Berührungsloser Desinfektionsspender

Autoren: Leon Hundertmark, Marc Eidhoff
Betreuer: Prof. Schneider

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Einleitung

Im Rahmen des Praktikums "Angewandte Elektrochtechnik" im Studiengang Business and Systems Engineering soll ein Desinfektionsspender entwickelt werden. Dieser soll durch den Einsatz eines Infrarotsensors berührungslos arbeiten. Bei einer Annäherung soll der Spender eine definierte Menge Desinfektionsmittel aus einem Behälter spenden. Dies soll durch die Ansteuerung einer Schlauchpumpe für eine definierte Zeit erfolgen.

Anforderungen

Um die Funktionsweise des berührungslosen Desinfektionsspenders bestmöglich zu erreichen werden einige Anforderungen definiert. Diese Anforderungen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Mithilfe eines Komponententests können nach der Fertigstellung der Hardware und der Software die definierten Funktionen überprüft werden. Dabei wird jede Andorderung im Komponententest "gegengeprüft" und ermittelt, ob die Anforderung erfüllt wurde.

ID	Inhalt	Ersteller	Datum
Req_10	Der Spender soll berührungslos arbeiten.	Eidhoff, Hundertmark	27.10.2020
Req_20	Als Sensor soll ein Sharp-Infrarotsensor (Messbereich 4-30cm) benutzt werden.	Eidhoff, Hundertmark	27.10.2020
Req_30	Als Aktor soll eine Schlauchpumpe eingesetzt werden.	Eidhoff, Hundertmark	27.10.2020
Req_40	Die Erkennung der Hände und die Ansteuerung des Aktors sollen durch LEDs angezeigt werden.	Eidhoff, Hundertmark	27.10.2020
Req_50	~~Die Datenverarbeitung und Ansteuerung des Aktors soll durch einen Arduino UNO erfolgen.~~	Eidhoff, Hundertmark	27.10.2020
Req_51	Die Datenverarbeitung und Ansteuerung des Aktors soll durch einen ATtiny-Mikrocontroller erfolgen.	Eidhoff, Hundertmark	10.12.2020
Req_60	Der Spender soll bei einer Entfernung zwischen 5cm und 10cm für eine definierte Zeit auslösen.	Eidhoff, Hundertmark	27.10.2020

Im Laufe der Entwicklung hat sich ergeben, dass das Requirement 50 verändert werden sollte. Die aktualisierte Fassung des Requirements 50 lautet: Die Datenverarbeitung und Ansteuerung des Aktors soll durch einen ATtiny-Mikrocontroller erfolgen.

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Im Folgenden wird der zu Beginn des Projekts erarbeitete Aufbau des Spenders schematisch dargestellt. Hier kann zwischen funktionalem und technischem Systementwurf unterschieden werden.

Funktionaler Systementwurf

Abb. 1: Funktionaler Systementwurf des Spenders.

Der funktionale Systementwurf stellt die Funktionen und Beziehungen der einzelnen Funktionseinheiten auf Basis der Anforderungen dar.

Technischer Systementwurf

Abb. 2: Technischer Systementwurf.

Der technische Systementwurf ist der erste Ansatz zur technischen Realisierung des Projekts. Die einzelnen Funktionen werden dabei auf die verschiedenen Komponenten übertragen.

Komponentenspezifikation

Komponenten	Beschreibung	Bild
Steuerungs-Platine	ATtiny84A-PU Mikrocontroller L7805ACV Spannungsregler 5V IRLZ44NPBF MOSFET ISP-Schnittstelle für Programmierung 2 Status-LEDs
Infrarot-Sensor	Sharp GP2Y0A41SK0F [1] Messbereich: 4cm bis 30cm Versorgungsspannung: 4,5V bis 5,5V Ausgangsspannung: typ. 0,4V bis 2,65V
Schlauchpumpe	Nennspannung: 6V Durchfluss: max. 60 ml/min

Umsetzung (HW/SW)

Hardware

Abb. 3: Vergleich: Prototyp auf Arduino-UNO-Basis (links) und gefertigte Platine.

Schaltplan & Layout

Abb. 4: Schaltplan der Steuerungs-Platine.
Abb. 5: Layout der Steuerungs-Platine.

Stückliste

ID	Wert	Teile-Nr.	Package	Beschreibung
7805	7805	L7805ACV	TO220V	Linearer Spannungsregler 5.0V 1.0A
ATTINY		ATtiny84A-PU	DIP14	AVR 8-Bit Mikrocontroller
C1	100u	EEU-FM1E101	E2,5-6E	Elko 100uF 25V
C2	100n	C1206C104K5RAC7411	1206	MLCC - SMD/SMT 50V 0.1uF
C3	22p	885012008011	1206	MLCC - SMD/SMT 16V 22pF
C4	22p	885012008011	1206	MLCC - SMD/SMT 16V 22pF
C5	100n	C1206C104K5RAC7411	1206	MLCC - SMD/SMT 50V 0.1uF
C6	100n	C1206C104K5RAC7411	1206	MLCC - SMD/SMT 50V 0.1uF
D1	1N4004	1N5819	DO41-10	Schottky Diode 40V 1A
HDR		10129378-905003BLF	1X05	Stiftleiste 1x5 2.54mm
IFR	RED	LTL-4221	LED3MM	LED - THT - Red Diffused
MOSFET	IRLZ44N	IRLZ44NPBF	TO-220-3	Logic Level N-Channel MOSFET 55V 41A
MOT	GREEN	LTL-4231	LED3MM	LED - THT - Green Diffused
PLUG	DCJ0202	PJ-050B	DCJ0202	DC-Steckverbinder 24V 2.5A
Q1	8 Mhz	FOXSLF/080-20	QS	Quarz 8MHz 20pF
R1	10k	CRCW120610K0FKEA	1206	Dickfilmwiderstand SMD 10 kOhm
R2	10k	CRCW120610K0FKEA	1206	Dickfilmwiderstand SMD 10 kOhm
R3	100	CRCW1206100RFKEA	1206	Dickfilmwiderstand SMD 100 Ohm
R4	200	RC1206FR-07200RL	1206	Dickfilmwiderstand SMD 200 Ohm
R5	200	RC1206FR-07200RL	1206	Dickfilmwiderstand SMD 200 Ohm
SPI		10129381-906004BLF	2X03	Stiftleiste 2x3 2.54mm

Zusammenbau

Abb. 6: Ansicht der Spender-Oberseite mit allen Komponenten.

Software

Bei der Software-Entwicklung wurde auf einen modularen Aufbau mit drei Modulen gesetzt (vgl. Abbildung 7). Dies ermöglicht eine hardware-unabhängige Entwicklung des Verhaltens und eine gute Portierbarkeit zwischen unterschiedlichen Hardware-Versionen, wie ATmega328 beim Arduino-UNO-Prototypen und ATtiny84 bei der finalen Platine.

Abb. 7: Software-Architektur.

Zustandsautomat

Das gewünschte Verhalten des Spenders wurde als Zustandsautomat in Matlab Stateflow realisiert. Der einfache Automat mit lediglich drei Zuständen (vgl. Abbildung 8) steuert die Dauer des Pump-Vorgangs in Abhängigkeit des Sensor-Signals und der verstrichenen Zeit seit der Hand-Erkennung. Das Desinfektionsmittel lässt sich damit gut portionieren und die zeitliche Begrenzung verhindert eine übermäßige Mengenabgabe.

Mit Hilfe des Embedded Coder lässt sich aus dem Stateflow-Modell effizienter C-Code generieren, welcher wiederum im übrigen C-Code eingebunden werden kann.

Hardware-Abstraktionsschicht

Die Hardware-Abstraktionsschicht greift auf die Mikrocontroller-Komponenten wie Ports, Timer-Bausteine und Register zu und stellt die für das Projekt relevanten, hardwareabhängigen Funktionen bereit:

Hw_Init()

Initialisierung des Mikrocontrollers: Setzen aller Ports, Parametrierung der Timer etc.

Hw_GetSensor()

Ausgabe des Infrarotsensor-Signals

Hw_SetPumpe(unsigned char Pumpe)

An-/Ausschalten der Pumpe. Optional ist eine Soft-PWM-Ansteuerung zur Reduzierung der Durchflussmenge möglich.

Diese Funktionen sind nach außen hin hardware-unabhängig, sodass die restliche Software bei einer Portierung auf andere Mikrocontroller-Systeme nicht verändert werden muss.

Verbindungscode

Der Verbindungscode stellt die Verbindung zwischen Zustandsautomat und Hardware-Abstraktionsschicht dar. Nach der Initialisierung (u.a. über Hw_Init()) wird der Zustandsautomat zyklisch alle 100ms ausgeführt. Dabei werden erst alle Eingangswerte eingelesen und dann nach einem Zeitschritt des Automaten dessen Ausgangswerte wieder ausgelesen (vgl. Abbildung 9).

Programmierung des Mikrocontrollers

Der ATtiny84-Mikrocontroller lässt sich über die 6-polige SPI-Schnittstelle auf der Steuerungs-Platine ohne Demontage programmieren (In-System-Programmierung - ISP). Mit der Software ArduinoISP kann ein Arduino UNO als ISP-Programmer betrieben werden (siehe Abbildung 10). Dieser lässt sich darüber hinaus als Programmier-Tool direkt in Microchip Studio eingebunden werden und ermöglicht damit eine komfortable Programmierung der Steuerungs-Platine.

Komponententest

Ergebnis

Zusammenfassung

Lessons Learned

Projektunterlagen

Projektplan

Abb. 11: Projektplan

Projektdurchführung

YouTube Video

Link zum YouTube-Video

Literatur

[1] Datenblatt Infrarot-Sensor