1 Abschlussarbeit. Projekt: Tanzendes Wasser. Projektnummer: Projektleiter: Fabian Schmiedt. Autor: Roland Biro,Zenelaj Enis. Datum: 3.5.

Transkript

1 1 Abschlussarbeit Projekt: Tanzendes Wasser Projektnummer: 4003 Projektleiter: Fabian Schmiedt Autor: Roland Biro,Zenelaj Enis Datum:

2 2 Inhaltsverzeichnis 1 Abschlussarbeit Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Aufgabenstellung Erklärung Aufgabeneinteilung Elektronik Enis Zenelaj: Roland Biro Entwicklung der Elektronik zur Ansteuerung der Leds und die Konstant Stromquelle Mechanik Roland Biro Erstellung der Fertigungsunterlagen für das innere und äußere Gehäuse Logo Elektronik-Schaltungsaufbau Mikrofoneingang Umschalter Lin IN nichtinventierender OPV Einweggleichrichter Schwellwertschalter Zweistufen Ansteuerung Oszilloskop Messung Konstantstromquellen Gehäuse Inneres Gehäuse Wasserkreislauf Platten für die Led Halter und Löcher für die Wasserfontänen Wasserpumpe Übersicht der Elektronikschaltung Druckvorlage Hauptschaltung SMD Seite Bohrplan Hauptschaltung Bestückungsplan Hauptschaltung Top Bestückungsplan Hauptschaltung Bottom Konstant Strom Quellen Druckvorlage Konstantstromquellen SMD... 26

3 9.7 Bohrplan Konstantstromquelle Bestückungsplan Konstant Stromquelle LED-Schaltung Druckvorlage LED-Schaltung Bohrplan LED-Schaltung Bestückungsplan LED-Schaltung Stückliste English Abstract Zusammenfassung Präsentation Verantwortlichkeit... 61

4 3 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Waterspeaker... 6 Abbildung 2: Erklärung... 7 Abbildung 3 Logo... 9 Abbildung 4: Verschobener Bezugspunkt Abbildung 5: Umschalter Lin IN nichtinventierender OPV Abbildung 6: Gleichrichter Abbildung 7: Schwellwertschalter Abbildung 8: Zweistufen Ansteuerung Abbildung 9: Oszilloskop Messung Abbildung 10: Konstant Strom Quelle Abbildung 11: Zusatz Schaltung für Konstant Strom Quellen Abbildung 12: Inneres Gehäuse Konstruktion Abbildung 13: Inneres Gehäuse Abbildung 14: Konstruktion der Platten für die Leds und die Wasserfontänen Abbildung 15: Platte für Led Halter Abbildung 16: Wasserpumpe Abbildung 17: Verstärker Schaltung Abbildung 18: Druckvorlage Bauteil Seite Abbildung 20: Bohrplan Abbildung 21: Bestückungsplan Abbildung 22: Konstant Strom Quelle Abbildung 23: Druckvorlage Konstant Strom Quellen SMD Abbildung 24: Bohrplan Konstant Strom Quellen Abbildung 25: Bestückungsplan Konstant Strom Quellen Abbildung 26: LED-Schaltung Abbildung 27: Druckvorlage LED-Schaltung Abbildung 28: Bohrplan LED-Schaltung Abbildung 29: Bestückungsplan LED-Schaltung Abbildung 30: Stückliste Abbildung 31: Präsentation Abbildung 32: Tanzendes Wasser Abbildung 33: Zielsetzung Abbildung 34: Erledigte Arbeiten Abbildung 35: Arbeitsaufteilung Abbildung 36: Arbeitspakete Abbildung 37: Arbeitspakete Abbildung 38: Hauptschaltung Abbildung 39: Mikrofonschaltung-Schaltbild Abbildung 40: Drei Kanalstufen Abbildung 41: Mikrofonschaltung mit Konstant Strom Quelle Abbildung 42: Spannungsversorgung-Mikrofoneingang Abbildung 43: Umschalter-Lin-IN-nichtinventierender OPV Abbildung 44: Gleichrichter Abbildung 45: Schwellwertschalter Abbildung 46: Zwei Stufen Ansteuerung Abbildung 47: 2 Stufen Ansteuerung Abbildung 48: Konstant Strom Quelle... 53

5 Abbildung 49: Konstant Strom Quelle Abbildung 50: Inneres Gehäuse Wasserkreislauf Abbildung 51: Äußeres Gehäuse Abbildung 52: Funktion der Wasserpumpe Abbildung 53: Hinterleuchtung der Wasserfontänen Abbildung 54: Geplantes Ergebnis Abbildung 55: Danke für die Aufmerksamkeit... 60

6 4 Aufgabenstellung Es soll eine Musikbox gefertigt und die Lautstärke mit Wasserfontänen Angezeigt werden. Für das erste soll eine Testschaltung auf ein Steckbrett aufgebaut und dann getestet werden. Mit dem Programm Eagle soll die Schaltung designend, dann die Platine geätzt und gelötet werden. Die Wasserfontänen sollen mit Leds hinterleuchtet werden. Das Gehäuse besteht aus einem Wasserkreislaufteil und einem außen Gehäuse. Das Material ist aus Plexiglas (PMMA). Abbildung 1: Waterspeaker Link: &ved=0ahukewij3vl26rztahxmnxqkhzutafgq_auibigb&biw=1536&bih=759#imgr c=zwrz5yag5jr3fm:

7 5 Erklärung Abbildung 2: Erklärung

8 6 Aufgabeneinteilung 6.1 Elektronik 1. Enis Zenelaj: Entwicklung der Elektronik zur Ansteuerung der Pumpe Bestücken der Leiterplatten und Erstellung der Fertigungsunterlagen für die elektronische Schaltung. 6.2 Roland Biro 2. Entwicklung der Elektronik zur Ansteuerung der Leds und die Konstant Stromquelle Bestücken der Leiterplatten und Erstellung der Fertigungsunterlagen für die elektronische Schaltung. 6.3 Mechanik 3. Roland Biro 4. Erstellung der Fertigungsunterlagen für das innere und äußere Gehäuse Die Unterlagen für das innere und äußere Gehäuse wurden auf dem Programm Qcad gefertigt und danach zusammen gebaut.

9 7 Logo Abbildung 3: Logo X&ved=0ahUKEwigjba6h77TAhXIFZoKHUmJAAEQ_AUIBigB&biw=1093&bih=521#tbm =isch&q=wasserfont%c3%a4ne++wallogo&imgrc=k6deeidgev-xlm:&spf=423 Abbildung3 Projektnummer : 4003 Projektbetreuer : Fabian SCHMIEDT Projektverfasser : Biro Roland,Zenelaj Enis

10 8 Elektronik-Schaltungsaufbau 8.1 Mikrofoneingang Zum Erfassen der Lautstärke wurde ein Mikrofon eingebaut. Die Versorgungsspannung beträgt 12V. Es wurde ein Bezugspunkt von 6V erstellt, dabei wird ein Spannungsteiler mit den Widerstandswerten von 22k als Hilfe dafür verwendet. Außerdem wird ein Impedanzwandler für das Verschieben des Bezugspunktes benötigt. Beim Mikrofon sind die Anschluss X7-1 Plus und X7-2 Minus.X7-2 geht zu unseren verschobenen Bezugspunkt und X7-1 zwischen den Widerstand R7 16k und dem Kondensator C4 68nF. Abbildung 4: Verschobener Bezugspunkt

11 8.2 Umschalter Lin IN nichtinventierender OPV Hierbei wird ein Umschalter verwendet welche zum OPV und Lin-in Eingang umschalten soll.wenn X4-1 und X4- angeschlossen wird dann geht das Mikrofonsignal zum OPV bzw zu unserer Verstärkung.Bei anschließen von X4-2 und X4-3 öffnet sich der Lin-in Eingang. Der Lin-IN wird verwendet um ein Handy oder andere elektronische Geräte mit der Musikbox anzuschließen.um Die Spannung beim Lin-in einzustellen wurde ein 100K Potentiometer verwendet. Es wird ein OPV mit zwei Widerständen mit den Werten 5.6k Widerstand und 100K seriell mit einem Potentiometer verbunden,welcher den Wert 100k beträgt.diese Werte wurden laut Spannungsteiler Formel errechnet und sind für unsere Empfindlichkeit Stufe bzw. der Verstärkung des Eingangssignal sehr wichtig. Abbildung 5: Umschalter Lin IN nichtinventierender OPV

12 8.3 Einweggleichrichter Um eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln ist ein Gleichrichter zu verwenden. Es wird ein Einweggleichrichter aufgebaut. Welcher eine Diode und einen Kondensator C2 von 1000nF benötigt um den Wechselspannungsanteil zu glätten. Der Widerstand R5 mit dem Wert 100K wird parallel zum Kondensator geschalten. Abbildung 6: Gleichrichter

13 8.4 Schwellwertschalter Um zwei verschiedene Schwellen einzustellen werden zwei Schwellwertschalter verwendet. Diese werden verwendet um zwei verschiedene Höhen für die Wasserfontöne zu bekommen. Um die Spannungswerte zu fixieren werden zwei Widerstände seriell an den 100k Potentiometer verbunden. Die Widerstände wurden laut Spannungsteiler Formel berechnen. Weiteres werden für die zwei Schwellen Z-Dioden verwendet um die Spannung konstant zu halten. Der Schwellwertschalter wird mit einem LM339 verbunden. Abbildung 7: Schwellwertschalter Usu1=4.7V/353k*133k=1.7V Usu2=4.7V/353k*33k=0.44V Uso1=4.7V/420*320=3.58V Uso2=4.7V/420*220=2.46V

14 8.5 Zweistufen Ansteuerung Es sollen zwei unterschiedliche Stufen der Wasserfontänen realisiert werden, dafür sind zwei N-Kanal MOSFETS nötig, wobei bei einem eine Z-Diode an dem Source MOSFET Anschluss verbunden, diese soll die schwächere Stufe sein. Es wird ein weiterer N-MOSFET für die niedrigere Stufe verwendet. Wenn 5.7V anliegt soll der V3 durchsteuern und V5 nicht und bei voller Betriebsspannung 12V muss MOSFET V5 durchsteuern. Bei der Wasserpumpe wird eine Freilauf-Diode parallel angeschlossen. Die Kathode wird in Sperrrichtung geschalten. Dadurch soll es Überspannung verhindern. Abbildung 8: Zweistufen Ansteuerung

15 8.6 Oszilloskop Messung Abbildung 9: Oszilloskop Messung Kanal 1 sieht man das Eingangssignal Kanal 2 die Spannung nach dem Einweggleichrichter Kanal 3 zeigt den eingestellten Schwellwert

16 8.7 Konstantstromquellen Die Konstant Stromquelle wird für die Leds verwendet. Diese sind in Serie geschaltet und verlieren an Leuchtstärke wenn diese in Serie sind. Die Konstant Stromquelle liefert den Leds einen Konstanten Strom von 20mA, damit alle Leds gleich stark leuchten. Damit die NPN-Transistoren schalten benötig er Spannung über der Basis davor wird ein Basis Widerstand mit 22k geschalten. An den Dioden V1, V2, V3, V4 ist bei jeder einzelnen ein Spannungsabfall von 0,7V. Der Widerstand R2, R4 muss einen Bestimmten Wert haben, dass durch die Leds ein Strom von ca. 20mA fließt. Diese Widerstände müssen Berechnet werden. I K der Konstante Strom I (ma) I K = 0,7V 36Ω = 19mA Der Widerstandswert beträgt 36Ω. Damit die Konstant Strom Quelle schaltet wurden zwei kleine Schaltungen mit zwei Widerständen 22k und zwei Transistoren BC846 dazu gebaut. Abbildung 10: Konstant Strom Quelle Kleine Schaltung für die Konstant Strom Quelle Abbildung 11: Zusatz Schaltung für Konstant Strom Quellen

17 8.8 Gehäuse 8.9 Inneres Gehäuse 8.10 Wasserkreislauf Besteht aus 4 außen Platten (PMMA Plexiglas) mit der Höhe 135mm und Breite 75mm. Die Platten wurden auf dem Programm Qcad designed, danach gelasert. Diese wurden einmal mit einem Flussmittel und an der unteren Seite mit einem zwei Komponenten Kleber geklebt damit es Wasser dicht bleibt. Abbildung 12: Inneres Gehäuse Konstruktion Abbildung 13: Inneres Gehäuse

18 8.11 Platten für die Led Halter und Löcher für die Wasserfontänen Besteht aus 2 Platten 5mm dick, einen Ring zwischen den Platten und noch ein Ring am unteren Teil mit der Led Schaltung. Der eine Ring wird bennötigt um den Druck gleich mäßig an den Löchern zu Verteilen. Die fünf Löcher für die Wasserfontänen ist in einer V form aufgebaut. Die Löcher außen haben einen Durchmesser von 1mm und in der Mitte haben die Löcher 1,5mm und das Mittlere Loch hat 2mm damit die Fontänen unterschiedlich groß sind. Abbildung 14: Konstruktion der Platten für die Leds und die Wasserfontänen Der Außen Radius der Platine für die Led Schaltung beträgt 26mm Und der Innen Radius 5,4mm Abbildung 15: Platte für Led Halter

19 8.13 Wasserpumpe Die Wasserpumpe wird mit maximal 12V betrieben. Förderhöhe beträgt maximal 6 m Fördermenge ist maximal 12 l/min Abbildung 16: Wasserpumpe

20 8.14 Übersicht der Elektronikschaltung Abbildung 17: Verstärker Schaltung Hier sieht man die von vorhin einzelnen Schaltungen, als ein zusammengesetztes Bild

21 9 Druckvorlage Hauptschaltung 9.1 SMD Seite Länge: 60mm Breite: 60mm Abbildung 18: Druckvorlage SMD Seite

22 9.2 Bohrplan Hauptschaltung Abbildung 19: Bohrplan Hauptschaltung

23 9.3 Bestückungsplan Hauptschaltung Top Abbildung 20: Bestückungsplan Hauptschaltung

24 9.4 Bestückungsplan Hauptschaltung Bottom Abbildung 22: Bestückungsplan Hauptschaltung

25 9.5 Konstant Strom Quellen Abbildung 21: Konstant Strom Quellen

26 9.6 Druckvorlage Konstant Strom Quellen SMD Abbildung 22: Druckvorlage Konstant Strom Quellen SMD

27 9.7 Bohrplan Konstant Strom Quellen Abbildung 23: Bohrplan Konstant Strom Quellen

28 9.8 Bestückungsplan Konstant Strom Quellen Top Abbildung 24: Bestückungsplan Konstant Strom Quellen Top

29 9.9 LED-Schaltung Abbildung 25: LED-Schaltung

30 9.10 Druckvorlage LED-Schaltung Top Abbildung 26: Druckvorlage LED-Schaltung Top

31 9.11 Bohrplan LED-Schaltung Abbildung 27: Bohrplan LED-Schaltung

32 9.12 Bestückungsplan LED-Schaltung Abbildung 28: Bestückungsplan LED-Schaltung

33 10 Stückliste Bennenug Bezeichnung Wert Bemerkung Firma Best NR Preis N OPV LM358 Analog N OPV LM339 Analog R Widerstand 22K SMD R Widerstand 22K SMD R Widerstand 16K SMD R Widerstand 68K SMD R Widerstand 100K SMD R Widerstand 3K SMD R Widerstand 100K SMD R Widerstand 560 SMD R Widerstand 33K SMD - - R Widerstand 220K SMD R Widerstand 100K SMD R Widerstand 10K SMD R Widerstand 10K SMD R Widerstand 22k SMD R Widerstand 22k SMD R Widerstand 3.3K SMD R Widerstand 3..3K SMD R Widerstand 36 SMD R Widerstand 36 SMD R Widerstand 220K SMD R Potentiometer 100K SMD R Potentiometer 100K SMD R Potentiometer 100K SMD R Potentiometer 100K SMD C Kondensator 1000nF SMD C Kondensator 68nF SMD C Kondensator 68nF SMD V Transistor PNP BC856 SMD V Transistor PNP BC856 SMD V Transistor NPN BC846 SMD V Transistor NPN BC846 SMD V MOSFET N-Kanal SMD V MOSFET N-Kanal SMD V Diode 1N4148 SMD V Diode 1N4148 SMD V Diode 1N4148 SMD V Diode 1N4148 SMD V Diode 1N4148 SMD H LED Rot SMD H LED Rot SMD H LED Rot SMD H LED Rot SMD H LED Rot SMD H LED Gelb SMD H LED Gelb SMD H LED Gelb SMD H LED Gelb SMD H LED Gelb SMD V Z-Diode 4.7V SMD V Z-Diode 1N5337BG Bedrahtet RS-Component M Wasserpumpe 12V/12l/min - Conrad Abbildung 29: Stückliste

34 11 English Abstract The volume should be recorded with the microphone input. The main circuit amplifies the signals and sends them to the water pump. The stronger the signal the higher the fountains. The fountains are illuminated with SMD Leds, with the color red and yellow. For the strong signals, the red leds and the amber light up the weak signals.

35 12 Zusammenfassung Die Musikbox soll mit dem Mikrofoneingang Lautstärke erfassen. Die Hauptschaltung verstärkt die Signale und schickt diese zur Wasserpumpe. Desto stärker das Signal desto höher sind die Fontänen. Die Fontänen werden mit SMD Leds unterleuchtet, mit der Farbe Rot und Gelb. Für die starken Signale leuchten die Rote Leds und die Gelben bei den schwachen Signalen.

36 13 Präsentation Abbildung 30: Präsentation

37 Abbildung 31: Tanzendes Wasser

38 Abbildung 32: Zielsetzung

39 Abbildung 33: Erledigte Arbeiten

40 Abbildung 34: Arbeitsaufteilung

41 Abbildung 35: Arbeitspakete

42 Abbildung 36: Arbeitspakete

43 Abbildung 37: Hauptschaltung

44 Abbildung 38: Mikrofonschaltung-Schaltbild

45 Abbildung 39: Drei Kanalstufen

46 Abbildung 40: Mikrofonschaltung mit Konstant Strom Quelle

47 Abbildung 41: Spannungsversorgung-Mikrofoneingang

48 Abbildung 42: Umschalter-Lin-IN-nichtinventierender OPV

49 Abbildung 43: Gleichrichter

50 Abbildung 44: Schwellwertschalter

51 Abbildung 45: Zwei Stufen Ansteuerung

52 Abbildung 46: 2 Stufen Ansteuerung

53 Abbildung 47: Konstant Strom Quelle

54 Abbildung 48: Konstant Strom Quelle

55 Abbildung 49: Inneres Gehäuse Wasserkreislauf

56 Abbildung 50: Äußeres Gehäuse

57 Abbildung 51: Funktion der Wasserpumpe

58 Abbildung 52: Hinterleuchtung der Wasserfontänen

59 Abbildung 53: Geplantes Ergebnis

60 Abbildung 54: Danke für die Aufmerksamkeit

61 14 Verantwortlichkeit a) Enis Zenelaj Seite 1 b) Roland Biro Seite 2 c) Roland Biro Seite 3 d) Roland Biro Seite...4 e) Roland Biro Seite 6 f) Enis Zenelaj Seite 7 g) Enis Zenelaj, Roland Biro Seite 8 h) Enis Zenelaj Seite 9,10,11,12,13,14,15,16,17 i) Roland Biro Seite 18,19,20,21 j) Enis Zenelaj Seite 22,23,24,25,26 k) Roland Biro Seite 27,28,29,30,31,32,33,34 l) Enis Zenelaj Seite 35 m) Enis Zenelaj, Roland Biro Seite 36 n) Roland Biro Seite 37 o) Enis Zenelaj, Roland Biro Seite 38-62