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.

Projektdurchführung

Bereits bevor die Bauteile geliefert wurden, konnten anhand der Datenblätter CAD-Daten der Leuchte mit Solid Works und Beschaltungspläne mit Multisim angefertigt werden.

Konstruktion und Bau des Leuchtengehäuses

Durch die Wahl eines additiven Fertigungsverfahrens, das Sintern, war ein hohes Maß an Freiheiten bei der Konstruktion gegeben, sodass nicht auf die Umsetzbarkeit einiger Konstruktionselemente mit konventionellen Fertigungsverfahren, wie beispielweise das Fräsen, geachtet werden musste. Die einzige Einschränkung durch das Fertigungsverfahren war der Bauraum der Sintermaschine. Daher wurde die Leuchte aus mehreren Teilen konstruiert. Bei der Konstruktion des Leuchtenkopfes wurde darauf geachtet, dass eine möglichst große Lichtaustrittsfläche zur Verfügung steht, um möglichst viele LEDs verwenden zu können und eine gute Ausleuchtung des Arbeitsplatzes zu gewährleisten. Die LEDs werden an den inneren Seitenflächen des Leuchtenkopfes platziert (s. Abb. rot) und strahlen in die Mitte. Durch die Reflexion im weißen Gehäuse wird das Licht nach unten geleitet und zusätzlich durch die satinierte Kunststoffscheibe gebrochen. Für diese Abdeckungsscheibe wurde ebenfalls seitlich eine Auflagefläche geschaffen (s. Abb. blau), damit sie sich in dem Leuchtenkopf einpasst und bündig mit der äußeren Kante sitzt. Zunächst wurde geplant, den Lichtsensor auf die Oberseite des Leuchtenkopfes zu platzieren (s. Abb. 2 blau), um nicht von dem Licht der Leuchte beeinflusst zu werden und nur das Umgebungslicht zu detektieren. Dies stellte sich im Nachhinein als der Regler entworfen wurde allerdings als Fehlplanung heraus.

Der Leuchtenkopf wird mit zwei Säulen mit dem Leuchtenfuß verbunden. Beide Säulen sind hohl konstruiert, um Drähte vom Arduino zu den LEDs dadurch verlegen zu können. Die obere Säule wird mit dem Leuchtenkopf über vier M4 Senkkopfschrauben verbunden (s. Abb. 2 , lila), um eine ausreichende Stabilität vor allem in Hinblick auf Biegebelastungen durch das Gewicht des Kopfes und durch eine mögliche externe Last zu gewährleisten. Die Säulen werden untereinander über eine Steckverbindung über gesinterte Stifte verbunden (s. Abb.3). Diese Verbindung ist als eine Übergangspassung ausgelegt. Das bedeutet, dass die Stifte nur mit großem Druck in die Bohrungen in den Säulen passen und dadurch eine sehr starke Verbindung ermöglichen, die nur schwer gelöst werden kann. Um überhaupt die Verbindung herstellen zu können, mussten kleine Bohrungen seitlich in den Aufnahmebohrungen der Stifte vorgesehen werden, damit die Luft beim Eindrücken der Stifte aus den Aufnahmebohrungen entweichen kann.

Die untere Säule wird ebenfalls über eine Schraubverbindung mit dem Fuß verbunden. Dabei wird die Säule zusätzlich durch einen Durchbruch im Fuß geführt, um weitere Biegebelastungen abfangen zu können und die Schraubverbindungen zu entlasten. Der Fuß wurde weiterhin so ausgelegt, dass genügend Platz für alle benötigten Komponenten und die Platine vorhanden ist und damit er durch seine Größe ein Kippen der Leuchte verhindert. Nachdem alle CAD-Teile erstellt wurden, konnte mit diesen Daten der Laser-Sinterprozess bei einer externen Firma gestartet werden. Der nachträgliche Zusammenbau der Teile war aufgrund der hohen Maßgenauigkeit des Fertigungsverfahren kein Problem.

Schaltplanentwurf und Aufbau der Schaltung

Der Schaltplan konnte mit der Software Multisim, die durch einen Versuchstermin erlernt wurde, einfach erstellt werden. Die Bestromung des Systems erfolgt über ein externes Handynetzteil über 5V DC mit einem maximalen Strom von 2A. Die Leuchte kann über einen Kippschalter ein- und ausgeschaltet werden. Dabei unterbricht der Schalter den Stromkreis zur Hauptplatine, an die alle weiteren Komponenten angeschlossen sind. Aufgrund der geringen Komplexität der Schaltung haben wir uns dazu entschieden, eine standardmäßige Lochrasterplatine zu nutzen und keine Platine extra für unsere Anforderungen zu fräsen. Auf der Platine wird eine Reihe als 5V Anschluss und eine weitere als Gound-Reihe genutzt. Von dort aus werden Arduino, Drehgeber, Lichtsensor und LED-Streifen bestromt. Alle Signalleitungen (als flexible Drähte ausgeführt) der Sensoren werden ebenfalls auf einzelnen Reihen verlötet und von dort aus mit starren Drähten auf die jeweiligen Arduino-Ports geführt. Es wurde ebenfalls darauf geachtet, sowohl die Versorgungs- als auch die Datenleitungen der Komponenten zunächst auf Klemmen zu führen und von der Klemme aus den Kontakt zur Platine herzustellen. Damit ist es möglich jede einzelne Komponente aus dem Aufbau herauszunehmen, was vor allem bei Beschädigungen der Bauteile hilfreich ist, da dann keine Lötverbindungen gelöst werden müssen. In die digitale Datenleitung des LED-Streifens wird zusätzlich ein 220Ω Widerstand eingebracht. Dies wird durch den Hersteller des Streifens vorgegeben, um eine sichere Signalübertragung zu ermöglichen und einen zerstörungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Ein weiterer Schalter dient dazu, zwischen dem manuellen und dem automatischen Modus der Leuchte zu wechseln. Dieser wird zum einen auf einen digitalen Eingang des Arduinos gezogen, aber die Ausgangsseite wird außerdem über einen Pulldown-Widerstand auf Ground gezogen. Durch den Pulldown-Widerstand wird das Signal des Schalters gezielt auf das jeweilige Potential gezogen und vermieden, dass Störungen das System beeinflussen. Später wurde bei einem ersten Test der Leuchte ein flackern der LEDs festgestellt. Wir führten dies auf Spannungsschwankungen in unserem System oder sogar durch das Netzteil zurück. Abhilfe wurde durch einen 470µF Kondensator zwischen +5V und Ground geschaffen, der Schwingungen ausgleicht. Der Kapazitätswert wurde durch Ausprobieren mit verschiedenen Kondensatoren herausgefunden.

Ergebnis

Zusammenfassung

Lessons Learned

Projektunterlagen

YouTube Video

Weblinks

Literatur