HTBLA Donaustadt Höhere Lehranstalt für Elektrotechnik Ausbildungsschwerpunkt Regelungstechnik. Diplomarbeit. CO2-Messgerät.

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1 HTBLA Donaustadt Höhere Lehranstalt für Elektrotechnik Ausbildungsschwerpunkt Regelungstechnik Diplomarbeit CO2-Messgerät 22ET1403 1

2 EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG Ich erkläre an Eides statt, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbständig und ohne fremde Hilfe verfasst, andere als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und die den benutzten Quellen wörtlich und inhaltlich entnommenen Stellen als solche erkenntlich gemacht habe. Wien, am Verfasser: 22ET1403 2

3 Zulassung als Diplomarbeit 22ET1403 3

4 Inhaltsverzeichnis 1. Danksagung Projektidee Technische Anforderungen Funktionsweise Konzeptzeichnung Zielsetzung Anwendungsbereich Zielgruppen Betriebsbedingungen TECHNICAL REQUIREMENTS Function Principle Design Desired Criteria Area of Application Target Group Operating Condition Abstract Hardware des CO2 Messgerätes Grundlegendes Blockschaltbild Schaltplan Versorgungsspannung Programmier-Schnittstelle Verbindung zum Sensormodul Lautsprecher und die Beschaltung PIC16F ET1403 4

5 6.8 Display Beschaltung Bluetooth Modul Beschaltung Bauteile Sensor Sensor Modul Mikroprozessor PIC 16F Bluetooth-Modul Messaufbauten Aufbau der Lautsprecherbeschaltung Messen der anliegenden Spannungen Hauptplatine Gesamtes PCB Top Layer Bottom Layer Bohrplan Bestückungsplan Software des CO2 Messgeräts Programmierung des Mikrokontrollers Software für Smartphone und Tablet ET1403 5

6 1. Danksagung Wir, und möchten uns an dieser Stelle bei allen Lehrern der HTL-Donaustadt bedanken, auf deren Unterstützung wir während unseres Projektes zählen durften. Besonderen Dank widmen wir unserem Projektleiter Herrn DI Ernst Fitzka, ohne den wir nicht so viel erreicht hätten. Ebenfalls möchten wir Herrn Santrucek danken, welcher uns durch seinen Rat und seine Ideen, bei der Arbeit an unserem Projekt geholfen hat. Ohne die tatkräftige Unterstützung sämtlicher Lehrer, wäre unser Projekt wohl nicht realisierbar gewesen. Vielen Dank! 22ET1403 6

7 2. Projektidee Die Projektidee entstand durch einen Zeitungsartikel, der sich mit dem Tod eines Winzers beschäftigte. Bei der Reinigung eines Gärtanks erstickte der Mann durch das in der Luft befindliche CO 2. Da das während der Gärungsvorgänge entstehende CO 2 seit jeher ein Problem in der Weinindustrie darstellt, hatten wir das Ziel, eine günstige und moderne Alternative zu den bisher verfügbaren CO 2 - Messgeräten herzustellen. Bereits erwerbbare Geräte findet man lediglich in Preisklassen von 500 bis zu 5000 Euro. Die Messergebnisse von Sensoren billiger Geräte sind allerdings meist nur bis zu einem Jahr zuverlässig, da diese meist chemisch hergestellt sind. Diese Problematik in Angriff zu nehmen war auch das Ziel der Firma WFT Weinund Fruchtsafttechnologie GesmbH, die unser Projekt unterstützen wollte. Wir starteten mit unserem Vorhaben, ein tragbares CO 2 - Messgerät zu bauen, welches mittels einer App auf Android - Basis, die Kopplung mit einem Smartphone oder Tablet ermöglicht und so Messwerte zu übermitteln und desweiteren vor Gefahren zu warnen. 22ET1403 7

8 3. Technische Anforderungen 3.1 Funktionsweise Unser CO 2 - Messgerät wird mit einem Akku betrieben, der aus acht 1,2 Volt AA Batterien besteht. Das Gerät arbeitet mit einem Sensormodul der Firma Sandbox Electronics, welches einen Sensor vom Typ MG811 verwendet. Die Steuerung erfolgt durch ein PIC16F1512. Die gemessenen Werte werden an der Oberseite des Geräts mit einem LCD-Display angezeigt, dem PC 0802-A, der Firma Powertip. Die Übertragung der Messdaten erfolgt durch ein Bluetooth-Modul, der Firma Parallax vom Typ RN-42, auf ein dafür eingerichtetes Smartphone oder Tablet. Wird der Apparat eingeschaltet, können nach zirka drei Minuten Aufwärmzeit mit verlässlichen Messwerten übertragen werden. Die gemessenen Werte werden in weiterer Folge vom PIC verarbeitet und in ppm direkt auf der Oberseite des Geräts mittels LCD-Display angezeigt. Das Display verfügt über einen zusätzlichen Schalter, der die Hintergrundbeleuchtung einschaltet, um Werte ebenfalls im Dunklen lesbar zu machen. Die Messdaten werden alle 10 Sekunden aktualisiert und zeitgleich über das Bluetooth Modul an ein dafür eingerichtetes Smartphone oder Tablet gesendet. Wird ein kritischer Wert der CO 2 - Konzentration in der Luft überschritten, erfolgt eine Warnung. Das Gerät verfügt über 3 Alarm Stufen: Alarmstufe 1 (1 %Vol.): leuchtende rote LED Alarmstufe 2 (3 %Vol.): Blinkende LED, kurzer Warnton Alarmstufe 3 (5 %Vol.): Durchgehender Warnton, Blinkende LED. Auf dem Handy wird, ab einer CO2 Konzentration von 3 Prozent, in Form eines Tons oder durch Vibrieren, Alarm geschlagen. 22ET1403 8

9 3.2 Konzeptzeichnung Schalter LCD LEDs Sensor Öffnung Sensor Modul Raum für Bluetooth Modul und Hauptplatine Akkublock Abb Erste Konzeptzeichnung Diese Skizze war die erste Konzeptzeichnung, die wir erstellt wurde. Zu diesem Zeitpunkt war geplant das Bluetooth - Modul auf der Hauptplatine anzubringen. In späterer Folge wurde beschlossen dieses Modul auf einer eigenen Platine unterzubringen. Im Laufe des Projekts änderte sich der Aufbau wie in den folgenden Abbildungen ersichtlich ist. 22ET1403 9

10 Das endgültige Konzept in folgenden Abbildungen Ein/Aus Schalter Display Beleuchtung An den Seiten des Gerätes werden Schlaufen Angebracht die das Tragen des Gerätes in der Bauchregion erlaubt. Alarm LED LCD - Display an der Oberseite An den Schlaufen die hier rot umrandet dargestellt sind Kann das Gerät getragen werden. Loch für den Sensor welches das ein strömen von Luft ermöglicht. Ein/Aus - Schalter Betriebs LED 22ET

11 3.3 Zielsetzung Das Ziel ist, den Eigenverbrauch der Schaltung gering zu halten, um mit einer Akkuladung möglichst viele Messungen durchführen zu können. Desweiteren sollen die Messdaten unseres Sensors möglichst genau und die Übertragung der Daten korrekt sein, um im Ernstfall zu warnen und Fehlalarme zu vermeiden. 3.4 Anwendungsbereich Das tragbare CO 2 - Messgerät ist in erster Linie für den Gebrauch in Weinkellereien gedacht, um die Arbeit, der dort Beschäftigten sicherer zu gestalten. Da beim Gärungsprozess von Wein CO 2 bringt dies Gefahren mit sich. Schon bei einem Anteil von 3% in der Luft ruft es leichte Wahrnehmungsstörungen hervor und bereits ab einem Anteil von 5% kann es zur Ohnmacht führen. CO 2 ist schwerer als Luft und lagert sich am Boden ab. Daher kommt es bei einer Ohnmacht aufgrund des CO 2 -Gehaltes in einem Weinkeller zur Gefahr des Erstickungstodes. Obwohl wir uns natürlich dessen bewusst sind, dass unser Gerät nur ein erster Schritt in die Richtung ist, notwendige Normen zu erfüllen um die einwandfreie Verwendung zum Schutz vor lebensgefährlichen Situationen zu gewährleisten, sind wir von der Sinnhaftigkeit des Projektes fest überzeugt. 22ET

12 Abb Zielgruppen Die Zielgruppe sind Winzer und Weinkellereien, die bei der Arbeit die Sicherheit ihrer selbst und ihrer Mitarbeiter erhöhen wollen. Desweiteren kann unser Gerät auch zur Überprüfung des CO 2 Gehalts in diversen anderen Anlagen genutzt werden, die von einer Belastung betroffen sein könnten. 22ET

13 3.6 Betriebsbedingungen Um das CO 2 - Messgerät in Betrieb zu nehmen, werden 8 AA Batterien benötigt. Der Apparat soll für den Benutzer wartungsfrei sein und möglichst keine Verschleißteile beinhalten. Sobald das Gerät eingeschaltet und mit einem dafür eingerichteten Smartphone oder Tablet verbunden ist, werden die Daten automatisch übermittelt und in einem Text Feld in der App angezeigt. Der Apparat ist desweiteren bis zu einer Luftfeuchtigkeit von 70% ausreichend abgedichtet um auch in feuchten Umgebungen einsetzbar zu bleiben. Bei einer Überschreitung dieses Luftfeuchtigkeitswertes, könnten jedoch Fehler oder Schäden am Gerät auftreten. Wir empfehlen außerdem, das CO 2 - Messgerät nicht bei außergewöhnlichen Temperaturen, wie beispielsweise unter 5 Celsius oder über 40 Celsius, zu benutzen. 4. TECHNICAL REQUIREMENTS 4.1 Function Principle The CO 2 meter is powered by a rechargeable battery, which consists of eight 1.2 volt AA batteries. The device uses the sensor with a sensor module of the company Sandbox Electroniks. The control is provided by a PIC 16F1512. The measured values are displayed at the top of the unit with an LCD PC A of the company Powertip. The the data is transferred through a Bluetooth module from Parallax type RN- 42 nd. If you turn on the device, you can expect reliably measured values after an approximately three-minute warm-up time. The measured values are processed by the PIC and the result is shown in ppm on the display on the top of the device. This display has a switch to turn on the backlight if needed. 22ET

14 Every ten seconds it updates the values and sends them via the Bluetooth module to a connected Smartphone or tablet. If a critical value of the CO 2 concentration in the air is exceeded, an alarm will be triggered. There are three alarm levels on the device: Alarm level 1: red LED light up Alarm level 2: flickering LED, short warning tone Alarm level 3: warning tone, flickering LED On the phone, an alarm is issued beginning from a CO 2 concentration of three percent by a sound and the vibration of the connected Smartphone or tablet. 22ET

15 4.2 Design Abb First drawing As can be seen the battery block takes most of the space inside the casing, this was the first design we created. No Bluetooth module can be seen yet, because our plans of structure changed over time, as you can see in the following pictures. 22ET

16 4.3 Desired Criteria The desired criterion is that the power consumption of the circuit should not be very high, so that as many measurements as possible can be made with one battery charge. A further criterion is accurate measurement of data so that no false alarms are triggered and the data is displayed correctly on the connected Smartphone or tablet. 22ET

17 4.4 Area of Application The portable CO 2 gauge is intended primarily for use in wineries to make the work of employees there easier and safer. During the fermentation process of wine, CO 2 is produced. At 3% in the air, light perception disorders appear and from 5% on there can be loss of consciousness. Of course we are aware that our device is only a first step in the development of a reliable device, which will hopefully be able to prevent casualties. Abb ET

18 4.5 Target Group Our target group are winemakers and wineries who want to increase their personal and their employees' safety at work. 4.6 Operating Condition In order to take the CO 2 gauge into operation 8 AA batteries are needed. The device should be maintenance-free for the user including no wearing parts. For a moist environment, the device needs to be adequately sealed up to a humidity of 70%. If the humidity is higher than this value, errors may occur or the unit may be damaged. 5. Abstract The aim of our project was to develop a CO 2 measuring device. It should measure CO 2 levels in wine cellars in order to warn staff in life-endangering situations. Additionally, the device should be used to measure the quality of air in other rooms such as classrooms. There are various alarms, which are triggered depending on CO 2 levels. Our project also included the transfer of the measured data to a connected Smartphone or tablet i.e. to an app, which we programmed ourselves. 22ET

19 6. Hardware des CO2 Messgerätes 6.1 Grundlegendes Blockschaltbild Abb.6.01 Blockschaltbild Wie in der Abbildung zu sehen ist, stellt der Mikroprozessor den Kern der Schaltung dar. Der Sensor wird mit einer Spannung von 9,6 Volt versorgt. Die restlichen Bauteile, wie etwa der Mikrocontroller, das Bluetooth Modul und der Display, werden mit einer geregelten Spannung von 5 Volt versorgt. Über einen Schalter lässt sich das Gerät einschalten und über einen Weiteren, lässt sich die Hintergrundbeleuchtung des Displays einschalten. Die Alarmausgabe erfolgt über einen Lautsprecher und einer roten LED. Beide werden über den Mikrocontroller gesteuert, welcher für die Audioausgabe über Lautsprecher ein PWM Signal benötigt. Wann und wie genau die Alarmausgabe erfolgt ist unter dem Punkt 8.1: Programmierung des PIC16F1512, ersichtlich. Über das Bluetooth Modul werden die Daten an das dafür eingerichtete Smartphone oder Tablet weitergeleitet. 22ET

20 6.2 Schaltplan Abb Schaltplan Bei der Abbildung ist unsere Schaltung zu sehen, die als unsere Hauptplatine fungiert. Alle Bauteile mit der Bezeichnung Xn sind Bauteile, die nicht direkt auf der Platine zu finden sind. 22ET

21 6.3 Versorgungsspannung Abb Schaltung Versorgungsspannung Die Versorgungsspannung beträgt 9,6 Volt und wird von acht wiederaufladbaren 1.2 Volt Batterien geliefert. Der Schalter S1 ist der Hauptschalter und dient dazu, das CO 2 - Messgerät ein- und ausschalten zu können Spannungsregelung Abb Spannungsregung Eine Versorgungsspannung von 5 Volt, die durch die Spannungsregelung von LT1962EMS8 geleistet wird ist direkt nach dem Einschalten am Bluetooth Modul, dem Sensor und dem PIC verfügbar, um eine Messung und deren Ausgabe zu ermöglichen. Diese Betriebsspannung wurde mit Vcc benannt. Die Spannungsregelung wird von den Widerständen R1 und R2 bestimmt. Sie ergibt sich durch folgende Formel: I adj =30nA 22ET

22 6.4 Programmier-Schnittstelle Abb Programmierschnittstelle Über die Programmierschnittstelle wird die passende Programmierung vom MPLAB auf den PIC übertragen. 6.5 Verbindung zum Sensormodul Abb Sensormodulbeschaltung Der Pin mit der Nummer 2 führt zur Versorgungsspannung von 9,6 Volt. Vout liefert uns eine Spannung, welche weiter zum Mikrocontroller führt. Vbool wäre der Komparator-Ausgang, jedoch wird dieser bei uns nicht weiter verwendet. Die genaue Beschreibung des Sensormoduls wird im Kapitel Bauteile beschrieben. 22ET

23 6.6 Lautsprecher und die Beschaltung Abb Lautsprecher Beschaltung Die Basis des Transistors führt über den Widerstand R6 zum PIC, dieser gibt ein PWM Signal aus. Durch eine vordefinierte Programmierung kann der Lautsprecher entweder kurze Laute, oder einen durchgehenden Ton von sich geben. 22ET

24 6.7 PIC16F1512 Abb PIC Beschaltung Aufgrund derselben Bauform des PIC16F72 zum PIC16F1512 im Altium Designer, haben wir uns für dieses Layout zur Platinen Erstellung entschieden. 22ET

25 6.8 Display Beschaltung Abb Display Beschaltung Das Display verfügt über 8 Datenleitungen auf dem PIC, wo sich das gesamte B- Register (RB0-RB7) befindet. Der R/W Pin (Read/Write) und der RS Pin (Reset) wird mit RC1 und RC4 und der E Pin mit RC3 verbunden. Pin 15 und Pin 16 sind jeweils Kathode und Anode der Hintergrundbeleuchtung. Diese kann man mit dem Schalter S2 ein- bzw. ausschalten. 22ET

26 6.9 Bluetooth Modul Beschaltung Abb Bluetooth Modul Beschaltung Die Pins mit der Bezeichnung RA6 und RA7 sind RX und TX und werden mit dem Mikrocontroller ebenfalls mit TX und RX verbunden. 22ET

27 7. Bauteile 7.1 Sensor Abb Eigenschaften Gute Empfindlichkeit Niedrige Luftfeuchtigkeit- und Temperaturabhängigkeit Lange Stabilität und Reproduzierbarkeit Anwendung Luftqualitätskontrolle CO 2 -Konzentrations - Erkennung 22ET

28 Struktur Die Abbildung 7.01 zeigt die Struktur des Sensors. Dieser ist aus einer festen Elektrolytschicht (1), Gold-Elektroden (2), Platin-Blei (3), einer Heizung (4), einem Porzellanrohr (5)/ (6), einem Nickel und Kupfer vernickelten Ring (7), Bakelite (8) und einem Nickel und Kupfer bezogenen Stift (9) zusammengesetzt. Abb. 7.02http:// Funktionsprinzip Wenn der Sensor CO 2 ausgesetzt wird, tritt die folgende Elektrodenreaktion auf: Kathodenreaktion : 2Li + + CO2 + 1/2O2 + 2e - = Li2CO3 Anodenreaktion : 2 Na e - 1/2O2 = Na2O Gesamte chemische Reaktion : Li2CO3 + 2Na + = Na2O CO2 2Li Die elektromotorische Kraft (EMF) ergibt sich aus den oben genannten Elektrodenreaktion, in Verbindung mit der NERNST s-gleichung: EMF = Ec - (R x T) / ( 2F ) ln ( P ( CO2) ) P (CO2) Partialdruck Ec Constant Volume R Gas Konstantvolumen T... Absolute Temperatur (in K) F Faraday-Konstante In der Abbildung 7.01 erkennt man bei der Figur 1b, dass der Heizvorgang von einer externen Schaltung kommen muss. Wenn der Sensor heiß genug ist, dann verhält er sich wie eine Zelle. An A und B fällt eine Spannung ab, mit der man den CO 2 -Gehalt bestimmen kann. 22ET

29 Technische Daten Abb Empfindlichkeit: Die Abbildung zeigt die Empfindlichkeitskurve des Sensors unter den aufgelisteten Bedingungen: Temperatur: 28 Luftfeuchtigkeit: 65% Sauerstoff: 21% Abb. 7.04: 22ET

30 7.2 Sensor Modul Abb ET

31 Abb Eigenschaften Analoger und Digitaler Ausgang Onboard-Signalaufbereitungsschaltung Onboard-Heizkreis Sensor-Buchse eliminiert Löten des Sensors und ermöglicht Plug-and-Play. 4-Pin-Interlock-Anschlüsse onboard Kompakte Größe 22ET

32 Sensormodul Pin-Belegung Abb Funktionsweise Der MG-811 Sensor ist im Grunde eine Zelle, die eine Ausgangspannung im Bereich von 100 bis 600 mv liefert ( ppm CO2). Die Stromerzeugungsfähigkeit der Zelle ist allerdings begrenzt. Da die Amplitude des Signals so niedrig und die Ausgangsimpedanz der Zelle so hoch ist, erdfordert dies bei unserem Gerät eine Signalaufbereitungsschaltung zwischen Sensor und ADC-Eingang des Mikrokontrollers. Die Ausgangsspannung des Sensors in sauberer Luft (typischerweise 400 ppm CO 2 ) liegt im Bereich von 200mV-600mV. Diese Spannung ist als Nullpunkt-Spannung (V0) definiert. Die Ausgangsspannung nimmt ab, wenn die CO 2 -Konzentration steigt. 22ET

33 7.3 Mikroprozessor PIC 16F1512 Der PIC16F1512 wurde von der Firma Microchip hergestellt und verfügt über 28 Pins. Laut Datenblatt kann man eine Eingangsspannung von 1,8V 5,5V einspeisen. Nach einer Absprache mit Herrn Prof. Resch, haben wir uns für dieses Bauteil entschieden, da es auch ausreichend viele Pins für unsere Zwecke bietet. Pin-Belegung: RA0= NC RA1= Ausgangspannung vom Sensormodul RA2= Komperatorspannung vom Sensormodul RA3= Bluetooth RA4= RA5= RA6= TX, mit RX vom Bluetooth Modul verbunden RA7= RX, mit TX vom Bluetooth Modul verbunden RB0-RB7= Datenleitungen des Displays RC0= rote LED RC1= R/W Pin des Displays RC2= PWM-Signal für den Lautsprecher RC3= Enable Pin des Displays RC4= Reset Pin des Displays 22ET

34 7.4 Bluetooth-Modul Das Bluetooth-Modul RN-42 der Firma Parallax bietet eine zuverlässige und kostengünstige Methode zur kabellosen Übertragung zwischen zwei Geräten, wie in unserem Fall zwischen dem Mikrokontroller und einem dafür eingerichteten Smartphone oder Tablet. Eigenschaften Bluetooth 2.1 Geringer Stromverbrauch Auto-Paarung Kompatibel mit einem 3.3V und 5V Mikrokontroller LED zur Statusanzeige Standart-Baudrate 9600 Abb ET

35 Die Abbildung 7.08 zeigt das Bluetooth-Modul. Die Betriebsspannung wurde am PIN VIN von 5V und die Masse am PIN GND zugeschalten. Die Pins RST, RX und TX wurden mit I/0 Ports des PICs verbunden. RTS und CTS haben wir laut Datenblatt verbunden. Zur Kommunikation verwendet das Modul einen asynchronen seriellen Interface, mit dem man auch Baudrate regeln könnte. Das Modul besitzt drei LEDs als Anzeige für den befindlichen Status: Grüne LED o bei einem zehnmaligen Aufleuchten pro Sekunde, befindet sich das Modul im Konfigurationsmodus o bei einem zweimaligen Aufleuchten pro Sekunde, befindet sich das Modul im Ladezustand o bei einem einmaligen Aufleuchten pro Sekunde, befindet sich das Modul außer Betrieb o bei einem dauerhaften Aufleuchten, ist das Modul mit dem dafür eingerichteten Smartphone oder Tablet verbunden Blaue LED - zeigt an, dass eine Verbindung zum dafür eingerichteten Smartphone oder Tablet besteht Rote LED - zeigt an, dass gerade Daten eingelesen werden 22ET

36 8 Messaufbauten 8.1 Aufbau der Lautsprecherbeschaltung Abb Lautspreherschaltung Die Abbildung 8.01 stellt unsere Lautsprecherschaltung dar. Das Eingangssignal Xe sollte das PWM-Signal des PICs ersetzen und wurde von einem Frequenzgenerator erzeugt. Die Betriebsspannung Vcc von 5V wird mit dem Pluspol des Lautsprechers verbunden. Der BC557b ist ein PNP Transistor, bei dem der Emitter auf Masse geschalten und der Kollektor über den Widerstand R7 mit dem Minuspol des Lautsprechers verbunden werden muss. 22ET

37 8.2 Messen der anliegenden Spannungen Abb Hauptplatine ohne jegliche Zusatz Module Um die Funktionstüchtigkeit der Schaltung zu gewährleisten, mussten unterschiedliche Messungen durchgeführt werden. So haben wir zunächst überprüft ob die Spannung einbricht, wenn alle Ein- und Ausgänge zugeschalten sind. Dabei wurde die Eingangsspannung von 9,6V und die Betriebsspannung von 5V überprüft. 22ET

38 Abb gemessen Betriebsspannung Nach dem ersten Versuch bemerkten wir, dass die Betriebsspannung von 5V erst nach ungefähr zwei bis drei Minuten erreicht wird. Die vom Spannungsregler gemessene Spannung beträgt anfangs 4,81V und steigt danach auf ca. 5,08V, wie in der Abbildung 8.03 zu sehen ist. Der reelle Wert, von ca. 5,08V, entspricht fast genau dem ausgerechneten Wert von 5V. Die Funktionalität des Sensormoduls bzw. des Sensors wurde auf ähnliche Art und Weise überprüft. 22ET

39 Das Sensormodul wird, ohne Bluetooth-Modul und Display, mit der Hauptplatine verbunden. Nachdem der Sensor warm genug ist, wird die Spannung gemessen, die am RA1 Pin des Mikrocontrollers anliegt. Die Ausgangsspannung des Sensors wird ebenfalls gemessen. Durch diese Messungen haben wir bestätigen können, dass der Sensor selbst als auch als Sensormodul fungieren kann, da die Messwerte annähernd denen des Datenblattes entsprechen. Der Sensor liefert unter normalen Bedingungen eine Spannung von etwa mV. (Normalbedingung in diesen Zusammenhang: im Klassenzimmer, C, niemand atmet nahe am Sensor aus oder ein, damit verfälschten Messungen vorgebeugt wird). Beim Betrachten der Abbildung 7.04 erkennt man, dass es sich dabei, für einen Raum mit rund 18 Personen, um einen durchaus realistischen Wert von 400 bis 700 ppm handelt. Bei einem Anstieg des CO 2 -Werts sinkt die Spannung des Sensors auf etwa 184mV. Dies konnten wir simulieren, indem jemand direkt neben dem Sensor ausatmet und so mehr CO 2 in seine Nähe gelangt. Bei diesem Experiment fiel der Spannungswert fast zeitgleich. Die Spannung am PIC sank verhältnismäßig ebenfalls in einen Bereich von ca. 0,9V bis 1,1V. 22ET

40 10. Hauptplatine 10.1 Gesamtes PCB Abb gesamte Platine Die Abbildung 10.1 zeigt die Hauptplatine mit allen Bauteilen, Bohrungen sowie allen Leiterbahnen. Die Platine ist ca. 57 mm lang und 56,4 mm breit. 22ET

41 10.2 Top Layer 10.2 obere Fläche der Platine 22ET

42 10.3 Bottom Layer Abb Unterseite der Platine 22ET

43 10.4 Bohrplan Abb Drill Drawing Der Durchmesser der Bohrungen entspricht 1mm. 22ET

44 11. Bestückungsplan Wiederstände R1=1.8 kω R2=5.6 kω R3=330 Ω R4=289 Ω R5=500 Ω R6=1 kω R7=22 Ω Header X1=6 Pins Header X2=5 Pins Header X3=2 Pins Header X4=16 Pins Header X5=8 Pins Header Kondensatoren C1=1000 pf C2=1µF C3=0.1µF Dioden D1=grüne LED D2=rote LED Sonstiges S1=Schalter S2=Schalter U1=PIC16F1512 U2=LT1962 Q1=BC557b LS1=Lautsprecher 22ET

45 12 Software des CO2 Messgeräts 12.1 Programmierung des Mikrokontrollers Die vollständige Programmierung des Messgerätes konnte aus zeitlichen Gründen nicht vollendet werden. Geplant war den analogen Spannungswert, mittels ADC des PICs, in einen digitalen Wert umzuwandeln. Dieser Wert sollte danach direkt in ppm umgewandelt und abgespeichert werden. Sobald dies geschehen ist, sollte der Wert auf den Display projiziert und zum TX Port des PICs weitergeleitet werden, der dann die Daten zum Bluetooth-Modul und in weiterer Folge zum verbundenen Smartphone oder Tablet weiterschickt. Der Wert sollte folglich mit den drei Referenzwerten verglichen werden und gegebenenfalls einen Alarm ausgeben. Im Abschnitt Flussdiagramm werden Referenzwerte und die verschiedenen Alarme näher beschrieben. All dies sollte regelmäßig in festgelegten Abständen durchgeführt werden, bis das Gerät ausgeschaltet wird. 22ET

46 Flussdiagramm Wie man im nachstehenden Flussdiagramm sieht, werden zunächst alle Ports konfiguriert. Danach gibt es eine Wartezeit von 3 Min, weil der Sensor bis dahin keine genauen Messergebnisse ausgibt. Dann beginnt die Endlosschleife und die analoge Spannung, welche von Sensor-Modul kommt, wird eingelesen. Diese Spannung muss digitalisiert werden und in ppm umgewandelt werden. Mit dem digitalen Wert wird anschließend weitergearbeitet. Zunächst wird der Wert an das Bluetooth-Modul weitergeleitet, der es danach an das verbundene Smartphone oder Tablet weiterleitet. Ebenfalls geben wir den Wert in ppm auf dem Display aus. Anschließend wird der Wert mit den drei von uns ausgewählten Referenzwerten verglichen. 1. Referenzwert : liegt bei einem Prozent ( ppm); wenn dieser Wert erreicht wird, leuchtet die rote LED auf, bis der Wert wieder abnimmt oder bis zum nächst höheren Referenzwert ansteigt 2. Referenzwert : liegt bei drei Prozent ( ppm); wenn dieser Wert erreicht wird, blinkt die rote LED und der Lautsprecher gibt kurze Signaltöne aus, bis der Wert wieder abnimmt oder bis zum nächst höheren Referenzwert ansteigt 3. Referenzwert: liegt bei fünf Prozent(50.000ppm); wenn dieser Wert erreicht wird, blinkt die rote LED weiter und der Lautsprecher gibt einen dauerhaften Signalton aus 22ET

47 Abb Programmstruktur 22ET

48 Software des Mikrokontrollers Das Programm beginnt mit der Initialisierung der Ports. Wie in dem unteren Ausschnitt des Programmes zu sehen ist, wird der Port RA1 als analoger Eingang definiert. Das gesamte B-Register wird als digitaler Ausgang definiert. Diese Initialisierung ist für das Display notwendig, da das B-Register mit den Datenleitungen verbunden ist. Das C-Register wird ebenfalls als digitaler Ausgang definiert, da mit diesem das R/W, RS und E Bit des Displays und das RX/TX des Bluetooths verbunden werden. Die rote LED und der Lautsprecher sind ebenfalls mit einem Port des C- Registers verbunden. Programmabschnitt der Initialisierung: void int_io () { TRISA=0b ; ANSELA=0b ; PORTA=0b ; LATA=0b ; //RA1 & RA2 auf Eingang setzen (Sensor) //RA1 &RA2 als analogen Eingang definieren TRISB=0x00; ANSELA=0x00; LATB=0x00; PORTB=0x00; TRISC=0b ; ANSELC=0b ; LATC=0b ; PORTC=0b ; //RC0=1; wegen der LED 22ET

49 Der nächste Schritt ist es den analogen Spannungswert vom Sensormodul in einen digitalen umzuwandeln. Dafür haben wir ein Unterprogramm erstellt, welches wie folgt aussieht: void adc (void) //Unterprogramm des ADC s { ADCON0bits.GO = 1; //startet Konversion while (ADCON0bits.GO) continue; //warten bis Konversation vollendet a=adres0l; ADIF=0; //der digitale wert wird in spwert abgespeichert //zurück zum hauptprogramm Das Unterprogramm verlässt die Endlosschleife und beginnt an derselben Stelle im Programm wo es die endlosschleife verlassen hat. Es erfolgt die Umwandlung des Wertes in ppm: while(1) //Endlosschleife { adc(); //springt zum Unterprogramm des ADC s b=((0.005*a)-0.2)/2.5; ppmwert=pow(10,b); //wert in ppm umwandeln Nachdem der Wert in ppm umgewandelt wird, soll der Wert auf dem Display angezeigt werden. Dabei muss zuerst das Display konfiguriert werden: //LCD Confiq, vom Datenblatt RC1=0; RC4=0; PORTB=0b ; delay_ms(5); RC1=0; RC4=0; PORTB=0b ; delay_ms(110000); RC1=0; RC4=0; PORTB=0b ; //warte mehr als 4,5 ms //warte mehr als 100us RC1=0; RC4=0; PORTB=0b ; RC1=0; RC4=0; 22ET

50 PORTB=0b ; RC1=0; RC4=0; PORTB=0b ; RC1=0; RC4=0; PORTB=0b ; //den Wert am LCD anzeigen RC4=1; //RS setzen (0für Befehl, 1 für Daten) RC1=0; //R/W auf 0 setzten RC3=1; //E auf 1 setzten PORTB=ppmwert; //ppm wert schicken RC3=0; //E auf 0 setzten RC1=1; //R/W auf 1 setzten Zum Abschluss verbleibt noch die Ausgabe des Alarms: //Alarmausgabe if(10000<=ppmwert<29999) //erste Alarmstufe { RC0=0; //rote LED einschalten // delay_ms(100); if(30000<=ppmwert<49999) //zweite Alarmstufe { RC0=1; for (i=0; i<=10; i=i+1) //blinkende LED { RC0=~RC0; delay_ms(500); RC2=0; for (j=0; j<=10; i=i+1) //Lautsprecher gibts kurze Töne aus { RC2=~RC2; delay_ms(2); //500Hz 22ET

51 if (ppmwert>=50000) { RC0=1; for (i=0; i<=10; i=i+1) { RC0=~RC0; delay_ms(400); RC2=0; for (j=0; j<=10; j=j+4) { RC2=~RC2; delay_ms(1); //dritte Alarmstufe //blinkende LED //dauerhafter Ton des Lautsprechers //1 khz Das gesamte Programm: #include<htc.h> #include<pic16f1512.h> #include<pic.h> #include <xc.h> #include <math.h> #define _XTAL_FREQ void int_io () { TRISA=0b ; ANSELA=0b ; PORTA=0b ; LATA=0b ; //RA1 & RA2 auf Eingang setzen (Sensor) //RA1 &RA2 als analogen Eingang definieren TRISB=0x00; ANSELA=0x00; LATB=0x00; PORTB=0x00; TRISC=0b ; ANSELC=0b ; LATC=0b ; PORTC=0b ; //RC4=1; Enable bit des Displays zu beginn auf high setzten //RC0=1; wegen der LED 22ET

52 int refwert1=0x2710; int refwert2=0x7530; int refwert3=0xc350; int a, i, j; int ppmwert, b; //definiere 1. Referenzwert von ppm //definiere 2. Referenzwert von ppm //definiere 3. Referenzwert von ppm void adc (void) //Unterprogramm des ADC s { ADCON0bits.GO = 1; //startet Konversion while (ADCON0bits.GO) continue; //warten bis Konversation vollendet a=adres0l; ADIF=0; //der digitale wert wird in spwert abgespeichert //zurück zum hauptprogramm void main (void) //Hauptprogramm { ADCON0=0b ; //Confiq des ADC ADCON1=0b ; ADRES0H=0b ; ADRES0L=0b ; ADIF=0; ADIE=1; GIE=1; delay_ms(12000); //3 minuten warten bis der Sensor heiß ist while(1) //Endlosschleife { adc(); // zum Unterprogramm des ADC s b=((0.005*a)-0.2)/2.5; ppmwert=pow(10,b); //wert in ppm umwandeln //LCD Confiq RC1=0; RC4=0; PORTB=0b ; delay_ms(5); RC1=0; RC4=0; //warte mehr als 4,5 ms 22ET

53 PORTB=0b ; delay_ms(110000); RC1=0; RC4=0; PORTB=0b ; //warte mehr als 100 us RC1=0; RC4=0; PORTB=0b ; RC1=0; RC4=0; PORTB=0b ; RC1=0; RC4=0; PORTB=0b ; RC1=0; RC4=0; PORTB=0b ; //den Wert am LCD anzeigen RC4=1; //RS setzen (0für Befehl, 1 für Daten) RC1=0; //R/W auf 0 setzten RC3=1; //E auf 1 setzten PORTB=ppmwert; //ppm wert schicken RC3=0; //E auf 0 setzten RC1=1; //R/W auf 1 setzten //Alarmausgabe if(10000<=ppmwert<29999) //erste Alarmstufe { RC0=0; //rote LED einschalten // delay_ms(100); if(30000<=ppmwert<49999) { RC0=1; for (i=0; i<=10; i=i+1) { RC0=~RC0; //zweite Alarmstufe //blinkende LED 22ET

54 delay_ms(500); RC2=0; for (j=0; j<=10; i=i+1) { RC2=~RC2; delay_ms(2); //Lautsprecher gibts kurze Töne aus //500Hz if (ppmwert>=50000) { RC0=1; for (i=0; i<=10; i=i+1) { RC0=~RC0; delay_ms(400); RC2=0; for (j=0; j<=10; j=j+4) { RC2=~RC2; delay_ms(1); //dritte Alarmstufe //blinkende LED //dauerhafter Ton des Lautsprechers //1 khz return; 22ET

55 12.2 Software für Smartphone und Tablet Das Folgende Programm ist eine Android basierten App, die mit Smartphones und Tablets kompatibel. Android ist ein Dialekt von JAVA der die Daten des Bluetooth Moduls empfangen und verarbeiten kann. Wir haben uns für die Programmieroberfläche Eclipse entschieden da sie auch auf der Android Developer Oberfläche empfohlen wird und auch von Google selbst supportet wird. Hinzu kommt, dass sie gratis von Android zu Verfügung gestellt wird. Bei dieser Programmieroberfläche wurde desweiteren auch die größte Bibliothek für Befehle und Register angeboten. Vor allem die Webseite war uns eine groß Hilfe. Weitere Quelle waren Tutorials von folgenden Seiten: Video to Brait: Youtube : Mithilfe dieser Quellen war es uns möglich die App, wie unten zu sehen, zu programmieren. 22ET

56 Programmieroberfläche Abb Programmieroberfläche Screenshot Die Oberfläche ist sehr übersichtlich, jedoch vergleichsweise schwer zu verstehen. Teilweise sind im Programm Fehler aufgetreten, für die wir keine Erklärung fanden. Zuletzt schafften wir es, dass beim Debugging keine Fehlermeldungen mehr angezeigt wurden, unsere App ist allerdings bei der Simulation auf virtuellen und auch auf unseren Handys bereits beim Start abgestürzt. 22ET

57 Zuerst erfolgt das Layout der App. Abb Screenshot App Layout Button zum Starten der App am Smatphone. Abb Screenshot Button 22ET

58 Initialisierung des Layouts <RelativeLayout xmlns:android=" xmlns:tools=" android:layout_width="match_parent" android:layout_height="match_parent" android:gravity="fill_vertical" tools:context=".mainactivity" > Initialisierung des Text Feldes, in dem der Wert angezeigt werden soll <EditText android:layout_width="wrap_content" android:layout_height="wrap_content" android:layout_alignparenttop="true" android:layout_centerhorizontal="true" android:layout_margintop="150dp" android:ems="10" > <requestfocus /> </EditText> Initialisierung des Texts (der unter dem Textfeld angezeigt wird, damit die Einheit nicht extra in das Textfeld geschrieben werden muss) <TextView android:layout_width="wrap_content" android:layout_height="wrap_content" android:layout_centervertical="true" android:text="wert_in_%" android:textappearance="?android:attr/textappearancesmall" /> </RelativeLayout> 22ET

59 Das Manifest Einstellung aller Register und Festlegung nötiger Parameter <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <manifest xmlns:android=" package="com.example.sockettest" android:versioncode="1" android:versionname="1.0" > <uses-sdk android:minsdkversion="9" android:targetsdkversion="18" /> <uses-permission android:name="android.permission.bluetooth"/> <application android:allowbackup="true" > <activity android:name="com.example.sockettest.mainactivity" > <intent-filter> <action android:name="android.intent.action.main" /> ategory.launcher" /> </intent-filter> <category android:name="android.intent.c </activity> </application> </manifest> 22ET

60 Empfangen Hier werden alle Befehle importiert, die zur Verbindung und zum einschalten des Bluetooth am Handy notwendig sind package com.example.sockettest; import java.io.ioexception; import java.io.outputstream; import android.bluetooth.bluetoothserversocket; import android.bluetooth.bluetoothsocket; public class Empfangen implements IEmpfangen { String wert; MainActivity app; public Empfangen(MainActivity app) { this.app = app; new public String empfangen() { return wert; private synchronized void setwert(string txt) { wert = txt; // thread um die verbindung anzunehmen class AcceptThread extends Thread { private final BluetoothServerSocket mmserversocket; public AcceptThread() { // Use a temporary object that is later assigned to mmserversocket, // because mmserversocket is final BluetoothServerSocket tmp = null; // try { 22ET

61 // // MY_UUID is the app's UUID string, also used by the client // // code // // // TODO uuid herausfinden // tmp = mbluetoothadapter.listenusingrfcommwithservicerecord( // NAME, MY_UUID); // catch (IOException e) { // mmserversocket = tmp; public void run() { BluetoothSocket socket = null; // Keep listening until exception occurs or a socket is returned while (true) { try { socket = mmserversocket.accept(); // If a connection was accepted if (socket!= null) { // Do work to manage the connection (in a separate // thread) manageconnectedsocket(socket); mmserversocket.close(); break; catch (IOException e) { break; private void manageconnectedsocket(bluetoothsocket socket) { try { OutputStream os = socket.getoutputstream(); byte[] buffer = new byte[1024]; os.write(buffer, 0, 1024); String target = null; StringBuilder sb = new StringBuilder(target); for(byte elem : buffer) { sb.append((char) elem); 22ET

62 setwert(sb.tostring()); app.textfeldfueller(); catch (IOException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printstacktrace(); /** Will cancel the listening socket, and cause the thread to finish */ public void cancel() { try { mmserversocket.close(); catch (IOException e) { 22ET

63 Um die App auf einem Android Handy nutzen zu können, muss vom Benutzer zuerst eine Installations-Erlaubnis eingeholt werden. Diese Bedingung bringt den Vorteil mit sich, dass gleichzeitig überprüft wird ob das Gerät über die erforderliche Schnittstelle verfügt. Abb Screenshot Mit der Erlaubnis wird im Programm desweiteren abgefragt, ob die entsprechende Schnittstelle aktiv ist. Falls dies nicht der Fall ist, wird vom Programm verlangt sie zu aktivieren, denn um die App nutzen zu können, muss die erforderliche Schnittstelle verfügbar und aktiv sein. 22ET

64 Es ist uns gelungen die App auf unserem Smartphone zu installieren, wie hier in einem Screenshot des Smartphones zu sehen ist. Abb Screenshot 22ET

65 Nach der erfolgreichen Installation, erscheint die App auch im Hauptmenü und kann dann gestartet werden. Die App wird hier im roten Kreis dargestellt. Abb Screenshot 22ET

66 Wird die App vom Hauptmenü aus gestartet, stützt sie leider immer wieder ab. Bis jetzt konnte der Grund und eine Lösung für dieses Problem nicht gefunden werden. Die folgende Abbildung zeigt die Fehlermeldung beim Absturz des Programms. Abb Screenshot 22ET

67 Abb Screenshot Da sich unser Bluetooth-Modul immer im Pairing-Modus befindet und mit einem Passwort geschützt ist, erscheint es in der Liste verfügbarer Geräte, wie oben auf der Abbildung zu sehen ist. Unser Apparat wird hier unter der Bezeichnung MOGA angezeigt. Wird das Gerät in der Liste ausgewählt, poppt ein Fenster auf, in dem das Passwort eingegeben werden kann. 22ET

68 Zuletzt erfolgen die Ausgabe im Textfeld und die Einstellung des Wertes ab welchem ein Alarm ausgelöst wird. Hier werden die Parameter für die Alarmausgabe festgelegt. Die Einstellungen bezüglich des Alarmsignals und des Vibrationsalarms werden vorgenommen. Dies stellt sicher, dass das Alarmsignal selbst bei defekten oder ausgeschalten Lautsprechern bemerkbar ist. package com.example.sockettest; import android.media.mediaplayer; import android.os.vibrator; import android.text.format.time; public class Ausgabe { IEmpfangen empfangen; Time zeit; Vibrator v; MediaPlayer m; MainActivity app; public Ausgabe(Vibrator v, MediaPlayer m, MainActivity app) { this.v = v; this.m = m; this.app = app; empfangen = new Empfangen(app); zeit = new Time(); // wandelt die zeichenkette in eine zahl um private String timestamp() { String wert = empfangen.empfangen(); if (Integer.parseInt(wert) > 3) alarm(); return "[" + zeit.format2445() + "]" + " " + wert; 22ET

69 private void alarm() { v.vibrate(1000); m.start(); public String Ausgeben() { return timestamp();. 22ET