Projektarbeit 2014/2015 RGB - Wellnesslicht (Ferngesteuert) Bianca Grabher, Sigrid Neufeld & Britta Pech Inhalt 1 Betreuer und Projektarbeiter .......................................................................................... 3 2 Kurzbeschreibung .......................................................................................................... 4 3 Entstehung des Projektes ...............................................................................................5 4 5 6 3.1 Mindmap: ................................................................................................................5 3.2 Projektdaten ........................................................................................................... 6 3.2.1 Projektziele ...................................................................................................... 6 3.2.2 Arbeitsaufteilung .............................................................................................. 7 Allgemeines über den Einfluss von Farben ..................................................................... 8 4.1 Das Sehen ............................................................................................................... 8 4.2 Farbeinflüsse auf den Menschen ............................................................................. 9 4.3 Farbmodelle........................................................................................................... 10 4.3.1 RGB-Farbmodell ............................................................................................. 10 4.3.2 HSB-Farbmodell ............................................................................................. 10 Auswahl der Bauteile .................................................................................................... 12 5.1 RGB-LED................................................................................................................ 12 5.2 NCP5007 ................................................................................................................ 13 5.3 IR-Signal Auswertung ............................................................................................ 13 5.4 ATMEGA328P-AU.................................................................................................. 14 5.5 Stromversorgung ................................................................................................... 14 Aufbau und Auswahl des Sensor ................................................................................... 15 6.1 6.1.1 Auswahl .......................................................................................................... 15 6.1.2 Blockdiagramm .............................................................................................. 15 6.1.3 Beschaltung .................................................................................................... 16 6.2 7 Infrarot-Sensor ...................................................................................................... 15 Bluetooth-Sensor................................................................................................... 16 6.2.1 Auswahl .......................................................................................................... 16 6.2.2 Beschaltung .................................................................................................... 17 Hardware ...................................................................................................................... 17 7.1 Blockschaltbild ....................................................................................................... 17 7.2 Steuerungen .......................................................................................................... 18 7.3 Mikrocontroller ...................................................................................................... 18 7.3.1 Auswahl des Controllers ................................................................................. 18 1 8 7.3.2 Grundbeschaltung des Atmega328P-AU ........................................................ 19 7.3.3 Überblickstabelle Pinbelegung Atmega328P-AU ...........................................20 Softwares ...................................................................................................................... 21 8.1 Programme ............................................................................................................ 21 8.1.1 8.2 9 Codes der Tasten der Fernbedienung ............................................................. 21 Flussdiagramm ......................................................................................................22 Fertigungsunterlagen ................................................................................................... 33 9.1 10 10.1 Platinen – Schaltplan ............................................................................................. 33 Stückliste ................................................................................................................... 36 Kostenrechnung .................................................................................................... 37 11 Bibliotheken für Cadsoft Eagle .................................................................................. 37 12 Gehäuse und endgültige Realisierung ...................................................................... 40 12.1 Sockel .................................................................................................................... 41 12.2 Fertige Platine ....................................................................................................... 41 13 Prototypen ............................................................................................................... 42 14 Mögliche Erweiterungen ........................................................................................... 43 14.1 Verbesserung des Timers (Summen) ..................................................................... 43 14.2 Hardware Verbesserungen..................................................................................... 43 14.3 Software Verbesserungen...................................................................................... 43 14.4 App Verbesserungen.............................................................................................. 43 14.5 Erweiterungen ....................................................................................................... 43 15 Verwendung in der Praxis ......................................................................................... 44 15.1 Lichttherapien ...................................................................................................... 44 15.2 Wellnessbereich .................................................................................................... 44 15.3 Marketing ..............................................................................................................45 16 Gebrauchsanweisung ............................................................................................... 46 17 Zeitplan ..................................................................................................................... 47 18 Verwendete Programme ...........................................................................................50 18.1 Hardware ...............................................................................................................50 18.2 Software ................................................................................................................50 19 Quellen und Abbildungen ..........................................................................................50 19.1 Quellen ..................................................................................................................50 19.2 Abbildungen .......................................................................................................... 51 20 Anhänge ....................................................................................................................52 2 1 Betreuer und Projektarbeiter Betreuer: DI Karl-Wilhelm Baier Projekt Arbeiterinnen: Bianca Grabher: Klause 15, 4076 St.Marienkirchen [email protected] Sigrid Neufeld: Lerchenweg 20, 4203 Altenberg bei Linz [email protected] Britta Pech: Leumühle 77, 4070 Pupping [email protected] 3 2 Kurzbeschreibung Lichtfarben beeinflussen unser Befinden. Diese Beeinflussung wollen wir mit dem Wellnesslicht hervorrufen. Um die 24 – Bit Farbpallette also 16,7 Millionen Farben dazustellen, verwenden wir nur 4 RGB – LED’ s. Die Steuerung der RGB – LED‘ s, übernimmt der IC NP5007. Der IC NP5007 steuert die Helligkeit der LED‘ s, mittels eines Rhythmus über einen PWM-Eingang, Signal am Enable. Damit wir alle 16,7 Millionen Farben erhalten, verwenden wir das HSB – Modell. Das HSBModell definiert alle Farben mit Hilfe eines Farbkreises und unterscheidet grundsätzlich 360 verschiedene Farbtöne (Kreis = 360°). Auf diese Weise würden sich 23,6 Mio. Farben definieren lassen, also ein 32 – Bit Farbpalette. Damit sich das Wellnesslicht benutzerfreundlich bedienen lässt, verwenden wir eine gewöhnliche IR – Fernbedienung, die RC5 – Signale. Die RC5 – Signale empfangen wir mit dem IR-Receiver Modul TSOP31236 auf der Platine. Die Auswertung dieses Infrarotsignals, die Umrechnung der Fernbedienungseingabe in RGB – Werte und die Ausgabe der Signale übernimmt der Micro Controller Atmel ATmega328P – AU. Die Software wertet das Infrarotsignal der Fernbedienung aus und ändert die Werte für den Farbton. Sowohl um sie besser präsentieren zu können, als auch die Farben besser dazustellen, bauen wir die fertige Platine zum Schluss in eine Acrylglashalbkugel ein (deren Vorteil ist das diese leicht erhältlich ist). [vgl.:www.elektor-magazine.com; 2015; Martin Christoph] 4 3 Entstehung des Projektes Unser Interesse an diesem Projekt wurde durch den Vorschlag unseres Herrn Professor DI Karl-Wilhelm Baier geweckt. Wir haben uns über die Projektarbeit im Vorhinein informiert um zu entscheiden ob diese für uns in Frage käme. Bei unserer Recherche fanden wir heraus das verschiedene Lichtfarben den Menschen unterbewusst beeinflussen. Wir fanden diese Erkenntnis sehr interessant, da wir mithilfe des Wellnesslichtes die Empfindungen von Menschen teilweise steuern können. Aufgrund dessen haben wir beschlossen uns dieser Herausforderung zu stellen. 3.1 Mindmap: Abb.1: Mindmap 5 3.2 Projektdaten 3.2.1 Projektziele Ziel ist es ein Gerät zu bauen, welches durch Lichtfarbe, Helligkeit und Farbsättigung die Raumatmosphäre ändert. Diese Funktionen sollen mithilfe einer Infrarot-Fernbedienung oder einer App am Handy gesteuert werden. Die IR-Fernbedienung steuert mit dem HBS-Modell, welches drei Koordinaten verwendet um sich im Farbraum zurechtzufinden. Die Fernbedienung soll möglichst benutzerfreundlich und mit einem einprägsamen Farbschema programmiert werden, um selbst für Laien verständlich zu sein. Die App soll mit Hilfe von drei Buttons die Grundfarben einschalten können, außerdem soll die Helligkeit eingestellt werden können. Mit beiden Geräten soll man außerdem ein Demo-Programm auswählen können. 6 3.2.2 Arbeitsaufteilung 7 4 Allgemeines über den Einfluss von Farben 4.1 Das Sehen Der Mensch wird durch das Sehen von Farben und Formen stark beeinflusst. Unsere Augen vermitteln uns verschiedene Sehqualitäten, wie Helligkeit, Farbe, Beweglichkeit, Räumlichkeit und Gestalt. Die Netzhaut unserer Augen ist mit einer unendlichen Anzahl von Zäpfchen und Stäbchen besetzt, die für das Erkennen von Farbe und Helligkeit verantwortlich sind. Auf unserer Netzhaut liegen ca. 120 Millionen Stäbchen, diese sind für die Hell-DunkelWahrnehmung und den Kontrast verantwortlich. Für das Farbsehen sind die Zäpfchen verantwortlich, diese sind weniger lichtempfindlich und bei zu ungenügenden Lichtverhältnissen sehen wir daher nur in Grautönen. [vgl.: www.mikroskopieren.de; 2015] Bei den Zäpfchen werden drei Arten unterschieden. Die unterschiedlichen Wellenlängen, die von diesen Zäpfchen wahrgenommen werden, werden in unserem Gehirn Farben zugeordnet. Die Farben die wir „sehen“ hängen von der Spiralen-Wellenlänge des Lichts ab und werden von unterschiedlichen Zäpfchen absorbiert. L-Typ: lange Wellenlängen, 700nm; Farbe Rot. M-Typ: mittlere Wellenlänge, 546nm; Farbe Grün S-Typ: kurze Wellenlänge, 435nm; Farbe Blau [vgl.: behrns.de; 2015] Abb. 2: Farbwellenlänge 8 4.2 Farbeinflüsse auf den Menschen Farben beeinflussen unser Empfinden. Mit verschiedenen Farbtönen kann man unterschiedliche Gefühle des Menschen hervorrufen. Bei einem hohen Rotanteil wirkt ein Raum wärmer, weiße Räume wirken hingegen kühl und sachlich. Mit der passenden Hintergrundbeleuchtung kann man für die passende Atmosphäre sorgen. Weißes Tageslicht, mit einem leicht höheren bläulichen Farbton, hemmt die Produktion des Schlafhormons Melatonin, dies führt dazu, dass man wach und konzentriert ist. Orangefarbenes Licht hingegen regt den Stoffwechsel und somit den Appetit an und sollte daher im Essbereich des Hauses angewendet werden. [vgl.:www.elektor-magazine.com; 2015; Martin Christoph] Aber nicht nur im Haushalt können wir mit verschiedenen Farbtönen unser Befinden beeinflussen. Auch im Marketing wird heutzutage für die passende Beleuchtung gesorgt um unser Kaufverhalten zu beeinflussen. Nicht jedem ist jedoch bewusst, dass schon die kleinste farbliche Veränderung einen großen Einfluss haben kann. Studien zufolge ist bei 84,7% aller Konsumente die Farbwahl der Hauptgrund für den Kauf eines Artikels. Auch bei Anzeigen und Werbungen wird diese Technik angewandt. Bunte Texte werden um 42% häufiger gelesen als ein Text in Schwarzweiß. Auch der Wiedererkennungswert von Marken wird durch Farben erhöht. [vgl.: t3n.de; 2015; Kim Rixecker] 9 4.3 Farbmodelle Farbmodelle sind einfache Diagramme die einen Bereich von Farben definieren. Sie verwenden Werte um eine Farbe zu beschreiben und klassifizieren. [vgl.: www.deskshare.com; 2015] 4.3.1 RGB-Farbmodell Im RGB-Farbmodell ist jeder Farbe ein bestimmter RGB-Wert, also der RotGrünBlau-Wert, zugewiesen. Jeder dieser drei Farben ist ein Wert von 0 bis 28-1 = 255 zugeordnet, bei Weiß ist dieser Wert beispielsweise 255 255 255 und Schwarz hat den Wert 0 0 0. Computer verwenden dieses Modell um Farben darzustellen. [vgl.: www.deskshare.com; 2015] In den Werten die einer jeden Farbe zugeordnet sind, sind alle Informationen zur Farbe enthalten, ist aber für unsere Anwendung nicht geeignet. Man kann zwar von den Werten den ungefähren Farbton erkennen, allerdings sind weder die Helligkeit noch der Anteil von Schwarz und Weiß erkenntlich. [vgl.:www.elektor-magazine.com; 2015; Martin Christoph] 4.3.2 HSB-Farbmodell Da unsere Fernbedienung, mit der wir die RGB-Lampe steuern wollen, auf dem HSV-modell beruht, wollen wir in unserem Projekt mit dem HSB-Modell arbeiten, da dies dem HSVModell gleicht aber einfacher ist. Im HSB-Modell werden drei Koordinaten verwendet, um sich im Farbraum zurechtzufinden, sie können mit der IR-Fernbedienung eingestellt werden. [vgl.:www.elektor-magazine.com; 2015; Martin Christoph] 10 Farbton: Ist die Farbe, die von Objekten reflektiert bzw. absorbiert und mit einer Gradzahl zwischen 0° und 360° angegeben wird. Er wird meist mit dem Namen der Farbe bezeichnet; Rot(0°), Gelb(60°), Grün (120°), Blau(20°) Farbsättigung: Sie zeigt an wie kräftig die Farbe ist, wobei sie am äußersten Rand am kräftigsten (100%) und im Inneren am schwächsten (0%) ist. Die Sättigung nimmt hierbei von der Mitte zum Rand zu. Helligkeit: Gibt an, wie viel Weiß-/Schwarzanteil eine Farbe besitzt. Dieser Wert wird in Prozent angegeben, wobei Schwarz 0% und Weiß 100% hat. [vgl.: www.win-seminar.de; 2015] Abb. 3: HSB-Farbmodell 11 5 Auswahl der Bauteile 5.1 RGB-LED Da die meisten RGB-LED-Lampen den blauen Lichtanteil nicht gut genug wiedergeben, haben wir uns für eine neue MultiLED von Osram entschieden. Diese MultiLED, im 6-poligen SMD-Gehäuse, gibt das Blau mit 370mcd wieder und leuchtet daher deutlich heller als andere Mehr-Chip-LEDs. Für uns ist die größere Helligkeit erforderlich, da das menschliche Auge für Blau nicht empfindlich genug ist, um den Farbton bei geringer Helligkeit wahrzunehmen. Die MultiLED sorgt außerdem für einen satteren Farbeindruck und der RGB-Farbraum kann besser dargestellt werden. Außerdem besitzt die MultiLED LRTB G6TG-TU7-1+V7AW-36+ST7-68 drei unabhängig voneinander ansteuerbare LEDs. Für jede Farbe muss allerdings ein Boost-Wandler eingebaut werden um die vier LEDs in Serie schalten zu können. [vgl.:www.elektor-magazine.com; 2015; Martin Christoph] Abb. 4: Boost-Wandler 12 5.2 NCP5007 Für die Boost-Wandler die wir für das In-Serie schalten der LEDs verwenden wir einen NCP5007, da dieser bis zu fünf LEDs in Reihe treiben. Der NCP5007 ist billig und braucht nur fünf periphere Bauteile, die hauptsächlich zur Spannungskopplung verwendet werden. Der Strom der durch die LED-Kette fließt, wird durch den 10Ω-Widerstand am FB-Anschluss bestimmt. Am Enable-Eingang (EN) wird der IC im Rhythmus eines PWM-Signals ein- und ausgeschaltet. Abb. 5: NCP Pinbelegung 5.3 IR-Signal Auswertung Der TSOP31236, ein IR-Receiver Modul, wird zu Auswertung des Infrarotsignals der Fernbedienung verwendet. Er wandelt die Fernbedienungseingaben in RGB-Werte um und gibt diese an den Mikrocontroller weiter. Abb. 6: TSOP31236 13 5.4 ATMEGA328P-AU Der Mikrocontroller, ATMEGA328P-AU, übernimmt die Ausgabe der Signale, die ihm vom TSOP31236 übermittelt werden und gibt diese über die Hardware-PWM-Pins an die BoostWandler weiter. Wir verwenden einen Controller-Takt von 8MHz, dadurch kann der interne Oszillator verendet werden und die 5V-USB-Stromversorgung ist ausreichen um ihn zu betreiben. 5.5 Stromversorgung Die Stromversorgung des Gerätes erfolgt über eine 5V-USB-Stromversorgung durch einen Micro-USB-Anschluss. Da, der in dieser Schaltung benötigte Spannungsbereich bei 2,7V-5,5V liegt, besteht keine Notwendigkeit für einen Spannungsregler. Allerdings schalten wir acht Stützkondensatoren mit jeweils 1µF parallel zum Micro-USBAnschluss, diese sollen verhindern das zu große Spannungsschwankungen auftreten. [vgl.:www.elektor-magazine.com; 2015; Martin Christoph] Abb. 7: Stromversorgung 14 6 Aufbau und Auswahl des Sensor 6.1 Infrarot-Sensor 6.1.1 Auswahl Die Wahl für unseren Infrarot-Sensor fiel auf den TSOP31236 der Firma Vishay. Gründe für die Wahl dieses Sensors: Versorgungsspannung des Micro-USB-Ports ausreichend zwischen 2,7-5,5V Gute Immunität gegen Umgebungslicht Gute Abschirmung gegen elektrische Störungen niedrige Kosten o 70 Cent / Stück 6.1.2 Blockdiagramm Abb. 8: Blockdiagramm IR-Sensor 15 6.1.3 Beschaltung PIN Verwendung 1 2 3 GND VCC Atmega PD2 (INT0) 6.2 Bluetooth-Sensor 6.2.1 Auswahl Die Wahl für unseren Bluetooth-Sensor fiel auf den HC-06 Bluetooth Module Gründe für die Wahl dieses Sensors: Versorgungsspannung des Bluetooth-Sensor ausreichend o 3,6V Sehr kompakt Erforderlichen Pins vorhanden Abb. 9: Bluetooth-Sensor 16 6.2.2 Beschaltung PIN Verwendung 1 2 3 4 Atmega PD2 (Tx) Atmega PD2 (Rx) GND VCC 7 Hardware 7.1 Blockschaltbild Abb. 10: Blockschaltbild 17 7.2 Steuerungen Gesteuert wird unser Wellness Licht entweder mit der Fernbedienung oder einer App am Handy. Bei der Steuerung mithilfe der Fernbedienung müssen wir zuerst die Codes der Fernbedienung auslesen. Jeder Taste wird ein eigener Code zugewiesen, welche vom Programm erkannt werden. Auf diese Weise können wir den einzelnen Tasten Funktionen zuweisen. Mit der App soll man die verschiedenen Farben und die Helligkeit über Buttons einstellen können. Der Button sendet ein Signal an den Bluetooth-Sensor, der das Signal an den Mikrocontroller schickt. 7.3 Mikrocontroller Der Mikrocontroller übernimmt die Hauptaufgabe des RGB-Wellnesslicht. Er ist hauptsächlich für die Ansteuerung der RGB-Leds verantwortlich und das Empfangen des IRSignals der Fernbedienung. 7.3.1 Auswahl des Controllers Wir haben uns für den ATMEGA 328P-AU der Firma Atmel entschieden. Dieser Controller bietet: 6x 10-Bit ADC-Kanäle 1x 16-Bit Timer 1x 8-Bit Timer 3 Ports Taktfrequenz 0-20 MHz Abb. 11: Mikrokontroller 18 7.3.2 Grundbeschaltung des Atmega328P-AU Abb. 12: Grundbeschaltung Atmega 19 7.3.3 Überblickstabelle Pinbelegung Atmega328P-AU PIN 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 7 PORT B C D Verwendung / Enable Ausgang von NCP5007 (ROT) Enable Ausgang von NCP5007 (GRÜN) Stiftleise 1(Serielle Schnittstelle)/ MOSI Stiftleise 1(Serielle Schnittstelle)/ MISO Stiftleise 1(Serielle Schnittstelle)/ SCK Stiftleise 2(Programmier-Schnittstelle)/ Pin 1 Stiftleise 2(Programmier-Schnittstelle)/ Pin 3 Stiftleise 2(Programmier-Schnittstelle)/ Pin 5 / / / Stiftleise 1(Serielle Schnittstelle)/ RESET Stiftleise 2(Programmier-Schnittstelle)/ Pin 6 Stiftleise 2(Programmier-Schnittstelle)/ Pin 7 IR Sensor(TSOP31236) Stiftleise 2(Programmier-Schnittstelle)/ Pin 8 Stiftleise 2(Programmier-Schnittstelle)/ Pin 9 Enable Ausgang von NCP5007 (GRÜN) / / 20 8 Softwares 8.1 Programme Wir programmieren den Atmega über Programmers Notepad. In unserem Programm weisen wir den zuvor ausgelesenen Codes der Fernbedienung verschiedene Funktionen zu. So soll man beispielsweise einzelne Farben direkt einstellen können und auch ein Demo Programm abspielen können. Man soll aber ebenfalls die Helligkeit eingeben können um eine gewünschte Farbe einzustellen. Pin 9 und 10 dürfen nicht auf GND gesetzt werden, da ansonsten kein externer Oszillator angehängt werden kann. 8.1.1 Codes der Tasten der Fernbedienung Tasten Code Ein Code Aus STANDBY 1 4 2 5 3 6 LEFT RIGHT LAUTSTÄRKE STUMM POWER TV PLAY OK 12620 12609 12612 12610 12613 12611 12614 8533 8534 12305 12301 12300 12321 12661 8535 14668 14657 14660 14658 14661 14659 14662 10581 10582 14353 14349 14348 14369 14709 10583 Verwendung Ein-/Ausschalten Rot heller Rot dunkler Grün heller Grün dunkler Blau heller Blau dunkler Farbe + Farbe Rot Grün Blau Weiß Demoprogramm starten Demoprogramm anhalten 21 8.2 Flussdiagramm Abb. 13: Flussdiagramm 8.3 Software Beschreibung: Wir steuern die RGB LEDs mit Timer an, um die Helligkeit mit dem PWM Prinzip bestimmen zu können. Zusätzlich müssen wir das RC5 für die IR-Fernbedienung initialisieren und die Codes auslesen um den Tasten eine Funktion zuzuweisen. Dafür werden diese Projektvorlagen benutzt: Makefile code_RS232 RC5.c RC5.h AODEF.h 22 8.3.1 Wichtige Ausschnitte aus dem Makefile: # MCU name MCU = atmega328p # Processor frequency. F_CPU = 8000000 # Output format. (can be srec, ihex, binary) FORMAT = ihex # Target file name (without extension). TARGET = code_rs232 # List C source files here. (C dependencies are automatically generated.) SRC = $(TARGET).c rc5.c #---------------- Programming Options (avrdude) ---------------# Programming hardware: # stk200, stk500v2, ft232rMÜP, ft232rAPMS, ft232rHTL ... AVRDUDE_PROGRAMMER = stk500v2 # Port of the programmer (com1, lpt1, ft0, avrdoper, ... ) AVRDUDE_PORT = avrdoper AVRDUDE_WRITE_FLASH = -U flash:w:$(TARGET).hex #AVRDUDE_WRITE_EEPROM = -U eeprom:w:$(TARGET).eep # Fuse für Mega16 und Mega32 auf ext Quarz, EESAVE und JTAG aus AVRDUDE_FUSE = -U hfuse:w:0xC1:m -U lfuse:w:0xFF:m # Parameter to set a slow programming Speed, STK500v2 Programmer AVRDUDE_SLOW = -B 1 # Parameter to send reset after programming AVRDUDE_RESET = -E reset 23 8.3.2 RC5- Code: uchar rc5_bit; // bit value uchar rc5_time; // count bit time uint // shift bits in rc5_tmp; volatile uint rc5_data; // store result ISR(TIMER0_OVF_vect) { uint tmp = rc5_tmp; // for faster access TCNT0 = -2; // 2 * 256 = 512 cycle if( ++rc5_time > PULSE_MAX ){ // count pulse time if( !(tmp & 0x4000) && tmp & 0x2000 ) // only if 14 bits received rc5_data = tmp; tmp = 0; } if( (rc5_bit ^ xRC5_IN) & 1<<xRC5 ){ // change detect rc5_bit = ~rc5_bit; // 0x00 -> 0xFF -> 0x00 if( rc5_time < PULSE_MIN ) // to short tmp = 0; if( !tmp || rc5_time > PULSE_1_2 ){ // start or long pulse time if( !(tmp & 0x4000) ) // not to many bits tmp <<= 1; // shift if( !(rc5_bit & 1<<xRC5) ) // inverted bit tmp |= 1; // insert new bit rc5_time = 0; // count next pulse time } } rc5_tmp = tmp; } 24 Dieser Programmcode prüft, ob der IR-Empfänger einen Code empfangen hat, wenn dies der Fall ist, wird im Hauptprogramm (code_RS232 ) überprüft, ob dieser Code eine bestimmte Aktion zur Folge hat. 8.3.3 Code_RS232: Zuerst werden die LED's auf Datenausgang geschalten mit „SETBIT1(DDRX, Y);“. X...Port Y...Bit Zusätzlich muss der PullUp Widerstand auf Low gesetzt werden mit „SETBIT0(PORTX, Y);“. Für den RC5 Code muss ein Interrupt gesetzt werden, wir haben hierfür den INT0 verwendet. Dieser wird mit diesem Code „TCCR0B=1<<CS02; TIMSK0=1<<TOIE0;“ aktiviert. Für das PWM Signal der roten und der grünen LED's benutzen wir den Timer1 und dem Register TCCR1A. Rot → OCR1A Grün → OCR1B Blau → OCR2A Die Tabellen für den Programmcode der Timer findet man im Datenblatt des Atmega328p und für den Timer1 konnten wir die Tabellen und Anleitung zur Programmierung im Atmelgcc finden. 25 8.3.4 Anleitung für Timer1: 8.3.4.1 Programmcode: 26 8.3.5 Anleitung für Timer2: 27 8.3.6 Helligkeit verändern mit PWM – Signal: Die Timer1 und 2 steuern die Helligkeit der LED's indem ganz schnell ein und ausgeschaltet wird. Diese Frequenz kann geändert werden indem man der Variable des Timers, die die LED ansteuert einen anderen Zahlenwert gibt. Je nach Bit Anzahl des Timers kann ein bestimmter Zahlenbereich eingestellt werden. Timer2 ist ein 8Bit Timer und geht daher von 0-255. Timer1 ist ein 16Bit Timer und geht daher von 0-1023. Um ein Licht zu erhalten das nicht zu grell und nicht zu schwach ist, haben wir den jeweiligen OCR-Wert möglichst in der Mitte gewählt. Nach dem Einschalten einer Farbe kann dessen Helligkeit verändert werden. Um die Helligkeit einer Farbe nur dann ändern zu können, wenn sie auch eingeschaltet ist, haben wir den Grundfarben eine Variable gegeben die beim Einschalten auf 1 gesetzt wird und beim Ausschalten auf 0. Um verschiedene Farben zu bekommen, mischen wir die Grundfarben und ändern deren Helligkeit. Rot → OCR1A Grün → OCR1B Blau → OCR2A 8.3.6.1 Programmcode: if(R==1) { //Helligkeit Rot(B2): //Taster 1: Heller //(Code: 12609, 14657) if((RC5 == 12609) || (RC5 == 14657)) { if(OCR1A > 20) { OCR1A=OCR1A - 20; } } 28 //Taste 4: Dunkler //(Code: 12612, 14660) if((RC5 == 12612) || (RC5 == 14660)) { if(OCR1A < 1000) { OCR1A=OCR1A + 20; } } } 8.3.7 Programm zum auslesen des IR – Codes der Fernbedienung: Die Fernbedienung schickt einen Code an unseren IR-Sensor. Der Sensor wandelt diesen Code gleich um, sodass dieser über eine serielle Schnittstelle ausgegeben werden kann. Wir benutzten das Programm HTerm um den Code anzuzeigen. 8.3.7.1 Programmcode: #include <avr/io.h> #include <stdio.h> #include "AODEF.h" #include "rc5.h" #include <avr/interrupt.h> #include <avr/eeprom.h> #include <stdlib.h> #include <util/delay.h> // This defers to avr/io.h for GCC int main(void) { uint16_t x=0; volatile uint16_t i=0; volatile uint16_t ii=0; uint8_t Zeichen=0; uint16_t Zahl=0; char TextZahl[6]; int16_t IR_Wert; SETBIT1(SREG, 0); //Global Interrupt EIN 29 while(1) { if (rc5_data) { PORTC=~PORTC; // Nur zum Anzeigen RC5_auslesen(); IR_Wert = rc5_data; printf("%u", IR_Wert); //Auswerten der letzten 2 Stellen da viele Fernbedienungen // zuerst nur die beiden letzten Stellen verwenden IR_Wert = IR_Wert & 0x00ff; printf("%u", IR_Wert); } for(i=0; i<10; i++) { for(ii=0; ii<30000; ii++); } x=x+1; } // Ende von WHILE } // Ende der MAIN 8.3.8 Android App: Zum Erstellen der App haben den AppInventor verwendet. Die Programmierung erfolgt über Blöcke die man zusammenstöpseln kann. Diese Blöcke dienen dazu, über den Klick auf einen Button am Handy eine Bluetooth Verbindung zu unserem Bluetooth Sensor auf unserer Platine herzustellen und wieder zu trennen: 30 Dieser Block sorgt dafür, dass eine Kommunikation zwischen den Sensoren stattfinden kann: Über diese Blöcke bekommen die Buttons der App eine Funktion: Wir haben in unserem Programm auf dem Atmega328p festgelegt, dass der Anfangsbuchstabe als Kleinbuchstabe die LED in der jeweiligen einschaltet und der Anfangsbuchstabe als Großbuchstabe die jeweilige LED wieder ausschaltet. 31 8.3.8.1 Design der App Erklärung: Zuerst muss ein Bluetooth Gerät ausgewählt werden über den Button „Gerät auswählen“, danach kann auf „Connect“ geklickt werden. Die Helligkeit der jeweiligen Farbe kann nur verändert werden, wenn diese auch eingeschaltet ist. 32 9 Fertigungsunterlagen 9.1 Platinen – Schaltplan Schaltung Teil 1 33 Schaltung Teil 2 34 Eagle-Board Botton Eagle-Board Top 35 10 Stückliste Art Wert Mikrocontroller Atmega328P-AU Bezeichnun g IC1 Micro-USB Menge Bestell-Nr. Preis/Stüc k Anbieter 1 556ATMEGA328 P-AU 2,97 Mouser 1 538-473460001 0,865 Mouser 22 81GCM188R71C 105K64D 0,32 Mouser 0,779 Mouser 15,65 0,00036 0,165 RS RS RS 2,01 Mouser 0,908 Mouser 0,13 Mouser 0,718 Mouser 1,22 Mouser 0,25 Conrad 0,38 Mouser 9,99 Amazon Kondensator 1µF C1-C6,C8C11,C13C24 Kondensator 100nF C7,C12 2 Widerstand Widerstand Widerstand 500Ω 10Ω 1kΩ R6 R1-R4 R5 1 4 1 Spule 22µH L1-L3 3 BAT54 IC_BLAU, IC_ROT, IC_GRÜN D1-D3 TSOP IR-Sensor 1 LED1, LED2, LED3, LED4 4 IC NCP5007 Diode IR-Sensor RGB-Led 3 3 Stiftleiste 2x3 1 Stiftleiste 1x10 1 BluetoothSensor HC-06 BluetoothSensor 1 77VJ0603Y104K NXAO 684-1504 740-9085 812-1984 710744025220 863NCP5007SNT 1G 512-BAT54 782TSOP31236 720LRTBG6TGTU 71V7AW 741435 - 62 57116404540 30469685875062730 Anwendung: Alle Kondensatoren sind Keramikkondensatoren Widerstände mit 5% Toleranz Preise in € 36 10.1 Kostenrechnung Art Preis [€] Mikrocontroller USB-Port Kondensator Widerstand Spule IC Diode RGB-Led Stiftleiste Sensoren 2,97 0,865 1,099 15,81536 2,01 0,908 0,13 1,22 0,63 10,708 Materialkosten Euro]: 53,61144 11 Bibliotheken für Cadsoft Eagle Einige unserer benötigten Bauteile waren nicht in der Bauteilbibliothek im Programm Eagle zu finden, daher mussten wir sie selber erstellen. Wir haben das Package, das Device und das Symbol nach Angaben des Datenblattes des jeweiligen Bauteiles erstellt. Erstellte Bauteile: MicroUSB Typ B NCP5007 Spule (Würth 744025220) TSOP31236 Bei unserem 2.Entwurf des Layouts haben wir den MicroUSB Typ B auf der Platine weggelassen und gegen Klemmen ausgetauscht. Denn es wäre unpraktisch gewesen, da man immer das Gehäuse öffnen müssen hätte. 37 MicroUSB Typ B: Abb. 14: Mikro USB Spule: Abb. 15: Spule NCP5007: Abb. 16: NCP5007 38 TSOP31236: Abb. 17: TSOP31236 39 12 Gehäuse und endgültige Realisierung Es wurde eine fertige Acrylhalbglaskugel von Elgo gekauft, da dieses am besten für die optimale Ausbreitung des Lichtes geeignet war. Zusätzlich haben wir einen Sockel aus Kunststoff gefertigt um die Platine im Gehäuse zu befestigen. Das bestehende Gehäuse wurde folgendermaßen verändert: Bohrlöcher in der Grundplatte um die Sockel zu befestigen Ausschnitt an der Grundplatte für die USB Schnittstelle Abb. 18: Ausschnitt USB Die Grundplatte kann mithilfe von bereits existierenden Mettalplatten am Acrylglasgehäuse befestigt werden. Abb. 19: Gehäuse 40 12.1 Sockel Abb. 20: Sockel und Abmessungen Abb. 21: Sockel mit Grundplatte 12.2 Fertige Platine Abb. 22: Fertige Platine 41 13 Prototypen Vor der endgültigen Platine gab es einen Prototypen, welche entworfen, und aufgrund von Verbesserungsmöglichkeiten wieder überarbeitet wurden. Prototyp 1 Zu viele Störsignale o Mehr Stabilitäts-Kondensatoren benötigt o Bauteile zu weit auseinander Fehlerfunktion der roten Led o niedrigerer Vorwiderstand nötig Stromversorgung direkt auf der Platine Hinzufügen des Bluetooth-Moduls Abb. 23: Prototyp 1 42 14 Mögliche Erweiterungen 14.1 Verbesserung des Timers (Summen) Der Timer der blauen Leds hat nur eine sehr kleine Bandbreite, dies könnte mit anderen Einstellungen beim Timer 2 Prescaler geändert werden. Dadurch könnte man die Helligkeitsstufen verändern und noch mehr Farben einstellen. 14.2 Hardware Verbesserungen Enable vom Led-Booster der blauen Led direkt auf den Timer legen o PD5(PCINT21/OC0B/T1) auf PB3(PCINT3/OC2A/MOSI) Bessere Beschriftungen auf der Platine 14.3 Software Verbesserungen Mehr Farben Bessere Übergänge der Farben Bessere Kontrolle bei drücken von Tasten Weitere Demoversionen Speichern von eigenen Farben 14.4 App Verbesserungen Schiebebalken für Helligkeit Demoprogramm abspielen Speichern von eigenen Farben 14.5 Erweiterungen Steuerung des Lichtes mit Musik Bewegungssensoren einbauen Lautsprecher und AUX Anschluss für Musik 43 15 Verwendung in der Praxis 15.1 Lichttherapien Lichttherapie wird zur Behandlung verschiedener Erkrankungen, bei denen Stress ein Auslöser sein kann, verwendet. Es ist ein anerkanntes Verfahren bei der beispielsweise Depressionen, Konzentrations- Schlaf- und auch Verhaltensstörungen behandelt werden. Angewendet wird meist ein helles, dem Sonnenlicht nachempfundenes, Licht einer Lampe, Blau- oder Rotlicht, UV-Licht oder Infrarot-Licht. Depressionen sind oft eine Folge von Lichtmangel, dies kommt bei manchen Menschen häufig in den kalten Jahreszeiten vor, da es schneller dunkel wird. Der Lichtmangel bewirkt eine höhere Melatonin-Produktion im Körper. Melatonin ist ein Hormon, das dafür sorgt wir müde werden, wenn es dunkel wird. Ein erhöhter Melatonin-Spiegel kann jedoch zur Depression führen. Bei der Lichttherapie werden die Patienten hellem Kunstlicht ausgesetzt, meist unmittelbar nach dem morgendlichen Erwachen. Dadurch wird die Produktion von Melatonin beendet und es kommt zu einem positiven Stimmungsumschwung. Auch bei gesunden Menschen wirkt die Lichttherapie, es wird das allgemeine Wohlbefinden und die Leistungsfähigkeit gesteigert. [vgl.: www.depression-therapie-forschung.de; 2015] 15.2 Wellnessbereich Das Wellnesslicht kann in jedem Teil des Hauses angewandt werden, da jede Lichtfarbe eine andere Wirkung auf den Menschen hat. Auch in Schwimmbädern, Saunen oder im eigenen Badezimmer werden gerne verschiedene Lichtfarben verwendet um das Wohlbefinden zu steigern. Die richtige Beleuchtung beeinflusst das menschliche Befinden. Je höher der Rotanteil von Licht ist, desto wärmer erscheint der Raum. Mit einer farbigen Hintergrundbeleuchtung kann man für die passende Atmosphäre sorgen, den Raum für die momentane Verwendung optimieren. Bläuliches Licht sorgt dafür dass man konzentrierter ist wohingegen orangefarbenes Licht entspannend wirkt und den Appetit und Stoffwechsel anregt. [vgl.:www.elektor-magazine.com; 2015; Martin Christoph] 44 15.3 Marketing Im Marketing ist das Licht eines der wichtigsten Werkzeuge um Kunden zum Kauf anzuregen. Die richtige Beleuchtung lockt zum Betreten eines Geschäfts, sorgt für eine entspannte Atmosphäre und lenkt gleichzeitig die Aufmerksamkeit auf die Waren. Licht hilft letztlich auch die Aufenthaltsdauer der Kunden zu verlängern und stimuliert ihr Konsumverhalten. Vor allem bei frischen Lebensmittel in Selbstbedienungsbereichen spielt die Beleuchtung eine entscheidende Rolle. Verbraucherstudien haben gezeigt das viele Lebensmittel aufgrund ihres guten Aussehens gekauft werden. Licht macht die Qualität eines Produkts sichtbar, seine natürlichen Farben werden betont. Sieht ein Produkt frisch und einladend aus regt dies unser Kaufverhalten an. [www.licht.de; 2015; Ljiljana Rakita] 45 16 Gebrauchsanweisung Um das Wellnesslicht in Betrieb nehmen zu können muss man es über das Mirco USB Kabel entweder über ein Netzteil an die Steckdose anschließen oder auf einen USB Eingang am Computer angeschlossen werden. Um es einzuschalten hat man folgende Möglichkeiten: STANDBY/ON Taste: Dabei werden alle Leds eingeschaltet und ein weißes Licht erscheint. Grundfarbe Rot, Grün oder Blau einschalten Play Taste: Hierbei wird ein Demoprogramm mit allen Farben abgespielt. Stop Taste: Hiermit wird das Demoprogramm wieder gestoppt Navigationstaste (): Mit diesen Tasten kann man zwischen den vorprogrammierten Mischfarben hin- und herschalten. Um eigene Mischfarben einzuschalten kann man die Helligkeit der Grundfarben verändern. Dies funktioniert, indem man: 1) Die Grundfarbe einschaltet (z.B. Rot) 2) Danach kann man die Helligkeit einstellen 3) Lange auf der Taste mit +/- (richtige Farbe) bleiben Abb. 24: Fernbedienung und Bedienbeispiel 46 17 Zeitplan Dauer [Std] Datum 8 16.09.2014 8 23.09.2014 8 30.09.2014 8 07.10.2014 8 21.10.2014 8 28.10.2014 8 04.11.2014 Recherche zum Programmieren des Mikrokontrollers Datenblätter herunterladen; Bauteillieferung; Programm 8 11.11.2014 Durchkontaktierungen noch nicht vorhanden; Versuch: Programm verstehen Dokumentation; Recherche 8 18.11.2014 Recherche zum Programmieren des Mikrokontrollers 8 Überarbeiten der Sockel-Skizze, 25.11.2014 kontaktieren des Kunststoffwerklehrers um Realisierung zu besprechen 8 02.12.2014 Letzten Bauteile wie IR-Sensor und Stiftleiste befestigen; Bohrlöcher dür die Befestigung IR-Sensor testen; Platine durchmessen auf Kurzschlüsse 8 09.12.2014 IR-Signal der Fernbedienung testen, ob der Sensor innerhalb des Gehäuses empfängt Dokumentation; Überarbeiten der Platine 8 16.12.2014 USB-Schnittstelle nach außen verlegen Gehäuse fertigstellen; Programm beginnen 8 Bohrlöcher für die Sockel, Ausschnitt für 23.12.2014 die USB-Schnittstelle; Projekt erstellen und Led ansteuern Programm schreiben 8 13.01.2015 Versuch: Auslesen der Fernbedienungscodes 8 20.01.2015 Versuch: Auslesen der Fernbedienungscodes, Werkstättenlehrer Oswald um Hilfe bitten 8 27.01.2015 Versuch: Auslesen der Fernbedienungscodes, Fehlerermittlung von unserer Platine Tätigkeit Besprechung; Arbeitsauf - & einteilung; Recherche Recherche; Ausfüllen des Projektarbeit Antrages Suchen und Bestellen der Bauteile; Platinenfertigung auf Eagle Platinenfertigung auf Eagle, Dokumentation Platinenfertigung auf Eagle, Dokumentation Ausdrucken der Platinenvorlage, Ätzen der Platine Platine ausschneiden; Skizze für Sockel; Recherche Platine bestücken; Gehäuse Platine bestücken; Sockel Programm schreiben Programm schreiben Anmerkung Bauteilauswahl war in der Arbeit, die wir von unserem Betreuer bekommen haben, enthalten 47 Platinenfertigung auf Eagle; 1. Prototyp verbessern; Dokumentation Platinenfertigung auf Eagle; Dokumentation; 1. Prototyp verbessern Platinenfertigung auf Eagle; Dokumentation; Auslesen der Fernbedienungscodes 8 03.02.2015 Neue Platine auf Eagle erstellen 8 10.02.2015 Platine auf Eagle überarbeiten, Bauteile neu anordnen 8 24.02.2015 Neue Platine fertigstellen Programm, Fräsen der Platine 8 03.03.2015 Mit Fernbedienung die Leds steuern, Grundfarben einstellbar Programm; Recherche 8 10.03.2015 Versuch: Mit Fernbedienung Helligkeit steuern, Onlinetutorials Programm; Dokumentation 8 17.03.2015 Helligkeit bei Farben Rot und Grün einstellbar Dokumentation; Programm 8 24.03.2015 Zeitplan überarbeiten; Helligkeit bei blauen Led einstellen 8 14.04.2015 NCP5007 alternative Bestellmöglichkeit suchen; Sättigung, Demo, verschiedene Farben 8 21.04.2015 8 28.04.2015 Bauteil bestellen; Programm fertigstellen; Fernbedienung beschriftet Dokumentation Dokumentation; neue Platine fertig bestücken; Programm anpassen Dokumentation Abgabe; Programm anpassen 48 18Danksagung Wir möchten uns an dieser Stelle bei all denjenigen bedanken, die uns während der Anfertigung unserer Projektarbeit unterstützt und motiviert haben Ganz besonders gilt dieser Dank Herrn Prof. Baier, der unsere Arbeit und somit auch uns betreut hat. Ihre Moralische Unterstützung und kontinuierliche Motivation haben einen großen Teil zur Vollendung dieser Arbeit beigetragen. Vielen Dank für ihre Geduld und Mühe. Weiterhin möchte wir uns besonders bei Herrn Fachlehrer Oswald bedanken, der uns immer wieder durch kritische Fragen wertvolle Hinweise gab, und uns mit all seinen Mitteln unterstützte und ohne dessen Hilfe und Bemühung diese Arbeit nicht zustande gekommen wäre. Danken möchten wir außerdem Herrn Fachlehrer Hettrich, Herrn Fachlehrer Hackenbuchner, Herrn Fachlehrer Stubhan und Herrn Fachlehrer Gallistl für ihre Hilfe und Bemühungen. 49 19Verwendete Programme 19.1 Hardware Cadsoft EAGLE 19.2 Software Programmers Notepad H-Term AppInventor: http://ai2.appinventor.mit.edu/ 20 Quellen und Abbildungen 20.1 Quellen http://www.elektor-magazine.com/de/zeitschrift/elektor052014.html?tx_elektorarticle_list[article]=26417&tx_elektorarticle_list[action]=show&cHa sh=ace3c29fbef6c5c764666c0579172487; 2015; Martin Christoph http://www.mikroskopieren.de/artikel/das_auge.php; 2015 http://behrns.de/Materialien/Softwareergonomie/Das_Auge/das_auge.html; 2015 http://t3n.de/news/psychologie-der-farben-marketing-infografik-569674/; Rixecker 2015; Kim http://www.deskshare.com/lang/ge/help/fp/ColorBasics.aspx; 2015 http://www.win-seminar.de/adobe/hsb-farbmodell.php; 2015 http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/252281/VISHAY/TSOP31236.html; 2015 http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/86201/ONSEMI/NCP5007.html; 2015 http://www.atmel.com/images/doc8161.pdf; 2015 http://www.depression-therapie-forschung.de/lichttherapie.html; 2015 http://www.licht.de/fileadmin/Publikationen_Downloads/Lichtwissen06_Shopbeleuchtung. pdf; 2015; Ljiljana Rakita 50 20.2 Abbildungen Abb.1: Mindmap; selbsterstellt; 2015 Abb. 2: Farbwellenlänge; http://behrns.de/Materialien/Softwareergonomie/Das_Auge/das_auge.html; 2015 Abb. 3: HSB-Farbmodell; http://www.deskshare.com/lang/ge/help/fp/ColorBasics.aspx; 2015 Abb. 4: Boost-Wandler; selbsterstellt; 2015 Abb. 5: NCP Pinbelegung; http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/86201/ONSEMI/NCP5007.html; 2015 Abb. 6: TSOP31236; http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/252281/VISHAY/TSOP31236.html; 2015 Abb. 7: Stromversorgung; selbsterstellt; 2015 Abb. 8: Blockdiagramm IR-Sensor; http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/252281/VISHAY/TSOP31236.html; 2015 Abb. 9: Bluetooth-Sensor; selbsterstellt; 2015 Abb. 10: Blockschaltbild; selbsterstellt; 2015 Abb. 11: Mikrokontroller; http://www.atmel.com/images/doc8161.pdf; 2015 Abb. 12: Grundbeschaltung Atmega; selbsterstellt; 2015 Abb. 13: Flussdiagramm; selbsterstellt; 2015 Abb. 15: Spule; selbsterstellt; 2015 Abb. 16: NCP5007; selbsterstellt; 2015 Abb. 17: TSOP31236; selbsterstellt; 2015 Abb. 18: Ausschnitt USB; selbsterstellt; 2015 Abb. 19: Gehäuse; selbsterstellt; 2015 Abb. 20: Sockel und Abmessungen; selbsterstellt; 2015 Abb. 21: Sockel mit Grundplatte; selbsterstellt; 2015 Abb. 22: Fertige Platine; selbsterstellt; 2015 51 Abb. 23: Prototyp 1; selbsterstellt; 2015 Abb. 24: Fernbedienung; selbsterstellt; 2015 21 Anhänge Ordner mit folgendem Inhalt: Eagle Schaltpläne und Boards Eagle Bibliotheken der selbst erstellten Bauteile Programm Dokumentation Wichtige Datenblätter: Atmega 328P-AU TSOP 31236 NCP5007 Programmvorlagen: Atmel gcc 52 TSOP31236 53 54 NCP5007 55 56 Atmega328P-AU 57 58 59 60 61 Atmel gcc 62 63