Technische Universität Berlin
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Technische Universität Berlin Projektorientiertes Praktikum im Grundstudium der Elektrotechnik im SS 2005 Seite 1 von 132 Das Intelligente Fenster Seite 2 von 132 Inhaltsverzeichnis 1 2 Einleitung ....................................................................................................................... 6 Gruppe 1 – Steuerwerk und Alarmsensor für Gruppe 4.................................................. 6 2.1 Aufgaben der Gruppe ........................................................................................... 7 2.2 Fenster Auf/Zu und Putzen................................................................................... 7 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 Verantwortliche Personen................................................................................. 8 Soziale Bewertung............................................................................................ 8 Aufgabenstellung unserer Teilgruppe .............................................................. 9 Beschreibung der Schaltungen ....................................................................... 10 2.2.4.1 Fenster auf/zu und Putzen .......................................................................10 2.2.4.1.1 In & Output am Busstecker ...................................................................11 2.2.4.1.2 Schaltung Putzen .................................................................................12 2.2.4.1.3 Schaltung Fenster auf/zu ......................................................................13 2.2.4.1.4 Partliste Fenster Auf/Zu und Putzen .....................................................14 2.2.4.2 Alarmsensorauswertung...........................................................................15 2.2.4.2.1 Beschreibung im Einzelnen ..................................................................15 2.2.4.2.2 Partliste Alarmsensor............................................................................17 2.2.5 2.2.6 2.3 Jalousie hoch/runter und Jalousie kippen .........................................................25 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.4.1 2.3.4.2 2.3.4.3 2.3.4.4 2.3.4.5 2.3.5 2.3.5.1 2.3.5.2 2.3.5.3 2.3.5.4 2.3.5.5 2.3.5.6 2.3.5.7 2.3.5.8 2.3.6 2.3.7 2.4 Verantwortliche .............................................................................................. 25 Soziales Klima................................................................................................ 25 Aufgabe .......................................................................................................... 25 Teilschaltung Jalousie hoch / runter ............................................................... 25 Idee..........................................................................................................25 Komparator Tag .......................................................................................27 Komparator Nacht ....................................................................................27 manuelle Steuerung .................................................................................27 Probleme und Problemlösungen ..............................................................28 Teilschaltung Jalousie kippen......................................................................... 28 Idee..........................................................................................................28 Referenzspannungsquelle........................................................................30 Differenzverstärker mit Komparatoren......................................................30 Spannungsskalierung...............................................................................31 Komparator auf ........................................................................................31 Komparator zu .........................................................................................31 manuelle Steuerung .................................................................................32 Probleme und Problemlösungen ..............................................................32 Ein- und Ausgabe ........................................................................................... 32 Die fertige Platine........................................................................................... 33 2.3.7.1 Partlist......................................................................................................35 Schaltung Gießen und Alarm ..............................................................................37 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.4.1 2.4.4.2 2.4.5 2.4.6 2.4.7 3 Eagle Schematics ............................................................................................ 17 Eagle Layout................................................................................................... 21 Verantwortliche Personen............................................................................... 37 Soziale Bewertung.......................................................................................... 37 Aufgabenstellung für die Teilgruppe.............................................................. 37 Beschreibung der Schaltungen ....................................................................... 37 In- & Output am Busstecker .....................................................................37 Stecker für die Alarmleuchten ..................................................................38 Schaltung Gießen............................................................................................ 38 Schaltung Alarmvisualisierung....................................................................... 39 Eagle Schematic ............................................................................................. 41 Gruppe 3 – Netzteil, Wind- und Lichtsensor ..................................................................42 Seite 3 von 132 3.1 Das Netzteil...........................................................................................................42 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.4.1 3.1.4.2 3.1.4.3 3.1.4.4 3.1.4.5 3.1.5 3.1.5.1 3.1.5.2 3.1.5.3 3.1.6 3.1.7 3.2 3.2.6.1 3.2.7 3.2.8 3.2.9 Beschreibungen der endgültigen Teilschaltungen .......................................... 52 Beschreibung der Schaltung für die Operationsverstärker mit Berechnung 52 Beschreibung der Schaltung für die Motoren mit Berechnung ..................54 Beschreibung der Schaltung für die Sensoren mit Berechnung................56 Platinenlayout unten und oben ....................................................................... 58 Bedienungs- & Wartungsanleitung ................................................................ 61 Teilgruppe....................................................................................................... 62 Die Theorie bei der Entwicklung.................................................................... 62 Berechnungswege für die Widerstände und die Kondensatoren .................... 63 Dimensionierung der Bauteile ........................................................................ 64 Der Schaltplan ................................................................................................ 64 Die endgültige Schaltung................................................................................ 64 Theorie der endgültige Schaltung.............................................................64 Der Schaltplan ................................................................................................ 65 Layout(Board) ................................................................................................ 65 Dimensionierung der Bauteile für die endgültige Schaltung.......................... 66 Der Lichtsensor....................................................................................................67 3.3.1 3.3.2 3.3.3 4 Allgemeines zu Netzteilen ........................................................................45 Gleichrichterschaltungen..........................................................................45 Glättung ...................................................................................................47 Siebung....................................................................................................48 Stabilisierung ...........................................................................................49 Der Windsensor....................................................................................................62 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.3 Die Teilgruppe................................................................................................ 42 Entwicklung im Laufe des Projekts................................................................ 42 Die Stückliste.................................................................................................. 44 Theorie Netzteil .............................................................................................. 45 Reflexion der Gruppenarbeit .......................................................................... 67 Beschreibung der Endgültigen Schaltung...................................................... 67 Schaltung ........................................................................................................ 68 Gruppe 3 – Aktoren und Regen-, Feuchte- & Füllstandsensor ......................................69 4.4 Reflexion der Gruppenarbeit ...............................................................................69 4.5 Aufgaben der Gruppe ..........................................................................................69 4.6 Aufgabenverteilung in der Gruppe .....................................................................70 4.7 Die Sensoren ........................................................................................................70 4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.7.4 4.7.5 4.7.6 4.8 Die Aufgaben der Sensoren............................................................................ 70 Der Füllstandsensor ........................................................................................ 70 Der Feuchtigkeitssensor ................................................................................. 74 Der Regensensor............................................................................................. 76 Die Sensorplatine............................................................................................ 78 Partliste ........................................................................................................... 82 Die Aktoren ...........................................................................................................83 4.8.1 4.8.2 4.8.2.1 4.8.2.2 4.8.2.3 4.8.2.4 4.8.3 4.8.3.1 4.8.3.2 Aufgaben der Aktoren .................................................................................... 83 Die H-Brücke.................................................................................................. 83 Beschreibung und Aufbau der H-Brücke ..................................................83 Masche ....................................................................................................84 Ausgangssignale......................................................................................85 Ohmsches Gesetz....................................................................................85 PWM (Pulse Width Modulation).................................................................... 85 Beschreibung und Aufbau der PWM ........................................................85 Entstehung einer Pulsweitenmodulation...................................................86 Seite 4 von 132 4.8.4 4.8.4.1 4.8.4.2 4.8.4.3 4.8.4.4 4.8.4.5 4.8.5 4.8.6 Jalousie Kippen............................................................................................... 87 Beschreibung und Aufbau ........................................................................87 Verzögerungszeit .....................................................................................88 Innenaufbau L298 ....................................................................................88 Innenaufbau NE555N...............................................................................89 Beschaltung NE555N...............................................................................90 Jalousie hoch/runter und Fenster auf/zu ......................................................... 91 Die Wischerschaltung & Pumpenschaltung ................................................... 92 4.8.6.1 Die Wischerschaltung ..............................................................................92 4.8.6.1.1 Wischerlogik .........................................................................................92 4.8.6.1.2 Steuerungslogik....................................................................................92 4.8.6.1.3 Richtungslogik ......................................................................................92 4.8.6.1.4 Aufbau und Simulation der Schaltung in PSpice ...................................93 4.8.6.2 Die Pumpe ...............................................................................................95 4.8.6.2.1 Simulationsergebnisse aus PSpice.......................................................97 4.8.7 5 Die Wischer & Pumpe Platine........................................................................ 99 Gruppe 4 – Sensorik ...................................................................................................103 5.1 Aufgaben der Gruppe ........................................................................................103 5.2 Der Lärmsensor..................................................................................................103 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.4.1 5.2.4.2 5.2.4.3 5.2.4.4 5.2.4.5 5.2.5 5.2.6 5.2.7 5.2.8 5.3 Schematic...................................................................................................... 109 Board ............................................................................................................ 111 Stückliste ...................................................................................................... 112 Schlussbemerkung ........................................................................................ 112 Protel Blockschaltbild................................................................................... 113 Der Gassensor und das Messprinzip............................................................. 113 PSpice „Student“ Schaltungsaufbau und Schaltungssimulation .................. 113 Grafische Auswertung .................................................................................. 114 Schema mit EAGLE 4.14 erstellt ................................................................. 115 Platinenfertigung .......................................................................................... 117 Platine gebohrt und bestückt......................................................................... 117 Bestückungsplan ........................................................................................... 117 Temperatursensor..............................................................................................119 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.4.6 5.4.7 5.4.8 5.5 Das Mikrofon..........................................................................................107 Verstärker ..............................................................................................107 Einweg-Gleichrichter ..............................................................................108 Integrator................................................................................................108 Schmitt-Trigger ......................................................................................108 Luftgütesensor ...................................................................................................113 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.3.7 5.3.8 5.4 Aufgabe ........................................................................................................ 103 Idee ............................................................................................................... 103 Ergebnis ........................................................................................................ 104 Die Gesamtschaltung und Simulation in PSpice .......................................... 104 Einleitung...................................................................................................... 119 Aufgabe ........................................................................................................ 119 Realisierung .................................................................................................. 119 Schaltplan mit Eagle..................................................................................... 120 Simulation der Sensorschaltung ................................................................... 120 Layout ........................................................................................................... 121 Bauteilliste .................................................................................................... 122 Bestückungsplan ........................................................................................... 123 Hauptplatinen der Sensorgruppe......................................................................124 5.5.1 5.5.2 Einleitung...................................................................................................... 124 Schaltpläne der Hauptplatinen...................................................................... 124 Seite 5 von 132 5.5.3 5.5.4 5.5.5 5.5.6 5.5.7 Layouts ......................................................................................................... 125 Bestückungsplan ........................................................................................... 127 Stückliste ...................................................................................................... 128 Probleme....................................................................................................... 128 Soziale Kompetenzen ................................................................................... 128 6 7 Abbildungsverzeichnis.................................................................................................130 Datenblätter.................................................................................................................132 1 Einleitung Wie jedes Semester wurde das Projektlabor als alternative Lehrveranstaltung für GDE 2&3 angeboten. Das Projektlabor umfasst 4 SWS die man alternativ zu den 2 SWS Vorlesung und 2SWS Standardlabor für GDE 2&3 besuchen kann. Inhalt des Projektlabors ist die gemeinschaftliche Realisierung eines, von den teilnehmenden Studenten, gewählten Projekts durch die Studenten. In diesem Semester hatten es die folgenden vier Projekte in die engere Auswahl der Studenten geschafft: 1. 2. 3. 4. Die intelligente Steckleiste Das vollautomatische Pflanzenbewässerungs-System Das Feinstaubmessgerät Das intelligente Fenster Die Wahl fiel zugunsten des intelligenten Fensters. Da die Studenten ja noch nicht so recht wussten was da auf sie zu kommen würde. Diesem intelligente Fenster soll es möglich sein, seine Umwelt wahrzunehmen und entsprechend darauf zu reagieren. Das Fenster soll sich bei zu hoher Lautstärke, zu niedriger Temperatur, Regen und Alarm automatisch schließen. Natürlich soll es sich auch öffnen, dies geschieht wenn die Luftgüte im Zimmer nicht mehr ausreichend ist. Bei zu starker Sonneneinstrahlung auf den Arbeitsplatz soll das Fenster mit Hilfe einer Jalousie eine angenehme Helligkeit im Zimmer einstellen. Jeder kennt auch das Problem mit dem Fenster putzen. Kaum hat man die Fenster geputzt schon fängt es an zu regnen. Diesem Fenster ist dies egal, da es sich nach jedem Regenschauer selber reinigt. Das Fenster soll auch Pflanzen freundlich sein und so bewässert es automatisch den Blumenkasten vor dem Fenster. 2 Gruppe 1 – Steuerwerk und Alarmsensor für Gruppe 4 Betreuer: • • Stefan Seifert Kathleen Jerchel Teilnehmer: • • • • • • • Tino Kahl Christian Brose Sylvain Mustafa Markus Daniel Bellan Feras AL Ojaili Seite 6 von 132 2.1 Aufgaben der Gruppe Gruppe: 1 4 2.2 Schaltungen: Gießen und Alarm Jalousien auf/zu und Jalousien kippen Fenster auf/zu und Putzen Alarmsensorauswertung Fenster Auf/Zu und Putzen Betreuer: Gruppe 1: Stefan Seifert Gruppe 4: Kathleen Jerchel Schaltungen: Gruppe 1: Fenster auf/zu und Putzen Gruppe 4: Alarmsensorauswertung Seite 7 von 132 2.2.1 Verantwortliche Personen Tino Kahl, Christian Brose Abbildung 1 Christian Brose & Tino Kahl bei schwerer Denkarbeit 2.2.2 Soziale Bewertung In unserem „mini“ Team gab es kaum Sozialkonflikte. Wir haben uns gegenseitig immer zu neuer Motivation und produktivem Arbeiten anspornen können und so mit viel Spaß, Lernerfolg und stetigen Teilerfolgen unseren Teil zum Erfolg des Projektes beigetragen. Aus für uns unersichtlichen Gründen war das „große“ Team Steuerwerk nicht so Sozial gebunden wie unser „mini“ Team. Es gab oft versäumte Hausaufgaben und die Arbeitsmoral einiger Mitstudierende war nicht sehr Produktiv, so das wir hinter unseren Zeitplan gekommen sind. Um das Ziel dennoch zu erreichen mussten wir unsere Bemühungen erhöhen und uns so mehrere Nächte um die Ohren schlagen. Was für uns erschreckend war, war der weit auseinander liegende Wissensstand, nicht das man diesen mit ein paar Überstunden hätte aufholen können, nur leider war die Motivation dieses zu tun verschwindend gering. Deshalb war jeder versuch die Schaltungen zu erklären vergebens. Andererseits haben wir als großes Team doch sehr viel Spaß gehabt. Wir haben im Labor, auf dem Tisch in der Mitte, Sushi gegessen und uns über sehr geistreiche Themen unterhalten. Selbst das Grillen zum kennen lernen war aus unserer sicht sehr gemütlich. Zu jedem Team gehört auch ein Kopf der Tutor. Unser Tutor hielt sich in vielen Dingen im Hintergrund und griff nur im absoluten Notfall ein. Dies war auf einer Seite gut zum lernen und finden von selbst gemachten Fehlern, auf der Anderen Seite war es nicht sehr Produktiv die Hilfe kurz vor einem Nervenzusammenbruch zu bekommen☺. Was wir Persönlich sehr gut fanden war das er uns hat frei denken lassen und uns auf keiner weise auf die Hände geschaut hat, denn steht’s nach dem Moto „ aus Fehlern lernt man am besten“. Dennoch war seine Art Stress zu verbreiten grandios, selbst wir als recht ruhiges Team sind in sein Stressloch gefallen und Stress ist leider nur bis zu einem bestimmten Punk Produktiv aber nicht mehr Nachts um 23Uhr. Sein Spaß war selbst um 24Uhr immer wieder Aufbauend und hat uns damit immer Mut gemacht weiter aufs Ziel zuzuarbeiten. Unser Fazit zu diesem Team. Wenn die richtigen Personen da waren haben wir uns köstlich beim Arbeiten und Seite 8 von 132 Video gucken, amüsiert. Uns hat es Spaß gemacht mal das leben in der Unizeit mit Farbe zu fühlen. 2.2.3 Aufgabenstellung unserer Teilgruppe Wir hatten die Aufgabe Eingangssignale der Sensoren logisch und intelligent auszuwerten und Digitale Signale zum öffnen und schließen des Fensters sowie zum Putzen an die Aktoren-Gruppe weiterzugeben. Zusätzlich haben wir einen Auswertungsschaltung für einen Schocksensor von Gruppe 4 „Sensoren“ übernommen. Hier war die Aufgabe diesen Sensor so am Fenster einsetzen zu können das ein möglicher Einbruch als digitales Signal an die Gruppe 1 „Steuerwerk“ zur akustischen und optischen Ausgabe gesendet wird. Seite 9 von 132 2.2.4 Beschreibung der Schaltungen 2.2.4.1 Fenster auf/zu und Putzen In & Output am Busstecker Ausgang zur Handsteuerung Schaltplan Putzen Spannungsversorgung der ICs Schaltplan Fenster auf/zu Abbildung 2 Gesamtschaltung Fenster auf/zu & Putzen Seite 10 von 132 2.2.4.1.1 In & Output am Busstecker Nach dem Schnittstellentermin einigten wir uns, inklusive leichter Änderungen und Erweiterungen, auf eine Busplatine sowie die Pinbelegung des gewählten Steckers. Unter Berücksichtigung dieser Belegung benutzten wir die folgenden Pins für die In- und Outputs unserer Schaltungen. Pin Funktion 1 +12V Versorgungsspannung 3 Analog Ground 7 Digital Ground 9 +5V 13 Input Windsensor 19 Input Innentemperatur 21 Input Außentemperatur 23 Input CO² Sensor 24 Input Automatik 25 Input Alarm Sensor 27 Input Lärm Sensor 29 Input niedriger Wasserstand 31 Input Regen Sensor 37 Output Fenster auf(1)/zu(0) 39 Output Putzen (kurze flanke) Abbildung 3 Bussteckerbelegung Fenster auf/zu & Putzen Ausgang zur Handsteuerung Wir haben uns beim Anschluss der Handsteuerung auf einen 10-poligen Stecker geeinigt der wie folgt belegt ist: Abbildung 4 Steckerbelegung für die Handsteuerung (Groß: Abbildung 10) Seite 11 von 132 Pin 1 2 3 4 5 6 7 Funktion +5V Digital Gound Zur Codierung des Steckers Handsteuerung für Putzen Handsteuerung zum schließen des Fensters Handsteuerung zum öffnen des Fensters Einstellung der Minimaltemperatur im Raum Art Spannungsversorgung Spannungsversorgung Taster (5V/Signal/Ground) Taster (5V/Signal/Ground) Taster (5V/Signal/Ground) Potentiometer linear 10KΩ 2.2.4.1.2 Schaltung Putzen 7 Tage Timer Komparator Außentemperatur Logik und Prioritätssystem incl. R-SFlipFlop 5 Minuten Timer Abbildung 5 Schaltplan Putzen Der sieben Tage Timer dient den regelmäßigen Putzen unseres Fensters. Er besteht aus einem NE555 der als bistabiler Multivibrator verwendet wird. Die Periodendauer beträgt ungefähr 0,576s. Diesen Takt lassen wir jetzt durch zwei hintereinander geschaltete 12bit Zähler (4040N) bis zum takt 2 20 also 1.048.576 zählen. Eine kleine Rechnung ergibt: 0,576s*1.048.576=603.979,776s das sind 6,99Tage. Der Ausgang setzt den Timer zurück und liefert uns in der anschließenden Logik einen Wert der uns sagt das im nächst besten Moment das Putzen losgehen darf. Seite 12 von 132 Der Komparator für die Außentemperatur ist zur Abschaltung des automatischen Putzens im Winter gedacht damit z.B. die Sprühdüsen nicht einfrieren oder das Wasser direkt an der Scheibe erstarrt. Er ist auf der Platine durch ein Potentiometer einstellbar und steht standardmäßig auf 3°C. Wir haben den Komparator über einen OPV (LM324N) realisiert und den Eingang und die Referenzspannung über einen Spannungsteiler Einstellbar gemacht. Das Ausgangssignal kann nun wieder logisch verarbeitet werden. Der 5 Minuten Timer soll die Zeit bis zum Putzen auf 5 Minuten nach einem Regen verzögern. Wir haben uns wieder eines NE555 bedient, ihn aber diesmal als Verzögerungsschalter eingesetzt. Das Ausgangssignal des Timers mussten wir allerdings durch ein NOR Glied austricksen da der Timer relativ lange braucht bis er vollständig schaltet. Wir haben einfach ein NOR Gatter benutz um sofort bei regen das folgende UND Gatter zu sperren damit (noch) nicht geputzt wird. Dieser Zustand wird aufrechterhalten bis die 5Minuten abgelaufen sind dann erst kann geputzt werden. Das heißt das verwendete R-S-FlipFlop (4043N) ist gesetzt und der Ausgang wartet darauf, dass alle anderen in der Logik bestimmten Parameter zutreffen damit geputzt werden darf. Die Logik setzt das R-S-FlipFlop sobald entweder die 7 Tage abgelaufen sind oder es geregnet hat. Grundvorraussetzung ist natürlich das die Automatik eingeschalten ist. Wenn es jetzt noch warm genug ist und genügend Wasser im Tank ist, wird geputzt. Natürlich kann man auch durch einen einfachen Knopfdruck am Frontpanel die „Waschanlage“ starten. 2.2.4.1.3 Schaltung Fenster auf/zu Fenster zu Handsteuerung + R-S-Flipflop Komparator für Innentemperatur Fenster auf 5min Timer Abbildung 6 Schaltplan Fenster auf/zu Der Komparator für die Innentemperatur dient dem schließen des Fensters bei einer Auskühlung des Raumes. Er ist genauso aufgebaut wie der Komparator für die Außentemperatur aus der Putzen Schaltung. Es gibt nur einen unterschied. Der Benutzer kann Seite 13 von 132 selbst einstellen wann es ihm im Raum zu kalt ist. Dazu haben wir auf dem Frontpanel eine Potentiometer in Form eines Drehreglers vorgesehen. Der 5Minuten Timer Liegt innerhalb des Logikzweiges zum öffnen des Fensters er öffnet das Fenster für min 5 Minuten es sei denn der Zweig zum schließen verweigert das öffnen. Prinzipiell geht das Fenster nur auf wenn der CO2 Gehallt in der Luft unterschritten wurde also schlechte Luft herrscht oder der Benutzer den „Fenster auf Knopf“ drückt. Jetzt startet der Timer und setzt den Ausgang 5 Minuten über das R-S-Flipflop aus der vorangegangenen Schaltung, auf 1. Der Zweig zum schließen des Fensters hat (teilweise) die Möglichkeit den Timer zu reseten und das R-S-Flipflop wieder auf 0 zu setzen. Der „schließen Zweig“ hat natürlich Priorität da z.B. die Gefährdung des Fensters durch Wind oder die Schäden beim möglichen Reinregnen doch umgangen werden sollen. Der letzte teil beinhaltet lediglich Logik für die Handsteuerung die über zwei Taster am Frontpanel befestigt sind. 2.2.4.1.4 Partliste Fenster Auf/Zu und Putzen Partlist Exported from alarm.sch at 30.06.2005 11:31:37 EAGLE Version 4.13 Copyright (c) 1988-2004 CadSoft Part Value Device C1 C2 D1 IC1 IC2 68nF 68nF 1N4148 4043N LM324N C-EU050-035X075 C050-035X075 rcl C-EU050-035X075 C050-035X075 rcl 1N4148 DO35-10 diode 1 4043N DIL16 40xx 1 LM324N DIL14 linear 1 JP1 R1 R2 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 SV1 47k 4.7k 1.2k 1.2k 2.4k 150k 100k 47k 47k Package Library Sheet JP2E JP2 jumper 1 TRIM_EU-B64Y B64Y pot 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 MA10-2 MA10-2 con-lstb 1 Seite 14 von 132 1 1 2.2.4.2 Alarmsensorauswertung Sub- Bus Belegung Verstärkerstufe Filterstufe R-S-Flipflop mit Alarm-Aus Taster Spannungsversorgung der ICs Abbildung 7 Alarmsensorschaltung 2.2.4.2.1 Beschreibung im Einzelnen Der Anschluss an den Sub- Bus der Sensorengruppe sieht gemäß der Absprache mit der Gruppe 4 „Sensoren“ wie folgt aus: Pin 1 3 5 7 9 15 19 Funktion +12V Analog Ground Direktanschluss des Sensors Ausgabe an den Bus Digital Ground +5V -12V Der von uns verwendete Sensor ist ein Erschütterungssensor auf dem Piezo-Prinzip. Dieser gibt bei einer Erschütterungsfrequenz von 2KHz eine maximale Ausgangspannung. Über eine Verstärkerstufe und einen Bandpassfilter, den wir für 2KHz berechnet haben bekommen wir bei gerade dieser Frequenz Spannungsspitzen, die ausreichen um das folgende R-S-FlipFlop zu setzen. Über eine Potentiometer haben wir die Verstärkerstufe einstellbar gemacht, so dass die Empfindlichkeit des Sensors Variabel und auf andere Fenster anpassbar ist. Seite 15 von 132 Abbildung 8 Simulation Alarmsensorschaltung Auf dem obigen Bild erkennt man dass das Eingangssignal (rot) als erstes verstärkt wird (grün) und dann durch den aktive Bandpass (blau) auf etwas über 12V im Bereich von 2KHz Verstärkt wird. Dieses Signal setzt das R-S-FlipFlop und gibt uns ein High Potenzial am Ausgang bis der Taster für den Reset gedrückt wird. Seite 16 von 132 2.2.4.2.2 Partliste Alarmsensor Partlist Exported from alarm.sch at 30.06.2005 11:31:37 EAGLE Version 4.13 Copyright (c) 1988-2004 CadSoft Part Value Device C1 C2 D1 IC1 IC2 68nF 68nF 1N4148 4043N LM324N C-EU050-035X075 C050-035X075 rcl C-EU050-035X075 C050-035X075 rcl 1N4148 DO35-10 diode 1 4043N DIL16 40xx 1 LM324N DIL14 linear 1 JP1 R1 R2 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 SV1 47k 4.7k 1.2k 1.2k 2.4k 150k 100k 47k 47k 2.2.5 Eagle Schematics Package Library Sheet JP2E JP2 jumper 1 TRIM_EU-B64Y B64Y pot 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 R-EU_0207/15 0207/15 rcl 1 MA10-2 MA10-2 con-lstb 1 Seite 17 von 132 1 1 Abbildung 9 Fenster auf/zu Schaltung Seite 18 von 132 Abbildung 10 Putzen Seite 19 von 132 Abbildung 11 Alarmsensorschaltung Seite 20 von 132 2.2.6 Eagle Layout Abbildung 12 Layout Putzen und Fenster Auf/Zu Top Seite 21 von 132 Abbildung 13 Layout Putzen und Fenster Auf/Zu Bottom Seite 22 von 132 Abbildung 14 Layout Alarmsensor Top Seite 23 von 132 Abbildung 15 Bestückungsplan Alarmsensor Seite 24 von 132 2.3 Jalousie hoch/runter und Jalousie kippen Betreuer: Stefan Seifert 2.3.1 Verantwortliche Sylvain, Mustafa, Markus, (Christian, Tino) 2.3.2 Soziales Klima Zwischen den Anwesenden gab es kaum Probleme. Die Zusammenarbeit klappte zwischen diesen Leuten problemlos und war anregend. Leider waren zu den häufigen Zusatzterminen sehr selten alle anwesend so dass die Arbeit von den wenigen Anwesenden erledigt wurde. Die öfters nicht Anwesenden fühlten sich scheinbar auch nicht für die fristgerechte Fertigstellung verantwortlich oder überblickten die noch zu erledigenden Aufgaben nicht. 2.3.3 Aufgabe Es muss bei der Teilschaltung Jalousie hoch / runter entschieden werden wann die Jalousie oben bzw. unten sein soll und es müssen besondere Ereignisse wie Wind oder Alarm ausgewertet werden. Bei der Teilschaltung Jalousie kippen muss entschieden werden ob es innen zu hell oder zu dunkel ist und daraus resultierend in welche Richtung gekippt werden muss. 2.3.4 Teilschaltung Jalousie hoch / runter 2.3.4.1 Idee Die Jalousie soll Nachts unten sein oder wenn die Lichtstärke im Innenraum größer wird als unser Einstellwert. Dafür werden Spannungswerte, die unsere Lichtwerte repräsentieren, über Komparatoren mit Referenzspannungen verglichen. Da der “Lichtstärke-Spannungszusammenhang“ logarithmisch ist (siehe Abbildung 1 ), wurde für die Erzeugung der oberen Referenzspannung eine OPV basierte Spannungsquelle gewählt, da diese viel präziser ist als z.B. ein Spannungsteiler. Die untere Referenzspannungsquelle wurde über einen Spannungsteiler realisiert, da der untere Bereich der logarithmischen Einteilung leichte Abweichungen erlaubt. Über die manuelle Steuerung wird dem Benutzer die Möglichkeit gegeben auch außerhalb des Einstellbereichs die Jalousie hoch oder runter fahren zu lassen. Damit die Jalousie nicht unnötig nach unten fährt, wird oben erwähnte obere Referenzspannung ebenfalls als „Soll“-Lichtwert für die Jalousie kippen Schaltung verwendet. Abbildung 16: Beispiel einer Fotowiderstandskenlinie Seite 25 von 132 Abbildung 17: Schaltung Jalousie hoch/ runter Seite 26 von 132 Abbildung 18: Blockschaltbild Jalousie runter 2.3.4.2 Komparator Tag Es handelt sich hier um eine UND Verknüpfung zweier Komparatoren. Komparator 1a vergleicht das Außenlicht mit der eingestellten Helligkeit die Innen herrschen soll. Sobald es Außen heller wird als die gewünschte innere Helligkeit, wird die Jalousie heruntergefahren. Sofern es Innen nicht heller ist als Außen, was Komparator 1b vergleicht. Wenn man also Innen eine Lampe anschaltet und das Licht von Innen auf den äußeren Lichtsensor trifft, wird die Jalousie nicht herunterfahren. 2.3.4.3 Komparator Nacht Dieser Komparator soll die Jalousie Nachts herunterfahren. Dazu vergleicht der Komparator 1c das äußere Lichtsignal mit ca. 1.9 V, was in etwa Nacht bzw. Dämmerung auf der Fotowiderstandskennlinie entspricht. 2.3.4.4 manuelle Steuerung Die manuelle Steuerung besteht aus Logikgliedern die ein RS-Flipflop ansteuern. Die Bedienung erfolgt über einen Kippschalter auf der Gehäusevorderseite. So hat der Benutzer die Möglichkeit die Jalousie auch nach unten zu fahren wenn die Lichtwerte nicht innerhalb des einstellbaren Wertebereichs liegen. Die Benutzer hat hierbei nur die Schalterstellungen „Jalousie runter“ und „Jalousie hoch“. Die Schaltung für die manuelle Steuerung würde zwar auch mit Tastern betrieben werden können da ein RS-Flipflop angesteuert wird, aber dies könnte für den Benutzer verwirrend sein und so benutzen wir lieber einen Kippschalter. Seite 27 von 132 2.3.4.5 Probleme und Problemlösungen Beim Eagle Layout wurde vernachlässigt dass die Eingangssignale von 0 bis 12 V gehen können. Leider wurden die Komparatoren an 5V Betriebsspannung angeschlossen. Dieses Problem könnte relativ schnell durch um löten gelöst werden. Leider arbeiten die Logikglieder jedoch nur bis max. 5,5 V Eingangsspannung und so mussten die Ausgänge der Komparatoren mit einem SMD Spannungsteiler bestückt werden die den 11V high Pegel auf 5V herunter setzten. Das einsetzen des Spannungsteilers bei den Eingangssignalen hätte diese zu stark verzehrt da die Kennlinie nicht linear ist. Nach dem Einsetzen des Spannungsteilers zeigten sich Probleme mit den Logikgliedern. Die TTL Logik bekam durch die eingesetzten Spannungsteiler nicht ausreichend Strom so das TTL kompatible HCT-CMOS Bausteine eingesetzt wurden. Dies wirkte sich natürlich auch hilfreich für die Begrenzung der Stromaufnahme aus da CMOS Gatter nur bei Schaltvorgängen Strom ziehen. 2.3.5 Teilschaltung Jalousie kippen 2.3.5.1 Idee Der Benutzer soll außerhalb, über ein Drehpotentiometer, die gewünschte Helligkeit einstellen können. Diese „Soll-Helligkeit“ wird über einen Differenzverstärker mit dem analogen Wert “Licht innen” verglichen. Als Differenzspannung erhalten wir +/- 12 V. Nun folgen zwei Komparatoren die diese Differenzspannung mit einer oberen Einschaltspannung bzw. einer unteren Abschaltspannung vergleichen. Falls einer dieser Komparatoren durch steuert, wird das Kippen freigegeben. Die Entscheidung in welche Richtung gekippt werden muss, übernimmt einer der bereits benutzten Komparatoren. Auch hier dient die Handsteuerung dazu, dem Benutzer weitere Kontrolle zu ermöglichen. Abbildung 19: Blockschaltbild Jalousie kippen Seite 28 von 132 Abbildung 20: Schaltung Jalousie kippen Seite 29 von 132 2.3.5.2 Referenzspannungsquelle Es handelt sich hierbei um einen rückgekoppelten OPV-Verstärker der als positives Potenzial eine Z-Dioden-spannung verwendet. Durch die Rückkopplung ist die Schaltung wesentlich Temperatur unempfindlicher. Die Verstärkung wird über das Verhältnis R2 zu R1 bestimmt. Ua = (1+ R2/R1)*Uz Da eine 6.2V Z-Diode benutzt wurde liegt der einstellbare Spannungsbereich zwischen 6,35V und 11,5V . Das benutzte Potentiometer wird über die Steckerpins 2 und 3 nach außen geführt. Abbildung 21: Referenzspannungsquelle 2.3.5.3 Differenzverstärker mit Komparatoren Der Differenzverstärker (Abbildung 6) arbeitet mit +/- 12 V um ein auswertbares Signal zu erhalten. (grün in Abbildung 7). Die beiden Komparatoren vergleichen nun diese Differenzspannung mit geringen Referenzspannungen so das ein toter Bereich um 0V Differenzspannung entsteht. Die Spannungsanhebung ist hier nicht enthalten da die Komparatoren in Pspice negative Eingangsspannungen auswerten können. Die Verstärkung beträgt eins um ein unverfälschtes Signal zum Vergleichen zu haben, sie muss jedoch ggf. erhöht werden falls die auszuwertende Spannungsdifferenz zu gering ist. Abbildung 22 PSpice Schematic des Differenzverstärkers mit den auswertenden Komparatoren Seite 30 von 132 Abbildung 23 PSpice Simulation 2.3.5.4 Spannungsskalierung Da die vom Differenzverstärker ausgegebene Spannung von -12V bis +12V gehen kann, musste eine Pegelanhebung durchgeführt werden. Allerdings reichte eine bloße Pegelanhebung nicht aus da das Eingangssignal der Komparatoren dann mit +24V größer wäre als die Betriebsspannung. Deshalb wird ein zusätzlicher symmetrischer Spannungsteiler eingesetzt. 2.3.5.5 Komparator auf Dieser Komparator (blau Linie in der Pspice Simulation) vergleicht die Differenzspannung mit ca. 3.9 V und schaltet bei größeren Differenzspannungen auf low. Er zeigt so an das die Jalousie geöffnet werden soll da Licht innen kleiner ist als die Referenz. Da ein low auf dem Jalousie_kippen Signal öffnen bedeutet, wird der Ausgang nur von der Jalousie_enable Logik ausgewertet. 2.3.5.6 Komparator zu Dieser Komparator (gelb Linie in der Pspice Simulation) vergleicht die Differenzspannung mit ca. 4,2 V und schaltet bei größeren Differenzspannungen auf high. High entspricht auf dem Jalousie_kippen Signal einem Schließen der Jalousie. Deshalb wird der Ausgang des Komparators auf die Jalousie_enable Logik und auf den Bus geleitet. Durch die unterschiedlichen Referenzspannungen entsteht ein toter Bereich so dass die Jalousie nicht ständig auf und zu geht. Seite 31 von 132 Komparator AUF Komparator ZU Jalousie_runter Jalousie_enable Jalousie_kippen 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 nicht möglich 1 Tabelle 1: mögliche Ausgabewerte 2.3.5.7 manuelle Steuerung Die manuelle Steuerung ist hier durch Taster realisiert so das der Benutzer die Kippstellung stufenlos einstellen kann. Es wird an dieser Stelle nicht vorausgesetzt das die Jalousie unten ist. Beim gleichzeitigen drücken der beiden Taster wird die Jalousie das Signal zum weiteren Schließen ausgeben. Ein Logikkonflikt tritt dabei nicht auf. 2.3.5.8 Probleme und Problemlösungen Das Problem der höheren Eingangssignale als UB wurde durch einen Spannungsteiler gelöst. Da der eingesetzte LM324N in den Komparatoren AUF und ZU jedoch keinen negativen Eingangsspannungen verarbeiten kann, da er mit +12V und GND betrieben wird, mussten wir eine Pegelanhebung der Differenzspannung durchführen. Auch hier sorgen Spannungsteiler zwischen Logik und OPV für maximal 5V Eingangsspannung. Es musste ebenfalls HCT-CMOS Logikglieder benutzt werden. 2.3.6 Ein- und Ausgabe Die Kommunikation mit anderen Teilen des Fensters erfolgt vollständig über das Bussystem. Dazu benutzen wir die vereinbarte Steckerbelegung. Seite 32 von 132 Abbildung 24 Stecker der Schaltungen 2.3.7 Die fertige Platine Abbildung 25 Foto der geätzten und bestückten Platine Seite 33 von 132 Abbildung 26 Bestückungsplan Abbildung 27 Schaltungslayout Bottom Seite 34 von 132 Abbildung 28 Schaltungslayout Top 2.3.7.1 Partlist Part C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 D2 IC1 IC2 IC3 IC4 IC6 R1 R4 R5 R6 R7 R8 R9 Value 47nF 47nF 47nF 47nF 47nF 47nF 47nF 47nF Package C2012 C2012 C2012 C2012 Library rcl rcl rcl rcl C2012 C2012 C2012 C2012 rcl rcl rcl rcl 6,2 V LM324N LM318N LM324N LM318N 4043N 50kΩ 4,7kΩ 3,3kΩ 1kΩ 0-4,6kΩ 1kΩ 0-22kΩ ZDIO12.5 DIL14 DIL08 DIL14 DIL08 DIL16 0207/15 0207/12 0207/12 0411/15 B64Y 0207/15 rcl B64Y pot diode linear linear linear linear 40xx rcl rcl rcl rcl pot Seite 35 von 132 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19 R20 R23 R24 R29 SV1 SV2 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 50kΩ 0207/15 12kΩ 0411/15 1kΩ 0411/15 rcl 50kΩ 0207/15 1kΩ 0207/15 rcl 1kΩ 0207/10 rcl 750Ω 0207/15 200kΩ 0411/15 110kΩ 0411/15 rcl 0-22kΩ B64Y 200kΩ 0207/10 12kΩ 0411/15 90,9kΩ 0411/15 0-22kΩ B64Y 64 pol. ML64L 19 pol. ML10 7408N PDIP14 7432N PDIP14 7408N PDIP14 7403N PDIP14 7404N PDIP14 7432N PDIP14 7408N PDIP14 rcl rcl rcl rcl rcl pot rcl rcl rcl pot Seite 36 von 132 con-ml con-ml 74ttl-din 74ttl-din 74ttl-din 74ttl-din 74ttl-din 74ttl-din 74ttl-din 2.4 Schaltung Gießen und Alarm Betreuer: Stefan Seifert 2.4.1 Verantwortliche Personen Daniel Bellan, Feras AL Ojaili 2.4.2 Soziale Bewertung Leider war es kaum möglich die Arbeit in unserer Teilgruppe vernünftig zu koordinieren. Dies führte zu einer ungleichen Verteilung der Aufgaben welche leichte Spannungen in der Gruppe verursachte. Aber durch eine besonnene Herangehensweise konnten diese Spannungen behoben werden und die Aufgaben zur Zufriedenheit aller gelöst werden. 2.4.3 Aufgabenstellung für die Teilgruppe Die Aufgabe war es die Signale von den Sensoren die, die Helligkeit außen, die Temperatur und die Feuchtigkeit der Blumenerde auszuwerten und ein Signal auszugeben wenn die Blumen gegossen werden müssen. Außerdem wurde unserer Teilgruppe die optische Signalisierung des Alarmfalles übertragen. 2.4.4 Beschreibung der Schaltungen 2.4.4.1 In- & Output am Busstecker Die Belegung am Busstecker richtet sich nach den Absprachen die bei den Schnittstellenterminen getroffen wurden. Seite 37 von 132 Pin 1 3 7 9 17 21 25 31 33 41 Funktion +12V Analog Ground Digital Ground +5V Input Außenlicht Input Außentemperatur Input Alarm Input Regen Input Feuchte Output Gießen Abbildung 29 Bussteckerbelegung Gießen & Alarm 2.4.4.2 Stecker für die Alarmleuchten Der Stecker ist vierpolig und wie folgt belegt: Abbildung 30 Steckerbelegung Alarmvisualisierung 2.4.5 Schaltung Gießen Seite 38 von 132 Abbildung 31 Schaltung Gießen Um zu entscheiden, ob gegossen werden soll oder nicht, werden die aktuellen Werte der Sensoren für das Außenlicht und die Außentemperatur mit referenzwerten verglichen. Dies geschieht mittels Komparatoren. Zur Erzeugung der Referenzwerte dienen Spannungsteiler mit einem Widerstand und einem Potentiometer. Für die Realisierung der Komparatoren haben wir uns für den Einsatz von Operationsverstärkern (LM324N) entschieden. Da die Bewässerungsanlage nicht bei zu hohen Temperaturen oder unter den Gefrierpunkt in Betrieb gesetzt werden soll werden für die Auswertung der Außentemperatur zwei Komparatoren verwendet. Einer der die obere Grenztemperatur festlegt und einer der die untere Grenztemperatur festlegt. Die Ausgänge der Komparatoren und die Inputs der Sensoren für die Feuchte und für den Regen werden zur Logik weitergeleitet, die dann entscheidet, ob gegossen werden soll oder nicht. Das Signal wird dann über ein R-C Glied verzögert zu einem 5 Minuten Timer geleitet. Dieser Unterbricht den Gießvorgang. Wenn der Timer abgelaufen ist, wird der Vorgang wider freigegeben. Zur Realisierung des Timers verwenden wir einen geschickt beschaltenden NE555. Die Realisierung der Logik übernehmen ein 7432N und ein 4572N C-MOS IC. 2.4.6 Schaltung Alarmvisualisierung Seite 39 von 132 Abbildung 32 Schaltplan Alarmvisualisierung Diese Schaltung ist ein astabiler Multivibrator (Wechselblinker) bestehend aus zwei Transistoren mit Vorwiderständen und zwei R-C Gliedern zur Festlegung der Blinkfrequenz. Um die Last der Schaltung nicht direkt an den Ausgang eines Logikgatters der Alarmschalung zu legen, wird das Alarmsignal über einen Komparator geführt, der die nötige Leistung liefern kann. Dieser wird über einen Operationsverstärker (LM324N) realisiert. Die beiden Ausgänge des Wechselblinkers werden auf einen Stecker geführt und dann nach außen geführt. Dort wird der Alarmfall durch zwei Leuchtdioden, die abwechselnd blinken angezeigt. Seite 40 von 132 2.4.7 Eagle Schematic Abbildung 33 Gießen & Alarm Schaltung Seite 41 von 132 3 Gruppe 3 – Netzteil, Wind- und Lichtsensor Betreuer: • 3.1 3.1.1 Teilnehmer: Andreas Deml • • • • • • • • Sven Klass Suher M. Doueiri N’Famory Camara André Küppers (TWLAK) Denis Nikolic (TWLAK) Trung Hieu Hoang (ET) Mohamad Esber (ET) Bilal Khaled (ET) Das Netzteil Die Teilgruppe Am Projekt Teilgenommen haben, N’Famory Camara, Suher M. Doueiri und Sven Klass. Die Aufgabe der Teilgruppe bestand darin, alle externen und internen Sensoren, Aktoren und Logikschaltungen des intelligenten Fensters mit geeigneten Spannungen zu versorgen. Die Zusammenarbeit der drei Teilnehmer war zu jedem Zeitpunkt harmonisch, kleine Meinungsverschiedenheiten wurden immer schnell und sachlich geklärt. Als Schnittstellen für den Anschluss an die Busplatine, die Spannungsversorgung der Aktoren sowie die Spannungsversorgung des Netzteils wählten wir Schraubklemmen. 3.1.2 Entwicklung im Laufe des Projekts Es gibt zwei Arten von Stromversorgungen und zwar Netzteile und Schaltnetzteile. Da das Schaltnetzteil in der Entwicklung zu aufwendig ist hat sich unsere Gruppe Netzteil nach ca. 3 Wochen für ein herkömmliches Netzteil entschieden. Nun war es wichtig zu wissen welche Spannungen versorgt werden sollten. Wir hatten uns in unserer Gruppe auf die Spannungen +/-12VDC Operationsverstärker (OPV), +/-12VDC für die Motoren (mit eigenem Anschluss) und +5VDC Sensoren festgelegt. Beim SchnittstellenTermin am 11.05.2005 wurden dann unsere Vorstellungen bestätigt und folgende Spannungen festgelegt: +/-12VDC +/-12VDC +5VDC für die OPV’s für die Motoren für die Sensoren Nach dem Schnittstellen-Termin wurde die Glättung und Siebung vollständig verändert. Damit wurde die LC-Glättung und die Spannungsstabilisierung über einen Transistor und einer Diode nicht eingesetzt. Stattdessen wurde ein Spannungsregler mit verschiedenen Kondensatoren für die Glättung und Siebung verwendet. Seite 42 von 132 Um Spannungseinbrüche zu verhindern war am Anfang eine Einschaltverzögerung vorgesehen, so dass sich die Kondensatoren vorher aufladen konnten. Zudem war ein NotAkkugerät geplant, so dass im Notfall noch eine Schließung bzw. Öffnung des Fensters möglich gewesen wäre. Beide Ideen sind aus technischen Gründen und Kostengründen nicht realisiert worden. Bei der Festlegung der Betriebsmittel wurde festgestellt, dass es Transformatoren mit zwei Sekundärwicklungen mit der entsprechenden Leistung nicht vorhanden waren. Denn es gab keine Transformatoren mit 2 sekundärseitigen Wicklungen, welche 2,5 A lieferten und die entsprechenden Transformatoren waren viel zu teuer. Dementsprechend wurden 3 Transformatoren vorgesehen und auch realisiert. Es wurden für den Platzbedarf 2 Platinen eingeplant, aber der Platzbedarf die Transformatoren und die Elektrolytkondensatoren war so gross, dass sich die Gruppe für 3 Platinen entschieden hat. Am 08.06.2005 hat unsere Gruppe mitbekommen, dass einige Gruppen einen viel größeren Leistungsbedarf haben, als wir ursprünglich vorgesehen hatten. Daraufhin ist Suher durch die Gruppen gegangen und hat noch mal den Strombedarf ermittelt. Und es wurden folgende Spannungen und Ströme aufgenommen: Gruppe Steuerwerk: Spannungen Ströme 5VDC ca. 420mA Gruppe Sensoren: Spannungen Ströme +/-12VDC ca.140mA +5VDC ca. 100mA Gruppe Motoren: Spannungen Ströme +12VDC ca.2-3A Nachdem sich der Leistungsbedarf geändert hatte wurden alle vorangegangenen entworfenen Schaltungen verworfen und es wurde alle Drei Schaltungen neu entwickelt. –12VDC für die Motoren wurde ganz gestrichen und die Leistung für die Sensoren wurde auf 0,5A heruntergesetzt. Die Entwicklung dieser Schaltungen wurde mit Hochdruck fertiggestellt und das Layout wurde auf 3 Platinen verteilt. Eine Woche vor dem Inbetriebnahme-Termin (Stöpsel-Termin) wurde unserer Gruppe mitgeteilt, dass aus Platzgründen im Gehäuse keine 3 Platinen hineinpassen. Die Projektleitung hat auf einer Krisensitzung festgelegt, dass das Layout auf einer großen Platine erstellt werden sollte, was dann auch mit großem zeitlichen Aufwand geschah. Der Entwurf für das Layout wurde anschließend eingefroren und die Beschaffung der Bauelemente zwang uns etwas andere Bauelemente zu kaufen, als wir uns dies gedacht hatten. So wurde ein Ringkerntransformator für die OPV-Schaltung besorgt (anstatt PrintTransformator). Beim Testaufbau wurde z.B. festgestellt, dass der 5VDC –Transformator nicht in Ordnung war und umgetauscht werden musste. Seite 43 von 132 Der Testaufbau und die Prüfung der Schaltung bestätigten unsere Planung. Anschließend wurde die Platine geätzt, gebohrt, bestückt und gelötet. Der Einbau in das Gehäuse erfolgte ohne Probleme. Pünktlich zum Inbetriebnahme-Termin 22.06.2005 war das Netzteil fertiggestellt und konnte dem Projektlabor präsentiert werden. 3.1.3 Die Stückliste BMK Name T1 Transformator T1 T2 Transformator T2 Technische Daten 230/2x15V 1,25A 230/9V 2,5A T3 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 B1 B2 B3 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 IC1 IC2 IC3 R1 R2 R3 H1 H2 H3 J1 J2 J3 J4 230/6V 160mA 1,5A 1,5A 160mA 2,5A 32mA 500mA Transformator T3 Sicherung Sicherung Sicherung Sicherung Sicherung Sicherung Sicherung Brückengleichrichter B1 Brückengleichrichter B2 Brückengleichrichter B3 Kondensator 1 Kondensator 2 Kondensator 3 Kondensator 4 Kondensator 5 Kondensator 6 Kondensator 7 Kondensator 8 Kondensator 9 Kondensator 10 Kondensator 11 Kondensator 12 Kondensator 13 Spannungsregler positiv Spannungsregler negativ Spannungsregler positiv Widerstand 1 Widerstand 2 Widerstand 3 Leuchtdiode 1 Leuchtdiode 2 Leuchtdiode 3 Stecker Stecker Stecker Stecker 0,5A 10.000µF 10.000µF 100nF 100nF 100nF 100nF 10.000µF 10.000µF 15.000µF 6.500µF 100nF 100nF 330nF 12V 12V 5V 1,2kΩ 1,2kΩ 0,47kΩ 12V 10mA 12V 10mA 12V 10mA Seite 44 von 132 Bemerkung Für OPVs Ringkerntrafo für die Motoren Für die Sensoren Primär T1 Sekundär T1 Sekundär T1 Primär T2 Sekundär T2 Primär T3 Sekundär T3 Elko Elko Elko Elko Elko Elko Elko L7812CV L7912CV L7805CV 3.1.4 Theorie Netzteil 3.1.4.1 Allgemeines zu Netzteilen Es gibt im Allgemeinen zwei Arten von Stromversorgungen, welche je nach Gebrauch ihre Anwendung finden. Es wird unterschieden zwischen Schaltnetzteilen und „normalen“ Netzteilen. Besonderheit an dem Schaltnetzteil ist eine zusätzliche „Taktung“, welche mehrere Ausgangsspannungen zulässt. Das Netzteil an sich lässt nur eine Ausgangsspannung zu und muss für mehrere Ausgangsspannungen mit einer Ausnahme (gleiche positive und negative Spannung) mehrere einzelne Netzteile beherbergen. Im weiteren wird nur das Netzteil weiter beschrieben, da das Schaltnetzteil hier in unserem Projektlabor nicht zur Anwendung gekommen ist. Allgemein wandelt ein Netzteil Wechselstrom und Wechselspannung in Gleichstrom und Gleichspannung um. Ein Netzteil besteht im Wesentlichen aus den folgenden Elementen Elementen - Gleichrichterschaltung Glättung Siebung Stabilisierung Nachfolgend werden nun alle Elemente für ein Netzteil erläutert. 3.1.4.2 Gleichrichterschaltungen Bei Gleichrichterschaltungen wird die Energie durch verschiedene Arten von Gleichrichtung umgewandelt. Hierbei wird bei Gleichrichterschaltungen noch mal unterschieden in: - Einweggleichrichtung Zweiweggleichrichtung Die Einweggleichrichterschaltung gibt es als Einpulsmittelpunktschaltung, ZweipulsMittelpunktschaltung und als Dreipuls-Mittelpunktschaltung. Die Stromrichtung geht in eine Richtung und gibt diesen Schaltungen den Namen Einwegschaltung. Die EinpulsMittelpunktschaltung ist die einfachste Art aus Wechselspannung Gleichspannung zu erzeugen. Die Gleichspannung wird aus einer sinusförmigen Größe über einer Diode gewonnen und durch den arithmetischen Mittelwert ermittelt. Abbildung 1 ein Beispiel für den Spannungsverlauf einer Einpulsmittelpunktschaltung.. Abbildung 34 Spannungsverlauf einer Einpulsmittelpunktschaltung Seite 45 von 132 In Abbildung 35 ist zu sehen, das eine Diode nur den positiven Anteil der sinusförmigen Spannung passieren lässt und die negative Sinus-Halbwelle nicht durchlässt, da Dioden die Spannung in Sperrrichtung nicht durchlassen. Mit der Einpulsmittelpunktschaltung ist es nicht praktikabel eine Gleichspannung und Gleichstrom zu erzeugen. Die ZweipulsMittelpunktschaltung und die Dreipuls-Mittelpunktschaltung sind für eine Stromversorgung möglich, werden aber aufgrund der zu großen Welligkeit bzw. Brummspannung (Siehe hierzu Abschnitt 0.X) nicht genutzt. Für den Einsatz von Stromversorgungen in der Praxis wird überwiegend die ZweigwegGleichrichtung genutzt, welche eine Spannung in Vorwärtsrichtung und Rückwärtsrichtung nutzt. Um die Vorwärtsrichtung und Rückwärtsrichtung zu realisieren werden 4 Dioden genutzt, die in einer Brückenschaltung oder Mittelpunktschaltung angeordnet sind. Die Zweiweggleichrichtung wird vorwiegend mittels einer Brückenschaltung realisiert und kann mehrpulsig ausgeführt werden. Im Allgemeinen wird die Zweipuls-Brückenschaltung B2-Brücke oder als Brückengleichrichter benannt. In der Abbildung 36 ist eine solche B2Brücke mit einem Gleichrichtertransformator zu sehen. Abbildung 35 B2-Brücke Die Richtung des Stroms ändert sich mit der Polarität und es ist möglich den Strom in zwei Richtungen fließen zu lassen. Die positive Sinus-Halbwelle wird über die Dioden 1 und 4 und die negative Halbwelle wird über die Dioden 2 und 3 geleitet. In der Abbildung 37 ist das Zusammenspiel zwischen den Dioden noch einmal deutlich dargestellt. Seite 46 von 132 Abbildung 36 Funktion einer B2-Brücke Wie man in der Abbildung 37 gut feststellen kann ist immer nur ein Zweig der B2-Brücke aktiv, so dass nur zwei Dioden arbeiten und dadurch diese B2-Brückenschaltung genannt wird. 3.1.4.3 Glättung Die durch Gleichrichtung erzeugte pulsierende Gleichspannung ist für viele Anwendungen nicht brauchbar und aus diesem Grund muss die pulsierende Gleichspannung geglättet werden. Abbildung 38 verdeutlicht den Spannungsverlauf mit einer Glättung und ohne einer Glättung. Abbildung 37 Spannungsverlauf mit und ohne Glättung Die Glättung an sich kann mit Hilfe einer CR-Beschaltung oder einer LR-Beschaltung erfolgen. In Abbildung 38 sind diese Beiden Beschaltungen zu erkennen. Seite 47 von 132 Abbildung 38 Glättungsschaltungen Wie in der Abbildung 39 zu sehen gibt es in der CR -Beschaltung einen Ladekondensator, welcher die Glättung vornimmt. Ladekondensatoren können für Schaltungen bis 2kW eingesetzt werden. Die Kapazität des Ladekondensators ist ein Maß dafür, wie schnell sich der Ladekondensator entlädt und die Spannung damit glättet bzw. die Welligkeit der Ausgangsspannung bestimmt. Die Differenz zwischen der maximalen Spannung und der minimalen Ausgangsspannung wird auch Brummspannung genannt. In der Abbildung 40 ist ein Beispiel für die Welligkeit bzw. Brummspannung zu sehen. Abbildung 39 Welligkeit bzw. Brummspannung Es sollte aus diesem Grund die Kapazität immer etwas höher ausgelegt werden, als berechnet worden ist. Für Gleichrichterschaltungen mit einer höheren Leistung wird die LR-Beschaltung verwendet, da diese durch die Glättungsdrossel (L) eine bessere Glättung erreicht. 3.1.4.4 Siebung Ist durch die CR-Beschaltung und LR-Beschaltung keine hinreichende Glättung zustande gekommen ist es möglich durch eine entsprechende Siebung die Spannung weiter zu glätten. Die Siebung kann aus einer LC-Siebschaltung oder einer RC-Siebschaltung bestehen. Hierbei ist die LC-Siebschaltung mit der Glättungsdrossel und dem Ladekondensator besser geeignet als die RC-Siebschaltung. Abbildung 7 zeigt beide Beschaltungsarten und damit ist es möglich die letzten Restanteile von Wechselspannung und Strom durch die Siebung völlig zu beseitigen. Reicht diese Glättung nicht aus ist es möglich mehrere Siebschaltungen hintereinander anzuordnen. Seite 48 von 132 Abbildung 40 Siebung 3.1.4.5 Stabilisierung Je nach Anwendung kann eine Stabilisierung der Spannung durch verschiedene Beschaltungen erreicht werden. Hierbei gibt es die folgenden Grundschaltungen zur Spannungsstabilisierung: - Reihenstabilisierung Parallelstabilisierung Stabilisierung mit einer Z-Diode Stabilisierung mit Spannungsregler Die Reihenstabilisierung wird vorzugsweise bei Verbrauchern mit kleinerer bis mittlerer Leistung zu Einsatz gebracht. Besonders niederohmige Verbraucher, die mit einer Brückengleichrichterschaltung bedient werden, sind ideal für die Reihenstabilisierung. Die Parallelstabilisierung hingegen eignet sich nur für Schaltungen mit einem hochohmigen Innenwiderstand. Die Parallelstabilisierung kann wie bereits erwähnt mit einer Parallelgeschalteten Z-Diode erfolgen, die im Durchbruchbetrieb arbeitet. Durch die Eigenschaft als Diode wird die Spannung in Kombination mit einem Widerstand stabil gehalten und eignet sich gut für Brückengleichrichterschaltungen. Ein Beispiel für eine Beschaltung mit einer Z-Diode und deren Kennlinie bieten die Abbildungen 42 und 43 Abbildung 41 Beschaltung mit Z-Diode Seite 49 von 132 Abbildung 42 Arbeitskennlinie einer Z-Diode Es existieren in der Praxis verschiedene Schaltungen mit einer Kombination aus Z-Diode, einem Transistor und einem bzw. mehreren Widerständen, wie man in der Abbildung 44 erkennen kann. Abbildung 43 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode, Transistor und Widerständen Die Spannungsstabilisierung über einen Spannungsregler bietet die Möglichkeit eine feste oder variable Ausgangsspannung zu erzeugen. In der Praxis sind Spannungsregler mit einer festen Ausgangsspannung schon fast ein Standard und sie werden oft als SpannungsStabilisierung gegenüber anderen Stabilisierungsschaltungen vorgezogen. Spannungsregler bestehen Hauptsächlich aus einem IC-Baustein vom Typ 78XX (die beiden X’e stehen für die jeweilige Spannung. So bedeutet z.B. 7812 Spannungsregler für eine Ausgangsspannung von 12VDC) und einigen Widerständen oder Kondensatoren. Ein Beispiel für einen Spannungsregler bieten die Abbildungen 45 und 46. Seite 50 von 132 Abbildung 44 Beispiel für einen Spannungsregler mit Widerständen Abbildung 45 Beispiel für einen Spannungsregler mit Kondensatoren Die Spannungsstabilisierung in Abbildung 46 wurde in unserem gebauten Netzteil zur Anwendung gebracht und funktioniert ohne Probleme. Es ist beim Spannungsregler darauf zu achten, dass dieser nach positiver oder negativer Ausrichtung ausgewählt wird, da er sonst nicht funktionstüchtig ist. Abbildung 47 auf der folgenden Seite verdeutlicht dies. Soll eine negative und positive Spannung stabilisiert werden, muss pro Abzweig der passende Spannungsregler verwendet werden. Werden die Spannungsregler falsch angebracht bzw. nicht richtig platziert und angeschlossen, ist die gesamte Schaltung nicht funktionstüchtig. Aus der Abbildung 48 geht eine solche Kombination von positivem und negativem Spannungsregler hervor. Zudem muss beim Einsatz von Spannungsreglern immer die Kühlung der Spannungsregler beachtet werden, denn überschüssige Energie wird über die Umgebung in Form von Wärme abgegeben. Seite 51 von 132 Abbildung 46 Positiv-Spannungsregler Abbildung 47 Positiv-Spannungsregler und Negativ-Spannungsregler Beide hier vorangegangenen Schaltungen sind in dem gebauten Netzteil realisiert worden. Um eine Kontrolle zu haben, ob die Spannung auch tatsächlich am Ausgang anliegt, liegt es nahe diese mit einer Leuchtdiode in Reihe mit einem Widerstand anzuzeigen. Im nachfolgenden Kapitel sind alle entsprechenden Berechnungen zu den einzelnen Abschnitten vorzufinden. 3.1.5 Beschreibungen der endgültigen Teilschaltungen 3.1.5.1 Beschreibung der Schaltung für die Operationsverstärker mit Berechnung Es erfolgt eine Einspeisung über den Transformator T1 und die Wechselspannung wird in dem 2-puls-Brückengleichrichter B1 zu einer Gleichspannung umgewandelt. Um unzulässige Ströme zu verhindern sind mehrere Sicherungen vorgesehen. Anschließend wird die Spannung über mehrere Kondensatoren und einem Spannungsregler stabilisiert und geglättet. Um festzustellen, ob die 12VDC vorhanden sind wurde eine Leuchtdiode mit einem Vorwiderstand angeschlossen. Besonderheit an dieser Schaltung ist, dass am Transformator T1 ein Mittelabgriff vorgenommen wurde und damit ein Nullpotential geschaffen wurde. Zudem ist die Schaltung symmetrisch in +12VDC und –12VDC aufgebaut. Seite 52 von 132 Abbildung 48 Netzteilschaltung für die Operationsverstärker Wichtige Daten für die Berechnung: U 1 = 230VAC U 2 = 2 × 12VDC Isekundär = 1,5 A Berechnung der Sicherungen und des Transformators T1: ü= 230V ≈ 9,583 ≈ 9,6 2 x12V I 10 n 1 I 1,5 A = ⇒ I 10 n = 20 n = = 0,156 A ⇒ Feinsicherung ⇒ F1 = 160mA I 20 n ü ü 9,6 ⇒ Feinsicherung ⇒ F 2 = F 3 = 1,5 A S = U 2 • I 2 = 2 × 12V × 1,5 A = 36VA ⇒ Transformator ⇒ S T 1 = 36VA Berechnung des Brückengleichrichters: Hier wurde nur der Sekundärstrom genommen und mit einer Sicherheit von 20% höherem Strom gewählt. ⇒ 1,2 × I 2 = 1,2 × 1,5 A = 1,8 A Berechnung der Kondensatoren: Hierfür muss beachtet werden, dass die Brummspannung nicht zu groß sein darf, damit der Brückengleichrichter nicht überlastet wird. 3% von 12VDC ergeben eine Brummspannung von 0,36V 5% von 12VDC ergeben eine Brummspannung von 0,6V Es wurde eine Brummspannung von 3% und 5% berechnet. Da die Operationsverstärker sehr empfindlich sind wurde eine Brummspannung von 3% gewählt. Seite 53 von 132 U Br = 2 • I rl 2 • I rl 2 • 1500mA ⇒ CL1 = = = 8333,3µF ⇒ 10.000µF CL U Br 0,36V Es wurde ein Ladekondensator CL1 mit 10.000µF gewählt, um eine möglichst hohe Spannungsstabilität zu erreichen. Der Ladekondensator hat direkte Auswirkung auf den dahinter liegenden Spannungsregler. Aus einem Artikel über Spannungsregler wurden Empfehlungen für die Kondensatoren übernommen. Hierbei sollten die beiden innen liegenden Kondensatoren aus Erfahrungsgründen 100nF groß sein. Der zweite äußere Elektrolytkondensator CL2 sollte im Verhältnis 1000/47 gewählt werden. Damit folgt für den CL2: ü= CL1 CL 1000 8400µF ≈ 21 ⇒ ≈ 21 ⇒ CL2 = 1 = ≈ 400nF ⇒ 470nF 47 CL2 ü 21 Berechnung der Leuchtdiode und Vorwiderstand: Wichtige Daten für die Berechnung: U 1 = 12VDC U diode = 0,7VDC I diode = 10mA Die Berechnung des Vorwiderstand erfolgt über einen Spannungsteiler (wie in der Schaltung zu sehen) U2 R2 U • R + U 2 • R2 U • R − U 2 R2 12V • 70Ω − 0, 7V • 70Ω = ⇒ R2 = 2 1 ⇒ R1 = 1 2 = = 1130Ω U1 R1 + R2 U1 U2 0, 7V R1 = 1200ΩGewählt 3.1.5.2 Beschreibung der Schaltung für die Motoren mit Berechnung Die Einspeisung erfolgt über den Transformator T2 und der 2-puls-Brückengleichrichter B2 macht aus Wechselspannung Gleichspannung. Um unzulässige Ströme zu verhindern sind mehrere Sicherungen vorgesehen. Anschließend wird die Spannung über einen Elektrolytkondensator geglättet. Es wird keine Stabilisierung vorgenommen, da die Motoren keine Spannungsstabilisierung benötigen. Um festzustellen, ob die 12VDC vorhanden sind wurde eine Leuchtdiode mit einem Vorwiderstand angeschlossen. Seite 54 von 132 Abbildung 49 Netzteilschaltung für die Motoren Wichtige Daten für die Berechnung: U 1 = 230VAC U 2 = 12VDC Isekundär = 2,5 A Berechnung der Sicherungen und des Transformators T2: ü= 230V ≈ 19,17 ≈ 19,2 12V I 10 n 1 I 2,5 A = ⇒ I 10 n = 20 n = = 0,130 A ⇒ Feinsicherung ⇒ F 4 = 160mA I 20 n ü ü 19,2 ⇒ Feinsicherung ⇒ F 5 = 2,5 A S = U 2 • I 2 = 12V × 2,5 A = 30VA ⇒ Transformator ⇒ S T 1 = 30VA Berechnung des Brückengleichrichters: Hier wurde nur der Sekundärstrom genommen und mit einer Sicherheit von 20% höherem Strom gewählt. ⇒ 1,2 × I 2 = 1,2 × 2,5 A = 3 A Berechnung der Kondensatoren: Hierfür muss beachtet werden, dass die Brummspannung nicht zu groß sein darf, damit der Brückengleichrichter nicht überlastet wird. 3% von 12VDC ergeben eine Brummspannung von 0,36V 5% von 12VDC ergeben eine Brummspannung von 0,6V Es wurde eine Brummspannung von 3% und 5% berechnet. Da die Operationsverstärker sehr empfindlich sind wurde eine Brummspannung von 3% gewählt. U Br = I rl I 2500mA ⇒ CL1 = rl = = 6944,4µF ⇒ 15.000µF CL U Br 0,36V Es wurde ein Ladekondensator CL1 mit 15.000µF gewählt, um eine möglichst hohe Spannungsstabilität zu erreichen. Seite 55 von 132 Berechnung der Leuchtdiode und Vorwiderstand: Wichtige Daten für die Berechnung: U 1 = 12VDC U diode = 0,7VDC I diode = 10mA Die Berechnung des Vorwiderstand erfolgt über den Spannungsteiler U2 R2 U • R + U 2 • R2 U • R − U 2 R2 12V • 70Ω − 0, 7V • 70Ω = ⇒ R2 = 2 1 ⇒ R1 = 1 2 = = 1130Ω U1 R1 + R2 U1 U2 0, 7V R1 = 1200ΩGewählt 3.1.5.3 Beschreibung der Schaltung für die Sensoren mit Berechnung Der Transformator T3 versorgt den 2-puls-Brückengleichrichter B3 und dieser wandelt die Wechselspannung in Gleichspannung um. Um unzulässige Ströme zu verhindern sind mehrere Sicherungen vorgesehen. Anschließend wird die Spannung über mehrere Kondensatoren und einem Spannungsregler stabilisiert und geglättet. Um festzustellen, ob die 5VDC vorhanden sind wurde eine Leuchtdiode mit einem Vorwiderstand angeschlossen. Abbildung 50 Netzteilschaltung für die Sensoren Wichtige Daten für die Berechnung: U 1 = 230VAC U 2 = 5VDC Isekundär = 0,5 A Berechnung der Sicherungen und des Transformators T3: ü= 230V ≈ 46 5V I 10 n 1 I 0,5 A = ⇒ I 10 n = 20 n = = 0,018 A ⇒ Feinsicherung ⇒ F 6 = 32mA I 20 n ü ü 46 Seite 56 von 132 ⇒ Feinsicherung ⇒ F 7 = 0,5 A S = U 2 • I 2 = 5V × 0,5 A = 2,5VA ⇒ Transformator ⇒ S T 1 = 3,2VA Berechnung des Brückengleichrichters: Hier wurde nur der Sekundärstrom genommen und mit einer Sicherheit von 20% höherem Strom gewählt. ⇒ 1,2 × I 2 = 1,2 × 0,5 A = 0,6 A Berechnung der Kondensatoren: Hierfür muss beachtet werden, dass die Brummspannung nicht zu groß sein darf, damit der Brückengleichrichter nicht überlastet wird. 3% von 5VDC ergeben eine Brummspannung von 0,15V 5% von 5VDC ergeben eine Brummspannung von 0,25V Es wurde eine Brummspannung von 3% und 5% berechnet. Da die Operationsverstärker sehr empfindlich sind wurde eine Brummspannung von 3% gewählt. U Br = I rl I 500mA ⇒ CL1 = rl = = 3333,3µF ⇒ 6500.µF CL U Br 0,15V Es wurde ein Ladekondensator CL mit 6500µF gewählt, um eine möglichst hohe Spannungsstabilität zu erreichen. Der Ladekondensator hat direkte Auswirkung auf den dahinterliegenden Spannungsregler. Aus einem Artikel über Spannungsregler wurden Empfehlungen für die Kondensatoren übernommen. Hierbei sollten die beiden innen liegenden Kondensatoren aus Erfahrungsgründen 100nF groß sein. Der zweite äußere Elektrolytkondensator CL2 sollte im Verhältnis 1000/47 gewählt werden. Damit folgt für den CL2: ü= CL1 CL 1000 6500µF ≈ 21 ⇒ ≈ 21 ⇒ CL2 = 1 = ≈ 309,5nF ⇒ 330nF 47 CL2 ü 21 Berechnung der Leuchtdiode und Vorwiderstand: Wichtige Daten für die Berechnung: U 1 = 5VDC U diode = 0,7VDC I diode = 10mA Die Berechnung des Vorwiderstand erfolgt über einen Spannungsteiler (wie in der Schaltung zu sehen) Seite 57 von 132 U2 R2 U • R + U 2 • R2 U • R − U 2 R2 5V • 70Ω − 0, 7V • 70Ω = ⇒ R2 = 2 1 ⇒ R1 = 1 2 = = 430Ω U1 R1 + R2 U1 U2 0, 7V R1 = 470ΩGewählt 3.1.6 Platinenlayout unten und oben Seite 58 von 132 Abbildung 51 Platinenlayout oben Seite 59 von 132 Abbildung 52 Platinenlayout unten Seite 60 von 132 Abbildung 53 Schaltplan Netzteil 3.1.7 Bedienungs- & Wartungsanleitung Das Netzteil für die OPVs, Motoren und Sensoren ist so Bedienungs-& Wartungsarm entwickelt worden, das nur bei einer Überlastung eingegriffen werden muss. Einzig und allein beim Überlasten bzw. Kurzschluss des Netzteil kann eine Sicherung durchbrennen. In diesem Fall ist folgendes zu tun. 1. 2. 3. 4. 5. Feststellen welcher Teil des Netzteils nicht funktioniert. Ziehen des Netzsteckers, so dass das Gerät Spannungsfrei ist. Gerät öffnen und die entsprechende Sicherung austauschen. Nach dem Austausch der entsprechenden Sicherung das Gerät wieder schließen. Gerät einschalten, fertig!!! WICHTIG: Das Netzteil ist kein Spielzeug, daher darf nur Fachkundiges Personal an dem Netzteil arbeiten!!! Das Netzteil darf nicht unerlaubt hohen Temperaturen (über 50°C) und offenem Feuer ausgesetzt werden. Seite 61 von 132 3.2 Der Windsensor 3.2.1 Teilgruppe Für den Windsensor waren verantwortlich Omar Al-karagoly und Brahim Elhadaoui. Unsere Zusammenarbeit war zur Projektumsetzung erfolgreich, da die Gruppenteilnehmer mit großer Motivation gearbeitet haben. Das Projekt hat dazu beigetragen, dass sich die beteiligten besser kennen lernen und mit einander besser Kommunizieren. 3.2.2 Die Theorie bei der Entwicklung Bei unserer Aufgabe befassen wir uns mit einem Hall-IC und einem Magneten, die folgenderweise funktionieren: Ein Hall-IC wandelt das Signal der magnetischen Feldstärke in Rechteckspannung um. Anfangs planten wir die Aufgabenumsetzung mit einem Generator, der eine Gleichspannung erzeugt und das Signal an einen Schmittträger weiterleitet. Letzterer stellt eine Hysteresse dar und gibt das Signal an der Steuerwerk weiter. Dieser Plan konnte nicht realisiert werden, da der Generator nicht genügend Spannung erzeugen konnte. Der Hall-IC erzeugt eine Rechteckspannung, die sich abhängig von der Windgeschwindigkeit bzw. von der Frequenz ändert. 1. Ein Integrierender OPV wandelt das Signal von einer Rechtseckspannung in eine Dreiecksspannung, allerdings ist die Dreiecksspannung nach unten geklappt. Die ursprüngliche Idee bestand darin, einen Filter (Hochpass) anstatt den Integrierer einzubauen. Das Problem dabei lag jedoch in der unregelmäßigen Dreiecksspannung. Aus diesem Grund haben wir uns für den Integrierer entschieden. 2. Mit Hilfe eines invertierenden Verstärkers wird das Signal nach oben geklappt, dann wird die Spannung durch eine Diode gleichgerichtet, damit keine negativen Signale auftreten können. 3. Von diesem Signal aus wird der Mittelwert durch einen Filter (Tiefpass) gebildet, der uns wiederum eine Gleichspannung aufbaut, die sich abhängig von der Frequenz ändert. 4. Da wir ein digitales Signal abgeben müssen, haben wir uns für einen Komparator OPV entschieden. Dieser vergleicht den Signaleingang mit der Spannungsversorgung und entscheidet, ob das Signal HIGH oder LOW ist. Das High-Signal liegt bei +11 Volt und wir dürfen nur zwischen 0 - +5 Volt am Steuerwerk abgeben. Deshalb haben wir in der Abschlussphase nach dem Aufbau des Komparators einen Spannungsteiler konstruiert, der das High Signal nach unten setzt. Nach mehreren Überprüfungen der Schaltung, ist festgestellt worden, dass sie fehlerträchtig ist. Deswegen haben wir uns für die entgültige Schaltung entschieden. Seite 62 von 132 3.2.3 Berechnungswege für die Widerstände und die Kondensatoren • Der Integrierer OPV Abbildung 54 OPV als Invertierer Voraussetzung: Ua=0 bei t=0 • OPV als nicht Invertierende Verstärker Abbildung 55 nicht invertierender OPV • OPV als Komparator Abbildung 56 OPV als Komparator Seite 63 von 132 3.2.4 Dimensionierung der Bauteile R1 = R4 = R6 = R7 = R9 = R14 = 1kΩ R2 = R3 = R5 = R8 = 1MΩ R10 = 4kΩ R11 = 700 Ω R12 = 2kΩ R13 = 1.5kΩ C1 = 1µF C2 = 100µF 3.2.5 Der Schaltplan Abbildung 57 Schaltplan des Windsensors 3.2.6 Die endgültige Schaltung 3.2.6.1 Theorie der endgültige Schaltung Die bisher konstruierte Schaltung wurde geändert und verfeinert. Sie arbeitet jetzt mit einem NE555N TIMER, dies funktioniert folgendermaßen: Das Rechtecksignal wird in einen NPN Transistor gespeist, dieser schließt den Kondensator kurz bei LOW Signal, der Kondensator muss sich über einen Potentiometer und Widerstand aufladen. Solange das Frequenz niedrig genug ist, und der Kondensator genügt zeit hat sicht aufzuladen folgt der Ausgang des TIMERS dem Eingang. Bei HIGH Signal hat der Kondensator nicht genügend zeit sich aufzuladen dann liegen am Eingang des TIMERS immer sehr niedrige Spannung an. Die folge ist, der TIMER gibt immer HIGH Signal an. Dann wird das Signal durch einen Transistor als Kollektorschaltung stabilisiert. Das stabilisierte Signal wird in einen Filter (Tiefpass) gespeist, der den Mittelwert vom Rechtecksignal bildet Seite 64 von 132 Für unsere Aufgabenumsetzung reicht dies allerdings nicht aus, da ein digitales Signal (0V und 5V) ausgesendet werden muss. Deshalb haben wir einen Komparator als Verstärker daran angeschlossen, der mit einem Potentiometer ausgestattet ist. Auf dieser Art und Weise können wir das Ausgangsignal bestimmen. Da wir den OPV mit +12V versorgen müssen erhalten wir nur +11V und 0V. Deswegen bauten wir einen Spannungsteiler dahinter, der das +11V Signal auf +5V runtersetzt. Mit dieser Methode ist es gelungen das Ziel zu erreichen. Da wir sofort einen Testaufbau gemacht haben und dieser erfolgreich war, haben wir nicht mit PSpice simuliert. 3.2.7 Der Schaltplan Abbildung 58 Schaltplan des Windsensors in Eagle 3.2.8 Layout(Board) Seite 65 von 132 Abbildung 59 Layout der Windsensorplatine 3.2.9 Dimensionierung der Bauteile für die endgültige Schaltung Timer NE555N 2x NPN Transistor Komparator als Verstärker R1 = 47kΩ R2 = 10kΩ R3 = 10kΩ R4 = 1kΩ R5 = Potentiometer R6 = 10MΩ R7 = 4kΩ R8 = 27kΩ R9 = 22kΩ R10 = Potentiometer C1 = 10nF C2 = 10nF C3 = 670nF Seite 66 von 132 3.3 3.3.1 Der Lichtsensor Reflexion der Gruppenarbeit Trotz großen Aufwands und starker Motivation unsererseits, war es uns nicht möglich die Schaltung mit einer Messbrücke oder einem Potentiometer aufzubauen. Die Messbrücke erfüllte nicht unsere Erwartungen und beim Potentiometer bekamen wir keine gescheiten Ergebnisse. 3.3.2 Beschreibung der Endgültigen Schaltung Der Lichtsensor besteht aus einem Photowiderstand, einem Widerstand und einem nicht invertierenden OPV mit zwei Widerständen. Der Photowiderstand ändert seine widerstandwerte mit der Intensität des Lichtes das auf in einfällt. Bei großen Werten des Photowiderstand, d.h. um so dunkeler es ist desto kleiner ist der Wert des Spannungsteiler Ur .Diese Spannungsteiler verstärkt sich und am Ausgang haben wir die Spannung UA fast null. Bei kleinen Werten des Photowiderstands, d.h. bei großer Lichtintensität, ändert der Spannungsteiler seine Werte und am Ausgang haben wir unsere UA gleich 12v. Berechnungen: Nennen wir einige werte von dem Photowiderstand: RP = 5000kΩ R = 100Ω U = 5V Spannungsversorgung Jetzt ist es der Spannungsteiler Ur zu berechnen: Ur R U .R = ⇒ Ur = U Rp + R Rp + R 5V * 100Ω Ur = ≈ 10mV 50000100Ω Am Ausgang wird diese Ur verstärkt und wir haben Ua=0,001V RP = 3000kΩ R = 100Ω U = 5V R1 = 10kΩ(fest) R2 = 31kΩ(fest) Ur = 16mV am Ausgang UA = 0.01V RP = 1500kΩ R = 100Ω U = 5V R1 = 10kΩ R2 = 31kΩ Ur = 33mV am Ausgang UA = 0.2V Seite 67 von 132 RP = 700Ω R = 100Ω U = 5V R1 = 10kΩ R2 = 31kΩ Ur = 0.625V am Ausgang UA = 3V RP = 100Ω R = 100Ω U = 5V R1 = 10kΩ R2 = 31kΩ Ur = 2.5V am Ausgang UA = 10V RP = 50Ω R = 100Ω U = 5V R1 = 10kΩ R2 = 31kΩ Ur = 3V am Ausgang UA = 12V Schaltung V1 12Vdc 2 3 V+ 5000k,3000k,1500k,700,100 1 V2 4 Rp ??? + U1A V3 2 5Vdc 1 V- OUT 2 12Vdc - LM324 R 100 11 3.3.3 R2 1 2 1 2 31k R1 10K 1 Abbildung 60 Schaltung des Lichtsensors Seite 68 von 132 4 Gruppe 3 – Aktoren und Regen-, Feuchte- & Füllstandsensor Betreuer: • 4.4 Johannes Twittman (Yo) Teilnehmer: • • • • • • • • Sven Winny (ET) Peter Krenz (ET) Florian Markus Förster (ET) André Küppers (TWLAK) Denis Nikolic (TWLAK) Trung Hieu Hoang (ET) Mohamad Esber (ET) Bilal Khaled (ET) Reflexion der Gruppenarbeit In unserer Gruppe ging es leider drunter und drüber. Obwohl wir wöchentlich einen Zusatztermin vereinbarten, gelang es uns nicht den Zeitplan einzuhalten. Man muss leider sagen, dass effektiv gesehen unsere Gruppe nur aus 4 Teilnehmern bestand, bei einigen unserer Kommilitonen war die Motivation und Arbeitsbereitschaft nicht so hoch wie bei den anderen. So kam es, dass sich ein paar von uns die Nächte um die Ohren geschlagen haben, um teilweise die Aufgaben der anderen mit zu erfüllen, da diese entweder keine Lust oder irgendeine andere mehr oder weniger gute Ausrede parat hatten. Ein weiteres Problem bestand darin, dass an vereinbarten Zusatzterminen nicht alle erschienen sind oder wenn dann nur für 1-2 Stunden. Das größte Problem bestand aber hauptsächlich in der Kommunikation innerhalb der Gruppe und zwischen den Gruppen. So kam es vor, dass man wichtige Sachen in das Forum geschrieben hat und man keinerlei Feedback bekommen hat von den Gruppenmitgliedern oder von den anderen Gruppen. Es war jedoch trotzdem eine spaßige Zeit, an die man sich auch in Zukunft erinnern wird. Vor allem war es mal etwas anderes als diese normalen Lehrveranstaltungen. 4.5 Aufgaben der Gruppe Die Aktoren-Gruppe hatte die Aufgabe die Ansteuerung, der jeweiligen Mechaniken unseres Fensters zu entwickeln. Diese Mechaniken sollen unser Fenster öffnen und schließen, die Jalousie hoch- und runterfahren sowie die Lamellen ankippen, die Wischeranlage betätigen und die Pumpe ansteuern, die das Wasser liefert für die Reinigung und die Bewässerung der Blumen. Des Weiteren musste unsere Gruppe den Regen-, Feuchte- und Füllstandsensor entwickeln. Die Namen der Sensoren sagen schon welchem Zweck sie dienen. Der Regensensor soll der Hirngruppe mitteilen, wann das Fenster geschlossen und geputzt werden soll. Der Feuchtensensor überwacht die Feuchtigkeit der Blumenerde im Blumenkasten vor dem Fenster und teilt mit, wann die Blumen gegossen werden müssen. Unser letzter Sensor, der Füllstandsensor, überwacht den Wasservorrat der für das Gießen und Putzen genutzt wird. Er zeigt den Wasserstand an und verhindert dass die Pumpe trocken läuft. Seite 69 von 132 4.6 Aufgabenverteilung in der Gruppe Für die gesamte Sensorik der Gruppe 3, waren S. Winny und F. Förster verantwortlich. Die Aktoren wurden auch noch mal in kleine Einzelgruppen unterteilt. Wobei M. Esber und D. Nikolic für die Ansteuerung der Motoren für die Fensteröffnung verantwortlich waren. Für die gesamte Ansteuerung der Jalousiemotoren waren A. Küppers und B. Khaled zuständig. P. Krenz hat als Aufgabe die Motoransteuerung der Wischeranlage zu entwerfen und T.H. Hoang entwickelte die Pumpenansteuerung. 4.7 4.7.1 Die Sensoren Die Aufgaben der Sensoren Die Sensoren sind die Sinne des intelligenten Fensters. Sie müssen der den Logiken mitteilen wann es regnet, ob die Erde im Blumenkasten vor dem Fenster ausreichend bewässert ist und wie voll der Wassertank ist. Dazu haben wir folgende drei Sensoren entwickelt: 4.7.2 Den Füllstandsensor Den Feuchtigkeitssensor Den Regensensor Der Füllstandsensor Zuerst hatten wir die Überlegung, ob wir einen analogen kapazitiven Füllstandsensor bauen. Diese Überlegung haben wir aber verworfen, da dies zu zeitaufwändig gewesen wäre und wir bei der jetzigen Bauweise gleich unsere digitalen Ausgangssignale haben, die wir benötigen. Der Füllstandsensor soll den Wasservorrat anzeigen und diesen auch überwachen. D.h. sollte der Wasservorrat unter eine vorher festgelegte Grenze fallen, soll er dies mitteilen und so verhindern, dass z.B. die Pumpe trocken läuft. Um dies zu realisieren haben wir in 4 Stufen eine Transistorschaltung verwendet. Jede dieser Stufen ist für einen bestimmten Pegel im Wassertank zuständig (siehe Abbildung 62). Unsere Schaltung haben wir mit einer 12V stabilisierten Spannungsquelle betrieben. Die Kontakte (K.0 – K.4) werden der Reihe nach im Wassertank angebracht, wobei K.0 ganz unten und K.4 ganz oben angebracht werden. K.0 ist direkt an unserer Versorgungsspannung angeschlossen. Wenn das Wasser nun einen Kurzschluss zwischen K.0 und den anderen Kontakten (K.1 – K.4) herstellt, werden die Transistoren Q1 – Q8 aufgesteuert und die LEDs fangen an zu leuchten. Am Emitter des Transistors Q6 wird das High Signal (5V) für die Wischer Logik abgenommen, d.h. solange der Transistor Q5 aufgesteuert ist, liefert der Emitter des Transistors Q6 ein digitales HIGH für die Wischerlogik (siehe Abbildung 63). Solange der Transistor Q7 aufgesteuert ist, liefert der Emitter des Transistors Q8 ein digitales HIGH (5V) für die Pumpenlogik (siehe Abbildung 63). Die Sensoroutputs werden über den BUS (PIN 29 für die Wischerlogik und PIN 59 für die Pumpenlogik) an die jeweiligen Logiken weitergeleitet. Seite 70 von 132 Bauteile: • 8 Transistoren des Typs BC546C • 4 LEDs: 2 x grün für die Füllstände voll und 2/3 1 x gelb für den Füllstand 1/3 1 x rot für den Füllstand leer • Widerstände: 4 x 1MΩ R9, R12, R15 und R18 4 x 680kΩ R1, R3, R5 und R7 4 x 4.7kΩ R2, R4, R6 und R8 4 x 330Ω R10, R14, R16 und R20 2 x 560Ω R17 und R19 2 x 390Ω R11 und R13 Beispiel: Der Tank ist halb voll, dann wird in den Transistoren Q5 und Q7 ein Basisstrom (IB5 & IB7) impliziert und die Transistoren werden aufgesteuert. Durch die Emitterströme IE5 & IE7 werden die Transistoren Q6 und Q8 auch aufgesteuert wegen IE5=IB6 & IE7=IB8. Dadurch leuchten die rote und die gelbe LED und an den Emittern der Transistoren Q6 und Q8 liegen zwei digitale HIGH Signale (je 5V) für die Pumpen- und Wischerlogik. Die beiden grünen LEDs können nicht leuchten, da die Transistoren Q1 & Q3 keine Basisströme bekommen, um aufgesteuert zu werden. Sollte der Wasserstand unter 1/3 fallen, dann bekommt der Transistor Q5 auch keinen Basisstrom (IB5) mehr. Somit sperren auch die Transistoren Q5 und Q6 und am Emitter von Q6 liegt ein digitales LOW Signal für die Wischerlogik. Seite 71 von 132 Abbildung 61 Aufbau des Füllstandsensors in Pspice Seite 72 von 132 Seite 73 von 132 Abbildung 62 Input & Output des Füllstandsensors 4.7.3 Der Feuchtigkeitssensor Dieser Sensor ist im Prinzip so aufgebaut wie eine Stufe des Füllstandsensors (siehe Abbildung 64). Der Sensor wird mit einer 12V stabilisierten Spannungsquelle betrieben. Entscheidend ist bei diesem Sensor die Dimensionierung des Widerstands R2 (560kΩ), da dieser den Basisstrom für den Transistor Q1 bestimmt. Wird dieser Widerstand zu klein dimensioniert, meldet der Sensor schon ein HIGH Signal (5V) am Emitter des Transistors Q2 bei ganz geringer Feuchte der Blumenerde. Im Falle einer zu großen Dimensionierung des Widerstandes R2 würde unser Sensor nur ein HIGH Signal liefern, wenn unser Blumenkasten unter Wasser stehen würde. Auch hier funktioniert der Sensor so, dass sobald die Kontakte K.1 und K.2 im Erdreich durch genug Feuchtigkeit kurzgeschlossen werden, ein Basisstrom (IB1) im Transistor Q1 impliziert wird. Der Emitterstrom (IE1) von Q1 steuert nun den Transistor Q2 auf, wegen IE1=IB2. Durch das Aufsteuern des Transistors Q2 fängt die LED an zu leuchten und am Emitter des Transistors Q2 wird das benötigte digitale HIGH Signal (5V) abgegriffen (siehe Abbildung 65). Dieses Signal wird über den BUS (PIN 33) an die jeweiligen Logiken weitergeleitet und dort weiter verarbeitet. Bauteile: • 2 Transistoren des Typs BC546C • 1 rote LED • Widerstände: 1 x 1MΩ R5 1 x 560kΩ R2 1 x 4.7kΩ R1 1 x 330Ω R4 1 x 560Ω R3 K. 1 K.1 V1 D1 LED R2 Q1 560k R1 R5 1meg Q2 4.7k R3 560 Sensor Output 0 Abbildung 63 Aufbau des Feuchtigkeitssensors in Pspice Seite 74 von 132 12Vdc 0 R4 330 K. 2 K.2 LED grün Abbildung 64 Input & Output des Feuchtigkeitssensors Seite 75 von 132 4.7.4 Der Regensensor Der Regensensor hat die Aufgabe, eine Ausgangsspannung von 5V auszugeben, solange sich Wasser zuwischen einer Kontaktfläche befindet. Um dies zu realisieren, wird auch in diesem Fall eine Transistorschaltung verwendet. Die Schaltung wird mit einer 12V stabilisierten Spannungsquelle betrieben (siehe Abbildung 66). Wird eine Verbindung zwischen den beiden Sensor-Kontakten K.1 und K.2 hergestellt, fließt ein Basisstrom (IB1) in den Transistor Q1 (BC548C) und der Kondensator C1 (1mF) beginnt sich zu laden. Nachdem Kontakt zwischen K.1 und K.2 unterbrochen wird. Entlädt sich der Kondensator und erhält den Basisstrom für ca. 120 s aufrecht. Somit steuert der Transistor Q1 auf und es kann ein Basisstrom (IB2) für den Transistor Q2 (BC548C) fließen. In diesem Moment fällt über den Bauteilen R4 und R5 sowie der LED eine Spannung von 12V ab, sodass ein geringer Strom (IC2) fließt und die LED zum Leuchten bringt. Der Spannungsteiler aus R4 und R5 ist so dimensioniert, dass am Widerstand R5 eine Spannung von ca. 5V abfällt (siehe Abbildung 67). Dieses Potential wird nun direkt über den BUS (PIN 31) an die jeweiligen Logiken angeschlossen. Das Gehäuse besteht aus einer Plastikschale, auf deren Oberfläche eine Kontaktfläche angebracht ist. Angeschlossen wird der Sensor über einen RJ45-Stecker. Bauteile: • 2 Transistoren des Typs BC546C • 1 rote LED • Widerstände: 1 x 120kΩ R5 1 x 15kΩ R2 1 x 4.7kΩ R1 1 x 330Ω R4 1 x 560Ω R3 • 1 x 1mF Kondensator C1 K. 1 K.1 D1 LED R2 R4 330 15k R1 C1 1000u R5 120k V1 12Vdc 0 Q1 K. 2 K.2 LED rot Q2 4.7k R3 560 Sensor Output 0 Abbildung 65 Aufbau des Regensensors in Pspice Seite 76 von 132 Abbildung 66 Input & Output des Regensensors Seite 77 von 132 4.7.5 Die Sensorplatine Für diese 3 Sensoren (Regen, Feuchte und Füllstand) haben wir eine Sensorplatine entwickelt die über einen 64 Poligenstecker (ML64L) an eine Busplatine angeschlossen werden kann (siehe Abbildung 68). Die Sensoren sind auf einer Platine, mit den Maßen 16cm x 10cm und einer Kupferdicke von 35µm, untergebracht. Die Leiterbahnen verlaufen nur auf dem Bottomlayer. Oben auf dem Layout kann man sehr gut die Pins für den Anschlussstecker an die Busplatine erkennen. Auf der unteren Seite sind die Dioden angeordnet, die nachher aus der Frontblende des Gehäuses rausgucken und dort anzeigen, wo der momentane Wasserstand liegt, ob es regnet und ob genug Feuchtigkeit im Blumenkasten vorhanden ist (siehe Abbildung 69). Seite 78 von 132 Abbildung 67 Der Schaltplan der Sensorplatine in Eagle Seite 79 von 132 Abbildung 68 Layout der Sensorplatine in Eagle Seite 80 von 132 Abbildung 69 Bestückungsplan der Sensorplatine Seite 81 von 132 4.7.6 Partliste Part: C1R D1GRÜN D2GRÜN D3GELB D4ROT LEDFEUCHTE LEDREGEN MP+12V MPGND MPPUMPE MPREGEN MPUE1FÜLL MPUE2FÜLL MPUE3FÜLL MPUE4FÜLL MPUEFEUCHTE MPUEREGEN MPWISCHER R1F R1R R2F R2R R3F R3R R4F R4R R5F R5R R11 R12 R13 R14 R15 R21 R22 R23 R24 R25 R31 R32 R33 R34 R35 R41 R42 R43 Value: 470u LED3MM LED3MM LED3MM LED3MM LED3MM LED3MM LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 560k 15k 1M 120k 4.7k 4.7k 330 270 560 560 680k 1M 4.7k 330 390 680k 1M 4.7k 330 390 680k 1M 4.7k 330 560 680k 1M 4.7k Package: C050H075X075 LED3MM LED3MM LED3MM LED3MM LED3MM LED3MM LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 LSP13 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 Seite 82 von 132 Library: rcl led led led led led led solpad solpad solpad solpad solpad solpad solpad solpad solpad solpad solpad rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl R44 R45 SV1 T1F T1R T2F T2R T11 T12 T21 T22 T31 T32 T41 T42 4.8 4.8.1 330 560 BC547 BC547 BC547 BC547 BC547 BC547 BC547 BC547 BC547 BC547 BC547 BC547 0207/10 0207/10 ML64L TO92 TO92 TO92 TO92 TO92 TO92 TO92 TO92 TO92 TO92 TO92 TO92 rcl rcl con-ml transistor-npn transistor-npn transistor-npn transistor-npn transistor-npn transistor-npn transistor-npn transistor-npn transistor-npn transistor-npn transistor-npn transistor-npn Die Aktoren Aufgaben der Aktoren Die Aktoren ermöglichen dem intelligenten Fenster sich automatisch zu öffnen und zu schließen. Sowie automatisch die Helligkeit im Zimmer zu regeln, in dem es eine Jalousie ansteuert, die am Fenster angebracht ist. Des Weiteren muss das Fenster mit Hilfe einer Pumpe den Blumenkasten vor dem Fenster bewässern sowie das Fenster, um es nach dem Regen zu putzen. Für den Putzvorgang muss das Fenster eine Wischeranlage ansteuern. Um dies alles zu ermöglichen mussten Schaltungen entworfen werden, um den Motor für die Fensteröffnung, die Motoren für die Jalousie, den Motor für den Wischer und die Pumpe anzusteuern. 4.8.2 Die H-Brücke 4.8.2.1 Beschreibung und Aufbau der H-Brücke Die H- Brücke hat ihren Namen durch den Aufbau und ist wichtig als Richtungsgeber für den DC- Motor. In der Mitte der Schaltung wird der Motor angeschlossen (hier mit dem Widerstand R5 dargestellt). Da ein DC- Motor gleichzeitig ein Generator ist, soll durch die Dioden verhindert werden, dass der Rücklaufstrom die Transistoren zerstört. Abhängig davon ob im Transistor Q5 oder im Transistor Q6 ein Basisstrom anliegt, , werden jeweils die Transistor Q1 und Q4 angesteuert oder die Transistoren Q2 und Q3. D.h. der Motor dreht sich linksrum oder rechtsrum. Wenn sich der Motor z.B. rechtsrum dreht soll, wird an den Transistor Q5 ein Basisstrom angelegt. Der Basisstrom vom Q2N2222 sollte bei 10mA liegen, denn hier wird die höchste Wirkleistung erzielt. Wenn man nun den Q2N2222 mit 12V ansteuert, dann müssen man ein 1.2kOhm Widerstand vorschalten, weil R=U/I nach dem Ohmschen Gesetz ist. Wird die Basis vom Q5 mit einem Strom durchflossen, wird ein Kollektorstrom aus der Betriebsspannungsquelle gezogen. Hier ist aber noch der Q1 im Weg, der durch die Ansteuerung von Q5 ebenfalls angesteuert wird. Es ist zu beachten, das Q1 ein PNPTransistor ist und Q5 ein NPN- Transistor. Die Pfeile auf den Transistoren markieren den Emitter. Durch den Motor fließt also der Kollektorstrom von Q1 über Q4 zur Masse. Der Transistor Q4 wird mit dem Emitterstrom vom Q5 aktiviert. Die Transistoren arbeiten hier als Schalter, da der Basisstrom ein Gleichstrom ist und kein Wechselsignal. Seite 83 von 132 4.8.2.2 Masche Wenn wir nun einen Motor mit einem Innenwiderstand von 10 Ohm benutzen, die H- Brücke mit 12V betreiben und davon ausgehen das an den Transistoren ein KollektorEmitterspannung von 1.1 Volt abfallen soll, kommen beim Motor 9.8 Volt an, was man unten an den Ausgangssignalen gut erkennen kann. Das blaue Signal zeigt das Potential an der Basis von Q5. Motor FF 12V (PWM) REW 12V (PWM) Abbildung 70 Schaltplan der H-Brücke Seite 84 von 132 4.8.2.3 Ausgangssignale V Steuer V DC Motorkreis V Motor Abbildung 71 Simulation der H-Brücke 4.8.2.4 Ohmsches Gesetz Bei 10 Ohm für R5 (Innenwiderstand des Motors) und einer Betriebsspannung von 12 Volt fließt hier ein Strom von 1 Ampere. Dies ist etwas zu viel. Um den Motorstrom zu verringern, müsste man mit einer geringeren Betriebsspannung arbeiten oder den Motorwiderstand erhöhen. 4.8.3 PWM (Pulse Width Modulation) 4.8.3.1 Beschreibung und Aufbau der PWM Für die Geschwindigkeitsregelung des Motors benötigen wir ein Pulsweiten moduliertes Signal, d.h. der Motor wird langsamer, ohne das die Wirkleistung verringert wird. Wir verwenden hierfür drei OPVs. Der erste OPV wird mit einer Mitkopplung als SchmittTrigger geschaltet und wandelt die Gleichspannung mit der er betrieben wird in ein Rechtecksignal um. Das Rechtecksignal wird an den 2. OPV weitergegeben. Dieser wird mit einem Kondensator gegengekoppelt und als Integrator betrieben. Der Integrator erzeugt aus dem Rechtecksignal ein Sägezahnsignal, das an den 3. OPV übergeben wird. Der 3. OPV Seite 85 von 132 arbeitet als Komparator. Abhängig von der Spannung V4 erzeugt der Komparator das PWMSignal, was man unten am Ausgangssignaldiagramm sehr schön erkennen kann. Integrator Schmitt Trigger Komparator Abbildung 72 Schaltplan der PWM 4.8.3.2 Entstehung einer Pulsweitenmodulation Das Messdiagramm zeigt die Ausgangssignale der drei OPV`s. Das grüne Ausgangssignal liegt am Ausgang vom 1. OPV, dem Schmitt-Trigger und ist ein Rechtecksignal. Das blaue Ausgangssignal liegt am Ausgang vom 2. OPV, dem Integrator an und ist ein Sägezahnsignal. Das rote Ausgangssignal liegt am Ausgang vom 3. OPV, dem Komparator und ist unser gewünschtes PWM- Signal. Das gelbe Signal ist die Spannung V4 und beeinflusst die Breite vom PWM- Signal indem es die Sägezahnspannung in einer gewissen Höhe abschneidet. Die Höhe, und somit die Pulsweite, hängen wiederum von der Spannung V4 ab. Seite 86 von 132 V DC Steuer V Rechteck Schmitt V Dreieck Integrator PWM out Abbildung 73 Simulation der PWM 4.8.4 Jalousie Kippen 4.8.4.1 Beschreibung und Aufbau Im Bild unten dargestellt ist die Schaltung für die Ansteuerung des Motors, der die Jalousie vom intelligenten Fenster kippen soll. Die H- Brücke und der PW Modulator sind hierbei schon durch ICs ersetzt worden. Der IC NE555N liefert das PWM- Signal und geht auf Enable A vom IC L298. Wie man aber oben erkennen kann, liegt hier ein AND-Gatter zwischen den PIN Q vom NE555N und dem PIN Enable A vom L298. Diese AND- Gatter erlaubt dem PWM- Signal den L298 nur dann anzusteuern, wenn es das HIRN (Logische 1 – Kippen Enable) sagt. Das HIRN bestimmt auch die Richtung vom Motor. Das digitale- Signal zur Richtungsbestimmung kommt auf Input 1 oder Input 2. Kommt ein High Signal auf Input 1 des L298 dreht sich der Motor linksrum. Er dreht sich rechtsrum wenn ein High Signal auf Input 2 liegt. Der Inverter vermeidet, dass auf Input 1 und 2 gleichzeitig ein High Signal liegt, denn das würde den L298 Seite 87 von 132 zerstören. Die Transistoren arbeiten als Schalter. Transistoren schalten schneller ein als Sie abschalten. Deswegen mussten noch ein Verzögerungsglieder einbauen werden. Dieses Verzögerungsglied besteht aus einem Widerstand und einem Kondensator. Die Kapazität des Kondensators bestimmt die Verzögerungszeit. Es wird dadurch vermieden, dass beide Eingänge gleichzeitig angesteuert werden und ein Kurzschluss im L298 entsteht. Logik (Hirn Input) 1/0 enable/disable 1/0 in Richtung kippen Versorgungspannungen 5V + GND 12V + GND PWM Geschwindigkeitssteuerung Motor NE555N Timer Verzögerungsglied L298 H-Brücke Abbildung 74 Schaltplan für die Jalousie Kippen 4.8.4.2 Verzögerungszeit Die Verzögerungszeit berechnet sich wie folgt: T = C*R 4.8.4.3 Innenaufbau L298 Der IC L298 besteht aus zwei unabhängigen H- Brücken. Abhängig davon ob auf Enable A oder Enable B ein High Signal liegt wird die jeweilige H- Brücke aktiviert. Input 1 und 2 sowie Output 1 und 2 gehören zur ersten H- Brücke. Die weiteren gehören zur zweiten HBrücke. Der L298 benötigt zwei Spannungsversorgungen. Eine für die Logik und eine für den Motor. Auf PIN 9 kommen also 5V und auf PIN 4 kommen 12V. Da zwei verschiedene Versorgungsspannungen benutzen werden, braucht man auch zwei getrennte Massen. Auf PIN 1 und 15 kommt die 12V Masse. Auf PIN 8 kommt die 5V Masse. Die 100nF Kondensatoren greifen Störsignale ab. Seite 88 von 132 Abbildung 75 IC L298 4.8.4.4 Innenaufbau NE555N Abbildung 76 Innenaufbau des NE55N Seite 89 von 132 4.8.4.5 Beschaltung NE555N Der NE555N wird wie in Abbildung dargestellt geschaltet und liefert ein PWM- Signal. Abbildung 77 Beschaltung des NE555N Seite 90 von 132 4.8.5 Jalousie hoch/runter und Fenster auf/zu Diese Schaltung funktioniert im Prinzip wie Jalousie kippen. Die Logik ist hier komplexer, weil die Endabschalter die Spannungsversorgung der Motoren beeinflussen. In dieser Schaltung werden beide H- Brücken vom L298 genutzt Versorgungspannungen Logik Fenster 1/0 auf/zu 5V + GND 12V + GND Motoren PWM NE555N Timer L298 H-Brücke Logik Jalousie runter 1/0 runter/hoch Abschalter Abbildung 78 Schaltplan für Jalousie hoch/runter und Fenster auf/zu . Seite 91 von 132 4.8.6 Die Wischerschaltung & Pumpenschaltung 4.8.6.1 Die Wischerschaltung 4.8.6.1.1 Wischerlogik Die Aufgabe der Wischerlogik ist es, nach einem kurzen HIGH Signal von der Pumpe den Putzvorgang in Gang zu setzen, am oberen Ende des Fensters den Wischer umkehren zu lassen und schließlich den Vorgang auch wieder zu beenden. Für den Motor der Wischvorrichtung ist eine Ansteuerung der Richtung über eine H-Brücke nötig. Die Geschwindigkeit des Motors wird durch eine PWM geregelt. Die Wischerlogik teilt sich in zwei Bereiche: • • Die Steuerungslogik (Enable) Die Richtungslogik 4.8.6.1.2 Steuerungslogik Nachdem die Pumpe Wasser auf die Scheibe gepumpt hat, wird durch ein kurzes HIGH Signal ein RS-Flip-Flop auf Set gesetzt, wodurch Enable ein andauerndes HIGH Signal hat. Dieses wird zusammen mit dem PWM Signal über ein AND-Gatter in die H-Brücke gegeben und setzt den Motor für den Wischer in Gang. Beendet wird der Wischvorgang durch den Endabschalter, der durch eine Lichtschranke realisiert wird. Er gibt ein HIGH auf den Reset-Eingang des Flip-Flops und setzt Enable wieder auf LOW. Da die Wischvorrichtung in Ihrer Ausgangsposition ein dauerhaftes HIGH vom Endabschalter liefert, ergibt sich das Problem, dass das Flip-Flop in den verbotenen Zustand geraten könnte, dass an Set und Reset ein HIGH anliegt. Damit dieser Zustand sich nicht einstellt, wird mit Enable über ein RC-Glied ein verzögertes HIGH erzeugt. Erst dieses gibt zusammen mit dem Endabschalter durch ein AND-Gatter das Reset. Damit es kein erneutes Set in der Steuerungslogik, durch einen neuen Befehl zum Putzen vom Gehirn geben kann, wird das Enable Signal auch an die Pumpenlogik zurückgegeben. Siehe Abbildung 9 4.8.6.1.3 Richtungslogik Da der Wischer am oberen Ende des Fensters „umdrehen“ und wieder herunterfahren muss, wird eine Richtungslogik benötigt. Diese ist ebenfalls durch ein RS-Flip-Flop realisiert mit dessen Ausgangssignalen jeweils einer der beiden Eingänge der H-Brücke angesteuert wird. Seite 92 von 132 Sie arbeitet folgendermaßen, da im Ruhezustand der Endabschalter ein HIGH liefert, gibt dieses zusammen mit dem Pumpensignal, das den Putzvorgang aktiviert über ein AND-Gatter das Set. Dadurch liegt am Ausgang des Flip-Flops ein HIGH an. Dieses Gatter ist auch ein zusätzlicher Schutz des Flip-Flops in den verbotenen Zustand zu geraten. Das Reset wird durch eine Lichtschranke am oberen Ende des Fensters gegeben. Dieses lässt den Ausgang wieder auf LOW umschalten, wodurch der andere Eingang der H-Brücke angesteuert wird und der Motor der Wischvorrichtung die Richtung wechselt. Da das Umschalten des HBrücken ICs einen Moment dauert und das Sperren der einen Richtung einen Augenblick länger dauern kann als das Öffnen der anderen Richtung, könnte es zu einem Kurzschluss kommen. Darum sind auch an dem Ausgang des Flip-Flops RC-Glieder angebracht, wobei sich der Kondensator nach dem Laden zusammen mit dem Ausgangssignal in ein AND-Gatter entlädt und erst dann die Richtung umschaltet. Siehe Abbildung 9 im grünen Kasten „Richtungslogik“. Umgesetzt sind die Logikbausteine (AND-Gatter) durch den IC CD 4081 BE und die RS-Flip-Flops durch den IC HCF 4043 BF. Da der HCF 4043 nur einen Ausgang an jedem Flip-Flop hat, ist zusätzlich ein Inverter notwendig, der jeweils das Signal der Gegenrichtung gibt. Dieser ist in dem IC 74AS04 N enthalten. Als H-Brücke wird der IC L298 eingesetzt und als PWM der LM 555 N. 4.8.6.1.4 Aufbau und Simulation der Schaltung in PSpice Seite 93 von 132 Abbildung 79 Aufbau der Wischerschaltung in PSpice Seite 94 von 132 Abbildung 80 Simulation der Wischerschaltung in PSpice 4.8.6.2 Die Pumpe Seite 95 von 132 Abbildung 81 Schaltplan der Pumpenansteuerung in PSpice Die obige Schaltung soll eine Pumpe und ein elektrisches Ventil steuern. Es dient zur Bewässerung der Pflanzen im Blumenkasten vor dem Fenster bzw. zum Waschen des Fensters. Als Bewässerungssignal dient ein dauerhaftes digitales HIGH Signal (hier als eine Gleichspannungsquelle von 5V angegeben), d.h. solange dieses Signal vorhanden ist, wird gepumpt. Das Waschen des Fensters ist es ein wenig komplizierter, hier werden drei Signale benötigt. Ein kurzzeitiges HIGH Signal von 5V wird von der Steuerung gegeben wenn man den Wischvorgang aktivieren will. Ein weiteres HIGH Signal von 5V, welches dauerhaft anliegt solange genug Wasser vorhanden ist, bekommt die Schaltung von dem Füllstandsensor. Dies verhindert dass die Pumpe trocken läuft und kaputt geht. Seite 96 von 132 Als letztes kommt noch ein Signal von der Wischanlage dazu. Ist die Anlage im Betriebszustand sendet es ein konstantes HIGH Signal (5V). Erst wenn es inaktiv ist, soll gepumpt werden. Dies wird mit einem Inverter realisiert. Erst wenn diese drei Bedingungen eintreten, wird das dreifache AND-Gatter (U2) ein HIGH Signal ausgeben. Da vom Hirn ein kurzes, einmaliges Signal kommt und nur eine bestimmte Menge Wasser für eine bestimmte Zeit gepumpt wird, setzt man einen RS-Flip-Flop (U3 & U4) mit Zeitverzögerung ein. Durch den RS-Flip-Flop wird das kurze Signal in ein Langes umgewandelt. Das RC-Glied bestehend aus dem Kondensator C1 und dem Widerstand R1 setzen den RSFlip-Flop wieder auf Reset, d.h. es kommt kein Signale mehr durch. Durch Dimensionierung dieser Bauteile kann man die benötigte Zeit einstellen. Es sollte entweder bewässert oder gegossen werden, denn das E-Ventil hat ein Auf/Zu Aufbau, d.h. wenn es auf bewässert geschaltet ist, wird die andere Leitung geschlossen sein und umgekehrt. Dies wird mit dem XOR-Gatter (Antivalenz) realisiert. Die Pumpe ist dauerhaft auf 12V angelegt, aber erst wenn der Power MOSFET (M10), ein Selbstsperrender, n-kanal MOSFET, durchschaltet, wird gepumpt. Das gleiche Prinzip wird auf das Ventil angewendet. Es ist normalerweise auf Befeuchten/Wischen geschaltet, erst wenn es ein Signal bekommt, schaltet er auf Bewässerung, aber nur solange wie das Signal vorhanden ist. 4.8.6.2.1 Simulationsergebnisse aus PSpice Grün ist die abfallende Spannung über die Pumpe. Blau ist die 5V Spannung, die den Power MOSFET ansteuern soll, damit er das E-Ventil umschaltet. Gelb ist ebenfalls ein Steuerungssignal für ein Power MOSFET, aber hier für die Pumpe. Seite 97 von 132 Spannung über der Pumpe Spannung für E-Ventil (MOSFET) Spannung für Pumpe (MOSFET) Abbildung 82 Simulation der Bewässerung in PSpice Hier kann man schön sehen, dass nach einer Zeit die Spannung rasant abfällt. Da der RS-FlipFlop durch den Kondensator und den Widerstand auf Reset gesetzt wird. Hier ist allerdings ein Fehler in PSpice aufgetreten, die Spannung fällt auf 0V und nicht auf die angegebenen 1,3V. Die Spannung zur Steuerung des Ventils bleibt permanent auf 0V. Seite 98 von 132 Abbildung 83 Simulation des Putzvorgangs in PSpice 4.8.7 Die Wischer & Pumpe Platine Beide Schaltungen, die der Pumpe und die des Wischers sind auf einer Platine, mit den Maßen BxH 16cm x 10cm und einer Kupferdicke von 35µm, untergebracht. Die Leiterbahnen Seite 99 von 132 der Platine befinden sich auf dem Top- und Bottomlayer. Auf den breiten Leiterbahnen fließt der Strom für die H-Brücke. Auf der Platine sind verschiedene ICs vorhanden: IC H-Brücke PWM XOR AND Inverter Flip Flop OR Bezeichnung L 298 LM555N CD 4030 A CD 4081 A CD 6069 B CD 4043 A CD 4071 B Die Platine befindet sich in einem externen Gehäuse für die Aktoren. Seite 100 von 132 Abbildung 84 Schaltplan der Wischer & Pumpeplatine in Eagle Seite 101 von 132 Abbildung 85 Abbildung des Toplayer der Platine Abbildung 86 Abbildung des Bottomlayer der Platine Seite 102 von 132 . 5 Gruppe 4 – Sensorik Betreuer: • 5.1 Kathleen Jerchel Teilnehmer: • • • • • • André Wolf (ET) Elyane Charline Nwokam Chimi (ET) Hayam Taleb (ET) Johannes Brombach (ET) Kilian Moser (ET) Oleg Zeiter (ET) Aufgaben der Gruppe Die Gruppe Sensorik hat die Aufgabe, einige Sensoren zu entwickeln, die die Umgebung des Fensters analysieren. Diese Sensoren sind: • • • • Lärmsensor Luftgütesensor Temperatursensor Alarmsensor Die von den Sensoren ermittelten Werte, können dann interpretiert und weiterverarbeitet, und dann analog oder digital zur Steuerungsgruppe weitergeben werden. Der Alarmsensor wurde von Gruppe 1 übernommen. 5.2 5.2.1 Der Lärmsensor Aufgabe Der Lärmsensor soll die Umgebung auf Lärm untersuchen und dann ein digitales Ausgangssignal liefern. Dabei stellte sich das Problem, was eigentlich Lärm bedeuten soll. Für uns bedeutet Lärm keine kurzzeitige Störung, sondern ein über längere Zeit andauerndes Geräusch mit einer bestimmten Lautstärke. Ein kurzzeitiges Hupen eines Autos soll also nicht sofort zum Schließen des Fensters führen. 5.2.2 Idee Klar war am Anfang für uns, dass wir bei diesem Sensor ein Mikrofon benötigen. Das größte Kopfzerbrechen aber bereitete uns die Definition von Lärm. Da 80 dB einem starken Verkehrslärm entsprechen, sollte dieser Wert als Grundlage unserer Berechnungen dienen. Seite 103 von 132 Die Umgebung soll über eine gewisse Zeit analysiert werden, es stellte sich also die Frage, wie man über diese Zeit einen Mittelwert bilden kann. Wir entschieden uns für eine Integratorschaltung. Um die Mittelwertbildung mit einem Integrator realisieren zu können, muss das Signal vorher gleichgerichtet werden. Dies ist nötig, da sich bei Integration eines Wechselsignals die positiven und negativen Flächen aufheben. Der Zweiweg-Gleichrichter würde 2 x 0.7V (2 Dioden) Spannungsverlust bedeuten, weswegen wir uns für einen Einweg-Gleichrichter entschieden haben, an dem dann an einer Diode 0.7V abfällt. Die digitale Ausgabe soll mit einem Schmitt-Trigger realisiert werden. Dieser schaltet, sobald eine bestimmte Spannung über- bzw. unterschritten wird. Da das Signal des Mikrofons zu klein ist, um über die 0.7V des Gleichrichters zu kommen, muss es vorher verstärkt werden. Das Mikrofon ist für die hörbaren Frequenzen empfindlich, so dass unser vorher geplanter Bandpass wegfällt. 5.2.3 Ergebnis Unser Lärmsensor soll also folgendermaßen aufgebaut werden: Abbildung 87 Blockschaltbild des Lärmsensors 5.2.4 Die Gesamtschaltung und Simulation in PSpice Am Ende der Gesamtschaltung (Abbildung 88) wird ein Schmitt-Trigger geschaltet (Abbildung 89), der ein digitales Ausgangssignal liefert. Seite 104 von 132 Abbildung 88 Gesamtschaltung Teil 1 Abbildung 89 Teil2, Schmitt-Trigger Seite 105 von 132 Abbildung 90 Simulation ohne Schmitt-Trigger: grün: Eingang; rot: Verstärkung; blau: Gleichrichtung; gelb: Integration; lila: Ausgang Seite 106 von 132 Abbildung 91 Simulation des Schmitt-Triggers: grün: Eingang; rot: Ausgang 5.2.4.1 Das Mikrofon Das benutzte Mikrofon ist ein Elektret-Kondensatormikrofon mit einer Empfindlichkeit von 5,6mV/Pa. Es benötigt eine Versorgungsspannung von 1-10V. Der Innenwiderstand beträgt 2kOhm und der Vorwiderstand 2,2kOhm. Der Koppelkondensator soll zwischen 0,1µF und 4,7µF groß sein. Da die effektive elektrische Wechselspannung am Ausgang des Mikrofons bei 0.1Pa die Empfindlichkeit ist, entspricht 80 dB bei uns 1,69mV: P 80dB = 20 ⋅ log P0 mit der Konstanten P0 = 20 µPa ⇒ P = 0,2 Pa mit Mikrofonempfindlichkeit: 0,2 Pa ⋅ 5,6mV = 1,12mV 1Pa Da die Empfindlichkeit als Effektivwert angegeben wird, muss das bisherige Ergebnis mit 2 multipliziert werden: 1,12mV ⋅ 2 = 1,69mV nach 2000-facher Verstärkung: 3,38V mit Spannungsabfall an Diode: 3,38V − 0,7V = 2,68V 5.2.4.2 Verstärker Der Verstärker soll das kleine Eingangssignal im mV-Bereich verstärken, so dass es nicht von der Diode des Gleichrichters gesperrt wird. Es handelt sich hier um einen invertierenden Verstärker. Seite 107 von 132 Die Verstärkung des invertierenden Verstärkers: v = − Ua R =− 2 Ue Rges mit R ges = 2,2kΩ und R2 = 2,2megΩ Verstärkung v = − 2,2kΩ = − 1000 2,2megΩ 5.2.4.3 Einweg-Gleichrichter Der Einweg-Gleichrichter richtet das ankommende Signal gleich, damit man es integrieren kann. 5.2.4.4 Integrator Der Integrator soll über 2 Minuten integrieren. Es handelt sich hier um einen invertierenden Integrator. 1 1 Die Zeitkonstante berechnet sich durch: τ = = = 121s R4 ⋅ C 82Ω ⋅100 µF 5.2.4.5 Schmitt-Trigger Da 80 dB schon sehr störend sind, haben wir die Schaltgrenze für den Schmitt-Trigger etwas heruntergesetzt: UEIN= 2.5V UAUS= 2.3V Bei 2.5V soll also der Schmitt-Trigger ein „Ja, es ist Lärm“ ausgeben. Sinkt die Spannung auf 2.3V ab, soll wieder ein „nein“ ausgegeben werden. Berechnungen: UEIN = 2.5V UAUS = 2.3V USATN = 0.1837V USATP = 4.82V UB = 5V R8 = 10kOhm R9 = 10kOhm R7 = Uv = R10 = minimaler Ausgang, „nein“ maximaler Ausgang, „ja“ Versorgungsspannung (U ein − U aus ) ⋅ R2 (2,5V − 2,3V ) ⋅10kΩ = = 431Ω U satp − U satn 4,82V − 0,1837V U ein ⋅ U satp − U aus ⋅ U satn U satp − U satn + U ein − U aus = 2,5 ⋅ 4,82 − 2,3 ⋅ 0,1837 = 2,4V 4,82 − 0,1837 + 2,5 − 2,3 U v ⋅ R3 2,4V *10kΩ = = 9,25kΩ U B −U v 5V − 2,4V Seite 108 von 132 5.2.5 Schematic Seite 109 von 132 Abbildung 92 Schaltplan des Lärmsensors in Eagle Seite 110 von 132 5.2.6 Board Abbildung 93 Bottom-Layer Abbildung 94 Top-Layer Abbildung 95 Bestückungsplan Seite 111 von 132 5.2.7 Stückliste Bauteile C1 C2 C3 D1 IC1 IC2 IC3 IC4 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R12 SV1 5.2.8 Werte 100µF 100µF 4,7µF 1N4004 LM324N LF351N LF351N uA741P (Poti) (Poti) (Poti) (Poti) 10Ω 2,2megΩ 82Ω 82Ω 10kΩ 20kΩ 431Ω 10kΩ 10kΩ 9,25kΩ 2,2kΩ Stecker C025-024X044 C025-024X044 C025-024X044 DO41-10 DIL14 DIL08 DIL08 DIL08 CA14H CA14H 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 CA14H 0207/10 0207/10 CA14H 0207/10 MA10-2 Schlussbemerkung Die Schaltung hat im Testaufbau funktioniert, nicht aber nach der Bestückung auf der Platine. Leider konnte der Fehler aus Zeitgründen nicht mehr gefunden werden. Die Gruppenarbeit bei uns verlief gut, wenn auch manchmal etwas hektisch, was sich aber bei einer größeren Gruppe wohl kaum vermeiden lässt. Seite 112 von 132 5.3 Luftgütesensor 5.3.1 Protel Blockschaltbild Abbildung 96 Blockschaltbild des Luftgütesensors Der Linke Kasten symbolisiert den Sensor. Der in der Mitte ist die Verstärker und Schmitt-Trigger Schaltung. Dieser Teil bereitet das Signal auf und misst es. Wenn die Gaskonzentration über einen eingestellten Wert steigt gibt die Schaltung ein digitales 5V Signal aus. Ganz rechts ist die Stromversorgung für die Messschaltung und die Heizung im Sensor zu sehen. 5.3.2 Der Gassensor und das Messprinzip Gassensoren sind erst seit den 60-er Jahren auf dem Markt. Der Effekt wurde zum ersten Mal 1953 mit Germanium und Heiland 1954 mit Zinkoxid beschrieben. Basismaterialien für die Detektorschicht sind hier meist nleitende Metalloxide. Der Effekt beruht auf der reversiblen Oxidation bzw. Reduktion des zu messenden Gases an der Oberfläche. Die verwendeten Halbleiter haben alle einen sehr hohen Bandabstand, deshalb müssen die Sensoren zum Betrieb aufgeheizt werden. Je nach Material und zu messendem Gas sind 120° bis 600° erforderlich, damit gute Eigenleitfähigkeit einsetzt. Treten nun oxidierbare Gase wie z.B. Methan, CO mit der Oberfläche des Sensors in Kontakt, so findet unter Verbrauch der Sauerstoffmoleküle eine Verbrennung statt. Die Oxidationsprodukte Kohlendioxid und Wasserdampf werden nicht gebunden und lösen sich ab. Bei diesem Vorgang werden die Elektronen wieder an das Leitungsband des Halbleiters zurückgegeben, es entsteht eine Erhöhung der Ladungsträgerdichte n. 5.3.3 PSpice „Student“ Schaltungsaufbau und Schaltungssimulation Folgende Eigenschaften werden von der Schaltung erwartet: a. Die Messung soll weitestgehend unabhängig von der Qualität der Versorgungsspannung sein. b. Der Stromverbrauch der Schaltung soll möglicht minimal sein. c. Die Schaltschwelle soll einstellbar sein. d. Im Schaltbereich soll kein Flackern auftreten Seite 113 von 132 Um all diesen Anforderungen gerecht zu werden wurde die Schaltung wie folgt konzipiert: Ein Spannungsregler liefert eine Konstantspannung von 5V ±2% bei einer Eingangsspannung von 7-40V. Somit ist sichergestellt, dass auch bei Schwankungen im Versorgungsnetz eine korrekte Messung zustande kommt. Die Messung wird mit Hilfe einer Messbrücke in Kombination mit einem OPV (SchmittTrigger mit Hysterese) realisiert (siehe rosa Markierung). Am negativen Eingang des OPV liegt die einstellbare Schwellenspannung von ~2,5V an. Sobald die Spannung im SensorSpannungsteiler diese ~2,5V überschreitet, schaltet der OPV durch und am Ausgang liegen 5V an. Die jeweiligen Spannungsteiler haben einen Gesamtwiderstand von ~90kOhm. Dies entspricht bei den anliegenden 5V einem Mess-Strom von nur (I=U/R) 555nA. Dies sorgt für optimale Messgenauigkeit und einen minimalen Stromverbrauch. Der Widerstand R4 sorgt für die Hysterese in der Schaltung und verhindert somit Flackern im Schaltbereich. Die beiden Leuchtdioden informieren über den Status der Schaltung. Grün bedeutet, dass alles OK ist und die Schaltung messbereit ist. Die Rote LED leuchtet wenn die Gaskonzentration über dem eingestellten Limit liegt und der OPV ein Ausgangssignal ausgibt. Abbildung 97 Schaltplan des Lufgütesensors U14: Spannungsregler um eine sehr stabile und präzise Messspannung zu liefern D7, D8: Statusdioden R5: Heizung im Sensor R_Sensor: Der Sensor stellt einen variablen Widerstand von 10k-90kOhm dar. R3, R5: Stellen die Schaltschwelle und die Empfindlichkeit des Sensors ein 5.3.4 Grafische Auswertung Seite 114 von 132 Graph 1 Graph 2 Graph 3 Abbildung 98 Simulation des Luftgütesensors Die Pinke Gerade stellt die Referenzspannung am negativen OPV Eingang da. Wenn die grüne Mess-Spannung des Sensors über die Referenzspannung steigt schaltet der OPV durch und es liegt die rote Spannung am Ausgang des OPV an. Man sieht auch, dass der OPV technisch bedingt nicht ganz 5V liefert wenn er durchschaltet. Dies spielt aber bei unseren Anforderungen keine Rolle. Abbildung 99 Der Testaufbau hat die Dimensionierung bestätigt und gibt grünes Licht für das Platinendesign. 5.3.5 Schema mit EAGLE 4.14 erstellt Seite 115 von 132 Abbildung 100 Schaltplan des Luftgütesensor in Eagle Die Schaltung aus der PSpice Simulation wurde komplett übernommen und durch zwei Komponenten erweitert. Es ist ein Stiftleisten-Stecker (Abb. 98, oben rechts) hinzugekommen und 3 Pins für eine externe LED-Statusanzeige. Das Layout wurde mit Eagle 4.14 erstellt. Das Rastermaß beträgt 2,54mm. Seite 116 von 132 5.3.6 Platinenfertigung Die Platinen werden mit EAGLE erstellt. Aus dem Schema wird ein Layout gefertigt und die Layouts für beiden Seiten ausgedruckt: Abbildung 101 Bottomlayer Abbildung 102 Toplayer Diese werden auf eine dual Layer Platine belichtet und anschließende geätzt. Zum dem angewandten Ätzvorgang siehe auch das Referat „Ätzen mit Andre“. 5.3.7 Platine gebohrt und bestückt Beim Bohren der Platine ist darauf zu achten, dass erst alles mit einem 0,3-0,4mm Bohrer gebohrt wird und dann die Bohrungen für den Spannungsregler und die Stiftleisten vorsichtig mit einem 1mm Bohrer nachzubohren sind. 5.3.8 Bestückungsplan Seite 117 von 132 Abbildung 103 Bestückungsplan des Gassensors Bauteil OPV Spannungsregler Platine LED LED C Sensor Spindelpotis R R Stiftleiste Modell Anzahl LM324 1 L78S00 1 80x60 mm 1 3mm rot 1 3mm grün 2 0,33uF 1 TGS 2600 1 10k-90k 2 480 2 120 2 male 20pin 1 Seite 118 von 132 Pin 1 2 … 17 18 19 20 Pinbelegung Signal PS GND 12V PS +12V … -Sen_V +Sen_V Signal +5V Signal GND 5.4 5.4.1 Temperatursensor Einleitung Der Auftrag war es Anfangs Ideen zu sammeln um, einen Temperatursensor zu entwickeln, der für unsere Aufgabe, der Steuerung eines Fensters und das automatische Gießen von Blumen, die notwendigen Daten liefert. Zur Debatte standen verschiedene Möglichkeiten. Erstens ein fertiger, digitaler Sensor, der über eine von uns gebaute Logik auch noch ein Max/ Min Wert hätte speichern können, sowie die Temperatur hätte digital anzeigen können. Zweitens ein analoger Sensor, der ein digitales Steuerungsbit bei einer „Schalttemperatur“ ausgibt oder drittens ein analoger Sensor, der eine analoge Spannung ausgibt. Die digitale Version wurde verworfen, da wir mit Analogtechnik arbeiten sollten. Auch das Ausgeben eines fertigen Steuerbits wurde verworfen, da es mehrere Schwelltemperaturen geben sollte und es einfacher erschien, eine analoge Spannung zu bestimmten Temperaturen zu erzeugen und diese von dem Steuerwerk verarbeiten zu lassen. So ist auch die Modularität erhalten geblieben, da nun eine Spannung auf unserem Bus lag und jeder diese verarbeiten konnte. 5.4.2 Aufgabe Aufgabenstellung war also für einen Temperaturbereich von 0° bis 30° eine Spannung von 0V bis 10V auszugeben. 5.4.3 Realisierung Wir entschieden uns für einen preiswerten Halbleiter Temperatursensor vom Typ KT100/TO92, der in unserem Temperaturbereich ein Widerstand von etwa 1600 Ohm bis 2200 Ohm (annähernd linear) liefert. Um eine Aufheizung des Sensors zu vermeiden und unseren Stromverbrauch zu minimieren (Es Stand auch noch ein Batterie/ Solar Betrieb zur Debatte) entschieden wir uns für einen Maximalstrom durch den Sensor von 0,5 mA. Um nun eine Spannung zu bekommen, gab es 2 Möglichkeiten. Eine gesteuerte Stromquelle so dass am Temperaturwiderstand eine variable Spannung abfällt oder das klassische Prinzip des Spannungsteilers. Da wir aber die Spannung von 0 bis 10 V erzeugen sollten, fiel das Prinzip der Stromquelle weg, da dort immer eine Spannung am Widerstand abfällt und 0V nicht so einfach realisierbar sind. Mit Widerständen in Reihe und einer Positiven und Negativen Betriebsspannung konnten wir aber genau einen Anfangspegel von 0 V festlegen. Da wir den Strom begrenzen wollten und eine Spannung von 0V bis 10 V ausgeben sollten, war klar, dass wir nicht ohne Verstärkung auskommen würden ohne einen viel zu hohen Strom zu verwenden. (bei 2 mal 1600 Ohm auf 24 V Potentialdifferenz würden ca. 8mA Maximalstrom bedeuten) Wir entschieden uns die Spannung des Spannungsteilers auch noch zu stabilisieren, da eine leichte Schwankung auf einer der Versorgungsleitungen durch die Verstärkung eine große Änderung der Ausgangsspannung bewirken würde. So hatten wir eine Betriebsspannung des Teilers von +- 5V festgelegt (bei 12 V Eingang mit Spannungsstabilisiererbaustein), wodurch wir inkl. Sensor 3 Widerstände in Reihe schalten mussten, um in der Mitte 0V bei 0° abzugreifen konnten. Da wir nun Betriebsspannung und Maximalstrom hatten, war auch der Ausgangsspannungsbereich errechenbar: Rges = Udiff/ Imax = 10V/ 0,5mA = 20kΩ R3 = (R5 + RSensor) = Rges/ 2 = 10kΩ R5 = R3 – RSensor =8,4kΩ Imin (bei RSensor = 2200Ω) = Udiff / Rges/max =10V / 20600Ω = 0.48544mA UEmax = (R5 +RSensormax)* Imin -5V= 0,1456V Seite 119 von 132 So hatten wir einen Spannungsbereich von 0V- 0,1456V in unserem Temperaturbereich. Auch eine erforderliche Verstärkung war nun berechenbar. 0,1456V * v = 10V (v ist Verstärkung) v ≈ 70 Da wir die Linearität erhalten wollten und die Ausgangsspannung fast der Betriebsspannung entsprach, entschieden wir uns die Verstärkung über ein OPV in Elektrometerverstärker Schaltung zu realisieren. Durch den hohen Eingangswiderstand eines OPVs wird unser Spannungsteiler kaum belastet und wir erreichen eine positive, lineare Verstärkung. Um nun auch die Verstärkung und den Pegel des Spannungsteilers nachregeln zu können, wurden noch je ein Potentiometer im Spannungsteiler und eines bei der Rückkoppelung eingebaut. Da wir 2 Sensoren hatten, wurden auch 2 Spannungsteiler benötigt und auch 2 Verstärker. So wurde folgender Schaltplan erstellt. 5.4.4 Schaltplan mit Eagle Abbildung 104 Schaltplan des Temperatursensors Anmerkung: Der Schaltplan ist aus gründen der Übersicht ohne Stecker und mit den beiden Sensoren dargestellt. 5.4.5 Simulation der Sensorschaltung Simulation mit Simplorer ohne die Spannungsstabilisierung und dem Ersetzen des Temperatursensors durch einen veränderlichen Widerstandes: Seite 120 von 132 14 N0034.V [V] 12 10 8 6 R1 E2 R5 R4 + 4 - OPV51 R 2 tY 0 RVar -2 0 E1 0.2 0.4 0.6 0.8 R3 0.18 N0040.V [V] 0.15 0.13 0.1 75m 50m 25m 0 -25m -40m 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 t [s] Abbildung 105 Simulationsergebnisse des Temperatursensors mit Simplorer 5.4.6 Layout Die Sensorauswertung fand auf einer 6 mal 8 cm großen singel Layer Platine statt, die per Stecker auf unsere Hauptplatine gesteckt wurde. So wurde kein Platz verschwendet und wir haben eine maximal mögliche Modularität gewahrt…. Seite 121 von 132 1 t [s] Abbildung 106 Bottom Layer des Temperatursensors 5.4.7 Bauteilliste Part Device Package Library Wert C1 C2 C3 C4 IC1 IC2 IC3 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 SV1 Temp1 Temp2 CPOL-EUE22-6AXIAL CPOL-EUE22-6AXIAL CPOL-EUE22-6AXIAL CPOL-EUE22-6AXIAL 7805T 7805T LM324N R-EU_0207/12 R-EU_0207/12 R-EU_0207/12 R-EU_0207/12 R-TRIMM74W R-TRIMM74W R-TRIMM74W R-TRIMM74W MA10-2 KT100/TO92 KT100/TO92 E22-6 E22-6 E22-6 E22-6 TO220H TO220H DIL14 0207/12 0207/12 0207/12 0207/12 RTRIM74W RTRIM74W RTRIM74W RTRIM74W con-lstb 1 rcl rcl rcl rcl linear linear linear rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl 2.2µF 1 µF 1 µF 2.2 µF Stabilisierung 5V Stabilisierung -5V die 4 OPVs 10k 10k 10k 10k 10k 10k 1M 1M Stecker 1600Ω- 2200Ω 1600Ω- 2200Ω Seite 122 von 132 5.4.8 Bestückungsplan Die Sensoren sind nicht auf der Platine und werden daher über den Bus und den Stecker in die Schaltung integriert. Abbildung 107 Bestückungsplan des Temperatursensors Seite 123 von 132 5.5 5.5.1 Hauptplatinen der Sensorgruppe Einleitung Um Platz zu sparen und eine hohe Modularität zu wahren, haben wir uns entschlossen, die Sensorauswertung der einzelnen Gruppen auf kleine 6 mal 8 cm Platinen zu bannen und immer 2 von diesen auf spezielle Hauptplatinen zu stecken, die in unser Rack geschoben werden. Die Bauteile und der Stecker sind bei beiden Platinen auf der Top Seite, sodass die Pinbelegung der kleinen Platinen gegenüber der Großen in horizontaler Richtung gespiegelt werden musste und die Bauteile nicht zu sehen sind, da sie zwischen großer und kleiner Platine sind. Als Verbindung haben wir einen 20 Pol Stecker verwendet der uns genügend Pins und auch genügend mechanische Stabilität liefert, so dass nach dem Aufstecken die kleinen Platinen nicht weiter fixiert werden mussten. 5.5.2 Schaltpläne der Hauptplatinen Abbildung 108 Hauptplatine Temperatur/ Alarm Seite 124 von 132 Abbildung 109 Hauptplatine Stunk/ Lärm 5.5.3 Layouts Abbildung 110 Hauptplatine Alarm/Temperatur Toplayer Seite 125 von 132 Abbildung 111 Hauptplatine Alarm/Temperatur Bottomlayer Hauptplatine Lärm/ Stunk Top- Layer (kann ggf. weggelassen und durch Brücke ersetzt werden) Abbildung 112 Hauptplatine Lärm/Stunk Bottomlayer Seite 126 von 132 5.5.4 Bestückungsplan Abbildung 113 Hauptplatine Alarm/Temperatur Abbildung 114 Hauptplatine Lärm/Stunk Seite 127 von 132 5.5.5 Stückliste Beide Hauptplatinen (2x): Part Device Package Library Beschreibung SV1 SV2 SV3 ML64L FE10-2 FE10-2 ML64L FE10-2 FE10-2 con-ml con-lsta con-lsta 64 Pol Busstecker 20 Pol Stecker Weibchen 20 Pol Stecker Weibchen 5.5.6 Probleme Das Ätzen bereitete uns so einige Schwierigkeiten. Beim ersten Ätzen haben wir bemerkt, dass der Drucker zu ungenau war und daher von den Masseflächen kaum etwas übrig blieb.Bei der Platine des Temperatursensors haben wir die Folie spiegelverkehrt befestigt. Dazu kam, dass wir die Platinen zu lange entwickelt haben. Wir mussten somit noch einmal ätzen. Diesmal waren die Platinen zufrieden stellend, wobei wir jedoch kleinere Korrekturen vornehmen mussten. Z.B. war beim Lärmsensor eine Leiterbahn unterbrochen, sodass wir hier mit Lötzinn nachhelfen mussten. 5.5.7 Soziale Kompetenzen Die Zusammenarbeit ist uns gut gelungen. Es war kein Problem auch mit Leuten die man noch nicht kannte ein angenehmes Arbeitsumfeld zu schaffen. Bei Problemen und Fragen war ständig Hilfe zu bekommen, was bei dem teilweisen Wissenstandgefälle sehr wichtig war. Als leicht negativen Aspekt lässt sich sagen, dass bei dem Ein oder Anderen das Engagement zu wünschen übrig ließe, aber durch das gekonnte Eingreifen der Betreuungsperson (Kathleen) konnte auch hier schnell Abhilfe geschafft werden. Ein Dank geht auch an Kathleen, die sich unermüdlich für einen Erfolg des Projektes eingesetzt hat und uns ständig bei der Zeiteinteilung korrigiert hat. Seite 128 von 132 Abbildung 115 André und Kilian bei der Platinenherstellung Seite 129 von 132 6 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Christian Brose & Tino Kahl bei schwerer Denkarbeit ........................................ 8 Abbildung 2 Gesamtschaltung Fenster auf/zu & Putzen .......................................................10 Abbildung 4 Steckerbelegung für die Handsteuerung (Groß: Abbildung 10) .........................11 Abbildung 5 Schaltplan Putzen.............................................................................................12 Abbildung 6 Schaltplan Fenster auf/zu .................................................................................13 Abbildung 7 Alarmsensorschaltung ......................................................................................15 Abbildung 8 Simulation Alarmsensorschaltung .....................................................................16 Abbildung 9 Fenster auf/zu Schaltung ..................................................................................18 Abbildung 10 Putzen ............................................................................................................19 Abbildung 11 Alarmsensorschaltung ....................................................................................20 Abbildung 12 Layout Putzen und Fenster Auf/Zu Top...........................................................21 Abbildung 13 Layout Putzen und Fenster Auf/Zu Bottom .....................................................22 Abbildung 14 Layout Alarmsensor Top.................................................................................23 Abbildung 15 Bestückungsplan Alarmsensor........................................................................24 Abbildung 22 PSpice Schematic des Differenzverstärkers mit den auswertenden Komparatoren ...............................................................................................................30 Abbildung 23 PSpice Simulation...........................................................................................31 Abbildung 25 Foto der geätzten und bestückten Platine .......................................................33 Abbildung 26 Bestückungsplan ............................................................................................34 Abbildung 27 Schaltungslayout Bottom ................................................................................34 Abbildung 28 Schaltungslayout Top .....................................................................................35 Abbildung 29 Bussteckerbelegung Gießen & Alarm .............................................................38 Abbildung 30 Steckerbelegung Alarmvisualisierung ............................................................38 Abbildung 31 Schaltung Gießen ...........................................................................................39 Abbildung 32 Schaltplan Alarmvisualisierung .......................................................................40 Abbildung 33 Gießen & Alarm Schaltung..............................................................................41 Abbildung 34 Spannungsverlauf einer Einpulsmittelpunktschaltung .....................................45 Abbildung 35 B2-Brücke.......................................................................................................46 Abbildung 36 Funktion einer B2-Brücke ...............................................................................47 Abbildung 37 Spannungsverlauf mit und ohne Glättung .......................................................47 Abbildung 38 Glättungsschaltungen .....................................................................................48 Abbildung 39 Welligkeit bzw. Brummspannung ....................................................................48 Abbildung 40 Siebung ..........................................................................................................49 Abbildung 41 Beschaltung mit Z-Diode.................................................................................49 Abbildung 42 Arbeitskennlinie einer Z-Diode ........................................................................50 Abbildung 43 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode, Transistor und Widerständen ..............50 Abbildung 44 Beispiel für einen Spannungsregler mit Widerständen ....................................51 Abbildung 45 Beispiel für einen Spannungsregler mit Kondensatoren..................................51 Abbildung 46 Positiv-Spannungsregler.................................................................................52 Abbildung 47 Positiv-Spannungsregler und Negativ-Spannungsregler .................................52 Abbildung 48 Netzteilschaltung für die Operationsverstärker................................................53 Abbildung 49 Netzteilschaltung für die Motoren....................................................................55 Abbildung 50 Netzteilschaltung für die Sensoren..................................................................56 Abbildung 51 Platinenlayout oben ........................................................................................59 Abbildung 52 Platinenlayout unten .......................................................................................60 Abbildung 53 Schaltplan Netzteil ..........................................................................................61 Abbildung 54 OPV als Invertierer .........................................................................................63 Abbildung 55 nicht invertierender OPV.................................................................................63 Abbildung 56 OPV als Komparator .......................................................................................63 Abbildung 57 Schaltplan des Windsensors...........................................................................64 Abbildung 58 Schaltplan des Windsensors in Eagle .............................................................65 Abbildung 59 Layout der Windsensorplatine.........................................................................66 Abbildung 60 Schaltung des Lichtsensors ............................................................................68 Abbildung 61 Aufbau des Füllstandsensors in Pspice ..........................................................72 Seite 130 von 132 Abbildung 62 Input & Output des Füllstandsensors ..............................................................74 Abbildung 63 Aufbau des Feuchtigkeitssensors in Pspice ....................................................74 Abbildung 64 Input & Output des Feuchtigkeitssensors........................................................75 Abbildung 65 Aufbau des Regensensors in Pspice ..............................................................76 Abbildung 66 Input & Output des Regensensors ..................................................................77 Abbildung 67 Der Schaltplan der Sensorplatine in Eagle......................................................79 Abbildung 68 Layout der Sensorplatine in Eagle ..................................................................80 Abbildung 69 Bestückungsplan der Sensorplatine................................................................81 Abbildung 70 Schaltplan der H-Brücke .................................................................................84 Abbildung 71 Simulation der H-Brücke .................................................................................85 Abbildung 72 Schaltplan der PWM .......................................................................................86 Abbildung 73 Simulation der PWM .......................................................................................87 Abbildung 74 Schaltplan für die Jalousie Kippen ..................................................................88 Abbildung 75 IC L298...........................................................................................................89 Abbildung 76 Innenaufbau des NE55N.................................................................................89 Abbildung 77 Beschaltung des NE555N...............................................................................90 Abbildung 78 Schaltplan für Jalousie hoch/runter und Fenster auf/zu...................................91 Abbildung 79 Aufbau der Wischerschaltung in PSpice .........................................................94 Abbildung 80 Simulation der Wischerschaltung in PSpice ....................................................95 Abbildung 81 Schaltplan der Pumpenansteuerung in PSpice ...............................................96 Abbildung 82 Simulation der Bewässerung in PSpice...........................................................98 Abbildung 83 Simulation des Putzvorgangs in PSpice..........................................................99 Abbildung 84 Schaltplan der Wischer & Pumpeplatine in Eagle .........................................101 Abbildung 85 Abbildung des Toplayer der Platine ..............................................................102 Abbildung 86 Abbildung des Bottomlayer der Platine .........................................................102 Abbildung 87 Blockschaltbild des Lärmsensors..................................................................104 Abbildung 88 Gesamtschaltung Teil 1 ................................................................................105 Abbildung 89 Teil2, Schmitt-Trigger....................................................................................105 Abbildung 90 Simulation ohne Schmitt-Trigger: ..................................................................106 Abbildung 91 Simulation des Schmitt-Triggers: grün: Eingang; rot: Ausgang .....................107 Abbildung 92 Schaltplan des Lärmsensors in Eagle ...........................................................110 Abbildung 93 Bottom-Layer ................................................................................................111 Abbildung 94 Top-Layer .....................................................................................................111 Abbildung 95 Bestückungsplan ..........................................................................................111 Abbildung 96 Blockschaltbild des Luftgütesensors .............................................................113 Abbildung 97 Schaltplan des Lufgütesensors .....................................................................114 Abbildung 98 Simulation des Luftgütesensors ....................................................................115 Abbildung 99 Der Testaufbau hat die Dimensionierung bestätigt und gibt grünes Licht für das Platinendesign.............................................................................................................115 Abbildung 100 Schaltplan des Luftgütesensor in Eagle ......................................................116 Abbildung 101 Bottomlayer ................................................................................................117 Abbildung 102 Toplayer......................................................................................................117 Abbildung 103 Bestückungsplan des Gassensors ..............................................................118 Abbildung 104 Schaltplan des Temperatursensors.............................................................120 Abbildung 105 Simulationsergebnisse des Temperatursensors mit Simplorer....................121 Abbildung 106 Bottom Layer des Temperatursensors ........................................................122 Abbildung 107 Bestückungsplan des Temperatursensors ..................................................123 Abbildung 108 Hauptplatine Temperatur/ Alarm .................................................................124 Abbildung 109 Hauptplatine Stunk/ Lärm............................................................................125 Abbildung 110 Hauptplatine Alarm/Temperatur Toplayer ...................................................125 Abbildung 111 Hauptplatine Alarm/Temperatur Bottomlayer ..............................................126 Abbildung 112 Hauptplatine Lärm/Stunk Bottomlayer........................................................126 Abbildung 113 Hauptplatine Alarm/Temperatur ..................................................................127 Abbildung 114 Hauptplatine Lärm/Stunk ............................................................................127 Abbildung 115 André und Kilian bei der Platinenherstellung...............................................129 Seite 131 von 132 7 Datenblätter Seite 132 von 132
