Regionalwettbewerb Bremen-Mitte

Transkript

1 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. Seite 2/12

2 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 Die Schaltung Stromersparnis Diskussion Quellen- und Literaturverzeichnis Seite 3/12

3 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. Seite 4/12

4 Theorie Die ARDUINO-Umgebung Die ARDUINO-Plattform ist eine aus Soft- und 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. Seite 5/12

5 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 Seite 6/12

6 Matthis Dahl: Der HighTec Ventilator 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 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. Seite 7/12

7 Matthis Dahl: Der HighTec Ventilator 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 Minuten sinnvoll. Seite 8/12

8 Matthis Dahl: Der HighTec Ventilator 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 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 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: Seite 9/12

9 Das ARDUINO-Programm Seite 10/12

10 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. ( 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. Seite 11/12

11 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: wiretemperatursensords Seite 12/12