Visualisierte Gesichtsmaske

Autoren: Thomas Miska & Timo Schmidt
Betreuer: Prof. Göbel

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Einleitung

Diese Artikel entsteht im Zusammenhang des Angewandte Elektrotechnik Praktikums des Studiengangs Business and Systems Engineering. Ziel des Praktikums ist es ein Mechatronisches Projekt zu planen, entwickeln und durchzuführen. Das Praktikum beinhaltet folgende drei Disziplinen:

• Physik
• Elektrotechnik
• Systemtheorie

Aufgrund des COVID-19 Virus, sind die sozialen Kontakte eingeschränkt und die Menschen sind im öffentlichen Bereich mit Masken verdeckt. In der menschlichen Kommunikation sind gerade Gesichtszüge wichtig. Daher wird eine Gesichtsmaske mit einer LED-Matrix erweitert, die auf einer einfachen Visuellen Basis, diese Einschränkung ein wenig aufhebt. Die LED-Matrix wird ein sprechenden Mund abbilden, der über ein Mikrofon gesteuert wird.

Dieser Artikel wurde anhand der Wiki-Vorlage von Prof. Dr.-Ing. Ulrich Schneider erstellt .

Anforderungen

Die Maske sollte folgende wesentliche Anforderungen erfüllen:

• Standard Gesichtsmaske mit einem Fach für die Elektronik herstellen
• Ansteuerung der LED Matrix (sprechender Mund)
• Erfassung der Mikrofondaten
• Erstellung des Algorithmus zur einfachen Visuellen Darstellung der Spracheingabe.

Weitere Anforderungen:

• Echtzeitanforderung: Die Darstellung darf nicht merklich verzögert werden.
• Platzbedarf: Das System muss in die Maske passen
• Gewicht: Die Maske darf nicht zu schwer werden.
• Energiebedarf: Die Maske muss unter den Bedingungen Gewicht und Platzbedarf eine ausreichende Energieversorgung haben.

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Abb. 1: Funktionaler Systementwurf

Komponentenspezifikation

Für die Umsetzung dieses Projektes ist folgende Hardware mit genannten Spezifikationen notwendig:

• 5 V Powerbank
  • Die Powerbank sollte mindestens 5000 mAh haben, damit eine ausreichende Laufzeit gewährleistet werden kann.
• USB Typ A Stecker mit offenem Leitungsende
  • Leitungslänge muss mindestens 1 m beträgen
• div. Leitungen min. 0,14 mm²
  • Die Leitungen müssen in drei Farben vorrätig sein mit einer jeweiligen Länge von 2 m. Durch die verschiedenen Farben kann einer Verpolung vorbeugen.
• Mikrocontroller
  • Arduino Nano, ohne angelötete Headerpins
• LED-Matrix
  • 8x8 Pixel, WS2812B Led's
• 330 Ω Widerstand
  • Mindestandforderung: Kohleschichtwiderstand, 250 mW, 5% Toleranz
• Mikrofon
  • Iduino 1485297

Umsetzung (HW/SW)

Für den Aufbau der Elektronik in der Maske ist die nachfolgende fritzing Skizze genutzt worden.
Die Spannungsversorgung der LED-Matrix wird mit der Spannungsversorgung des Arduinos verbunden. So fließt der Strom, den die LEDs benötigen um zu leuchten nicht über den Arduino. So können Schäden durch Überlastung vermieden werden. Der Input der LED-Matrix wird mit dem digitalen I/O 6 des Arduino verbunden. Bei der Auswahl des I/Os ist zu beachten, dass dieser ein PWM-Pin ist. In die Signalleitung wird noch ein 330 Ω Widerstand eingelötet um den Stromfluss zu begrenzen und den Chip auf den LEDs zu schützen.
Das Mikrofon erhält seine Spannungsversorgung über den 5 V Pin des Arduinos. Die Signalleitung des Mikrofons wird am Eingang A0 abgefragt.

Fritzing Skizze

Literatur

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