LED Matrix Laufschrift

Dunkles Design mit LED Rand

Helles Design

Autoren: Maleen Koslowski, Benjamin Reuter
Betreuer: Prof. Schneider

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WS 20/21: Fachpraktikum Elektrotechnik (MTR)

Einleitung

Das Projekt 'LED Matrix Laufschrift' ist Teil des GET Fachpraktikums im 5. Semester, welches im Studiengang Mechatronik absolviert wird. Das Ziel des GET-Projektes ist es ein selbst entwickeltes mechatronisches System zu konstruieren und zu fertigen. Als Grundlage wird eine Zusammenstellung von elektronischen Bauteilen sowie ein Arduino Mikrocontroller aus einem Baukastensatz, der Firma Funduino, verwendet. Die erarbeiteten Projekte werden auf einer digitalen Messe vorgestellt.

Wichtige Kriterien, die erfüllt werden müssen, sind:

• Die mechanische Konstruktion des Projektes
• Die elektrische Funktionsfähigkeit
• Die Programmierung eines Arduinos

Wir ( Maleen Koslowski und Benjamin Reuter) haben eine LED Matrix Laufschrift geplant, die mittels eines LED-Panels die Außentemperatur (in ° C) sowie die Uhrzeit und das Datum wiedergeben kann. Als Extra wollen wir einen Motivationsspruch oder einen Gruß über die Laufschrift laufen lassen. Damit am Ende der Projektzeit jeder eine Laufschrift hat, bauen wir zwei Stück nach gleichen Anforderungen. Personalisiert werden sie durch die Farbauswahl der Schrift und des Gehäuses sowie mit dem Motivationsspruch.

Anforderungen

Die LED Matrix Laufschrift soll folgende Anforderungen erfüllen:

• Schlichtes/modernes Design
• Aktuelle Temperaturanzeige
• Zeit- und Datumsanzeige
• Skip-Funktion durch die Anzeigeoptionen mittels Taster
• Temperaturangepasstes Leuchten der Temperaturangabe
• Motivationsspruch, der über die Matrix läuft

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Der Systementwurf zeigt die Elemente, mit denen das Projekt umgesetzt werden soll. Hauptkomponente ich das LED Matrix Panel, das als Ausgabeeinheit dient. Um die Temperatur erfassen zu können, wird ein Temperatur und Feuchtigkeitssensor eingesetzt, dessen Werte von einem Arduino UNO verarbeitet und auf dem Panel angezeigt werden. Neben der Temperatur sollen auch das Datum und die Uhrzeit des aktuellen Tages angezeigt werden. Da das gleichzeitige Anzeigen aller Ansichten nicht möglich ist, wird ein Taster einbezogen, mit dem durch die Ansichten geschaltet werden kann. Alle Komponenten werden in einem Gehäuse untergebracht, in das man dank eines abnehmbaren Deckels reingucken kann.

Schematischer entwurf der LED Matrix Laufschrift

Komponentenspezifikation

Komponenten	Beschreibung	Bild
Arduino UNO	Herzstück des Projektes ist der Arduino Uno. (Die aktuellste Version ist der Arduino UNO R3) Dieser besitzt einen Mikrocontroller von ATMEL, der ATMEGA 328P. Außerdem hat der Arduino UNO 14 digitale I/O Pins, davon können sechs Pins als PWM Kanäle genutzt werden. Darüber hinaus sind sechs analoge Input Pins verfügbar. Die I/O Pins können maximal mit einem Strom von 20mA belastet werden. Der Arduino benötigt eine Betriebsspannung von 5V. Weitere Informationen sind dem Datenblatt zu entnehmen.	Arduino UNO
DS1307-Module V03	Die Real Time Clock ermöglicht das Auslesen und Setzen der aktuellen Urzeit und Datum. Dieses Modul dient dazu, die Uhrzeit und das Datum beizubehalten. Im Falle einer Spannungsfreiheit (z.B. Hauptstecker gezogen) muss somit die Uhr-/Datumseingabe nicht neu eingegeben werden. Mit einer 3V-Knopfzelle ist diese Echtzeituhr in der Lage, die Zeit bis zu 5 Jahre mitzuführen.	Real Time Clock
DHT11 Modul	Der DHT11 ist ein Sensor zum ermitteln von Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Der Sensor kann sowohl mit 3,3V als auch 5V betrieben werden, er eignet sich sehr gut zum Anschluss an alle gängigen Boards von Arduino. Die Ausgabe der Daten erfolgt seriell als digitale Bitfolge. Somit eignet sich der Sensor ideal um das Raum-/ und Außenklima (Temperatur und Luftfeuchtigkeit) zu überwachen.	Temperatur- und Feuchtesensor
16x32 RGB LED Matrix Panel	Das Matrix Panel ist die Ausgabeeinheit des Projektes und gibt alle Werte, wie Temperatur, Datum, Uhrzeit, ect. aus. Die 512 hellen RGB-LEDs sind in einem 16x32-Raster auf der Vorderseite angeordnet. Auf der Rückseite befindet sich ein PCB mit zwei IDC-Anschlüssen (1x Input, 1x Output) und 12 16-bit-Schieberegister, die es ermöglichen das Panel mit einer 1:8 Abtastrate zu steuern. Es lassen sich auch mehrere Panels in Reihe schalten, dazu wird der Output des ersten Panels an den nächsten Input angeschlossen. Das Panel benötigen 8 digitale, 3 analoge Pins und eine 5V Spannungsversorgung.	RGB LED Matrix Panel
3-12V Lüfter	Der Lüfter wird mit 5V betrieben. Die Betriebsspannung kann zwischen 3 V und 12 V variiert werden. Je nach Höhe der Spannung ist die Umdrehungsgeschwindigkeit des Lüfters schneller oder langsamer. Beim Einbau wurde der Lüfter an die Spannungsquelle des Arduinos angeschlossen. Der Lüfter ist im Boden des Gehäuses eingebaut und sorgt dafür, dass ein kontinuierlicher Luftaustausch stattfindet. Die durch die Komponenten erwärmte Luft wird durch kühle Außenluft ausgetauscht, so kommt es nicht zu Ungenauigkeiten des Temperatursensors.	Lüfter
Metallischer Drucktaster	Der Drucktaster ist mit dem Arduino verbunden und regelt das Weitergeben der Anzeigezustände. Per Tasterdruck wird der Befehl gegeben den nächsten Zustand anzuzeigen. So kann durch alle Zustände gewechselt werden. Der Taster hat zwei Anschlüsse und einen Durchmesser von 12mm. Mit einer Gegenmutter kann dieser in das Gehäuse eingebaut werden.	metallischer Drucktaster
Zuleitung mit Hauptschalter	Um eine dauerhafte Spannungsversorgung für die LED Matrix Laufschrift sicherzustellen, wurde eine Zuleitung mit Schutzkontaktstecker und Hauptschalter angeschlossen. Es handelt sich um eine dreiadrige Anschlussleitung mit einer Isolierung aus einem Gummimantel. Die Adern der Leitung haben je einen Querschnitt von 1mm^2. Der Hauptschalter wird durch Schraubklemmen an die Leitung angeschlossen. Die LED Matrix Laufschrift kann somit in eine übliche Steckdose eingesteckt werden und mit dem Hauptschalter ein-/ausgeschaltet werden.	Zuleitung mit Schuko und Hauptschalter
Metallische Zugentlastung	Die Zugentlastung wird in eine Seite des Gehäuse eingebaut und ermöglicht die Herausführung der Anschlussleitung aus dem Gehäuse. Außerdem sorgt sie für eine Entlastung bei Zugbeanspruchung an der Anschlussleitung. Somit entstehen keine Schäden (Abriss) an den Kontaktstellen. Hinzu kommt auch, dass durch die ordentliche Herausführung der Leitung, keine Fremdkörper oder Wasser an dieser Stelle ins Gehäuse eintreten können.	metallische Zugentlastung
Netzteile	Ein Netzteil ist eine eigenständige Komponente innerhalb eines Gerätes, das der Stromversorgung dient. Es ist erforderlich, wenn eine andere Spannung und ein anderer Strom benötigt wird, als das öffentliche Stromnetz bereitstellt. Für das Projekt wurden zwei Netzteile benötigt. Ein 12V Netzteil für den Arduino. Diese Spannung wird zusätzlich mittels eines Spannungswandlers auf 9V reduziert. Und ein 5V Netzteil für das LED Matrix Panel. Die Netzteile mussten eingebaut werden, da es sonst unmöglich gewesen wäre die Laufschrift an eine herkömmliche Steckdose anzuschließen.	Netzteile 5V und 12V

Umsetzung (HW/SW)

Verkabelung der Hardware zum Arduino (Versorgung des Stroms/Spannung nicht mit einbezogen)

Mittels Fritzing wurde die Software relevante Hardware eingezeichnet und verbunden.

Das RGB LED Matrix Panel belegt die Digitalen Pins 2 bis 10, sowie die Analogen Pins A0 bis A2 und mehrere GND Anschlüsse.
Der DHT11 Sensor übermittelt seine Daten an den Arduino über den Digitalen Pin 11. Diese Daten beinhalten die aktuelle Temperatur in °C und die Raumfeuchtigkeit in %RH. Außerdem ist dieser mit dem 5V Pin des Arduionos und GND verbunden.
Desweiteren ist ein RTC Modul verbunden. Dieser verwendet die Steckplätze SDA und SCL, sowie den 5V Pin und GND. Das RTC Modul übermittelt die Daten Tag, Monat, Jahr, Stunde, Minute und Sekunde zum Aruino. Da in dem RTC Modul eine kleine 3V Batterie verbaut ist läuft die interne Uhr weiter, auch wenn der Arduino das Modul nicht mehr mit Spannung versorgt.
Zum Schluss ist der Taster mit dem Digitalen Pin 12 und GND verbunden. An dem Digitalen Pin 12 liegt ein High Signal an, wenn der Taster nicht betätigt ist. Sobald dieser gedrückt wird ist das Signal Low und der Arduino schaltet durch die Programme. Software technisch ist nach jedem Knopfdruck eine gewisse Zeit implementiert worden, die das zu schnelle durchschalten verhindert. Nach jedem Knopfdruck dauert es 1 Sekunde bis das Programm auf das Signal des Tasters wieder reagiert.

Zusätzlich sind der Arduino und das Matrix Panel über AC/DC Wandler mit dem 230V~ Hausnetz verbunden. Der AC/DC Wandler für das Matrix Panel liefert 5V⎓ und bis zu 5A, je nachdem wie viele Pixel aktiv sind. Der zweite AC/DC Wandler wandelt die Spannung auf 12V⎓. Diese wird vorher noch auf 9V⎓ mittels eines Spannungsreglers reguliert. Diese 9V⎓ versorgen dann den Arduino.

Komponententest

Um sicherzustellen, dass alle Komponenten funktionsfähig sind und keine Beschädigungen aufweisen wurden Komponententests an allen Komponenten durchgeführt. Dazu wurde im ersten Schritt eine Sichtprüfung gemacht, bei der die äußere Beschaffenheit aller Komponenten inspiziert wurde. Hauptaugenmerk dabei waren Beschädigungen, die z.B. durch den Transport oder ähnliches aufgetreten sein könnten. Darunter fallen z.B. verbogene Kontakte. Die Kontaktstellen von den elektrischen Bauelementen und der Leitungen wurden ebenso kontrolliert, um Bruchstellen oder Risse ausschließen zu können. Anschließend wurden die Komponenten als 'beschädigungsfrei' bewertet.

Um zu testen, dass die Komponenten auch funktionsfähig sind, wurden diese an den Arduino angeschlossen und zunächst erst mal mit Spannung versorgt. Bei Komponenten, die eine Kontrollleuchte haben und diese aufleuchtete, konnte zunächst davon ausgegangen werden, dass die Komponenten soweit in Ordnung sind. Es konnten dann Einzelkomponentenprüfungen mit dem Arduino vorgenommen werden.

Nach der Sichtprüfung und der Einzelkomponentenprüfung, wurde mit der Parallelschaltung der Netzteile begonnen. Nach jedem Arbeitsschritt wurde, soweit es möglich war, mit einem Multimeter getestet ob die Durchgängigkeit an den gewünschten Kontakten gegeben ist, bzw. an anderen nicht, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Als dieses sichergestellt war, wurde der Zusammenbau mit Netzspannung versorgt und wieder mit dem Multimeter gemessen.
Bei Arbeiten an Netzspannung ist Vorsicht geboten!
Ab diesem Punkt an konnten weitere Komponenten angeschlossen werden und die Funktion im Zusammenbau getestet werden.
WICHTIG: Es wurden nur im spannungsfreien Zustand Arbeiten vorgenommen und Komponenten ergänzt.

Als alle Komponenten angeschlossen waren und der Gesamtkomponententest durchgeführt war, konnte bestätigt werden, dass alle Komponenten fehlerfrei funktionieren und mit dem Projekt fortgefahren werden kann.

Ergebnis

Das Ergebnis des GET-Fachpraktikums 20/21 sind zwei funktionsfähige LED Matrix Laufschriften.
Die zuvor festgelegten Voraussetzungen wurden erfüllt.

• Schlichtes/modernes Design ✔
• Aktuelle Temperaturanzeige ✔
• Zeit- und Datumsanzeige ✔
• Skip-Funktion durch die Anzeigeoptionen mittels Taster ✔
• Temperaturangepasstes Leuchten der Temperaturangabe ✔
• Motivationsspruch, der über die Matrix läuft ✔

Extras:

• Es wurden zwei LED Matrix Laufschriften mit zwei unterschiedlichen Designs gebaut, damit soll verdeutlicht werden, dass des Projekt im Kern gleich ist und dennoch personalisierbar ist. Das Projekt hielt Spielraum für verschiedene Ideen bereit. Jeder Projektpartner kann somit eine LED Matrix Laufschrift behalten.
• Ein abnehmbarer Deckel erleichtert das Einsehen in das Gehäuse und ermöglicht es einfach Arbeiten an den Komponenten vorzunehmen.
• Die LED Matrix Laufschriften wurden mit einem Schutzkontaktstecker und Netzteilen ausgestattet, um sie wie andere Elektrogeräte an des Hausnetz anschließen zu können. Der integrierte Hauptschalter sorgt für die Möglichkeit des Ein-/und Ausschaltens, ohne das der Stecker aus der Steckdose gezogen werden muss.

Projektunterlagen

Projektplan

Projektplan

YouTube Video

Das YouTube Video zeigt einige Aufnahmen, die während der Projektzeit (Oktober - Januar) gemacht wurden.
Einige Informationen rund um das Projekt sind ebenfalls stickpunktartig aufgeführt.

https://youtu.be/hfHGy9z98tA

Literatur

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