Chamäleonlampe mit Helligkeitsregelung

Autoren: Christabelle Feunang & Christian Schwinne
Betreuer: TBD

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Einleitung

Bei dem vorliegenden Artikel handelt es sich um ein Projekt aus dem Praktikum Angewandte Elektrotechnik des Studiengangs Business and Systems Engineering (BSE). Ziel des Projektes ist es, eine Lampe zu erstellen, die mittels eines Farbsensors die Farbe eines Objekts misst und die Helligkeit und Farbe der Lampe regelt, um der gemessenen Farbe zu entsprechen. Als Erweiterung ist eine Messung des Tageslichts denkbar, um in Kombination mit hellen kalt- und warmweißen LEDs ein "simuliertes Fenster" zu ermöglichen, um realistisch wirkendes Tageslicht in fensterlosen Räumen zu erhalten.

Anforderungen

Tabelle 1: Testbare, atomare Anforderungen

ID	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1.0	Die Lampe muss verschiedene Farben im RGB-Farbraum darstellen können.	Christian Schwinne	04.10.2022	Christabelle Feunang	04.10.2022
1.1	Die Farbe muss mittels Mikrocontroller änderbar sein.	Christabelle Feunang	04.10.2022	Christian Schwinne	04.10.2022
2.0	Die Farbe einer Oberfläche muss ermittelt werden.	Christabelle Feunang	04.10.2022	Christian Schwinne	04.10.2022
2.1	Eine neutral weiße Lichtquelle muss vorhanden sein, um eine Farbmessung von nicht emittierenden Gegenständen durchzuführen.	Christabelle Feunang	04.10.2022	Christian Schwinne	04.10.2022
3.0	Eine Regelung muss vorhanden sein, sodass der Einfluss von kurzen Störungen und Messunsicherheiten minimiert wird (langsamer Farbwechsel)	Christabelle Feunang	04.10.2022	Christian Schwinne	04.10.2022
3.1	Die Regelung muss mittels eines Mikrocontroller mit der Arduino-Entwicklungsumgebung implementiert werden.	Christian Schwinne	04.10.2022	Christabelle Feunang	04.10.2022
O.1.0	Optionale Erweiterung: Zusätzlich zur Messung der Farbe von Oberflächen kann die Helligkeit einer Lichtquelle (Lampe/Sonne) gemessen werden (u. U. mithilfe eines zweiten Sensors).	Christian Schwinne	04.10.2022	Christabelle Feunang	04.10.2022
O.2.0	Optionale Erweiterung: Die Lampe soll optisch ansprechend gestaltet sein.	Christian Schwinne	04.10.2022	Christabelle Feunang	04.10.2022
O.3.0	Optionale Erweiterung: Die Lampe ist zusätzlich zum Sensor mittels Smartphone steuerbar (ESP32 statt Arduino Uno, WLED-Software)	Christian Schwinne	05.10.2022	-	-

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Die folgende Abbildung stellt den technischen Systementwurf der Lampe nach dem EVA-Modell (Eingabe, Verarbeitung, und Ausgabe) dar. Das System besteht aus einem Farbsensor TCS34725, einem Arduino-Mikrocontroller, und Neopixel (WS2812B) LEDs.

Abbildung 1: Technischer Systementwurf

Abbildung : Programmablaufplan Chmäleonlampe

Komponentenspezifikation

Verdrahtungsplan

Der TCS34725-Sensor wird wie in Tabelle 2 aufgelistet mit dem Arduino UNO verbunden. Für die Ansteuerung der LED wird der PWM-fähige Pin 3 des Arduino verwendet, sodass diese dimmbar ist. Die Interrupt-Funktionalität des Sensors wird für dieses Projekt nicht benötigt.

Tabelle 2: Verdrahtung Sensor mit Arduino

Pin Farbsensor	Pin Arduino
3V3	3.3V
GND	GND
LED	3
SCL	SCL (A5)
SDA	SDA (A4)

In Tabelle 3 ist die Verdrahtung des Arduino UNO mit den WS2812B-LEDs aufgeführt.

Tabelle 3: Verdrahtung Arduino mit WS2812B Farb-LEDs

Pin Arduino	Pin Farb-LEDs
5V	5V
GND	GND
4	DIN

Die vollständige Verkabelung ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Stromversorgung erfolgt über den USB-Port des Arduino.

Abbildung 1: Verdrahtungsplan der Chamäleonlampe

Ergebnis

Die folgende Tabelle fasst die Ergebnisse des Projekts zusammen.

Tabelle 4: Integrationtest

ID (Anforderung)	Test	Testergebnis	Anmerkungen
1.0	Die Lampe muss verschiedene Farben im RGB-Farbraum darstellen können.	Erfolgreich
1.1	Die Farbe muss mittels Mikrocontroller änderbar sein.	Erfolgreich
2.0	Die Farbe einer Oberfläche muss ermittelt werden.	Erfolgreich
2.1	Eine neutral weiße Lichtquelle muss vorhanden sein, um eine Farbmessung von nicht emittierenden Gegenständen durchzuführen.	Erfolgreich
3.0	Eine Regelung muss vorhanden sein, sodass der Einfluss von kurzen Störungen und Messunsicherheiten minimiert wird (langsamer Farbwechsel)	Erfolgreich
3.1	Die Regelung muss mittels eines Mikrocontroller mit der Arduino-Entwicklungsumgebung implementiert werden.	Erfolgreich
O.1.0	Optionale Erweiterung: Zusätzlich zur Messung der Farbe von Oberflächen kann die Helligkeit einer Lichtquelle (Lampe/Sonne) gemessen werden (u. U. mithilfe eines zweiten Sensors).		Nicht bearbeitet
O.2.0	Optionale Erweiterung: Die Lampe soll optisch ansprechend gestaltet sein.		Nicht bearbeitet
O.3.0	Optionale Erweiterung: Die Lampe ist zusätzlich zum Sensor mittels Smartphone steuerbar (ESP32 statt Arduino Uno, WLED-Software)		Nicht bearbeitet

Zusammenfassung

Das Projekt Chamäleonlampe mit Helligkeitsregelung wurde großteils erfolgreich umgesetzt. Aus zeitlichen Gründen konnten die optionalen Erweiterungen nicht integriert werden.

Lessons Learned

Im Rahmen dieses Projekts konnten verschiedene Kompetenzen erworben und Studieninhalte in Praxis umgesetzt werden.

Projektunterlagen

Die vollständigen Unterlagen zu der Durchführung befinden sich im SVN.

Projektplan

Gemäß folgender Abbildung wurde ein Gant-Diagramm für die Projektplanung erstellt.

Projektdurchführung

Zunächst wurde ein Projekt sowie die Anforderungen festgelegt. Diese wurde in einem Wiki-Artikel, welcher im Laufe des Projekts stetig erweitert wurde dokumentiert. Im nächsten Schritt wurden alle Teile des Aufbaus bestellt.

Anschließend wurden die Komponenten gemäß dem obigen Verdrahtungsplan zusammengebaut. Dann erfolgte die Programmierung in Simulink und die Software wurde auf die Hardare übertragen.

Durch Testen wurden einige Fehler erkannt, die Software angepasst und die Fehler behoben.

Literatur

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