Der High-Tec-Ventilator - s

Matthis Dahl: Der HighTec Ventilator
Kurzfassung
Regionalwettbewerb Bremen-Mitte
Kurzfassung
Mein Ziel ist es, einen Ventilator zu bauen der über verschiedene Sensoren gesteuert wird.
Ich bin auf diese Idee gekommen, weil es mich nervt, dass man im Sommer
so schwitzen muss. Der Ventilator soll bei 25°C Außentemperatur an gehen und dann,
wenn es wieder unter 25°C warm ist, oder nach Ablauf von 30 Minuten, wieder aus gehen,
und so Energie und Kosten sparen. Außerdem soll der Ventilator nur an gehen, wenn sich
jemand im Raum befindet.
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Matthis Dahl: Der HighTec Ventilator
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung ......................................................................................................................... 2
Inhaltsverzeichnis................................................................................................................. 3
Einleitung ............................................................................................................................. 4
Theorie ................................................................................................................................. 5
Die ARDUINO-Umgebung ................................................................................................ 5
Die Hardware.................................................................................................................... 5
Die Software ..................................................................................................................... 5
Die Bauteile und Geräte ................................................................................................... 7
Der Temperatursensor .................................................................................................. 7
Der Bewegungssensor ................................................................................................. 7
Funkschalter zur Schaltung von 220V-Lasten .............................................................. 7
Der Ventilator ................................................................................................................ 7
Ergebnisse ........................................................................................................................... 8
Temperatursensor und Spannungsteiler .......................................................................... 8
Funkschalter ..................................................................................................................... 9
Das ARDUINO-Programm.............................................................................................. 10
Die Schaltung ................................................................................................................. 11
Stromersparnis ............................................................................................................... 11
Diskussion .......................................................................................................................... 12
Quellen- und Literaturverzeichnis ...................................................................................... 12
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Matthis Dahl: Der HighTec Ventilator
Einleitung
In heißen Sommermonaten kann man in jedem Jahr beobachten, dass Ventilatoren
reißenden Absatz finden.
Der kühle Luftzug eines Ventilators wird bei hohen Außentemperaturen als kühlend und
angenehm empfunden.
Ein Ventilator kann aber die Luft nicht abkühlen, sondern nur in Bewegung versetzen.
Der kühlende Effekt wird dadurch verursacht, dass sich bei großer Hitze auf der Haut
Schweiß bildet, der bei Verdunstung der Haut bzw. dem Körper durch die sogenannte
Verdunstungskälte Wärme entzieht. Der Luftzug des Ventilators verstärkt lediglich diesen
Effekt.
Werden im Sommer in jedem Haushalt ein oder mehrere Ventilatoren betrieben und laufen
diese ununterbrochen, führt das zu einem zusätzlichen, hohen Stromverbrauch.
Es macht also Sinn, Ventilatoren nur zu betreiben, wenn sich Personen im Raum befinden.
Laufende Ventilatoren in leeren Räumen sind reine Stromverschwendung.
Ein Ventilator, der sich nur einschaltet, wenn sich Personen im Raum befinden, würde
nicht unerheblich Strom sparen. Außerdem dürfte sich dieser Ventilator nur einschalten,
wenn es sehr heiß ist.
Seit dem Atomunfall in Fukushima/Japan und dem anschließenden Ausstieg Deutschlands
aus der Atomenergie ist ein sparsamer Umgang mit Energie wichtiger denn je.
Ein Ventilator der sich nur in Bewegung setzt, wenn es notwendig ist, könnte einen Beitrag
zur Einsparung elektrischer Energie liefern.
Da ich mich schon lange für Ventilatoren interessiere, habe ich mich gefragt, wie ein
solcher Ventilator konstruiert werden müsste.
Als ich erfahren habe, dass an unserer Schule in der AG „Jugend forscht“ die Möglichkeit
besteht, an naturwissenschaftlichen Fragestellungen praktisch zu arbeiten, habe ich mich
entschieden am Wettbewerb Jugend forscht teilzunehmen.
In der Jufo-AG wird seit einiger Zeit mit einem Mikrocontroller namens ARDUINO
gearbeitet, der einen Ventilator in meinem Sinne steuern könnte.
An diesen Mikrocontroller können verschiedene Sensoren angeschlossen werden und
über ein selbst geschriebenes Programm verschiedene Geräte gesteuert werden.
So fing ich an in der Jufo-AG mit dem ARDUINO zu experimentieren und mich mit dem
Mikrocontroller vertraut zu machen.
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Theorie
Die ARDUINO-Umgebung
Die ARDUINO-Plattform ist eine aus
Softund
Hardware
bestehende
Physical-Computing-Plattform.
Beide Komponenten sind im Sinne von
Open Source quelloffen, d.h. sie können
von jedem Anwender benutzt und
verändert werden.
Die Hardware besteht aus einem
einfachen
I/O-Board
mit
einem
Mikrocontroller und analogen und
digitalen Ein- und Ausgängen.
Die Entwicklungsumgebung beruht auf
der Programmiersprache Processing
(einem Java-Dialekt), die vor allem für
Das ARDUINO Board UNO
Nicht-Informatiker gedacht ist.
ARDUINO kann benutzt werden, um eigenständige interaktive Objekte zu steuern oder mit
Softwareanwendungen auf Computern zu interagieren.
Die Hardware
Die Hardware des ARDUINO UNO basiert auf einem Atmel AVR-Mikrocontroller dem
ATmega328. Die Stromversorgung erfolgt entweder über USB oder eine externe
Spannungsquelle mit 5-9 Volt versorgt.
Der Mikrocontroller ist vorprogrammiert, wodurch die Programmierung direkt über die
USB – Schnittstelle, ohne externes Programmiergerät erfolgen kann.
Das ARDUINO-UNO-Board besitzt 14 digitale und 6 analoge Ein- und Ausgänge über die
Messdaten erfasst und elektronische Schaltungen gesteuert werden können.
Für die Erweiterung werden vorbestückte oder teilweise unbestückte Platinen sogenannte „Shields“ - angeboten, die auf das ARDUINO-Board aufsteckbar sind. Es
können aber auch z.B. Steckplatinen für den Aufbau von Schaltungen verwendet werden.
Die Software
ARDUINO bringt eine eigene Integrierte Entwicklungsumgebung (Abkürzung: IDE, von
englisch: integrated development environment) mit. Dabei handelt es sich um eine
plattformunabhängige Java-Anwendung.
Die Software läuft unter Windows, Mac und Linux.
Die Programmiersprache Processing basiert auf der stark vereinfachten Programmierung
in C/C++.
Die ARDUINO-IDE bringt einen eigenen Code-Editor mit und verfügt über einen
integrierten Compiler (Programmübersetzer) zur Überprüfung des Programmcodes.
Zusätzlich wird die Programmierung durch weitere ARDUINO-Libraries (Programmbibliotheken) stark vereinfacht.
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Für ein funktionstüchtiges Programm genügt es, zwei Funktionen zu definieren:
void setup() - wird beim Start des Programms aufgerufen, nützlich um z.B. Pins als
Eingang oder Ausgang zu definieren und void loop() - wird durchgehend durchlaufen,
solange bis das ARDUINO-Board ausgeschaltet wird.
Hier ein Beispiel für ein Programm (in der ARDUINO-Sprache Sketch genannt), das eine
an das ARDUINO-Board angeschlossene LED blinken lässt:
Der ARDUINO Code-Editor
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Die Bauteile und Geräte
Der Temperatursensor
Der Dallas 18B20 ist ein digitaler Temperatursensor. Er funktioniert wie
temperaturabhängiger Widerstand. In Verbindung mit einem 4,7kOhm
Vorwiderstand stellt der Sensor einen Spannungsteiler (siehe weiter unten) dar.
Die Charakteristik des Sensors wird in der Programmbibliothek
„DallasTemperature.h“ verarbeitet. Im Arduino-Sketch wird für den Sensor
außerdem die Bibliothek „OneWire.h“ benötigt. Die Ausgabe der Temperatur
erfolgt in Grad Celsius.
Der Bewegungssensor
Der Bewegungssensor tastet mit infrarotem Licht die Umgebung
in einem Umkreis von 7 Metern ab. Der Erkennungswinkel
beträgt 110°. Die Betriebsspannung liegt zwischen 3 Volt und
5 Volt. Die Empfindlichkeit des Sensors ist einstellbar. Die
Ausgabe erfolgt digital, d.h. wenn sich etwas im Raum bewegt
gibt der Signalausgang eine Eins (HIGH), bei keiner Bewegung
eine Null (LOW) aus.
Funkschalter zur Schaltung von 220V-Lasten
Da das ARDUINO-Board pro Ausgang nur einen maximalen
Strom von 40 mA zur Verfügung stellt, können damit keine
Geräte, die eine größere Stromaufnahme haben, direkt
angesteuert werden. Um dieses zu ermöglichen, kann eine
Funksteckdose verwendet werden, die man im Versandhandel für
10-20€ kaufen kann. Die Fernbedienung der Funkschalter muss
dazu ein wenig umgebaut werden damit sie vom ARDUINOBoard aus angesteuert werden kann (siehe unten). Auf diese
Weise können mit ARDUINO 220Volt-Geräte gefahrlos
geschaltet werden.
Der Ventilator
Der Ventilator ist ein handelsübliches Gerät mit einer Spannung
von 220 Volt und einer elektrischen Leistung von 55 Watt.
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Ergebnisse
Nun ging es an die praktische Arbeit. Zunächst wurden die beiden Sensoren an das
ARDUINO-Board abgeschlossen. Zur Kontrolle aller Funktionen habe ich zusätzlich
4 LED’s an die digitalen Ausgänge des ARDUINO-Boards angeschlossen.
Jetzt musste das Programm für das Projekt geschrieben werden. Im Programmkopf
wurden alle benutzten Ein- und Ausgänge, die Grenztemperatur und Einschaltdauer des
Ventilators festgelegt. Daran anschließend folgt die eigentliche Programmschleife, in der
zunächst die aktuellen Sensorwerte ausgelesen werden.
Temperatursensor und Spannungsteiler
Der Analogeingang des ARDUINO wandelt eine
Spannung von 0 Volt bis 5 Volt in einen Zahlenwert von
0 bis 1023 um. Der Wert 1 entspricht demnach einer
5 Volt
≈ 0,0049 Volt .
Spannung von
1024
Das
Verhältnis
aus
Vorwiderstand
und
Sensorwiderstand bestimmt die am Analogeingang
gemessene Spannung. Da der Temperatursensor
seinen Widerstand mit der Temperatur verändert, entspricht die am Analogeingang
gemessene Spannung einer bestimmten Temperatur, die von der Dallas
Temperaturbibliothek berechnet und ausgegeben wird.
Eine einfache Wenn-Dann-Sonst-Abfrage entscheidet,
wann der Ventilator eingeschaltet werden soll.
In meinem Programm heißt das: Wenn die
Außentemperatur größer als 25°C ist und der
Bewegungssensor gleichzeitig eine Bewegung im
Raum registriert, wird der Ventilator eingeschaltet. Das
Überschreiten der Grenztemperatur oder Bewegung
im Raum alleine reicht nicht aus um den Ventilator
einzuschalten.
Die LED’s zeigen den aktuellen Zustand des
Programmablaufs an: Die rote LED zeigt an, dass der
Ventilator ausgeschaltet ist, die gelbe LED leuchtet,
wenn die Grenztemperatur überschritten wurde, die blaue LED zeigt eine registrierte
Bewegung im Raum an und die grüne LED, dass der Ventilator läuft.
Zusätzlich werden alle Programmabläufe auf dem
Ausgabefenster (Serialmonitor) der ARDUNINO-Software
ausgegeben.
Die Steuerung des 220Volt-Ventilators konnte ich mit
einer Funksteckdose gefahrlos hinbekommen.
Zu Demonstrationszwecken habe ich die Einschaltdauer
auf 30 Sekunden eingestellt um nicht jedes Mal lange
warten zu müssen. Im späteren Betrieb ist eine Laufzeit
des Ventilators von 30-60 Minuten sinnvoll.
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Funkschalter
Im Internet sind wir in der Jufo-AG auf eine Seite gestoßen, auf
der beschrieben wird, wie man mit ARDUINO gefahrlos 220 VoltVerbraucher schalten kann.
Im Versandhandel bekommt man für ca. 10 - 20 € ein
Funkschalter-Set bestehend aus drei Funkschaltern und einer
Fernbedienung.
Im 433,92 MHz-Band wird ein Signal aus Systemcode und
Gerätecode („Unit Code“) gesendet, mit dem jede Steckdose
angesteuert und ein- und ausgeschaltet werden kann.
In der Fernbedienung und den Funksteckdosen wird dieser Code
durch DIP-Schalter eingestellt. In der Abbildung ist der „Unit
Code“ der Funksteckdose auf „A“ eingestellt und reagiert auf die DIP-Schalter Systemcode 01010
Tasten A zum Ein- bzw. Ausschalten.
Der Umbau für den
ARDUINO ist vergleichsweise einfach, weil eine
Library zur Verfügung
steht, die die Codes
umsetzt, so dass man beliebig viele Steckdosen damit schalten
kann. Die Fernbedienung wird als Sender-Hardware benutzt.
Dazu öffnet man mit drei Schrauben die Fernbedienung, lötet
zwei Kabel an und schraubt sie wieder zu. Das schwarze Kabel
verbindet den Minuspol mit der Erde des ARDUINO-Boards.
Das gelbe Kabel verbindet einen Pol des 433,92 MHzOszillators (siehe Pfeile) mit einem digitalen Ausgang des
ARDUINOs. Wird dieser Ausgang auf HIGH gelegt, sendet die Fernbedienung. Das
zeitliche Muster, das sonst von der integrierten Schaltung geliefert wird, wird nun vom
Programm mit Hilfe der Bibliothek „RCSwitch“ generiert.
Die Fernbedienung läuft weiter wie gewohnt, aber wenn man die Kabel beim ARDUINO in
Erde und den digitalen Ausgang 2 steckt, kann das folgende Programm den Schalter A mit
Gerätecode „234 oder 0111“ steuern. Das folgende Beispielprogramm schaltet ein Gerät,
z.B. eine Lampe, für eine Sekunde an und dann für fünf Sekunden aus:
Hier das fertige Ventilator-Programm:
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Das ARDUINO-Programm
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Die Schaltung
Stromersparnis
Zum Schluss möchte ich noch mit einer Überschlagsrechnung abschätzen, wie viel Strom
mit meiner Ventilator-Idee eingespart werden könnte.
Ausgehend von ca. 40 Millionen Privathaushalten, in Deutschland in denen jeweils ein
Ventilator vorhanden ist, habe ich im Internet recherchiert, wie viele Sommertage es
durchschnittlich in Deutschland gibt, an denen Ventilatoren in Betrieb sind.
Ein Sommertag ist die meteorologisch-klimatologische Bezeichnung für einen Tag, an dem
die Tageshöchsttemperatur 25°C erreicht oder überschreitet. Tage, an denen die
Temperatur sogar über 30° steigt, werden als heißer Tag (Hitzetag, Tropentag) geführt.
Gemessen wird in einer Standard-Wetterhütte in zwei Metern Höhe. Sinkt die
Tagestiefsttemperatur nicht unter 20°, spricht man zusätzlich von einer Tropennacht.
(http://de.wikipedia.org/wiki/Sommertag)
In Deutschland kann durchschnittlich von ca. 40 Sommertagen ausgegangen werden.
Bei der Berechnung des Stromverbrauchs eines Ventilators bin ich von einer
durchschnittlichen elektrischen Leistung von 50 Watt (0,05 kW) ausgegangen.
Eine Kilowattstunde (kWh) kostet in Bremen zur Zeit ca. 23 Cent. Ich nehme der
Einfachheit halber einen Preis von 20 Cent je kWh an.
Geht man davon aus, dass in allen deutschen Haushalten an Sommertagen ein Ventilator
rund 8 Stunden lang läuft, ergibt sich ein Stromverbrauch im Jahr:
40 Tage * 8 Stunden * 0,05 kW = 16 kWh, die 3,20 € kosten.
Bei 40 Millionen Privathaushalten entstehen Stromkosten in Höhe von 128 Millionen Euro.
Wird die tägliche Laufzeit durch meinen High-Tec-Ventilator nur um 25% reduziert, weil in
dieser Zeit der Ventilator überflüssiger Weise läuft, kommt man auf eine Stromersparnis
von 32 Millionen Euro. Mit diesem Geld könnten viele sinnvolle Dinge im Bereich des
Umweltschutzes finanziert werden.
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Diskussion
Nach einer relativ kurzen Einarbeitungszeit in die Programmierung des ARDUINO-Boards
und einigen Recherchen im Internet konnte ich bald mit dem ARDUINO arbeiten.
Die Programmiersprache ist einfach und schnell zu verstehen. Mein Programm
funktionierte nach wenigen Änderungen so, wie ich es mir überlegt hatte.
Im Internet findet man inzwischen viele begeisterte ARDUINO-Bastler bei denen man sich
Hilfe holen kann, wenn man mit seinem Programm nicht weiter kommt.
Mir hat die Arbeit mit ARDUINO viel Spaß gemacht und ich habe viel über Elektronik und
Programmierung gelernt.
Quellen- und Literaturverzeichnis
Bücher:
Odendahl, Finn, Wenger: ARDUINO - Physical Computing für Bastler, Designer und
Geeks, O’Reilly, Köln 2009
Internetseiten:
http://de.wikipedia.org/wiki/Arduino-Plattform
http://www.arduino.cc/
http://www.freeduino.de/
http://fritzing.org/
http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/DS18B20.pdf
http://www.arduino.cc/playground/Learning/OneWire
https://sites.google.com/site/renebohne/projects/arduino-luminet/arduinomit1wiretemperatursensords1820
http://www.exp-tech.de/product_info.php?info=p101_dfrobot-digital-infrared-motionsensor.html
http://sui77.wordpress.com/2011/04/12/low-cost-funksteckdosen-arduino/
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