Smart Coaster

Autoren: Michael Menke Martin Glennemeyer

Betreuer: Prof. Schneider

→ zurück zur Übersicht: WS 20/21: Angewandte Elektrotechnik (BSE)

Einleitung

Smart Coaster soll ein Bierdeckel sein, welcher Informationen über das dadrüber befindliche Getränk visuell an den Nutzer weitergibt.

Eine wichtige Information über ein Getränk ist die Temperatur, sowohl bei heißen wie auch bei kalten Getränken. Diese soll mit Hilfe einer mehr farbigen Leuchtdiode dem Nutzer angezeigt werden. Das System soll relativ kompakt sein und einen intern verbauten Akku haben.

Anforderungen

• Temperaturen von 0°C bis 70°C erkennen
• Mehrfarbige LEDs aufleuchten lassen
• Ein- und Ausschalter besitzen
• Stromversorgung über Akku
• Aufladen des Akkus über USB
• Spritzwassergeschützt

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Abb. 1: Funktionaler Systementwurf

Abb. 2: Programmablaufsplan

Komponentenspezifikation

SVN-Link

Anzahl	Name	Link	Anmerkung	Vorhanden
1	ESP32 D1 Mini	Link	Kompaktes Board mit Modulunterstützung	Ja
1	LiPo Batterie	Link	Schutzschaltung integriert	Ja
1	Batterie Shield	Link	D1 Mini Modul	Ja
1	Temperatur Sensor LM35CAZ	Link	TO-92-3 Gehäuse	Ja
4	Leuchtdiode WS2812B	Link	Strip mit 30 Led/m	Ja
1	Schiebschalter	Link	Zwei Positionen	Nein (wird noch geprüft)
1	3D Gehäuse	TBD (SVN zur .step)	Wird von der Hochschule gedruckt	Nein

Umsetzung (HW/SW)

Vorerst Ideen Sammlung für die Umsetzung! Wird noch bis zum Projekt Ende überarbeitet.

Software

Quellcode

Der Quellcode, welcher auf dem Mikrocontroller ausgeführt wird mit Erläuterungen.

Header

 /*
 Datei:  Smart_Coaster.ino
 Autor:  Michael Menke 
         michael.menke@stud.hshl.de
 Erstellung:       17.10.2020
 Letzte Änderung:  22.10.2020
 Implementation:   Arduino
 Funktion:
   Ein Analoger Temperatur Sensor wird mit hilfe des ADCs eingelesen.
   Dieser Wert wird dann in eine Temperatur in Grad Celsius umgewandelt.
   Dieser Wert entscheidet, dann in welcher Farbe die LEDs leuchten.
 Hardware:
   Mikrocontroller:    ESP32
   Temperatur Sensor:  LM35CAZ
   Leuchtdiode:        WS2812b
 */

Preprocessor Defines

Mit diesen Defines kann man entscheiden, ob die Debug Schnittstelle eingeschaltet wird, welche LED Libary man verwendet und ob der Deepsleep verwendet wird.

 /* PREPROCESSOR DEFINES */
 //#define DEBUG   /* Serielle Ausgabe Baud 9600 */
 //#define FASTLED /* FastLED Lib verwenden -> Alternative NeoPixelBus Lib*/
 #define SLEEP /* Deepsleep aktivieren */

Includes

Einbinden der Libarys für die Leuchtdioden Steuerung. Weitere Informationen zu den Libarys findet man hier:

FastLED

NeoPixelBus

 /* Includes */
 #ifdef FASTLED
 #include "FastLED.h"
 #else
 #include "NeoPixelBrightnessBus.h"
 #endif

Variablen

Hier werden die Variablen angelegt. Dabei wurden Structs verwendet, damit die Software übersichtlich bleibt.

 /* Variablen */
 struct TEMP {
   uint16_t AdcValue = 0;
   float    Celsius  = 0;
   const uint8_t Pin = 4;
   const float   Max = 4096.0;
 } Temp;
 #ifdef FASTLED
 const uint8_t Number = 4;
 const uint8_t Pin    = 16;
 #else
 struct LED {
   const uint8_t Number = 4;
   const uint8_t Pin    = 16;
 } Led;
 #endif
 #ifdef DEBUG
 const uint16_t BaudRate = 115200;
 #endif
 const uint8_t  Brightness = 25;      /* Helligkeit der Leuchtdioden 0-255 */
 const uint32_t Delay      = 1000000;  /* Zeit zwischen Deepsleep Wakeup in us */
 #ifdef FASTLED
 CRGB leds[Number];
 #else
 NeoPixelBrightnessBus<NeoRgbFeature, Neo800KbpsMethod> strip(Led.Number, Led.Pin);
 RgbColor red(0, 255, 0);        /* Sind GRB LEDs */
 RgbColor violet(130, 238, 238);
 RgbColor blue(0, 0, 255);
 #endif

Funktionen

Hier wurden die Funktionen definiert.

 /* Funktionen */
 float Calc_Temp(uint16_t Raw, float Max);
 void Set_LED(uint8_t Percent, uint8_t Threshold0, uint8_t Threshold1, uint8_t Brightness);

Setup

Die Setup Funktion, welche den Mikrocontroller initialisiert.

 /*
 Wird bei start des Mikrocontrollers einmal ausgeführt und 
 initialisiert die Leuchtdioden. Im Debug fall wird auch 
 noch die Serielle Schnittstelle initialisiert.
 Input:  -
 Output: -
 */
 void setup()
 {
   /* Serial */
   #ifdef DEBUG
   Serial.begin(BaudRate);
   #endif
   /* LED */
   #ifdef FASTLED
   FastLED.addLeds<WS2812B, Pin, GRB>(leds, Number);
   FastLED.setBrightness(Brightness);
   #else
   strip.Begin();
   strip.Show();
   strip.SetBrightness(Brightness);
   #endif
   #ifdef SLEEP
   esp_sleep_enable_timer_wakeup(Delay);   /* Aktiviert den Deepsleep Wakeup Timer */
   #endif
 }

Loop / Endlosschleife

Der Loop/Endlosschleife, welche auf dem Mikrocontroller ausgeführt wird.

 /*
 Wird nach setup() ausgeführt in form einer Endlosschleife.
 Es wird zyklisch die Spannung am ADC Eingang gemessen und 
 in eine Temperatur in Grad Celsius umgewandlet. Danach 
 werden die Leuchtdioden in den passenden Farben eingestellt.
 Falls Debug aktiviert ist werden noch über die serielle
 Schnittstelle der ADC Wert und die Temperatur ausgegeben.
 Nach diesem Vorgang wartet der Mikrocontroller bis zur 
 nächsten Messung.
 Input:  -
 Output: -
 */
 void loop()
 {
   /* Temperaturmessung */
   Temp.AdcValue = analogRead(Temp.Pin);
   Temp.Celsius = Calc_Temp(Temp.AdcValue, Temp.Max);
   /* LED */
   Set_LED(Temp.Celsius, 15, 45, Brightness);
   /* Serial */
   #ifdef DEBUG
   Serial.print(Temp.AdcValue);
   Serial.print("\t");
   Serial.println(Temp.Celsius);
   #endif
   /* Sleep */
   #ifdef SLEEP
   esp_deep_sleep_start();
   #endif
 }

ADC Wert in Temperatur um wandeln

Die Funktion wandelt den ADC Wert in eine Temperatur in Grad Celsius um.

 /*
 Wandelt den ADC Wert in eine Temperatur in Grad Celsius um.
 Diese Funktion ist für den Temperatur Sensor LM35CAZ.
 Input:
   uint16_t Raw  -> ADC Wert  
   float Max     -> Maximale ADC Wert (12bit: 4096.0 10bit: 1024.0)
 Output:
   float Celsius -> Temperatur in Grad Celsius
 */
 float Calc_Temp(uint16_t Raw, float Max)
 {
   float Millivolt = 0;
   float Celsius = 0;
   Millivolt = (Raw / Max) * 5000;
   Celsius = Millivolt / 10;
   return Celsius;
 }

Leuchtdioden Steuerung

Diese Funktion entscheidet die Farbe der Leuchtdiode.

 /*
 Stellt die Farbe und Helligkeit der Leuchtdioden ein.
 Wenn die Temperatur unter der ersten Schwelle ist sind
 die Leuchtdioden blau. Unter der zweiten Schwelle sind 
 die Leuchtdioden lila und wenn sie über der zweiten
 Schwelle sind werden die Leuchtdioden rot. 
 Input:
   uint8_t Data        -> Temperatur
   uint8_t Threshold0  -> Erste Schwelle
   uint8_t Threshold1  -> Zweite Schwelle
   uint8_t Brightness  -> Helligkeit der LEDs (0-255)
 Output: -
 */
 void Set_LED(uint8_t Data, uint8_t Threshold0, uint8_t Threshold1, uint8_t Brightness)
 {
   if (Data < Threshold0)
   {
     #ifdef FASTLED
     fill_solid(leds, Number, CRGB::Blue);
     #else
     strip.SetPixelColor(0, blue);
     strip.SetPixelColor(1, blue);
     strip.SetPixelColor(2, blue);
     strip.SetPixelColor(3, blue);
     #endif
   } 
   else if (Data < Threshold1)
   {
     #ifdef FASTLED
     fill_solid(leds, Number, CRGB::Violet);
     #else
     strip.SetPixelColor(0, violet);
     strip.SetPixelColor(1, violet);
     strip.SetPixelColor(2, violet);
     strip.SetPixelColor(3, violet);
     #endif
   }
   else
   {
     #ifdef FASTLED
     fill_solid(leds, Number, CRGB::Red);
     #else
     strip.SetPixelColor(0, red);
     strip.SetPixelColor(1, red);
     strip.SetPixelColor(2, red);
     strip.SetPixelColor(3, red);
     #endif
   }
   #ifdef FASTLED
   FastLED.setBrightness(Brightness);
   FastLED.show();
   #else
   strip.SetBrightness(Brightness);
   strip.Show();
   #endif
 }

Projektunterlagen

Projektplan

SVN-Link

Abb. 3: Gantt-Projektplan vom 18.10.2020

Literatur

---

→ zurück zur Übersicht: WS 20/21: Angewandte Elektrotechnik (BSE)