Abschlussbericht
Green-Lab
SS 2018 Projekt B
14. Juli 2018
Fachgebiet Mikroelektronik-Aufbau- und Verbindungstechniken Leitung (kommissarisch): Prof. Dr.-Ing.Dr.sc.techn. Klaus-Dieter Lang
Fachgebiet Elektronik und medizinische Signalverarbeitung Leitung: Prof. Dr.-Ing. Reinhold Orglmeister
Inhaltsverzeichnis
1 Gruppe 1 - Interface 6
1.1 LCD-Untergruppe . . . 6
1.2 Datenuntergruppe . . . 12
1.2.1 Aufgabenstellung . . . 12
1.2.2 UART . . . 12
1.2.3 SPI . . . 13
1.2.4 Microcontroller Aufbau . . . 14
1.3 UART . . . 15
1.3.1 UART Bibliothek . . . 15
1.4 UART Steckbrett . . . 16
1.5 SPI . . . 17
1.5.1 Quellen . . . 19
1.6 Speicheruntergruppe . . . 19
1.6.1 Speichern der Sollwerte . . . 21
1.6.2 Kommunikation mit LCD . . . 21
2 Gruppe 2 Netzteil 22 2.1 Blockschaltbild . . . 22
2.2 Untergruppe 1 . . . 22
2.2.1 Einleitung . . . 22
2.3 Schaltplan . . . 23
2.3.1 Gleichrichtung und Gl¨attung . . . 23
2.3.2 Dreieck-Rechteck-Generator . . . 24
2.3.3 Frequenzumrichter . . . 25
2.3.4 Sicherung und Schutz . . . 25
2.4 Simulation . . . 26
2.5 Schnittstellen . . . 28
2.6 Bauteile . . . 28
2.7 Herausforderung . . . 29
2.8 Untergruppe 2 . . . 30
2.8.1 Einleitung . . . 30
2.9 Schaltplan . . . 30
2.9.1 Tiefsetzsteller . . . 30
2.9.2 Erzeugung einer PWM . . . 31
2.9.3 Spannungsbegrenzung . . . 32
2.9.4 Synchron Step-Down 12V Buck Converter . . . 32
2.10 Simulation . . . 33
2.11 Schnittstellen . . . 34
2.12 Bauteile . . . 34
2.13 Herausforderung . . . 36
2.14 Untergruppe 3 . . . 37
2.15 Schaltplan . . . 37
2.16 Inverswandler . . . 37
2.17 Timer NE555 . . . 38
2.18 Simulation . . . 38
2.19 Schnittstellen . . . 41
2.20 Bauteile . . . 41
2.21 Herausforderung . . . 41
3 Gruppe 3: Licht 43 3.1 Einleitung . . . 43
3.2 Aufgabestellung . . . 44
3.3 Blockschaltbild . . . 44
3.4 Schaltplan . . . 45
3.4.1 Außensensor . . . 45
3.4.2 Innensensor . . . 45
3.4.3 Pulsweitenmodulation . . . 46
3.4.4 LED-Matrix . . . 47
3.5 Dimensionierung und Simulationsergebnisse . . . 48
3.5.1 Außensensor . . . 48
3.5.2 Innensensor . . . 48
3.5.3 Hauptplatine . . . 49
3.5.4 LED Matrix . . . 51
3.6 Schnittstellen . . . 52
3.6.1 Verbindung zu Steuereinheit . . . 52
3.6.2 Interne Verbindungen . . . 52
3.7 Platine . . . 53
3.7.1 Hauptplatine . . . 53
3.7.2 Innensensor . . . 54
3.7.3 Außensensor . . . 55
3.7.4 LED Platine . . . 55
3.7.5 Test der gesamten Schaltung . . . 56
4 Gruppe 4: Luft 57 4.1 Einleitung . . . 57
4.2 Sensorik . . . 57
4.2.1 Blockschaltbild . . . 58
4.2.2 Luftfeuchtigkeitsmessung . . . 60
4.2.3 Temperaturmessung . . . 72
4.2.4 Platinendesign . . . 78
4.3 L¨ufter . . . 79
4.3.1 Blockschaltbild . . . 79
4.3.2 L¨ufter . . . 80
4.3.3 Schaltungsbeschreibung . . . 80
4.3.4 Schaltplan . . . 81
4.3.5 Simulation . . . 82
4.3.6 Platine . . . 83
4.3.7 Bauteilliste . . . 84
4.3.8 Schnittstellen . . . 85
4.4 Anzeige . . . 86
4.4.1 Blockschaltbild . . . 86
4.4.2 Schaltungsbeschreibung . . . 86
4.4.3 Schaltplan . . . 87
4.4.4 Simulation . . . 88
4.4.5 Platine . . . 90
4.4.6 Bauteilliste . . . 91
5 Gruppe 5 - N¨ahrstoffe 93 5.0.1 Einleitung . . . 93
5.1 Team N¨ahrstoffmessung . . . 93
5.1.1 Einleitung . . . 93
5.2 Blockschaltbild . . . 94
5.2.1 Schaltplan . . . 95
5.2.2 Simulation . . . 98
5.2.3 Schnittstellen . . . 99
5.2.4 Kalibrierung . . . 100
5.2.5 Herausforderung . . . 100
5.2.6 Fazit . . . 101
5.2.7 Platinenlayout . . . 101
5.2.8 Bautteilliste . . . 102
5.3 Team Microcontroller . . . 104
5.3.1 Motivation Microcontroller ATMega32 . . . 104
5.3.2 Programmierung . . . 104
5.3.3 Schaltplan . . . 109
5.3.4 Simulation . . . 110
5.3.5 Platinen Layout . . . 110
5.3.6 Vollst¨andiger Quellcode . . . 111
5.4 Team pH-Sensor . . . 119
5.4.1 Blockschaltbild . . . 119
5.4.2 Teil 1: Sensor . . . 119
5.4.3 Teil 2: Mean . . . 120
5.4.4 Teil 3: Ventilsteuerung . . . 120
5.4.5 Simulation . . . 120
5.4.6 Technische Umsetzung . . . 123
5.5 Team F¨ullstand . . . 125
5.5.1 Sensor . . . 126
5.5.2 Schaltung . . . 127
5.5.3 Realisierung durch Eagle und Dimensionierung . . . 132
6 Anhang 133 6.1 Gruppe 2: Netzteil . . . 133
6.1.1 Schaltplan in LT-Spice . . . 133
6.1.2 Eaglelayout . . . 137
6.2 Gruppe 3: Licht . . . 143
6.2.1 Schaltplan in LT-Spice . . . 143
6.2.2 Eaglelayout . . . 146
6.2.3 Bauteilliste . . . 152
1 Gruppe 1 - Interface
Die Gruppe Interface besch¨aftigt sich mit der Steuerung und Regelung des gesamten Gew¨achshauses, in dem unserer Hauptmicrocontroller von alle Sensoren und Mikrocontroller anderer Grup- pen st¨andig Daten bekommt , diese Daten interpretiert und entsprechende Signale ausgibt.
Die drei Untergruppen (LCD- , Daten- ,Speicheruntergruppen )sind verantwortlich f¨ur diese 3 Teile von Steuerung : Ein LCD-Bildschirm erm¨oglicht den Benutzer eine Pflanzenart einzuge- ben und dadurch die n¨otige Konditionen f¨ur das Wachstum der Pflanze zu schaffen. Die User k¨onnen jeder Zeit die momentane Situation (Luftfeuchtigkeit , pH-Wert , Lichtst¨arke usw.) auf dem Bildschirm folgen. Einkommende Signale von aller Sensoren der anderen Gruppen werden von der Datengruppe bearbeitet und so umgeformt , sodass die LCD- und Speicherun- tergruppen direkt mit den Daten arbeiten k¨onnen. Die f¨ur alle Einstellungen n¨otige Database mit Sollwerten bildet die Speichergruppe. Diese Untergruppe hat in ihre SD-Speicher vorher definierte Werte f¨ur die s¨amtliche Komponente des Wachstums einer Pflanze. Gleichzeitig ist die Gruppe auch verantwortlich davon, dass die Messwerte von aller Sensoren gespeichert und jeder Zeit mittels LCD vom User zur¨uckgerufen werden k¨onnen.Der Vergleich von Messwerte und Normwerte mit einem entsprechend erstellten Logik geh¨ort auch zu der Aufgaben der Untergruppe.
Emirali Caferzade
1.1 LCD-Untergruppe
Zur Anzeige der uns ¨ubergebenen Daten verwenden wir eine LCD, die wir ¨uber den Mikro- controller Atmega32 ansteuern. Dieser geh¨ort zu den sogenannten AVR-Mikrocontrollern des Herstellers Atmel. Faktoren wie einer leichten Zug¨anglichkeit f¨ur Anf¨anger, einer m¨oglichen In-System-Programmierung und kostenlos verf¨ugbarer Programme sprechen f¨ur dessen Wahl.
Der eingesetzte Display ist der GLCD 128x64, welcher im ¨Ubrigen nicht nur imstande ist, Daten, sondern auch Graphiken auszugeben. Hierbei geben die Zahlen im Namen die Pixel- zahl des Displays an, auf welche entlang der H¨ohe (X-Adresse) und Breite (Y-Adresse) des Displays zugegriffen werden kann. Der gew¨unschte Pixel kann angezeigt werden, indem man dessen Wert auf HIGH(1) setzt.
Zur Verbindung von GLCD und Mikrocontroller werden im ersten Schritt beide Bauteile mit- hilfe von Kabeln verlegt und mit Spannung versorgt. Wir haben uns vorerst auf 5V f¨ur jeweils LCD und MC festgelegt. Besonderheiten sind u.a. die Verschaltung eines Potentiometers an
die GLCD zur Einstellung der gewollten Helligkeit des Displays. Der Mikrocontroller wird zus¨atzlich mit einem Reset-Button verschaltet.
Im Rahmen unseres Projektes programmieren wir in der Atmel-Umgebung mit C-Code.
Zun¨achst m¨ussen die Ports initialisiert werden. Anschließend geht es im Wesentlichen darum, Daten auf die Pins zu legen und die Visualisierung durch Shiften von Daten auf bestimmte, designierte Ports und das Setzen von Highs und Lows an den Ports, umzusetzen.
Am Ende m¨ochten wir einen Bildschirm erschaffen, durch welches wir anhand eines Steue- rungskreuzes durch Haupt- sowie Untermen¨us (¨ahnlich wie eine Baumstruktur) navigieren k¨onnen, die uns Sensordaten ausgeben.
Esther Gottschalk
Anzeigen der Parameter Soll- und Ist-Werte mit LCD und Microcontroller
Zur Anzeige der uns ¨ubergebenen Daten verwenden wir eine LCD, die wir ¨uber den Mikro- controller Atmega32 ansteuern. Dieser geh¨ort zu den sogenannten AVR-Mikrocontrollern des Herstellers Atmel. Faktoren wie einer leichten Zug¨anglichkeit f¨ur Anf¨anger, einer m¨oglichen In-System-Programmierung und kostenlos verf¨ugbarer Programme sprechen f¨ur dessen Wahl.
LCD, Mikrocontroller und die anderen Bauteile ben¨oigen alle eine Spannungsversorgung von 5V und insgesamt rund 150 mA. Besonderheiten sind u.a. die Verschaltung eines Potentio- meters an die LCD zur Einstellung der gewollten Helligkeit des Displays und der Quarzkristall als externer Taktgeber f¨ur die UART-Kommunikation mit dem Microcontroller der Speicher- gruppe. Der Mikrocontroller wird zus¨atzlich mit einem Reset-Button verschaltet.
Der eingesetzte Display ist ein LCD 16x2. Das urspr¨ungliche geplante GLCD 128x64 wurde verworfen, da wir es auf dem Steckbrett nicht zum funktionieren bringen konnten. Das Dis- play besteht aus 2 Zeilen mit je 16 Zeichen und somit ausreichend Platz um das Men¨u und die Werte f¨ur das Projekt anzuzeigen.
Im Rahmen unseres Projektes programmieren wir in der Atmel-Umgebung mit C-Code.
Zun¨achst m¨ussen die Ports initialisiert werden. Anschließend geht es im Wesentlichen darum, Daten auf die Pins zu legen und die Visualisierung durch Shiften von Daten auf bestimmte, designierte Ports und das Setzen von Highs und Lows an den Ports, umzusetzen.
Am Ende m¨ochten wir einen Bildschirm erschaffen, durch welches wir anhand eines Steue- rungskreuzes durch Haupt- sowie Untermen¨us (¨ahnlich wie eine Baumstruktur) navigieren k¨onnen, die uns Sensordaten ausgeben.
Die Programmierung des Microcontrollers erfolgt mit C. Zuerst werden die entrsprechenden Ports und Pins f¨ur die LCD und die Buttons initialisiert. Anschließend wird die Men¨ustruktur
erstellt und mit Werten gef¨ullt. Der restliche Code befindet sich in einer endlosen while(1)- Schleife. Darin wird zuerst ¨uberpr¨uft ob ein Button bet¨atigt, wurde und entsprechend reagiert (siehe Steuerung). Je nach Eingabe muss dann anschließend die LCD aktualisiert werden.
Die Men¨ustruktur wurde als Array aus C-Structs realisiert. Jeder Men¨ueintrag ist in einem solchen Struct gespeichert, welches den Namen (z.B. Ec-Wert), Ist-Wert, Soll-Wert, Minimal- und Maximalwerte und die Schrittweite (relevant f¨ur die Ver¨anderung des Soll-Wertes) bein- haltet. Weiterhin ist das Men¨u in 3 Ebenen gegliedert. In der ersten Ebene werden die Bezeichnungen der Paramter angezeigt. Diese lauten:
• EC-Wert
• pH-Wert
• Pumptaktung
• Luftfeuchte
• Temperatur
• Lichtst¨arke
• Lichtfarbe
• F¨ullstand
In der zweiten Ebene werden dann Ist- und Soll-Werte des jeweiligen Parameters angezeigt und in der dritten und letzen Ebene kann der Soll-Wert angepasst werden.
Die Men¨usteuerung funktioniert ¨uber 4 Buttons die wie ein Steuerkreuz angeordnet sind.
Links: Eine Ebene hoch bzw. Abbrechen, Rechts: Eine Ebene runter, bzw. Best¨atigen, Hoch:
Geh zu vorherigen Men¨ueintrag, Runter: Geh zu n¨achsten Men¨ueintrag. Der Reset-Button, started den Microcontroller neu und der letze Button dient zur Aktualisierung der Werte.
Wird der Button bet¨atigt, sendet der Micro-Controller durch den DVI-Stecker ein Signal an die Speichergruppe und die UART-Kommunikation beginnt. Dabei, sendet die LCD-Gruppe die eingestellten Soll-Werte an die Speichergruppe und empf¨angt im Gegenzug die aktuellen Ist-Werte.
Hier die Schaltung und verwendete Bauteile:
Abbildung 1: Schaltplan LCD
Bauteile:
• Microprozessor: Atmega32
• LCD 16x2 mit 10kΩ Poti zum Kontrast einstellen
• 6-Pol-Stecker f¨ur Programmer
• DVI-Stecker f¨ur UART-Kommunikation
• 6 Buttons mit je einem 10kΩWiderstand
• 16MHz Quarzkristall mit 2 22pF Kondesatoren zwischen Kristall und GND
• 2 100 nF Kondensatoren zwischen VCC und GND desµC
• LED mit 220Ω Widerstand als Strombegrenzung
Nachdem die Schaltung erfolgreich auf dem Steckbrett funktionierte, erfoglte das layouten mit EAGLE, ¨atzen und l¨oten der Platine.
Abbildung 2: Platinenlayout
Abbildung 3: Fertige Platine
Marco Werner
Quellen
https://www.mikrocontroller.net/articles/AVR
http://www.electronicwings.com/avr-atmega/graphical-lcd-128x64-interfacing-with-atmega1632
1.2 Datenuntergruppe
1.2.1 Aufgabenstellung
Die Gruppe Daten ist verantwortlich f¨ur die Kommunikation mit den anderen Großgruppen.
Wir sammeln alle Signale der Sensoren und bereiten sie soweit auf, dass die
Speicher-Gruppe und auch die LCD-Gruppe diese ohne weiteres sofort benutzen k¨onnen.
Die ¨Ubertragung wird h¨ochstwahrscheinlich ¨uber eine SPI-Verbingung erfolgen. Außerdem sind wir verantwortlich f¨ur die Kommunikation zwischen den beiden Microcontrollern unserer Gruppe (jeweils einer f¨ur die Daten-Gruppe und f¨ur die LCD-Gruppe). Die Kommunikation zwischen beiden Mircrocontrollern wird in diesem Fall durch UART erfolgen. Was genau UART bzw. SPI sind wird im Theorieteil unten erkl¨art. Desweiteren werden noch PLatinen gefertigt die allen Aufgaben (Stromversorgung,
Programmierschnittstelle, UART/SPI,...) gerecht werden.
Alex L¨ahns Alex L¨ahns
1.2.2 UART
UART (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter) ist eine elektronische Schaltung, die zur Realisierung digitaler serieller Schnittstellen dient. Meistens ist es ein Microchip, der verantwortlich f¨ur eine Kommunikation zwischen den Rechner und Microcontroller ist. Die Kommunikation erfolgt ¨uber den Protokoll RS-232. Die Daten k¨onnen in W¨ortern von 5 bis 9-Bits ¨ubertragen werden. Heutzutage befinden sich in Microcontrollern meistens bis zum 2 USARTs, die zus¨atzlich zu asynchroner Daten¨ubertragung auch synchrone anbieten. In USART bzw. UART ist LSB (Least Significant Bit) als erste gesendet.
Protokoll RS-232 ist eine meist verwendete asynchrone Schnittstelle. Es besteht aus 9 Leitungen, aber f¨ur den Datenaustausch reichen meistens 3: RXD (Empfangsdaten), TXD (Sendedaten) und GND (Masse). Im Fall von RS-232 (im Gegensatz zu anderen
Schnittstellen) sind die Vorrichtungen kreuzweise verbunden, dh. in der Weise, dass der Ausgang von einen zum Eingang des anderen geht. (Rx1 mit Tx2 und Tx1 mit Rx2).
RS-232 bietet eine sehr breite Palette m¨oglicher ¨Ubertragungsgeschwindigkeiten. Die Baudrate ist die Anzahl der ¨ubertragenen Symbole pro Zeitspanne.
Unterschiede zwischen UART und USART:
• Synchron Modus ben¨otigt sowohl Daten als auch Uhr, Asynchron ben¨otigt nur Daten
• Der synchrone Modus erm¨oglicht eine h¨ohere DTR (Daten¨ubertragungsrate) als der asynchrone Modus, wenn alle anderen Faktoren konstant gehalten werden
• Im synchronen Modus werden die Daten mit einer festen Rate ¨ubertragen. Im
asynchronen Modus m¨ussen die Daten nicht mit einer festen Rate ¨ubertragen werden
• Synchrone Daten werden normalerweise in Form von Bl¨ocken ¨ubertragen, w¨ahrend asynchrone Daten normalerweise Byte f¨ur Byte ¨ubertragen werden.
1.2.3 SPI
Das Serial Peripheral Interface ist ein Bussystem und besteht aus 3 Leitungen. Es erm¨oglicht eine serielle synchrone Daten¨ubertragung zwischen verschiedenen ICs.
Leitungen:
• MOSI (Master Out→ Slave in)
• MISI (Master In ←Slave Out)
• SCK (Serial Clock)
Die meisten Atmel Mikrocontroler werden ¨uber SPI programmiert. Der Master steuert die Slaves und damit die Daten¨ubertragung ¨uber die Clock und deren steigende bzw. fallende Flanken.(bekannt aus dem Modul Mikroprozessortechnik - MPT)
Begriffskl¨arung Master/Slave
• in Datenbus aber viele Teilnehmer (Problem)
• 1x Master + beliebig viele slaves
• Master hat uneingeschr¨anktes Zugriffsrecht auf Ressource
• Slave auf Zugriffsrecht warten (erteilt durch Master)
• sehr strukturiert und einfach aber langsam und ineffizient Bus/Bussystem
• Verbindung zwischen Master und Slave
• ¨ubertragen Informationen (meist Bitweise)
1.2.4 Microcontroller Aufbau
Um UART, SPI und diverse Schnittstellen zu realisieren muss auch das Layout der Platinen f¨ur die Microcontroller erstellt werden. Dazu m¨ussen zuerst Schaltpl¨ane entworfen und getestet werden um sie anschließend mit Eagle zu Konstruieren.
Mateusz Kulpa
1.3 UART
F¨ur die Kommunikation der Microcontroller innerhalb der Interface-Gruppe haben wir uns f¨ur UART entschieden. Mithilfe des Datenblattes ( S. 140 - ff) wurde sich in das Thema eingelesen und anschließend der Code entwickelt und mithilfe mehrere Dioden und einem provisorischen Aufbau auf zwei Steckbrettern getestet. Anschließend wurden alle
Funktionen in eine Bibliothek geschrieben und auf ihre Effizienz getestet, um sie dann der LCD-Gruppe zu ¨ubergeben. Mit Hilfe der Bibliothek konnte die LCD-Gruppe ihre Daten an den Microcontroller der Speicher-Gruppe schicken und diese auch wieder von dort abrufen.
1.3.1 UART Bibliothek
Abbildung 4: UART Bibliothek
1.4 UART Steckbrett
Abbildung 5: UART Steckbrett
1.5 SPI
Der Datentransfer zwischen den einzelnen Microcontrollern der jeweiligen Gruppen (Licht,Luft und N¨ahrstoffe ) erfolgt ¨uber SPI. Zur ersten Implementierung wurde ein einfacher Aufbau zwischen Master und einem Slave auf Steckbrettern aufgebaut und anschließend nach Datenblatt (S. 132 ff) verkabelt. Der Code zum einfachen Senden (Master) und Empfangen (Slave) wurde mit Hilfe des Datenblattes erstellt und mit Hilfe mehrer Dioden ausgiebig getestet. Anschließend wurde sich mit den anderen Gruppen darauf geeinigt Integer zu Senden/Empfangen, daCharacter mit nur einem Byte zu klein waren. Daraufhin wurde der Code f¨ur das Senden/Empfangen auf Integer umgeschrieben und wieder getestet. Um auch Daten vom Slave zu Empfangen, musste der Code erneut umgeschrieben werden, hierbei mussten folgende Dinge beachtet werden: Der Slave darf nicht selbst¨andig auf den Daten-Bus zugreifen und generiert auch keinen Takt außerdem basiert SPI auf einem Schieberegister, dass bedeutet es kann nur ein Bit geschickt werden wenn daf¨ur eins Empfangen wird. Um dieses Problem zu l¨osen muss der Master ein sogenanntes ”Dummy-Byte¨an den Slave senden, damit wird die Clock f¨ur den Slave
generiert und dieser kann nun im Austausch f¨ur das Dummy-Byte seine eigentlichen Daten, Bit f¨ur Bit, auf das Register des Masters ßchieben”. Das Dummy-Byte ist in unserem Fall f¨ur den Slave v¨ollig Wertlos und wird im Code nicht weiter ber¨ucksichtigt. Die
verschiedenen Slaves werden im Code ¨uber den SlaveSelect(SS) wie im Datenblatt beschrieben angew¨ahlt und nach erfolgreichem Datentransfer wieder abgew¨ahlt.
Aufgrund des Streiks kam es leider nicht dazu eine wirkliche Kommunikation mit den anderen Gruppen aufzubauen, da wir diverse Probleme mit dem SlaveSelect und dem Dummy-Byte hatten und den Code erst eine Woche vor dem Pr¨asentationstermin wirklich nutzen konnten. Außerdem sind einige Sensoren der anderen Gruppen gar nicht fertig geworden bzw. wurde der ganze Microcrontroller bereich in der Luft-Gruppe aufgegeben.
Daher haben wir uns entschieden eine einfache Test-Platine mit diversen Schaltern, einem Microcontroller und einem Display zu erstellen. Diese wird als Master fungieren und eine Kommunikation mit der Platine der LCD-Gruppe aufbauen und eine einfache
SPI-Verbindung simulieren indem durch Tastendruck am Master unterschiedliche Ausgaben auf dem LCD-Display der Slave-Platine angezeigt werden.
Abbildung 6: SPI Steckbrett
Abbildung 7: SPI Platinen
1.5.1 Quellen
• https://www.mikrocontroller.net/articles/UART
• https://whatis.techtarget.com/definition/USART-Universal-Synchronous-Asynchronous- Receiver-Transmitter
• https://de.wikipedia.org/wiki/Universal Asynchronous Receiver Transmitter
• https://www.mikrocontroller.net/articles/RS-232
• https://www.mikrocontroller.net/articles/Serial Peripheral Interface
• https://de.wikipedia.org/wiki/Master/Slave
• https://de.wikipedia.org/wiki/Bus (Datenverarbeitung)
1.6 Speicheruntergruppe
Das Ziel unserer Kleingruppe im Microcontrollerbereich ist es, einen Microcontroller mit einem passenden Speicher zu erg¨anzen. Damit k¨onnen wir sp¨ater aufgenommene Daten der einzelnen Sensoren abspeichern, um sp¨ater einen genauen ¨Uberblick zu erhalten, ob das Gew¨achshaus entsprechend funktioniert. Um das Ganze zu realisieren, haben wir uns bisher in unseren Kleingruppen eingefunden und recherchiert, wie man das ganze umsetzen kann.
Wir sind zu der Erkenntnis gekommen, dass wir auf jeden Fall eine SD – Speicherkarte als Speichermedium benutzen wollen. Da diese leicht ansteuerbar ist und als so genannter Flashspeicher, der immer neu ¨uberschreibbar ist.
Uber die m¨¨ ogliche Ansteuerung versuchen wir momentan das ganze ohne eingekauftes Bauteil zu realisieren, da der Lerneffekt deutlich h¨oher ist so was selbst zu entwerfen. Programmieren wollen wir die Schnittstelle in C, da der Atmega 32 damit leicht zug¨anglich ist.
Chris Geldermann
Auf dem Speichermedium sollen alle momentanen und vergangen Istwerte, sowie die Sollwerte gespeichert werden. Die gespeicherten Istwerte k¨onnen von der LCD- Gruppe abgerufen und angezeigt werden, sodass der Verlauf der Werte vom Benutzer nachvollzogen werden kann.
Auch die Funktion des Gew¨achshauses kann so ¨uberpr¨uft werden. Desweiteren werden die Ist- und Soll-Werte mit der Daten- Gruppe ausgetauscht, um eine Steuerung des Gew¨achshauses zu gew¨ahrleisten. Um eine optimale Anzucht zu gew¨ahrleisten, soll es angepasste Sollwerte f¨ur verschiedene Pflanzenarten und -gr¨oßen geben.
Feodora Jonack
1.6.1 Speichern der Sollwerte
Am Anfang war unser Plan , die vom User eingestellte Sollwerten in einer SD-Karte zu speichern. Dann haben wir darauf verzichtet, da diese Sollwerten von der Gr¨oßen her passend waren , in dem EEPROM von unserem ATMega32 zu speichern.Wenn man pr¨aziser sein sollte : ATMega 32 hat einen Speicherplatz von 1024 bytes als ”data EEPROM memory”.Die Sollwerte , die wir benutzen ,sind vom Typ uint16 t und bestehen aus 16 Bits.Eine Sollwert- Passage beinhaltet 8 Parameter. Das soll grob heißen , dass man in ungef¨ahr 60 nacheinander folgende Sitzungen Sollwerte sicher speichern kann , ohne ein externes Speichermedium zu brauchen und ohne durch L¨oschen der vorhandene Info Platz zu schaffen.
1.6.2 Kommunikation mit LCD
Die Kommunikation mit der LCD erfolgt ¨uber UART.Die gr¨oßte Schwierigkeit, die wir dabei erlebt haben, ist folgende : Wir als Speichergruppe empfangen die vom User eingestellte Soll- Werte vom LCD und das machen wir periodisch. Genau an dieser Stelle muss man Interrupts einsetzen , um ein Kommunikationskonflikt zwischen Master ( in diesem Fall LCD) und Slave (unsere Mikrokontroller) zu vermeiden.Wenn der User nicht periodisch neue Werte einstellt , aber von unserem Mikrokontroller trotzdem neu Werte als Input gefordert werden , verursacht das , dass der Programmablauf an der Stelle stoppt und die weitere Code nicht durchgelesen wird, bis neue Soll-werte eingestellt werden. Da in der Realit¨at der User h¨ochstwahrscheinlich nicht immer neue Soll-Werte einstellen wird, mussten wir die Code so umformen, sodass nur dann auf einen Wert gewartet wird, wenn LCD die schickt.Als L¨osung haben wir uns,wie oben erw¨ahnt, das Interrupt-Konzept gedacht und sowohl mit LCD- als auch mit Datengruppe zusammengearbeitet.Als zeitlichen Gr¨unden konnten wir unsere Codeentwurf nicht testen und deswegen auch nicht implementieren.
Emirali Caferzade
2 Gruppe 2 Netzteil
Wie im Namen der Gruppe enthalten, besch¨aftigt sich unsere Gruppe mit einem der wich- tigsten Bestandteile des GreenLab- Projekts.
Der angemessenen Energieversorgung der einzelnen Sensoren, der Mikroprozessoren, der Pumpe und der Lichtquellen. Ohne diese w¨are es nicht m¨oglich das Hierbei teilten wir uns in drei Untergruppen auf, wobei sich Gruppe 1 um den Frequenzumrichter, den Transformator und die Gleichrichtung k¨ummert. Gruppe 2 regelt die Gleichspannung auf die gew¨unschten Spqannungsgr¨oßen und Gruppe 3 k¨ummert sich um die Strombegrenzung, sowie die Satus- LEDs. Diese ausgehenden Gleichspannungen werden dann zur Versorgung weitergeben.
Robert Schatzl
2.1 Blockschaltbild
Abbildung 8: Blockschaltbild Gruppe 2 Netzteil
2.2 Untergruppe 1
2.2.1 Einleitung
Zum Betrieb der unterschiedlichen Ger¨ate und Mikrocontroller ist eine Versorgung mit Gleich- spannung notwendig. Ziel unserer Gruppe ist die Erzeugung und Verteilung dieser Spannun-
gen. Die erste Untergruppe ¨ubernimmt dabei die Umwandlung der Netzspannung in einer Gleichspannung. Das dazugeh¨orige Blockschaltbild ist in Abbildung 9 zu sehen.
2.3 Schaltplan
Abbildung 9: Blockschaltbild der ersten Untergruppe
2.3.1 Gleichrichtung und Gl¨attung
Abbildung 10 zeigt den Schaltungsaufbau f¨ur die Gleichrichtung und Gl¨attung.
Abbildung 10: Die Gleichrichterschaltung
Am Transformator wird die Netzspannung von230V angelegt und auf15V herunter geregelt.
¨uber die Br¨ucken-Gleichrichterschaltung, bestehend aus vier Dioden, wird die Wechselspan- nung gleichgerichtet. Danach folgt die Gl¨attung der Spannung, um eine Gleichspannung von 15V zu erreichen.
Die zuerst entworfene Mittelpunktschaltung wurde verworfen, weil nur ein Verbraucher mit einer negativen Spannung arbeitet und in diesem Fall eine viel gr¨oßere Leistung ¨uber den positiven Gleichrichtungspfad laufen w¨urde. Stattdessen wird nun ein Spannungsinvertierer
durch eine andere Untergruppe umgesetzt.
Zur Erzeugung von Betriebsspannungen f¨ur die verwendeten Operationsverst¨arker wird ein Spannungsteiler eingesetzt (siehe Abb. 11).
Abbildung 11: Spannungsteiler zur Versorgung
Zus¨atzlich wird ein Kondensator parallel geschaltet, um die Ausgangsspannung zu Gl¨atten.
Damit wird Spannungsschwankungen, die vom Netz verursacht werden und den OPV beein- flussen k¨onnten, entgegengewirkt.
Alexander Schugardt
2.3.2 Dreieck-Rechteck-Generator
Abbildung 12 zeigt einen Dreieck-Rechteck-Generator, was eine entsprechende Dreieckspan- nung ausgibt. Die Dreieckspannung wird erzeugt, damit die Pulsweitenmodulation realisiert werden kann.
Abbildung 12: Dreieckgenerator
Der Dreieck-Rechteck-Generator besteht aus zwei Operationsverst¨arkern (OPV), wobei der erste OPV als nicht-invertierender Schmitt-Trigger und der Zweite als invertierender Integra- tor fungiert. In Abh¨angigkeit des Ausgangspegels am Schmitt-Trigger wird der Kondensator C2 ¨uber den Widerstand aufgeladen bzw. entladen. Im Ladefall von C2 verh¨alt sich der Ausgangspegel am Integrator linear fallend und beim erreichen der Schwellspannung des Schmitt-Triggers schaltet der Ausgangspegel ”LOW”. Dadurch wird der Kondensator in ent- gegengesetzter Richtung aufgeladen.
2.3.3 Frequenzumrichter
Zur effektiveren Ausnutzung des Transformators m¨ussen viel h¨ohere Frequenzen als die Netz- frequenz verwendet werden. Dadurch kann der Transformator bei gleichbleibender Leistung kleiner dimensioniert werden.
Dieser wird f¨ur eine starke Erh¨ohung der Betriebsfrequenz des Transformators verwendet.
Bestandteile sind eine Gleichrichterschaltung am Eingang und vier npn-Transistoren, die un- terschiedliche Basisspannungen erhalten, mit jeweils einer Diode.
2.3.4 Sicherung und Schutz
Um die gesamte Energieversorgung abzusichern, wird eine Schmelzsicherung verwendet, wel- che vor dem Frequenzumrichter eingebaut wird.
Thanh Trung Nguyen
2.4 Simulation
Abbildung 13: Schaltplan mit Transformator, Gleichrichter und Spannungsteiler
Abbildung 14: Simulation gegl¨attete Gleichspannung
Abbildung 15: Simulation Spannung V+
Abbildung 16: Schaltplan Dreieck-Rechteck-Generator
Abbildung 17: Simulation Dreieckspannung
2.5 Schnittstellen
Unsere Untergruppe erh¨alt von der Eingangsseite die Netzspannung von rund 230 V und transformierte diese in 15V. Auf der Ausgangsseite bieten wir f¨ur die Untergruppe 2 eine Dreiecksspannung mit einer Frequenz von und einer Amplitude von. Eine weitere Ausgangs- schnittstelle stellt die transformierte Spannung von 15 V da.
2.6 Bauteile
Art Wert Anzahl
Diode IN4883 - 4
Kondensator 22nF 1 Kondensator 10µF 1
Kondensator 1mF 1
Widerstand 800Ω 1 Widerstand 1.2KΩ 1 Widerstand 2.2KΩ 1 Widerstand 10KΩ 1 Widerstand 12KΩ 1
OPV TL082L - 1
Spule 68µH 1
2.7 Herausforderung
Herausforderungen gab es in unserer Kleingruppe leider einige zum einen mussten wir zu Beginn feststellen, dass die Konfiguration eines Frequenzumrichters eine immense Menge an Bauteilen ben¨otigt, daher mussten wir uns von der Idee eines Frequenzumrichters verabschie- den und konzentrierten uns auf den Aufbau der restlichen Blockschaltbildelemente. Jedoch konnten wir einen Teil den Dreieck-Rechteck-Generator aus unsere angefangenen Frequen- zumrichterschaltung herauspicken. Mit dieser konnten wir ein Dreiecksspannung erzeugen, welche die 2. Kleingruppe f¨ur ihre Puls-Weiten-Modulation verwenden konnte.
Wir blieben mit weiteren R¨uckschl¨agen weiterhin nicht verschont. Von Anfang an gab es die Diskussion wie der Transformator dimensioniert werden sollte. Zum einen Stand die Frage, ob wir mit Netzspannung arbeiten d¨urften und zum anderen welche Ausgangsspannung der Transformator haben sollte. Die zweite Frage wurde zun¨achst mit 50V festgelegt. Diese Aus- legung wurde aber einige Wochen vor Ende des Projektlabors ¨Uberbord geworfen und auf 15V ge¨andert. Dies sorgte auch f¨ur eine Umdimensionierung der einzelnen Bauteile. Durch den zeitlichen Druck wurde es so schwer den richtigen Transformator zu finden.
Zum Abschluss hatten wir leider auch das Pech, dass unsere Platine unter den vielen anderen
¨ubersehen wurde und wir so erst sp¨at zu l¨oten beginnen konnten.
Aber am Ende l¨asst sich dennoch sagen, dass es trotz des Tutoren-Streiks und anderer Kom- plikationen eine interessant und bildende Erfahrung war und auch Spaß gemacht hat.
Robert Schatzl
2.8 Untergruppe 2
2.8.1 Einleitung
Uns wurde die Aufgabe gegeben, alle Teilgruppe mit verschiedenen Spannungen zu ver- sorgen.Nach dem ersten Schnittstelle-Termin hat jede Gruppe grob seine Anforderungen dargestellt. Die Spannungen werden aus 15V DC mithilfe Tiefsetzstellern gesunken.Leider Aufgrund des Streiks der Tutoren wird das Projekt nicht mehr bis zum Ende durchgef¨uhrt.
Aus diesem Grund haben wir entschlossen, 3 Schaltungen zu entwickeln, die fast die gleiche Anforderungen von dem Projekt jedoch mit weniger Leistung. Daraus folgt dass 2 Tiefsetz- steller f¨ur 3,3V und 5 V mit 500mA bzw 2A aufgebaut werden und ein Schaltregler f¨ur 12V und 3,6 A am Ausgang.
2.9 Schaltplan
2.9.1 Tiefsetzsteller
Es wird hier der klassische Aufbau eines Tiefsetzsteller realisiert. Dies besteht aus eine zu senkende Eingangsspannung UE, die wird durch die Ein- und Ausschaltfrequenz zu einer rechteckigen Spannung dank des N- und PMOS transformiert. Diese Spannung wird durch einen LC-Tiefpass Filter in die gew¨unschte Ausgangsspannung umgewandt. Um die MOSFET zu steuern, wurde die Gate-Spannung mit der Eingangsspannung verst¨arkt, weil die Source in dem Fall nicht mehr auf Masse liegt und die Drain-Source Spannung muss großer als die Gate-Source Spannung, um die MOSFET in S¨attigung zu betreiben.
Abbildung 18: 5V Tiefsetzsteller
2.9.2 Erzeugung einer PWM
Zum Aufbau einer PWM wird eine ref. Spannung mit einer S¨agezahnspannung dank ei- nes OPVs als Komparator vergleichen. Die ref. Spannung ist eine einfache konstante Span- nungsquelle. Die S¨agezahnspannung wurde vom der Gruppe Frequenzumrichtung schon zur Verf¨ugung gestellt. (siehe Abb eure S¨agezahngenerator) Die beiden Signale werden mithilfe eines Komparators verglichen, sodass wenn die Amplitude der S¨agezahnspannung h¨oher als die der ref. Spannung ergibt sich eine konstante Spannung. Wenn nicht wird keine Spannung am Ausgang des OPVs. Dies f¨uhrt dazu, dass eine rechteckige Spannung mit einer vom ref.
Signal abh¨angiger Periode und Tastgrad erzeugt wird.
Abbildung 19: Erzeugung einer PWM mithilfe eines Komparators [1]
2.9.3 Spannungsbegrenzung
W¨urde der Ausgang zu viel belastet, dann wird einen h¨ohere Spannungsabfall zur Folge haben und dies f¨uhrt dazu, dass die Ausgangsspannung kleiner wird. Da eine konstante Aus- gangsspannung gew¨unscht ist, sollte dieser Fehler behoben werden. Dies erfolgt durch eine R¨uckkopplung mit der Steuerung. Der Tastgrad ggf. wird angepasst. Leider wurde diese Schaltung in dieser Veranstaltung und wegen des Streiks kein Betreuer nicht realisiert. Wir sind auch davon ausgegangen, dass die Last f¨ur 5 und 3,3 V ( haupts¨achlich f¨ur Mikrokon- troller) nicht so viel variiert wird. Jedoch haben wir eine Schaltung f¨ur 12V mit R¨uckkopplung realisiert.
2.9.4 Synchron Step-Down 12V Buck Converter
Da die Stromanforderung f¨ur die 12V nicht zu untersch¨atzen ist, haben wir f¨ur sinnvoller gehalten, eine Schaltregler zu benutzen. Die haben den Vorteil, dass sie eine R¨uckkopplung erhalten. Dies sorgt, daf¨ur dass die Ausgangsspannung angepasst wird, wenn die Last zu groß wird und somit eine Spannungsabfall. Der andere Vorteil gegen¨uber dem Tiefsetzsteller ist, dass nur 4 Bauteile f¨ur die Realisierung ben¨otigt.
Abbildung 20: 12V synchron Step Down Converter [2]
2.10 Simulation
Es wurde nur die Tiefsetzsteller simuliert, weil der Bauteil LM2596 nicht in der LT-Spice Bibliothek verf¨ugbar war.
Abbildung 21: 3,3V Tiefsetzsteller
Abbildung 22: 5V Tiefsetzsteller
Souleimane Diop
2.11 Schnittstellen
Hier ging es um die Kommunikation zwischen Teilgruppen um Informationen zu tauschen, sowie Betriebsspannung, die jede Gruppe gebraucht h¨atte, und wie Groß soll der Strom f¨ur jeweilige erwartete Spannungen sein. Durch eine erstellte WhatsApp Gruppe und einige Termine konnte jede Gruppe sagen , was sie liefern k¨onnen und was sie von anderen Gruppen erwarten. Wir als Tiefsetzsteller- Gruppe hatten mehr geliefert als erwartet.
Kueta Notsa Ines
2.12 Bauteile
Nach dem wir durch Layout und Simulation sichergestellt haben, welche Bauteile wir ver- wenden m¨ussen, wurde eine liste von allen notwendigen Bauteilen vorbereitet. Die meiste Bauteile wurden auf Reichelt bestellt aber einige Transistoren oder SMD-Spulen waren auf
Reichelt nicht verf¨ugbar und m¨ussten von anderen Anbietern wie Conrad oder Segor gekauft werden. Die Liste und ein Excel Datei mit allen infos ¨uber die Preise, Anzahl der Bauteile und ihre Artikelnummern wurde dann an dem Laborbetreuer gesendet und dann wurden die Bauteile bestellt.
Abbildung 23: Bauteilliste
Arzhang Yarahmadi
2.13 Herausforderung
Beim Einsetzen der Theorie vom Tiefsetzsteller, was wir in anderen Module(z.B wie Elektri- sche Energiesysteme) gelernt haben, haben wir einige Probleme gehabt. An der ersten Stelle ist uns klar geworden, dass die in der Theorie gelernte Schaltung in der Realit¨at nicht reali- sierbar ist. Wie es berreits bekannt ist, haben wir uns f¨ur drei Tiefsetzstellers entschieden mit 3,3 V, 5 V und 12 V. Hier haben wir herausgefunden, dass ein Tiefsetzsteller f¨ur 12V mit einer trivialen Tiefsetzsteller-Schaltung nicht realisierbar ist, weil die Leistung, die wir versorgen mussten zu groß war, so dass es sich nicht gelohnt hat einen Tiefsetzsteller zu bauen. Die Entscheidung, einen Netzteil zu kaufen, schien eine bessere Idee zu sein. Deswegen haben wir die Schaltung des dritten Tiefsetzstellers ge¨andert und ein IC benutzt. Außerdem beim Ausw¨ahlen der geeigneten Werte f¨ur die Bauteile die verwendung der bekannten Formeln hatten einen sehr großen Abstand mit der Simulation, sodass wir nur Werte eingegen und simuliert haben bis wir die gestrebte Werte bekommen haben.
Kueta Notsa Ines
2.14 Untergruppe 3 2.15 Schaltplan 2.16 Inverswandler
Abbildung 24: Inverswandler allgemein; von mikrocontroller.net
Die Spannunginvertierung wird mit einem Inverswandler (s.Abb. 24) realisiert, er bildet das Herzst¨uck der Schaltung und bietet die eigentliche Funktionalit¨at. Der Transistor links in Abb 24 dient als Schalter, um den Inverter ein und aus zu schalten, ohne ihn k¨onnte keine negative Spannung induziert werden. Die Schaltung funktioniert wie folgt:
W¨ahrend der On-Zeit(Schalter geschlossen), sperrt die Diode, die Eingangsspannung f¨allt nur ¨uber die Spule ab. Die Spannung ¨uber den Lastwiderstand(ganz rechts in der Abbildung) wird in dieser Zeit durch den Kondensator bereitgestellt, welcher auch zur Spannungsgl¨attung dient. Bei ge¨offneter Schalterstellung wird durch die Spule eine Spannung induziert, welche den Kondensator l¨ad und den Spannungsabfall ¨uber den Lastwiderstand bereitstellt. Die Diode leitet zu dieser Zeit.
Der Schalter wurde mit Hilfe eines IC‘s und MOSFETs gebaut.
Lucian Chigne S.
2.17 Timer NE555
Abbildung 25: Timer NE555; von elektronik-kompendium.de
Wir verwenden den NE555 als astabile Kippstufe zur Ansteuerung eines MOSFETs. Das bedeutet, dass dieser Timer zwischen einem ,,High”-Signal und einem ,,Low”-Signal am Ausgang hin und her pendelt und dieses Signal an unserem MOSFET legt. Das Signal ist eine Rechteck-Funktion und besitzt als Low-Signal 0V und als High-Signal die Betriebsspannung.
Die Schaltzeiten werden ¨uber die Widerst¨ande und dem Kondensator C1 berechnet. Also kann man durch das Ver¨andern der Widerst¨ande die Impulsdauer ver¨andern.
Kevin Ludwig
2.18 Simulation
Abbildung 26: Simulation Inverswandler
Das ist das Simulations-Schaltbild unserer eigentlichen Schaltung in LTSpice, unsere erste Idee f¨ur einen Inverswandler. Dort haben wir durch das Widerstandsverh¨altnis am NE555 eine h¨ohere Einschaltzeit des Transistors eingestellt. Dadurch kann am Ausgang mehr Spannung vorhanden sein als am Eingang. Dies haben wir eingestellt falls die Verluste in den Schaltungen h¨oher sind als geplant. Den Strom halten wir jedoch gering wie m¨oglich.
Abbildung 27: Simulation NE555 12V
Hier ist erstmal der Ausgang des NE555 dargestellt in unserer Simulation. Da unser Wider- stand R2 nur 6/16 des Gesamtwiderstandes am Eingang des NE555 besitzt, ist am Ausgang des ICs f¨ur 10/16 der ganzen Schaltzeit die Betriebsspannung des NE555.
Abbildung 28: Ausgang bei 48 Ohm
Abbildung 29: Simulation Inverswandler
Das ist das Simulations-Schaltbild unserer eigentlichen Schaltung in LTSpice, unsere erste Idee f¨ur einen Inverswandler. Dort haben wir durch das Widerstandsverh¨altnis am NE555 eine h¨ohere Einschaltzeit des Transistors eingestellt. Dadurch kann am Ausgang mehr Spannung vorhanden sein als am Eingang. Dies haben wir eingestellt falls die Verluste in den Schaltungen h¨oher sind als geplant. Den Strom halten wir jedoch gering wie m¨oglich.
Abbildung 30: Simulation NE555 12V
Hier ist erstmal der Ausgang des NE555 dargestellt in unserer Simulation. Da unser Wider- stand R2 nur 6/16 des Gesamtwiderstandes am Eingang des NE555 besitzt, ist am Ausgang des ICs f¨ur 10/16 der ganzen Schaltzeit die Betriebsspannung des NE555.
Abbildung 31: Ausgang bei 48 Ohm
Abbildung 32: Ausgang bei 120 Ohm
Kevin Ludwig
2.19 Schnittstellen
Innerhalb der Gruppe ist es hierf¨ur wichtig, dass wir die 12V vom Tiefsetzsteller (von einer anderen Kleingruppe erhalten), damit wir die -12V am Ausgang f¨ur Sensoren der anderen Projektlaborgruppen in Betrieb nehmen k¨onnen.
Lucian Chigne S.
2.20 Bauteile
Art Wert Anzahl
Widerstand 10kΩ 1
Widerstand 6kΩ 1
NE555 TEX 1
LM 2576 1
IRF 5305 1
Diode 1N4148 3
Diode 1N5821 1
Elko 220µF 1
Elko 2200µF 1
Spule 100µH 1
Spule 68µH 1
Kondensator 6.9nF 2
2.21 Herausforderung
Die wohl gr¨oßte Herausforderungen, die wir bei dem Entwurf der Schaltung ¨uberwinden muss- ten, waren zu hohe Str¨ome. Der Ausgang unserer Schaltung erf¨ullt die geforderten Strom und Spannungswerte. Die Str¨ome in der Spule und der Kapazit¨at machten die Schaltung jedoch zun¨achst nicht umsetzbar. Der NE555 hat einen Ausgansstrom von maximal 200mA. Damit der Strom nicht zu hoch wird, schalteten wir einen Widerstand in Reihe. Hierdurch mussten wir jedoch auch die Schaltzeit anpassen, damit der MOSFET noch richtig schaltet(Gate- Oxid lud sich langsamer auf). Im n¨achsten Schritt musste nun wieder der Inverswandler an die ver¨anderte Schaltzeit angepasst werden. Die Korrektur des Induktivit¨ats- und Kapa- zit¨atswerts l¨oste zugleich das Problem der zu hohen Str¨ome.
Die Wahl des richtigen Transistors stellte sich als schwieriger heraus als angenommen, neben
den passenden Gate-und Sourcespannungswerten musste auch die Gatekapazit¨at Cox sowie der Innenwiderstand beachtet werden. Letzendlich verwenden wir den IRF5305.
Ein weiteres Problem war der stetige Anstieg der Ausgangsspannung, wenn die Last ver¨andert wird (Sensoren besitzen keinen festen Widerstand, beim An/Ausschalten ver¨andert dieser sich) Hierf¨ur hatten wir keine R¨uckkopplung in der Schaltung geplant. Die Information der ver¨anderlichen Last an Sensoren ging erst aus einem Gespr¨ach mit einem der Verantwortlichen am Ende des Moduls hervor.
Das Probleme k¨onnen wir mit der 2. Schaltung (unten im Schaltbild) beheben, jedoch ist bei diesem Verfahren das eigentliche Ziel des Projektlabors verfehlt. Das Ziel in diesem Praktikum ist es praktische Erfahrungen zu sammeln in der Elektrotechnik. Hier benutzen wir einfach den Schaltregler LM 2576, dieser regelt die Spannung konstant auf 12V selbst bei Last¨anderung.
Abbildung 33: Schaltplan LM2576; http://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A200/LM2576- TI.pdf; Stand April 2013
Dies ist die originale Verschaltung aus dem Datenblatt.
Eine Simulation in LTSpice f¨ur den LM2576 war uns nicht m¨oglich, da dieser Baustein in LTSpice nicht existiert.
Kevin Ludwig, Lucian Chigne S.
3 Gruppe 3: Licht
3.1 Einleitung
W¨ahrend f¨ur das menschliche Auge normale Leuchtstoffr¨ohren ausreichen, ben¨otigen Pflanzen je nach Lebensphase besonderes Licht. Grunds¨atzlich sollten Pflanzen zwischen 12 und 16 Stunden pro Tag Licht haben und mindestens 6 Stunden Nachtruhe ohne Beleuchtung, um Photosynthese betreiben zu k¨onnen.
Doch nicht jedes Licht ist gleich gut verwertbar, weil die Pflanzen haupts¨achlich die blau- en(400 bis 500 nm) und roten(600 bis 700 nm) Anteile des sichtbaren Lichts f¨ur die Pho- tosynthese verwenden. Diese Aufgabe ¨ubernimmt das Chlorophyll, auch Blattgr¨un genannt.
Sie absorbiert das Licht und wandelt es in organische Verbindungen (Glukose) und in elek- tromagnetische Energien um (Sauerstoff).
Als Lichtquelle wird LEDs verwendet, weil Sie energieeffizient, platzsparend sind und eine lange Lebenszeit haben. Außerdem haben Sie eine geringe W¨armeabstrahlung und behin- dern damit die Photosynthese einer Pflanze nicht. Dabei muss jedoch auf die richtige Mi- schung von blauen und roten LEDs geachtet werden, da f¨ur unterschiedliche Lebensphasen der Pflanze unterschiedliche Mischungsverh¨altnis ben¨otigt wird. Wenn auch das von unseren LED-Leuchten emittierte Licht ungew¨ohnlich rot-bl¨aulich leuchtet, so ist es dennoch genau das, was Pflanzen f¨ur einen optimalen Wuchs ben¨otigen.
Wir, die Gruppe 3 Licht, bestehend aus Pedro Lorenzo Camacho, Aniket Conrad Rodrigues, Matthias Schaale-Segeroth und Haoda Wang, sind f¨ur die Beleuchtung des Gew¨achshauses zust¨andig. Ziel unserer Gruppe ist es diese Vorstellung realisieren zu k¨onnen und wir hoffen euch hiermit unser Teilprojekt gut vorstellen zu k¨onnen.
Aniket Rodrigues
3.2 Aufgabestellung
Um gen¨ugende Beleuchtung im Autogew¨achshaus zu behalten,wird ein aus roten und blauen LEDs bestehendes Beleuchtungssystem eingesetzt,wenn das Sonnenlicht nicht reicht.
Die Helligkeit in dem Autogew¨achshaus soll mit Hilfe von den Sensoren durch Photodioden gemessen werden.
Eine Spannung,die mit dem Mikrocontroller erzeugt wird,kontrolliert den Tastgrad des Puls- weitenmodulationssignals,um jeweils die Kontrolle der Helligkeit der roten und blauen LEDs, bzw. die Farbe und Helligkeit des gesamten Beleuchtungssystems, zu verwirklichen.
Haoda Wang
3.3 Blockschaltbild
In die Abbildung ist das Blockschaltbild zu sehen. Es gibt zwei Sensoren, der Außensensor und der Innensensor. Der erster Sensor misst die aussere Helligkeit und dieser Parameter wird an die Lampsteuerung ¨ubergeben. Es werden auch zwei Signalen aus der Interface bekommt und an die Lampsteuerung geschickt; Nennhelligkeit, ein Signal der die geeignete Helligkeit erh¨alt und ein Farbsignal, welche die geeignete Farbkombination erh¨alt. Schließlich wird in die Lampsteuerung, nach die Verarbeitung der drei Signale ein Signal erstellt, das die ganze LED Platine regeln kann. Die Kommunikation zwischen Beleuchtung und Interface wird durch den Innensensor stattfinden. Der Innensensor wird die Menge von innere Helligkeit an die Interface ¨ubertragen.
Abbildung 34: Spannungverlaufe
Pedro Lorenzo Camacho
3.4 Schaltplan
3.4.1 Außensensor
Die Aufgabe des ersten Sensors ist die ¨außere Helligkeit zu messen und die Werte als Span- nung an die Lampsteuerung zu ¨ubermitteln.Der Außensensor besteht aus zwei Teilen.Der erste Teil wird von einer Photodiode und einem widerstand gebaut.Die Aufgabe von dem ersten Teil ist die Helligkeit zu messen und die Ergebnisse mit einer Spannung an zweiten Teil weiterzuleiten.Der zweite Teil funktioniert mit einem Operationsverst¨arker. Die Spannung wird im zweiten Teil verdoppeln.
Haoda Wang
3.4.2 Innensensor
Die Aufgabe von dem zweiten Sensor(Innensensor) ist die innere Helligkeit zu messen und diese Werte als digitale Signal an die Interface zu ¨ubermitteln. Diesen Teil besteht aus den Sensor 1 und aus eine logische Schaltung mit Operation Verst¨arkers und logische Gatter.
Es werden insgesamt 7 Operation Verst¨arker gebraucht. Mit dem Operation Verst¨arker wird man die Spannungswerte aus dem Innensensor zuordnen und damit zu interpretieren. Mit dem logischen Gatter (AND, OR und Inverter) wird man der Ergebnis von die OPV als digitale Signale umwandeln und zwar in 3 Bits (von 0 bis 8) Die Die in LT-Spice anhand des Schaltplans (Abb. 108) in Sektion 2.1 dargestellt.
Pedro Lorenzo Camacho
3.4.3 Pulsweitenmodulation
Die Pulsweitenmodulation wird ben¨otigt um LEDs dimmen zu k¨onnen und sie trotzdem immer im optimalen Arbeitspunkt zu betreiben. Dazu wird ein Rechtecksignal mit variablerem Tast- grad erzeugt, indem ein generiertes Dreiecksignal mit einem Referenzsignal verglichen wird.
Das Dreiecksignal wird er- zeugt, indem ein Schmitt- Trigger und ein Integrator rekursiv verschaltet werden (Abbildung 35). Durch die SpannungV4kann der Mit- telwert und ¨uber den Wi- derstand Amp. die Ampli- tude des Dreiecksignals be- stimmt werden.
Abbildung 35: PWM Aufbau MIT OPV
Abbildung 36: Spannungverlaufe
Wenn das Referenzsignal gr¨oßer ist als das Dreiecksignal wird die Spannung auf 12V an- geschaltet und im inversen Fall ausgeschaltet vgl. Abbildung 36. Dadurch kann die ¨Anderung des Referenzsignals direkt den Tastgrad und somit die effektive Ausgangsspannung gesteu- ert und die LEDs effektiv gedimmt werden.
Matthias Schaale-Segeroth
3.4.4 LED-Matrix
Pflanzen verwenden f¨ur ihre Photosynthese haupts¨achlich rotes und blaues Licht. Dabei muss jedoch auf die richtige Mischung geachtet werden. Da rotes Licht die Pflanze in ihrer Bl¨utephase unterst¨utzt, und blaues Licht gibt die Pflanze die Energie, die sie f¨ur ihr vegeta- tives Wachstum ben¨otigt, wird ein Rot:Blau(2:1) Verh¨alnis verwendet, um einen optimalen Wuchs zu gew¨ahrleisten.
Insgesamt werden 2 Platinen mit je 12xRot LEDs und 6xBlau LEDs f¨ur das Gew¨achhaus ben¨otigt. WTN-1 Watt High Power LEDs werden verwendet, weil sie eine hohe Lichtintensit¨at erzeugen, wenige W¨arme ausgeben und eine l¨angere Lebenszeit haben.
Abbildung 37: Schaltplan der LED Platine
Aniket Rodrigues
3.5 Dimensionierung und Simulationsergebnisse
3.5.1 Außensensor
Die Photodiode ist mit der Versorgungsspannung 12V verbunden. Da die Helligkeit in der Natur ungef¨ahr 0lx bis 120lx ist,k¨onnen wir aus Datensheet die Photocurrent-Strom able- sen.Die erzeugende Photocurrent-Strom IA ist 0µA bis 100µA.
Abbildung 38: Schaltplan Helligkeitssensor
Die Aufgabe der Operationsverst¨arker ist die Spannung zu verdoppelt.Dazu werden zwei Wi- derst¨ande mit 100kΩim Operationsverst¨arker verwendet.Die Spannung,die an Lampsteurung
¨
ubermitteln werden,soll von 0V bis 5V sein.
d.h. die Eingangsspannung des Operationsverst¨arkers ist von 0V bis 2,5V.Deswegen wird hier ein Widerstand R1 mit 25K Ωbenutzt.
Haoda Wang
3.5.2 Innensensor
Es wird einen Sensor verwendet, der gleich wie den Außensensor ist. Der einziger Unterschied ist, dass die Messung wird zu einer zweiten Schaltung ¨ubergeben, die diese Messung inter- pretiert und zur Interface schickt. Haupts¨achlich arbeitet man mit 7 Operation Verst¨arker.
Diese OPV werden mit 5V und Ground versorgt. Die nicht invertierende Eing¨ange des OPV
werden mit der Spannung aus dem Sensor (Vref) parallel verbunden und die invertierende Eing¨ange mit einer 5V Spannung (Vfest) in Reihe. Mit ein Widerstand von 1K zwischen jede OPV, wird die Schaltung wie ein Spannungsteiler arbeiten. Durch die erste invertierende Eingang des erstes OPV f¨allt eine Spannung von 5V, durch der zweite 0,7V weniger usw.
bis zum den letzte OPV, die 0,7V abfallen werden. Wenn der Sensor die Helligkeit gemessen hat und ein Spannungswert (Vref) ¨ubergibt, diese Spannung wird mit den Spannungen jeder invertierende Eingang des OPV vergleicht. Wenn die Spannung der gemessenen Helligkeit großer als Vfest ist , dann wird es ein 1 ¨ubergeben, und 0 falls die vorgenannte Spannung kleiner als Vfest ist. Es werden sich am Ende insgesamt 8 verschiedene Zust¨ande ergeben(die Helligkeit wird dann in Intervalle von 12,5 Prozent angezeigt). Die logische Schaltung wird diese Zust¨ande als 3 Bit Bin¨ar Zahlen ¨ubergeben, (0 bis 8). Diese logische Schaltung w¨urde zuerst durch KV-Diagramme ermittelt und dann wurde es durch selber denken vereinfacht.
Im Folgenden Bilder kann man die 2 verschiedene Schaltungen sehen:
Abbildung 39: Neue (l) und alte (r) logische Schaltung
Pedro Lorenzo Camacho
3.5.3 Hauptplatine
Da wir uns entschieden haben auf den Einsatz eines eigenen Mikrocontroller zu verzich- ten geschieht die Datenverarbeitung und Erzeugung des Lichts rein analog und auf Basis von Operationsverst¨arkern. Der endg¨ultige Schaltplan ist in Abbildung 107 im Anhang (Ab- schnitt 6.2.1) gezeigt. Zu erkennen ist die Addition der Spannungen bis R40/41 welche die
Helligkeit bestimmen. Danach wird diese mit der Farben-Referenzspannung bzw. der Inversen verrechnet und die Referenzspannungen f¨ur Blau und Rot gewonnen (mittig). Oben rechts Ist die Erzeugung der Dreieckspannung zu erkennen welche dann mit den Referenzwerten verglichen und invertiert wird. Dieses Signal steuert dann einen Leistungs-Transistor, welcher die Spannung an den LEDs schaltet (rechts). Zur genaueren Betrachtung der Simulation der Pulsweitenmodulation siehe Abschnitt 3.4.3. Die Spannungsverl¨aufe der Hauptplatine sind in Abbildung 40 dargestellt. Dabei wird von einem maximalen Helligkeitsbefehl der Contro- lunit Ucontrol = 5V, der gemessenen Helligkeit des Außensensors Uaussen = 2V und der FarbspannungUf arbe= 2V (40 %rot). Im unteren Subplot sind die Referenzspannungen der Pulsweitenmodulation von Rot und Blau abgebildet sowie die Spannung der sich ergebenen Helligkeit ohne den Einfluss der Farbensegregation. Daraus ergeben sich die Signale der PWM im mittleren Plot. Im oberen Plot ist die Schalter-Spannung des NPN Transistors abgebildet.
Es ist zu erkennen, dass die Schalters-Spannung ein Pulsweiten-Signal in Abh¨angigkeit des Farbenverh¨altnisses ist.
Abbildung 40: Spannungsverl¨aufe der Hauptplatine
Matthias Schaale-Segeroth
3.5.4 LED Matrix
LEDs k¨onnen nicht direkt an eine Betriebspannung angeschlossen werden. Ein Vorwider- stand muss in Reihe mit der LED und der Betriebsspannung verbunden werden. Um diesen Widerstand zu berechnen, wird die folgende Formel verwendet:
RV = Uein−n·UF IF
• RV = Vorwiderstand
• Uein = Eingangsspannung
• UF = Durchlassspannung
• IF = Durchlassstrom
• n = Anzahl der LEDs, die in Reihe geschaltet sind Vorwiderstand f¨ur blaue LED
Uein = 12V ; UF = 3,5V ; IF = 350mA ; n = 3 R1/2 = 12V −3·3,5V
350mA = 4,29Ω Empfohlene Widerstand :R1/2 = 4,7 Ω Vorwiderstand f¨ur rote LED
Uein = 12V ; UF = 2,3V ; IF = 350mA ; n = 4 R3/4/5 = 12V −4·2,3V
350mA = 8 Ω
Empfohlene Widerstand :R3/4/5 = 8,2 Ω
Aniket Rodrigues
3.6 Schnittstellen
3.6.1 Verbindung zu Steuereinheit
Abbildung 41: Dateleitungen
Die Verbindung zwischen der Hauptplatine und der Steuereinheit des Green-Lab geschieht ¨uber den auf dem VG64 19’ Reck verbauten Bus.
Uber diesen l¨¨ auft die Spannungsversorgung sowie auf den Leitungen 10- 12 digitale Daten zur und auf den Leitungen 13 und 14 analoge Signale (0−5V) von der Control-Unit (Abbildung 41). Die 3 Bit Steuerung ist die Helligkeit im Gew¨achshaus in Bin¨arzahlen.
3.6.2 Interne Verbindungen
Da die Beleuchtung aus mehreren Platinen besteht ist eine Verbindung untereinander erfor- derlich. Dabei ist die Verbindung der Hauptplatine zu den diversen LED-Platinen zu erw¨ahnen welche jeweils ¨uber ein 6-adriges Flachbandkabel geschieht. Ebenfalls ist die Verbindung zum inneren Lichtsensor ¨uber ein solches gegeben. Der Außensensor wird ¨uber ein 3-adriges Kabel angeschlossen.
Matthias Schaale-Segeroth
3.7 Platine
3.7.1 Hauptplatine
Die in Eagle anhand des Schaltplans (Abb. 110) erstellte Hauptplatine ist in Abbildung 111 in Sektion 6.2.2 dargestellt.
Abbildung 42: Hauptplatine
3.7.2 Innensensor
Die in Eagle anhand des Schaltplans (Abb. 112) erstellte Hauptplatine ist in Abbildung 113 in Sektion 6.2.2 dargestellt.
Abbildung 43: Innensensor
3.7.3 Außensensor
Die in Eagle anhand des Schaltplans (Abb. 114) erstellte Hauptplatine ist in Abbildung 115 in Sektion 6.2.2 dargestellt.
Abbildung 44: Außensensor
3.7.4 LED Platine
Die in Eagle anhand des Schaltplans (Abb. 116) erstellte Hauptplatine ist in Abbildung 117 in Sektion 6.2.2 dargestellt.
Abbildung 45: LED Platine
3.7.5 Test der gesamten Schaltung
Abbildung 46: Test der LED Beleuchtung
4 Gruppe 4: Luft
4.1 Einleitung
Eine Pflanze ben¨otigt Luft zum ¨Uberleben. So ist es die wichtige Aufgabe der Gruppe 4 eine angemessen ¨Uberwachung und Regelung der Luftzufuhr zu entwickeln. Um diese Aufgabe zu bew¨altigen haben wir uns drei Untergruppen aufgeteilt: Sensorik, L¨ufter und Anzeige.
Im nachfolgen Abschnitt des Projektlabor Abschlussbericht soll n¨aher gelegt werden, welche Herangehensweise unsere Gruppe gew¨ahlt hat, welche Probleme es zu bew¨altigen gab und welche L¨osung letztendlich gew¨ahlt wurden.
4.2 Sensorik
Die Kleingruppe Sensorik befasst sich mit dem Entwurf zweier Messaufnehmer. Deren Mess- daten sollen die Regelung der Atmosph¨are im Gew¨achshaus erm¨oglichen. Gemessen werden:
• Die Luftfeuchtigkeit
• Die Lufttemperatur
Die Funktionsweise der Sensoren sei nun im folgenden erkl¨art:
4.2.1 Blockschaltbild
(a) Blockschaltbild Aufbau
(b) Blockschaltbild zum Schaltungsentwurf
Abbildung 47: Blockschaltbilder Sensorik
4.2.2 Luftfeuchtigkeitsmessung
Schaltungsbeschreibung
Die Messung der Luftfeuchtigkeit basiert auf der Messung von sehr kleinen ¨Anderungen der Kapazit¨at. Um diese zu messen, wurde die Schaltung aus dem Datenblatt des Luft- feuchtigkeitssensors KFS33-LC verwendet [BB-Sensor]. Die Schaltung funktioniert nach dem Prinzip, dass ein Rechtecksignal mit einem NE555 erzeugt wird, welches ¨uber einen Impuls- former kombiniert mit einem weiteren NE555, ein von der Kapazit¨at des Sensors abh¨angiges PWM-Signal erzeugt. Dieses wird im Anschluss tiefpassgefiltert und ¨uber eine Kennlinienan- passung durch diverse Operationsverst¨arker in ein geeignetes Ausgangssignal zwischen 0V und 5V umgewandelt. In der Schaltung wurde eine Trennung zwischen der Kennlinienanpas- sung und dem Sensorausgang vorgenommen, um die Kennlinieneinpassung und den Sensor einzeln zu betrachten. Die Trennung kann durch einen Jumper aufgehoben werden.
Malte Jahn
Funktionsweise Luftfeuchtigkeitssensor
Der Luftfeuchtigkeitssensor ist nichts anderes als ein Kondensator, dessen Kapazit¨at pro- portional zur relativen Luftfeuchtigkeit ist. Der Sensor hat eine Nennkapazit¨at von 330pF bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 55%RH. Im Bereich zwischen 20%RH bis 90%RH ¨andert sich die Kapazit¨at um 0,6 pF je %RH.
Malte Jahn
Funktionsweise NE555
Abbildung 49: Interner Aufbau NE555 [NE555]
In der Abbildung ist die interne Verschaltung des NE555 zu sehen. Der IC besteht aus einem SR-FlipFlop, dessen Ausg¨ange ¨uber Komperatoren nach außen gef¨uhrt sind. Der Reset-Pin (4) ist immer mit VCC verbunden, damit der Asynchrone Reset des FlipFlop nie ausgef¨uhrt wird. Nach dem Einschalten besitzt der IC am Output (3) VCC und befindet sich im Aus- gangszustand.
Es k¨onnen folgende F¨alle eintreten:
Uberschreiten der Schwellspannung 2/3V¨ CC am Threshold-Pin (6)→ Output 0V und MOS- FET offen
Unterschreiten der Triggerspannung 1/3VCC am Trigger-Pin (2) → OutputVCC und MOS- FET gesperrt
Mit dem ¨Offnen und Sperren des MOSFETs k¨onnen Kondensatoren geladen und entla- den werden, dadurch k¨onnen ¨uber R¨uckkopplungen Oszillatoren gebaut werden. ¨Uber den Steuerspannungs-Pin (5) kann 2/3VCC abgenommen werden, im Schaltungsaufbau wird die- se Spannung mit dem Kondensator C5 stabilisiert.
Malte Jahn
Funktionsweise Rechteckgenerator
Durch einen NE555 soll ein Rechtecksignal erzeugt werden, welches eine konstante Frequenz aufweist. Daf¨ur wird der Kondensator C6, welcher ¨uber den Widerstand R3 am OUT-Pin vom IC1 angeschlossen geladen und entladen. Die Spannung, welche am Kondensator an- liegt, liegt sowohl am Threshold-Pin(6) als auch am Trigger-Pin(2) an. Am Anfang liegt der Out auf VCC und der Kondensator wird geladen, sobald dieser jedoch ¨uber 2/3VCC steigt, liegt der Output auf 0V und der Kondensator wird entladen bis die Spannung unter 1/3VCC f¨allt, wodurch der Out wieder auf VCC liegt, dadurch f¨angt die Schaltung an zu schwingen.
Da die Entlade- und Ladekonstante gleich ist, kann am OUT (3) ein Rechtecksignal mit ei- ner festen Frequenz gemessen werden. Die Frequenz des Rechteckgenerators kann berechnet werden, mit fRechteck = 2·(C6·R3)·ln2) ≈ 14,5kHz Diese Frequenz ist passend da sie laut Datenblatt im Funktionsbereich des Sensors liegt.
Malte Jahn
Funktionsweise Impulsformer
Der Impulsformer dient dazu den Trigger-Eingang des zweiten NE555 f¨ur eine kurze Zeit auf 0V zu ziehen. Daf¨ur wird durch einen Hochpass das Rechtecksignal gefiltert. Zum Zeit- punkt der Flanken entstehen nun Impulse. Beim ¨Ubergang von VCC zu 0V, wird nun ein 0V-Impuls erzeugt, welcher den zweiten NE555 triggert, welcher dann sein Output auf VCC setzt und das MOSFET sperrt.
Malte Jahn
Funktionsweise PWM-Generator
Der PWM-Generator erzeugt ein PWM-Signal, welches einen h¨oheren Duty-Cycle hat, umso gr¨oßer die Kapazit¨at am Kondensator wird. Dies geschieht indem der Sensor ¨uber den Wider- stand R1 mitVCC geladen wird. Der Widerstand R12 und Kondensator C1 dienen lediglich zum Schutz des Sensors gegen eine Gleichspannung, weshalb sie f¨ur die Funktionsweise ver- nachl¨assigbar sind. Die Spannung des Sensors liegt an dem Threshold-Pin an und ¨uber R2 auch am Discharge-Pin.
Sobald die Spannung am Sensor 2/3VCC ¨uberschreitet wird der MOSFET im NE555 leitend, da die Schwellenspannung am Threshold-Eingang ¨uberschritten wird. Dadurch entl¨adt sich
der Sensor ¨uber R2. Sobald der 0V-Puls vom Impulsformer wieder am Trigger-Eingang an- liegt, wird der Sensor wieder geladen, da der MOSFET wieder sperrt. Umso gr¨oßer also die Kapazit¨at des Sensors, umso l¨anger liegt am Output des zweiten NE555VCC an, es entsteht also ein von der Sensorkapazit¨at abh¨angiges PWM-Signal am Output.
Malte Jahn
Funktionsweise Tiefpass
Da ein analoges Ausgangssignal am Ausgang der Schaltung anliegen soll, wird das PWM- Signal tiefpassgefiltert um eine gemittelte Gleichspannung des PWM zu erzeugen. Der Tief- pass besteht aus R5 und C7.
Malte Jahn
Funktionsweise Kennlinieneinpassung
Die Kennlinienanpassung wird durch OPVs (LM358) vorgenommen. Der IC3A ist als Im- pedanzwandler verschaltet. Dies bringt, dass der Tiefpassfilter nicht belastet wird und der n¨achste OPV nicht beeinflusst wird. ¨Uber einen Differenzenverst¨arker den IC3B wird die Spannung V Diff vom Sensorsignal abgezogen, sowie die Differenzspannung verst¨arkt. Die Subtrahierspannung V Diff wird ¨uber einen Spannungsteiler erzeugt (R14, 50kΩPotentiome- ter) und mit einem Impedanzwandler IC4A belastbar gemacht. Durch diese Schaltung kann, der Offset des Sensorausgangs, sowie die Steigung eingestellt werden.
Malte Jahn
Simulation
Um die Funktionsweise der Schaltung zu ¨uberpr¨ufen wurde sie in LTSpice simuliert.
Dabei ergab sich f¨ur folgende verschiedene Luftfeuchten, folgende Sensorspannungen:
CSensor=297pF @ 0%RH USensor = 1,9V CSensor=327pF @ 50%RH USensor = 2,1V CSensor=357pF @ 100%RH USensor = 2,3V
Dies bedeutet eine Spannungs¨anderung von 0,4V ¨uber den Sensorbereich. Damit am Schal- tungsausgang die Spannung von 0V-5V ausgegeben werden kann, muss die Kennlinienanpas- sung dimensioniert werden. Damit es keinen Offset gibt wird ¨uber das Potentiometer R14 eine Subtrahierspannung von 1,9V eingestellt, diese kann am Messpunkt V Diff gemessen werden. Damit die Steigung mit der geforderten von 0,05V je %RH ¨ubereinstimmt, muss die Verst¨arkung des Differenzenverst¨arker bei 5V/0,4V=12,5 liegen. Um diese Verst¨arkung zu erreichen wird R11 und R13 zu 13kΩ gew¨ahlt, die Potentiometer R8 und R7 werden beide auf 1,04kΩ eingestellt. Dadurch hat der Differenzenverst¨arker eine Verst¨arkung von A=1,04kΩ13kΩ =12,5.
Malte Jahn
Rechteckgenerator
In Abbildung 50 ist die Simulation der generierten Rechteckspannung zu sehen, welche durch den Rechteckgenerator erzeugt wird. Sie hat eine konstante Frequenz, und wird durch den blauen Graphen abgebildet. Der gr¨une Graph ist die Spannung am Kondensator, welche im- mer zwischen 1/3VCCund 2/3VCCschwankt. Die simulierte Frequenz des Rechteckgenerators entspricht der erwarteten mitfRechteck = 14,5kHz
Malte Jahn
90.00ms 90.02ms 90.04ms 90.06ms 90.08ms 90.10ms 90.12ms 90.14ms 90.16ms 90.18ms
-0.5V 0.0V 0.5V 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V 3.0V 3.5V 4.0V 4.5V 5.0V
5.5V V(n033) V(n032)
--- C:\Users\Little-Arthur\Documents\Dokumente-Uni\18 SS\Projektlabor\Spice\Feuchte_4.0.raw ---
Abbildung 50: Simulation des Rechteckgenerators
Impulsformer
In Abbildung 51 ist die Simulation des 0V-Pulses zu sehen. Die entstehenden Pulse sind im blauen Graphen zu sehen. Der gr¨une Graph stellt den Ausgang des Rechteckgenerators dar.
Malte Jahn
90.00ms 90.02ms 90.04ms 90.06ms 90.08ms 90.10ms 90.12ms 90.14ms 90.16ms 90.18ms
-0.5V 0.0V 0.5V 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V 3.0V 3.5V 4.0V 4.5V 5.0V 5.5V 6.0V 6.5V 7.0V 7.5V 8.0V 8.5V 9.0V 9.5V 10.0V
10.5V V(n032) V(n025)
--- C:\Users\Little-Arthur\Documents\Dokumente-Uni\18 SS\Projektlabor\Spice\Feuchte_4.0.raw ---
Abbildung 51: Simulation des Impulsformers
PWM-Generator
In Abbildung 52 ist die Simulation des PWM-Generators zu sehen. In Blau dargestellt ist der Graph der Spannung des Sensors, welcher immer wieder auf 2/3VCC aufgeladen wird und danach entladen wird. In Gr¨un dargestellt ist das PWM-Ausgangssignal.
Malte Jahn
90.00ms 90.02ms 90.04ms 90.06ms 90.08ms 90.10ms 90.12ms 90.14ms 90.16ms 90.18ms
-0.5V 0.0V 0.5V 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V 3.0V 3.5V 4.0V 4.5V 5.0V
5.5V V(n019) V(n027)
--- C:\Users\Little-Arthur\Documents\Dokumente-Uni\18 SS\Projektlabor\Spice\Feuchte_4.0.raw ---
Abbildung 52: Simulation des PWM-Generators
Tiefpassfilter
In Abbildung 53 ist die Simulation des Tiefpassfilters zu sehen. In Gr¨un ist der Graph des PWM-Ausgangs des Sensors zu sehen. In Blau ist der Graph der ¨uber den Tiefpass gemittelten analogen Ausgangsspannung zu sehen.
Malte Jahn
90.00ms 90.02ms 90.04ms 90.06ms 90.08ms 90.10ms 90.12ms 90.14ms 90.16ms 90.18ms
-0.5V 0.0V 0.5V 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V 3.0V 3.5V 4.0V 4.5V 5.0V
5.5V V(n019) V(n020)
--- C:\Users\Little-Arthur\Documents\Dokumente-Uni\18 SS\Projektlabor\Spice\Feuchte_4.0.raw ---
Abbildung 53: Simulation des Tiefpassfilters
Bauteilliste
• 2x LM358N
• 2x NE555
• 2x 2kΩ Pr¨azisionspotentiometer
• 1x 50kΩ Pr¨azisionspotentiometer
• 5x 100nF Kondensatoren
• 1x 22pF Kondensator
• 1x 330pF Kondensator
• 1x KFS33-LC
• 1x 82kΩ Widerstand
• 1x 1kΩ Widerstand
• 3x 150kΩ Widerstand
• 2x 13kΩ Widerstand
• 1x 4-Pin-Anschluss
Schnittstellen
Es wird eine Eingangsspannung von 5V gebraucht.
IN: 5V
Das Ausganssignal liegt im Bereich von 0V-5V, wobei 0V @ 0%RH entsprechen sollen und 5V @ 100%RH. Die Skalierung soll 0,05V je %RH betragen.
OUT: 0V-5V
4.2.3 Temperaturmessung
Abbildung 54: Schaltungsaufbau zur Temperaturbestimmung
