Öffnung leuchtete ein blaues Licht. Im Inneren der Leuchte war ein Arduino Uno mit Prototyping Shield, ein Servomotor,zwei Taster sowie ein Bluetooth-Modul verbaut. Die Ansteuerung über Potentiometer war einwandfrei möglich. Die Steuerung über Bluetooth gelang uns nicht, da die nötige Software nicht hinterlegt war.

Projektplan

Zu Beginn des Projekt wurde eine Aufnahme des aktuellen Stands des Projekts gemacht und anschließend eine Liste von Verbesserungsmöglichkeiten erstellt. Insbesondere wurde die Erstellung eines Gehäuses geplant, welche die Optimierung der Schaltung sowie einen Austausch der Platine und des Arduino UNO durch ein kleineres Modell mit sich zog. Da das Programm zur Ansteuerung der Lampe über Bluetooth nicht hinterlegt war, wurde auch hier eine Erweiterung geplant, welche es ermöglichen sollte die Lampe über Bluetooth in verschiedenen Farben leuchten zu lassen.

Projektdurchführung

Während der Schaltplan für das Projekt mit dem neuen Microcontroller erstellt wurde, konnten parallel dazu die Maße des Lampeninnenraums gemessen und ein passgenaues Gehäuse inklusive Fassung für die ursprüngliche Lampe zur Befestigung im 3D-Modell erstellt werden. Anschließend wurden die Teile im Labor auf einem Steckbrett zusammengefügt und es konnten erste Tests durchgeführt werden. Zur selben Zeit konnte eine Software zur Ansteuerung über Bluetooth programmiert werden. Währenddessen wurden die nötigen Bauteile für das Gehäuse im Labor angefertigt. Die Ansteuerung über das verbaute Potentiometer wurde aus optischen Gründen entfernt. Nach erfolgreichen Tests konnten die Bauteile über eine Platine verbunden werden, welche später in das Gehäuse eingefügt wurden. Abschließend konnte die Dokumentation sowie Präsentation angefertigt werden.

Hardware

Microcontroller

Als Ersatz für den bereits verbauten Arduino UNO haben wir uns für den WeMos D1 Mini entschieden. Der WeMos D1 Mini[2] ist ein sehr kleiner, leistungsstarker Microcontroller, welcher über 11 digitale IO Pins und einen analogen Input und 4MB Flash Speicher verfügt. Besonders wichtig war hier die Größe um das Projekt in einem Gehäuse im Innenraum der Hängeleuchte zu realisieren.

Bluetooth-Modul

Bei dem verbauten Bluetooth-Modul handelt es sich um ein Arduino HC-05[3], welcher bereits im Projekt verbaut war. Es handelt sich um ein sehr kleines Modul, welches sich als Master oder Slave mit 3.3V betreiben und ist sowohl mit einem Arduino als auch anderen Microcontrollern leicht in Betrieb zu nehmen.

Spannungsversorgung

Neben den Bauteilen, welche bereits genannt wurden, kamen die bereits verbauten Taster[4] für die Zustände der Lampenposition, MOSFETs[5] sowie Spannungsregler[6][7] zum Einsatz. Die Ausgangsspannung des Netzteils beträgt 12V, welche für den LED-Streifen ausreichen. Für den Motor wird die Spannung über einen Spannungsregler auf 5V reduziert. Für den Microcontroller sowie das Bluetooth-Modul wird die Spannung ebenfalls über Spannungsregler auf 3.3V geregelt.

Schaltplan und Platinenlayout

Schaltplan in Multisim

Software

Bei der Softwareentwicklung haben wir uns für eine Xamarin Native entschieden, da dieses Tool gut für cross-platform Projekte geeignet ist und uns eine kleine Dateigröße verspricht. Über das Smartphone ist es möglich eine Verbindung zum HC-05 Bluetooth-Modul herzustellen. Ist die Verbindung hergestellt, wird ein String mit den jeweiligen Werten für rot, grün und blau sowie Werten für den geöffneten und geschlossenen Zustand der Leuchte über das Modul an den Microcontroller übermittelt. Nachdem der Microcontroller den String mit den Werten empfangen hat, werden diese in ein array geschrieben. Über eine function werden nun die einzelnen LEDs im Leuchtstreifen nach den Farbwerten sowie der Motor angesteuert.

Ansicht in der App

Android App

Mit einer App auf einem Android Gerät ist es möglich sich mit der Lampe zu verbinden und sie zu bedienen. Die Farbe ist frei aus einer Palette zu wählen, welche sich aus den roten, grünen und blauen LEDs im Inneren der Leuchte zusammensetzt. Außerdem ist es möglich die Lampe über einen Regler zu dimmen.

Gehäuse

Gehäuse von Außen

Parallel zum elektrotechnischen Aufbau wurde mithilfe einer CAD Software ein 3D-Modell eines Gehäuses erstellt. Das Gehäuse besteht aus zwei Teilen. Der obere Teil ist mit einer Fassung ähnlich einer gewöhnlich Lampe versehen ist und lässt sich in der Originalfassung der Hängeleuchte verschrauben. Durch den unteren Teil lässt sich das Gehäuse verschließen und somit auch der Microcontroller, die Platine und das Bluetooth-Modul verstecken. Die 3D-Modelle wurden in der Hochschule gedruckt und zusammengesetzt.

Ergebnis

Das Ergebnis des Projekts ist ein funktionsfähiger Umbau einer Ikea Hängeleuchte "PS2014".Über eine App auf dem Smartphone ist es möglich die Lampe zu öffnen und zu schließen. Außerdem ist es möglich die Farbe der Lampe frei auszuwählen.Auch eine Dimmfunktion ist vorhanden. Die Platine, der Microcontroller sowie das Bluetooth-modul sind in einem passenden Gehäuse, welches in der Fassung der ursprünglichen Lampe verschraubt ist, verbaut. Die vorgenommenen Optimierungsvorschläge konnten erfolgreich umgesetzt werden.

Zusammenfassung

Lessons Learned

Zu Beginn des Projekts mussten wir lernen uns selbst eine Aufgabe in Form von möglichen Optimierungen des übernommenen Projekts zu stellen. Nach einem unerfolgreichen und einem erfolgreichen Druckversuch des 3D-Modells mussten wir feststellen dass die nötigen Bauteile nicht ohne Probleme und weitere Kürzung sowie Neuentwurf der Platine in das Gehäuse eingesetzt werden. Auch die ersten Lötversuche der Platine mussten verworfen werden, da unerwünschte Kontakte zum Ausfall einiger Komponenten führte. Wir lernten, dass eine genauere Planung der Platinen- sowie Gehäusegrößen nötig ist.

YouTube Video

Das Video zu diesem Projekt finden Sie auf Youtube

Weblinks

• Projekt_25:_Umbau_einer_Designerlampe_zu_einer_aktiven_steuerbaren_Lampe

Literatur

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