Hauslichtautomatisierung

Aus HSHL Mechatronik
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Abb. 0x Bild von Projekt
Autor: Anivesh Kumar, Linus Sauermann, Torben Moratz
Betreuer: Marc Ebmeyer, Prof. Dr. T.M Wibbeke

Einleitung

Im 7. Semester des Studiengangs Mechatronik ist das Praktikum „Produktionstechnik II“ dem Modul „Produktionstechnik und Management“ zugeordnet. In diesem Praktikum entwickeln die Studierenden mechatronische Systeme, die mittels SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) gesteuert werden.

Im Rahmen des Projekts „Hauslichtautomatisierung“ wird ein Smart-Home-System im kleinen Maßstab aufgebaut und simuliert. Die Steuerung erfolgt über eine Siemens SPS vom Typ SIMATIC ET 200SP.

Aufgabenstellung

Es wird ein Modellhaus gebaut, das über eine Beleuchtung und automatisierte Gardinen verfügt. Die Steuerung erfolgt später über eine Siemens SPS vom Typ SIMATIC ET 200SP in Kombination mit einem HMI.

Funktionale/Technische Systementwurf

Abb. 0x Funktionale Systementwurf


Technischer Systementwurf

Im Dach des Hauses befindet sich ein Potentiometer, das der SPS die Tageszeit als Eingangssignal vorgibt. Die SPS wertet den Potentiometerwert aus und gibt anschließend zwei analoge Steuersignale im Bereich von 0 bis 4,4 V an eine von uns gelötete Platine aus. Diese Platine passt die Signale an und wandelt sie in für die LED-Streifen geeignete Spannungen um.

Zeitgleich sendet die SPS ein Steuersignal an den Arduino für die Jalousien. Die Jalousien werden über einen 5-V-Schrittmotor angesteuert, der vom Arduino betrieben wird. Abhängig vom SPS-Signal fahren die Jalousien in drei Stufen:

geschlossen,

halb geöffnet,

vollständig geöffnet.

Zu Beginn wird der Referenzpunkt (Nullpunkt) über einen Taster angefahren: Beim Drehen des Schrittmotors betätigt die Achse einen definierten Endschalter. Dadurch erhält der Arduino ein Signal, speichert diese Position intern als Referenz (Merker) und steuert anschließend die weiteren Jalousie-Positionen über eine festgelegte Anzahl an Schritten an.

Komponentenspezifikation

Tabelle 2: Materialliste
Nr. Anz. Beschreibung
1 4 LED Streifen - Inventronics GmbH - LF1100TW-G5 -927.965-09 L2
2 1 24V Netzteil
3 1 Schrittmotor 28BYJ-48 mit ULN2003 Treiberplatine
4 1 Arduino Mega 2560
5 1 Harting Industriestecker für Verbindung mit SPS -> Verdrahtung nach Schaltplan
6 1 Hutschiene mit Klemmen zur Stromverteilung
7 1 Lochkarte-Platine
8 8 10 kOhm Widerstände
9 8 39 Ohm Widerstände
10 8 Transistor BC547C
11 1 Haus aus Holz
12 4 Aus Alu-Vollmaterial gefräste Fenster
13 20 3D-gedrückte Möbel
14 1 10 kOhm Potentiometer

Umsetzung

Beleuchtung

Abb. 0x Inventronics GmbH - LF1100TW-G5 -927.965-09 L2


Für die Beleuchtung des Hauses werden vier LED-Streifen der Inventronics GmbH (Modell: LF1100TW-G5 -927.965-09 L2) verwendet, die auf 24-V-Basis betrieben werden. Die vier LED-Streifen ermöglichen eine dimmbare Beleuchtung des Modellhauses, wahlweise in Kaltweiß oder Warmweiß.

Schaltplatine des Beleuchtungs

Abb. 0x Tageszeit über Steuerungs-Spannung für LED Streife

Ein im Dach des Hauses eingebautes Potentiometer liefert ein analoges Signal an die SPS SIMATIC ET 200SP. Das System ist so ausgelegt, dass 0 V der Uhrzeit 00:00 entspricht und 10 V (Maximalspannung des Potentiometers) der Uhrzeit 23:59.

Die SPS liest die analogen Werte des Potentiometers ein und wertet sie aus. Auf dieser Grundlage steuert sie über zwei LED-Platinen insgesamt vier Signale für die Kaltweiß- und Warmweiß-Kanäle der LED-Streifen.

Abb. 0x Schaltplan für die Steuerung des LED-Streifens

Die Schaltung besteht aus zwei LED-Platinen, wobei jede Platine zwei LED-Streifen versorgt. Für den Betrieb der LED-Streifen ist eine Versorgungsspannung von 24 V erforderlich, die über eine externe Stromquelle bereitgestellt wird. Jeder LED-Streifen besitzt zwei separate Kanäle: einen für Kaltweiß und einen für Warmweiß.

Zur Ansteuerung der einzelnen Kanäle werden insgesamt acht Transistoren vom Typ BC547C eingesetzt. Damit lässt sich je LED-Streifen eine Steuerspannung im Bereich von 0 bis 4,4 V bei einem Strom von ca. 73,5 mA zuverlässig bereitstellen.

An der Basis jedes Transistors wird ein 39-Ω-Widerstand verwendet, der zur Strombegrenzung beiträgt. Zusätzlich ist auf der Emitter-Seite jedes Transistors ein 10-kΩ-Widerstand verbaut, der als Pull-Down-Widerstand dient und den Transistor bei 0 V Basisspannung sicher sperrt.

Die genannten Komponenten werden auf einer Lochrasterplatine aufgebaut und verlötet. Die daraus gefertigte Steuerplatine wird anschließend zur Beleuchtungssteuerung im Dach des Modellhauses montiert.

Abb. 0xPin-Belegung für die Signale des LED-Streifens an SPS ET-200


Jalousien Steuerung

Das Jalousie-System besteht aus einer Achse, einem Taster (Endschalter), den an der Achse befestigten Jalousien sowie einem 28BYJ-48-Schrittmotor.

Ursprünglich war vorgesehen, die Jalousien direkt über die Siemens SPS SIMATIC ET 200SP zu steuern. Aufgrund der hohen Programmierkomplexität und des knappen Zeitrahmens wurde jedoch entschieden, einen Arduino Mega 2560 als pragmatische Zwischenlösung einzusetzen.

Beim Systemstart verfährt der Arduino den Schrittmotor zunächst in Richtung „Öffnen“, bis die Achse den Taster betätigt. Beim Auslösen des Tasters wird ein Signal an den Arduino übergeben; diese Position wird anschließend als Referenzpunkt gespeichert und als Merker für den Jalousie-Status verwendet. Abhängig von der über das Potentiometer eingestellten Tageszeit sendet die SPS dann ein Steuersignal an den Arduino Mega, der daraufhin den Schrittmotor entsprechend ansteuert und die Jalousien in die gewünschte Position verfährt.

Schaltplan für Arduino

Abb. 0x Verdrahtungsplan für die Jalousiensteuerung mit Arduino

Arduino Code für die Jalousien Steuerung 

/********************************************************************************************************
                        Produktionstechnik II Prakitum WS2025/26 

   Aufgabe       :       Arduino_Mega_Hauptprogramm.ino

   Betreuer      :       Prof. Dr. T. M. Wibbeke, Marc Ebmeyer

   Autor         :       Anivesh Kumar && Linus Sauermann && Torben Moratz 

   Datum         :       Lippstadt,den 08.12.2025

   Letzte Änderung:       Lippstadt,den 05.01.2026

   Software       :       Arduino IDE 2.3.4

   Hardware       :       Arduino Mega 2560

   Anmerkung      :       
                        

   Quellen        :    Ralf Sneiders(o.J) Arduino lernen - Anleitungen mit Praxisaufgaben und Beispielen 8. Auflage - S.57-59

  Status          :     Fertig

 *******************************************************************************************************/

#include <Stepper.h> //Stepper Motor bibliothek
const int SPU = 2048;
Stepper SM(SPU, 3,5,4,6);
int SM_reset_button = 10; //Reset button für anfangsposition
//Button für Full open, Half open und geschlossen modis 
int FO_Button = 9;
int HO_Button = 11;
int Ge_Button = 12;

static int SMPhase = 0;
static int SMSchritte = 0; 
void setup() {
  //Serielle schnittstelle
  Serial.begin(9600);
  SM.setSpeed(10);
  pinMode(SM_reset_button,INPUT_PULLUP);

  pinMode(FO_Button,INPUT_PULLUP);
  pinMode(HO_Button,INPUT_PULLUP);
  pinMode(Ge_Button,INPUT_PULLUP);
}

void loop() {
  
  Serial.println(digitalRead(SM_reset_button));
  if (SMPhase ==0)
  {
  if (digitalRead(SM_reset_button)!=LOW)
  {
    SM.step(1);
  }
  else 
  {
    SMPhase++;
    SMSchritte = 0;
    SM.step(0);
    delay(20);
  }
  }
  else if(SMPhase ==1)
  {
    //Zero State - Modus
    if(digitalRead(FO_Button)!=LOW && digitalRead(HO_Button)!=LOW && digitalRead(Ge_Button)!=LOW)
    {
      SM.step(0);
    }    

    //Full Open - Modus
    if(digitalRead(FO_Button)==LOW && (SMSchritte == 0))
    {
      SM.step(0);
      SMSchritte = 0;
    }
    else if(digitalRead(FO_Button)==LOW && SMSchritte == 4096)
    {
      SM.step(4096);
      SMSchritte = 0;
    } 
    else if(digitalRead(FO_Button)==LOW && SMSchritte == 8192)
    {
      SM.step(8192);
      SMSchritte = 0;
    }  

    // Half open - Modus

    if(digitalRead(HO_Button)==LOW && SMSchritte == 4096)
    {
      SM.step(0);
      SMSchritte = 4096;
    }
    else if(digitalRead(HO_Button)==LOW && SMSchritte == 0)
    {
      SM.step(-4096);
      SMSchritte = 4096; 
    }
    else if(digitalRead(HO_Button)==LOW && SMSchritte == 8192)
    {
      SM.step(4096);
      SMSchritte = 4096;
    }

    // Geschlossen - Modus
   if(digitalRead(Ge_Button)==LOW && SMSchritte == 8192)
    {
      SM.step(0);
      SMSchritte = 8192;
    }
    else if(digitalRead(Ge_Button)==LOW && SMSchritte == 4096)
    {
      SM.step(-4096);
      SMSchritte = 8192;
    }
    else if(digitalRead(Ge_Button)==LOW && SMSchritte == 0)
    {
      SM.step(-8192);
      SMSchritte = 8192;
    }
    

  
  }
}

Entwicklung von Haus

Zusammenfassung

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