Projekt 46: FridgeAlert mit Arduino

Autoren: Cosima Eckert-Ludwig & Oleg Patrusev
Betreuer: Prof. Schneider & Prof. Göbel

Abbildung 1: Fridge Alert auf dem Proto Shield

Aufgabe

Erstellung eines Kühlschrankalarmes auf der Arduino UNO Plattform zur Überprüfung, ob die Kühlschranktür geschlossen wurde.

Erwartungen an die Projektlösung

Abbildung 1: Fridge Alert von Desertcart

Projektteil 1: Arduino Fridge Alert

Untersuchen Sie einen Fridge Alert SO 208
Erstellen Sie das System als prototypischen Eigenbau auf einem Proto-Shield für einen Arduino Uno
Beschaffen Sie die Bauteile
Realisierung und Erprobung des Aufbaus
Machen Sie ein spektakuläres Video, welches die Funktion visualisiert.
Test und wiss. Dokumentation
Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Projektteil 2: Attiny85 Fridge Alert
Als weiterführende und auf Eigeninitiative basierende Aufgabe ist entschieden worden einen Prototypen herzustellen, der unabhängig von der Arduino Plattform funktioniert.

Schwierigkeitsgrad

Teil 1: mittel (**), Erweiterung Teil 2: anspruchsvoll (***)

Einleitung

Das Ziel des Projektes ist die Erstellung eines Kühlschrankalarms. Die Umsetzung sollte mittels einer Arduino UNO Plattform (Rev. 3) erfolgen. Zur Prototypenherstellung wurde ein Proto-Shield verwendet. Als Vorgabe durch die Betreuer sollte ein funktionsfähiges Modell hergestellt werden, welches im Rahmen einer Abschlussveranstaltung vorzuführen ist. Das Projekt gliedert sich in mehrere Meilensteine, welche dem Projektstrukturplan zu entnehmen sind. Weitere Bestandteile des Projektes sind eine angemessene technische Dokumentation, ein spektakuläres Funktionsvideo und dieser WIKI-Eintrag.

Analyse der Ist-Situation

Der zu untersuchende Fridge Alert SO208 konnte nicht gefunden und analysiert werden. Nach Rücksprache mit den Betreuern ist entschieden worden auf andere Lösungsmöglichkeiten auszuweichen, die realisierbar sind. Bezogen auf die nachfolgende Fall Analyse wurden zwei Sensoren ausgewählt: ein Fotowiderstand und ein Temperatursensor

Fall-Analyse

Fall 1: Die Kühlschranktür wird geöffnet - Lichtquelle des Kühlschranks funktioniert/Lichteinstrahlung (ja) - Temperatur des Kühlschranks sinkt - Alarm HIGH - Kühlschranktür wird zugemacht (ja) - Status OK

Fall 2: Die Kühlschranktür wird geöffnet - Lichtquelle des Kühlschranks funktioniert nicht/Lichteinstrahlung (nein) - Temperatur des Kühlschranks sinkt - Alarm (HIGH) - Kühlschranktür wird zugemacht (ja) - Status OK

Fall 3: Die Kühlschranktür wird geöffnet - Lichtquelle des Kühlschranks funktioniert (nicht)/Lichteinstrahlung (ja/nein) - Temperatur des Kühlschranks sinkt - Alarm (HIGH) - Kühlschranktür wird schlecht zugemacht - Alarm (HIGH) - Kühlschranktür wird richtig zugemacht - Status OK

Der rechts stehende Ablaufplan visualisiert die Logik der drei vorliegenden Fälle.

Umsetzung

Die Umsetzung des Projektes kann in drei Schritte unterteilt werden:

Aufbau und Simulation mittels der Autodesk Circuits Software

In dieser Projektphase ist mit verschiedenen Sensoren und Quelltexten experimentiert worden und eine optimale realisierbare Lösung zu erstellen. Die unten abgebildeten Schaltungen zeigen die finale Version des Fridge Alerts. Es wurden zunächst Teillösungen erstellt, bestehend z.B. nur aus einem Sensor. Die Autodesk Software bietet zudem die Möglichkeit den Code virtuell zu simulieren. Abbildungen x,y zeigen den Aufba für Projektteil 1. Abbildungen x,y stellen den experimentellen Aufbau für Projektteil 2 dar.

Abbildung 3: Komponentenskizze
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan

So konnte folgende Stückliste für Projektteil 1 ermittelt werden, die folgende Bauteile erhält:

Bauteil	Typ	Kennwert/Datenblatt
Fotowiderstand	Excelitas A9013 Gehäuseart 5mm	Datenblatt
Temeperatursensor	LM335	Datenblatt
Summer	Alcron	Datenblatt
Arduino Proto Shield	Sparkfun Rev3	Baukasten
Cermet-Trimmer	liegend, 10mm,	100 K-Ohm
Widerstand	Metallschicht	1 K-Ohm
LED	blau	Datenblatt
LED	grün	Datenblatt

Für Projektteil 2 wurden folgende Bauelemente zusätzlich benötigt:

Bauteil	Typ	Kennwert/Datenblatt
Mikrocontroller	Attiny 85	Datenblatt
Kondensator	Subminiatur-Elko	10µF/16V
Batteriehalter	3xAA	n.v.

Experimenteller Aufbau auf dem Breedboard

In dieser Projektphase wurden die simulierten Schaltungen auf einem Breedboard in die Realität umgesetzt. Abbildungen x,y zeigen den Arduino Fridge Alert und Abilldungen x,y zeigen den Fridge Alert mit dem Microkontroller Attiny85. Die Programmierung und das Compilen wurden mit der Arduino Software IDE, welche im Kapitel Quellcode genauer betrachtet wird. Die Videos im folgenden Link zeigen die Funktionsüberprüfung der Schaltungen.

Realisierung des Projektteils 1
Die Verschaltung erfolgte mit Kupferkabeln. Din Pinbelegung ist den Schaltplänen zu entnehmen.

Abbildung 3: Komponentenskizze
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan

Realisierung des Projektteils 2
Die Verschaltung erfolgte mit Kupferkabeln. Din Pinbelegung ist den Schaltplänen zu entnehmen. Beim Brennen des Bootloaders auf den Attiny85 musste zusätzlich ein 10µF Kondensator eingefügt werden, um die Reset-Funktion des Arduinos zu unterdrücken.

Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan 'muss gemacht werden'

Abbildung 3: Schaltplan 'muss gemacht werden'
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan

Fertigung/Lötung des Prototyps

Nach dem Test der Schaltungen musste der Prototyp hergestellt werden. Die nachfolgenden Bilder zeigen den bestellten Sparkfun Proto-Shield, der zunächst gelötet werden musste. Im weiteren Verlauf wurden die Komponenten des Arduino Fridge Alerts auf die Oberfläche gelötet. Dieser funktioniert als ein Steckaufsatz für den Arduino.

Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan

Code

Projektteil 1: Arduino Fridge Alert

Die Programmierung und das Compilen des Arduino UNO sowie des Attiny85 erfolgte mittels der Arduino Software IDE. Der Quellcode ist in C++ geschrieben. Abbildung x zeigt den Programmablauplan für das Fridge Alert Programm. Die genaue Funktionsweise des Codes kann dem untenstehenden Quelltext entnommen werden. Zusätzlich sind Parameter erklärt, die die Funktionalität des Arduino Fridge Alerts beinflussen.

// Variablendeklarationen<br/>
int Summer = 6; //Summer/Piezo Keramik 3V<br/>
int TSensor =  A0; //LM 335<br/>
int LDRWiderstand = A2; //Fotowiderstand Excelitas A 9013<br/>
int Lichtsignal = 8; //LED rot<br/>
int Messindikator =2; //LED blau<br/>
int variablerWiderstand; //100 kOhm <br/>

float Betriebsspannung = 4.92; //Festlegen der Betriebsspannung<br/>
float Temperatur;  <br/>
float Spannungswert;<br/>
float SpannungswertAusgelesen;<br/>
float LDRWert;<br/>

void setup(){

  // Deklaration der Ein- und Augänge auf dem Arduino
  Serial.begin(9600);
  pinMode(Messindikator, OUTPUT);
  pinMode(Lichtsignal, OUTPUT);
  pinMode(Summer, OUTPUT);
  pinMode(LDRWiderstand, INPUT);  
  pinMode(TSensor, INPUT);
}

void loop(){
  digitalWrite(Messindikator,LOW); //Einleitung Messung - optisches Signal durch die blaue LED
  delay(750); // Regulierung Messfrequenz
  digitalWrite(Messindikator, HIGH);
  delay(500); // Regulierung Messfrequenz
  digitalWrite(Messindikator, LOW);
  

  LDRWert=analogRead(LDRWiderstand); //Auslesen des LDR Werts

  // Auslösung des audiovisuellen Alamrs durch den LDR Widerstand
  if (LDRWert==0)
  {
    digitalWrite(Lichtsignal, HIGH);
    delay(3500); // Zeitverzögerung beim Öffnen der Kühlschranktür  
    digitalWrite(Summer, HIGH);
    delay(250);
    digitalWrite(Summer, LOW);
    delay(500);
    digitalWrite(Summer, HIGH);
    delay(250);
    digitalWrite(Summer, LOW);
    delay(500);
    digitalWrite(Summer, HIGH);
    delay(250);
    digitalWrite(Summer, LOW);
  }

  SpannungswertAusgelesen = analogRead(TSensor); // Auslesen des TS Sensors
  Spannungswert = (SpannungswertAusgelesen*Betriebsspannung)/1024.0;

  Temperatur = (Spannungswert/0.01)-273.15; //Berechnug der tatsächlichen Temeperatur

  if (Temperatur>30)// FEstlegung des Temperaturauslösewertes
  {
    digitalWrite(Lichtsignal, HIGH);
    delay(4000);
    digitalWrite(Summer, HIGH); 
    delay(2000);
    digitalWrite(Summer, LOW);
  }
  
  if (Temperatur<30 && LDRWert>0) //Ausschalten des Alarms
  {
    digitalWrite(Summer, LOW);
    digitalWrite(Lichtsignal, LOW);
  } 

Serial.print("\nDer LDRWert betraegt "); //Ausgabe am serialMonitor
Serial.println(LDRWert);  

Serial.print("Die Temperatur betraegt ");// Ausgabe am SerialMOnitor
Serial.println(Temperatur);

}

Mit dem Tastenkürzel Strg + Umschalt + M lässt sich in der Arduino Software IDE der Serielle Monitor öffnen, der die aktuellen Messwerte in einer bestimmbaren Frequenz ausgibt.

Projektteil 2: Attiny85 Fridge Alert

Fazit und Ausblick

Das Projekt konnte erfolgreich umgesetzt werden. Mögliche Verbesserungsvorschläge sind:

Verwendung eines empfindlicheren Temperatursensors
Miteinberechnnung der kleineren Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen

Projektteil 2 wurde zum überwiegenden Teil umgesetzt. Mögliche weitere Schritte wären das Zusammenlöten (auf einer Lochrasterplatine) oder die Erstellung einer Platine mittels des Fräsbohrplotters. Weiterhin könnte ein Gehäuse mit einem 3D Drucker erstellt werden, der die Komponeneten Energiequelle und Platine vereint. Aus zeitlichen Gründen konnten diese SChritte nicht umgesetzt werden.

Youtube-Video

Das spektakuläre Video, welches für dieses Projekt gedreht werden sollte, befindet sich in der hinterlegten URL. Die Beschreibung der Funktionalität ist in dem Feld Beschreibung hinterlegt. YouTube-Video

Lessons learned

Ein gute Planung ist essentiell für das erfolgreiche Umsetzen eines Projektes
Simulationssoftware ermöglicht die Kosten und Arbeitsaufwand zu minimieren
Basiswissen über Mikrocontroller
Auslegung von einfachen Prototypen

Weiterführende Links

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