Projekt 29: Entwicklungsplatine für Mikrocontroller entwerfen und ansteuern
Autoren: André Merkel, Anika Leinhäuser
Betreuer: Prof. Göbel
Aufgabe
Entwicklungsplatine für Arduino Uno bauen und ansteuern. Bausteine sind mindestens Drehencoder, LEDs inkl. Transistorstufe, RGB-LED inkl. Transistorstufe, MOSFET für große Last, H-Brücke, EEPROM, 3 Potis, Display.
Erwartungen an Ihre Projektlösung
- Erstellung eines Konzepts
- Entwurf des Schaltplans in Multisim/Ultiboard
- Erstellung der Platine als ArduinioShield (ggf. in mehreren Iterationen)
- Programmierung mit C
- Ansteuern/Auslesen der Aktoren/Sensoren
- Programmierung von Beispielanwendungen
- Test und wiss. Dokumentation
- Dokumentation der technischen Funktion der verwendeten Bauteile
- Live Vorführung während der Abschlusspräsentation
Schwierigkeitsgrad
Anspruchsvoll (***)
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Einleitung
Im Rahmen der Lehrveranstaltung „Angewandte Elektrotechnik“ des Studiengangs „Business and Systems Engineering“ im Wintersemester 2014/15 gab es die Aufgabe, ein Projekt im Bereich der Elektro- und Regelungstechnik durchzuführen. Die vorliegende Dokumentation befasst sich mit dem Entwurf und der Ansteuerung einer Entwicklungsplatine für einen Mikrocontroller.
Detailliert bestand die Aufgabe darin, eine Entwicklungsplatine für den Mikrocontroller des Arduino Uno zu bauen und anzusteuern. Dabei waren mindestens die Bauelemente Drehencoder, LEDs inklusive Transistorstufe, RGB-LED inklusive Transistorstufe, MOSFET für große Lasten, H-Brücke, EEPROM, drei Potentiometer sowie ein Display zur Ansteuerung zu verwenden. Die gestellten Erwartungen lagen in der Erstellung eines Konzepts sowie in einem Entwurf des Schaltplans in der Software Multisim bzw. Ultiboard. Des Weiteren sollte die Entwicklungsplatine als ArduinoShield erstellt werden. Neben der Programmierung in C wurden ein Ansteuern der Aktoren sowie ein Auslesen der Sensoren gefordert, sofern diese verbaut wurden. Darüber hinaus beinhaltete die Aufgabe die Programmierung von Beispielaufgaben. Außerdem waren Tests der entwickelten Platine durchzuführen und wissenschaftlich zu dokumentieren. Die Dokumentation der technischen Funktion der verwendeten Bauteile und eine Live-Vorführung während der Abschlusspräsentation stellten ebenfalls Erwartungen dar.
Konzept
Realisierung
Idee
Die Idee für die Entwicklungsplatine war der Entwurf einer DC-Motorsteuerung. Dabei sollte der Motor jedoch nicht nur einfach ein- bzw. ausgeschaltet werden, sondern mithilfe einer PWM angesteuert werden. Dadurch sind unterschiedliche Geschwindigkeiten des Motors möglich. Neben diesen DC-Motor war noch ein weiterer DC-Motoranschluss für schwere Lasten vorgesehen. Der Einsatz von Potentiometern, Drehencoder, EEPROM sowie einem LCD-Modul sollten dabei dem Anwender unterschiedliche Möglichkeiten bei der Motorsteuerung ermöglichen.
Um die Idee für die Entwicklungsplatine besser zu verdeutlich, wird ein Black-Box Modell herangezogen (siehe Abbildung des Black Box Modells). In der Abbildung ist der Arduino Uno in einem roten Kasten zu erkennen. Dieser stellt in diesem Modell den Hauptausgangspunkt dar, da über diesen gesteuert wird. Dabei stellen die roten Pfeile eine direkte Verbindung und die blauen eine indirekte Verbindung zum Arduino Uno dar. Weiterhin gibt die Pfeilrichtung die Richtung der Signale an. Das bedeutet, dass vom Arduino wegführende Pfeile eine Ansteuerung und zum Arduino führende ein Einlesen darstellen. Beispielhaft wird hier der Drehencoder aufgeführt. Dabei wird die „Drehrichtung“ eingelesen (Impuls) und verarbeitet. Weiterhin gibt das Modell einen groben Aufschluss über die Funktionsweise der Entwicklung. Dadurch soll ein schneller Überblick über die Platine gegeben werden, ohne dass es einer langen Auseinandersetzung mit dem Schaltplan benötigt. So geht bspw. aus dem Black-Box Modell deutlich hervor, dass wenn der „einfache“ DC-Motor angesteuert werden soll, dies nur über die H-Brücke und einer 9V Batterie (eine andere externe 9V Quelle ist ebenfalls einsetzbar) möglich ist.
Verwendete Bauteile
In diesem Abschnitt erfolgt die Auflistung aller verwendeten Bauteile im Projekt. Die wichtigsten Bauteile werden in den entsprechenden Unterkapiteln näher betrachtet.
Auf der Platine verbaute Teile:
Widerstand 1x 10 kOhm
Widerstände 2x 4,7 kOhm
Widerstand 2x 33 Ohm
Widerstände 3x 1 kOhm
Widerstände 2x 200 Ohm
Widerstand 1x 470 Ohm
Potentiometer 3x PO4M-LIN 100K
EEPROM 1x 24LC256-I/P
RGB-LED 1x Kingbright L-154A4SU
bipolare Transistoren 7x BC547B
MOSFET Transistor 1x IRLIZ44N
Diode 1x 1n4007
H-Brücke 1x L293D
Drehencoder 1x STEC12E07
LED 1x rot
LED 1x grün
Bauteile außerhalb der Platine:
DC-Motor 1x einfache Lasten (bis 9 V)
DC-Motor 1x schwere Lasten (bis 50 V)
Batterieclip 1x
LCD-Modul 1x TC1602E-01
Drehencoder
Der Drehencoder (siehe Bild) ist ein richtungsweisender „Schalter“. Äußerlich ähnelt dieser einem Potentiometer. Allerdings bieten einige Drehencoder nicht nur die Möglichkeit zu drehen, sondern ebenfalls einen Tastendruck. Das entscheidende bei diesen Bauteilen ist, dass die Drehbewegung vom Mikrocontroller erkannt werden kann, um somit softwaretechnisch die Bewegung auszunutzen. So ist es möglich z.B. die Rechtsbewegung auszulesen und dadurch in der Software die Inkremmentierung eines PWM-Wertes hervorzurufen. Dies ermögliche bspw. einen Motor manuell zu steuern. Die Erkennung, um welche Drehrichtung es sich handelt, ist durch den Signalverlauf in der Abbildung zu erkennen. So entsteht bei einer Drehbewegung nach rechts zuerst ein Viereckssignal auf A und dann auf B. Bei einer Linksdrehung genau umgekehrt. [2]]
RGB-LED
Die RGB-LED besteht eigentlich aus drei LEDs mit den Farben rot, grün und blau, welche in einem Gehäuse untergebracht wurden. In der Regel haben RGB-LEDs vier Pins (es gibt auch welche mit weniger und mehr Pins). Drei von den vier Pins sind jeweils für die Ansteuerung der roten, grünen und blauen LED da. Der vierte Pin stellt meistens die gemeinsame Kathode dar. Allerdings gibt es auch RGB-LEDs mit einer gemeinsamen Anode. In diesem Projekt wurde eine RGB-LED mit einer gemeinsamen Kathode verwendet. [4]
H-Brücke
LCD-Modul
EEPROM
Schaltplan
Platinenlayout
Software zur Ansteuerung
Fazit
Ausblick
Quellen
- ↑ [1]Drehencoder. Website von reichelt. Abgerufen am 09. Oktober 2014.
- ↑ [2]Information zum Drehencoder. Website von dieelektronikerseite. Abgerufen am 09. Oktober 2014.
- ↑ [3]RGB-LED. Website von conrad. Abgerufen am 09. Oktober 2014.
- ↑ [4]Information zur RGB-LED (siehe Datenblatt). Website von conrad. Abgerufen am 09. Oktober 2014.
- ↑ [5]H-Brücke (H-Bridge). Website von reichelt. Abgerufen am 09. Oktober 2014.
- ↑ [6]H-Brücke-Funktionsweise. Website von dieelektronikerseite. Abgerufen am 09. Oktober 2014.