Smart Coaster
Autoren: Michael Menke Martin Glennemeyer
Betreuer: Prof. Schneider
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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
Komponentenspezifikation
| 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 | Ja |
| 1 | 3D Gehäuse | Link | Wird von der Hochschule gedruckt | Nein |
Umsetzung (HW/SW)
Vorerst Ideen Sammlung für die Umsetzung! Wird noch bis zum Projekt Ende überarbeitet.
Hardware
Stückliste
Verdrahtung
Gehäuse
Zusammenbau
Software
Die Software für dieses Projekt wurde mit der Arduino IDE erstellt.
Einrichtung Arduino IDE
Bei der Einrichtung der Arduino IDE muss man den ESP32 und Libarys einbinden.
===== Arduino IDE für ESP32 vorbereiten Man muss die Arduino IDE mit den Boardverwalter-URL von dem ESP32 erweitern. Dafür muss man unter Datei -> Voreinstellungen das Feld "Zusätzliche Boardverwalter-URLs" mit diesem Link erweitern. (Siehe Abb. 3 und Abb. 4)
https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_index.json
Weitere Informationen zu den Boardverwalter-URL gibt es hier.
Benötigte Libarys in die Arduino IDE einbinden
Um eine Libary in die Arudino IDE einzubinden geht man in das Menü "Bibliotheken verwalten..." unter Sketch -> Bibliothek einbinden -> Bibliotheken verwalten...
Nun öffnet sich der "Bibliotheksverwalter" mit dem man die Bibliotheken installieren kann. Für dieses Projekt wird FastLED 3.3.3 und NeoPixelBus 2.6.0 benötigt.
Porgrammablaufsplan
Das Programm besteht aus zwei Hauptfunktionen. Dieser Aufbau ist Typisch für Embedded Lösungen.
Die erste Funktion ist die Initialisierung des Systems und die Zweite Funktion die Endlosschleife Loop.
In dem Setup wird die Serielle Schnittstelle, die Leuchtdioden und der Deepsleep initialisiert.
Im Loop wird die Spannung des Temperatur Sensors gemessen, dann in Grad Celsius umgewandelt und dann die Leuchtdioden angesteuert. Danach verfällt der Mikrocontroller in einen Schlafzustand.
Der Programmablauf hat sich zum Systementwurf nicht verändert und wurde so in dem Quellcode umgesetzt.
Quellcode
Der Quellcode, welcher auf dem Mikrocontroller ausgeführt wird mit Erläuterungen.
Der Quellcode befindet sich im SVN.
Header
/*
Datei: Smart_Coaster.ino
Autor: Michael Menke
michael.menke@stud.hshl.de
Erstellung: 17.10.2020
Letzte Änderung: 06.12.2020
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 Serielle Debug Schnittstelle eingeschaltet wird, welche LED Libary man verwendet und ob der Deepsleep verwendet wird.
Wenn DEBUG definiert ist wird die Serielle Schnittstelle mit einer Baudrate von 9600 initialisiert und bei jedem Loop wird eine Debug Nachricht ausgegeben.
Wenn FASTLED definiert ist wird die FastLED Libary zur Steuerung der Leuchtdioden verwenden. Falls dieses nicht definiert ist wird die NeoPixelBus Libary verwendet.
Wenn SLEEP definiert ist wird die Deepsleep Funktion des Mikrocontrollers verwendet.
/* PREPROCESSOR DEFINES */ #define DEBUG /* Serielle Ausgabe Baud 115200 */ #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:
/* 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.
Der erste Struct wurde für die Temperatur angelegt und enthält den ADC Wert, die Temperatur in Celsius, den Pin an dem der Sensor angeschlossen ist und den Maximalen ADC Wert.
struct TEMP {
uint16_t AdcValue = 0;
float Celsius = 0;
const uint8_t Pin = 4;
const float Max = 4096.0;
} Temp;
Der nächste Struct ist für die LED Steuerung. Wenn die FastLED Libary verwendet wird kann kein Struct verwendet werden, da die Libary mit diesem Typen nicht umgehen kann. Bei der NeoPixelBus Libary kann ein Struct verwendet werden. Dieser Struckt enthält die Anzahl der Leuchtdioden und den Pin an dem die Leuchtdioden angeschlossen sind.
#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
Die nächsten Variable ist eine Konstante für die Baudrate der Seriellen Schnittstelle.
#ifdef DEBUG const uint16_t BaudRate = 115200; #endif
Die nächsten Variablen sind auch Konstanten und beschreiben die Helligkeit und die Farben der Leuchtdioden.
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
}
Komponententest
Ergebnis
Zusammenfassung
Lessons Learned
Projektunterlagen
Projektplan
Projektdurchführung
YouTube Video
Weblinks
Literatur
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