Arduino-Lichtorgel Projektbericht

Transkript

1 2014 Arduino-Lichtorgel Autor: Klasse: Fach: Lehrer: Julian Banz Berufliches Gymnasium, 13d Elektrotechnik Technologie, Herr Bersch Julian Banz HEMS

2 Inhaltsverzeichnis: Kapitel Thema Seitenzahl 1 Vorwort Seite 3 2 Aufgabenstellung P und Projekterklärung Seite 4 3 Vorgehen beim Aufbau Seite Vorüberlegung Seite Problemstellung Seite Modifizierung der Taschenlampen Seite Berechnung der Bauteile Seite Aufbau Seite 12 4 Schaltung Seite Vorverstärker Seite fach Frequenzfilter Seite Prinzip Seite Tiefpass 2.Ordnung (inverter) Seite Bandpass 2.Ordnung (inverter) Seite Hochpass 2.Ordnung (inverter) Seite Einweggleichrichter Seite Endstufe Seite 22 5 Arduino Seite Analoge Eingänge Seite Digitale Verbindungen Seite Pulsweitenmodulation Seite 25 6 Software Seite 25 7 Fazit Seite 27 8 Datenblätter Seite Transistor 2N1613 Seite Operationsverstärker TL071 Seite 30 9 Quellen Seite 33 Autor: Julian Banz Seite 2

3 Kapitel 1 Vorwort: Der folgende dient zur Erläuterung meines Projektes, welches ich im Jahr 2014/15, beziehungsweise im Jahrgang, bearbeiten musste. Diese Projektarbeit ist ein wesentlicher Bestandteil des Technologie Unterrichts in. Mit dem Projekt werden wir zur ersten praktischen Anwendung der Elektrotechnik geführt. Zur Realisierung dient uns das Wissen, welches wir in den vorangegangenen Jahren auf dem Beruflichen Gymnasium im Grundkurs Technologie und dem Leistungskurs Technik-Wissenschaft angeeignet haben. Natürlich reicht das Wissen für manche komplexere Projekte nicht aus und man muss sich somit näher mit noch unbekannten Bauteilen und Programmen auseinandersetzen. Dies führt dazu, dass man die Elektrotechnik auf sehr viel tieferen Ebenen neu entdecken kann und viel lernen kann. Durch die Unterstützung von Herr Bersch, der uns mit seinem Fachwissen beim Verstehen der uns unbekannten Bauteilen geholfen hat, entstand bei mir ein sehr großer Lernfaktor. Alles in allem kann ich sagen, dass das Projekt mir nicht nur enormen Spaß gemacht hat, sondern mir auch geholfen hat die Elektrotechnik besser zu verstehen. Außerdem war es mal eine schöne Abwechslung zu dem theoretischen Unterricht. Autor: Julian Banz Seite 3

4 Kapitel 2 Aufgabenstellung und Projekterklärung: Der Lehrplan für Technologie in sieht vor, dass jeder angehender Elektrotechnik- Abiturient sich selbst ein Projekt aussuchen muss und dieses selbst bauen muss. Ich entschied mich für eine Arduino basierte Lichtorgel, da ich mich für Beleuchtungstechnik und Musik begeistere. Eine Lichtorgel ist eine frequenzgesteuerte Beleuchtung. Sie besteht meist aus mehreren LEDs, die von Frequenzen (Tief/Mittel/Hoch) angesteuert werden. In meinem Fall besteht die Lichtorgel aus drei verschieden farbigen LEDs, die abhängig von Lautstärke und Tonfrequenz unterschiedlich leuchten sollen. Die Lautstärke soll die Helligkeit der LEDs regeln und der Frequenzbereich die Farbe auswählen. Die Ansteuerung gescheit bei diesem Projekt über einen Arduino Mikrocontroller (s. Kapitel 5). Wichtig zu sagen ist noch, dass für dieses Projekt kein fertiger Bausatz, keine fertigen Schaltungen o. ä. benutzt wurden. Das gesamte Projekt beruht auf selbst erarbeitetem Wissen aus Fachliteratur und Kreativität. Autor: Julian Banz Seite 4

5 Kapitel 3 Vorgehen beim Aufbau: 3.1 Vorüberlegung: Eigenschaften: 3 Kanal Lichtorgel Frequenzbereich 25Hz - 10kHz Frequenzbandanzeige über LED Lautstärkeanzeige über LED mittels PWM* PWM*= Pulsweitenmodulation (s. Kapitel 5.3) Eingang: Line-In, Kondensator Mikrophon Pegel einstellbar 3fach Filter über externe Hardware Mikrocontroller Arduino UNO Zuerst sollte das Eingangssignal über ein Mikrophon aufgenommen werden. Durch den Vorverstärker wird dieses Signal verstärkt. Der 3fach Filter teilt dieses Signal nun anhand der Frequenz auf in Tief-, Mittel- oder Hochpass. Diese 3 Signale werden zum Mikrocontroller geleitet. Dieser sorgt dafür, dass sich zum Beispiel die Farbe der LEDs bei steigender Frequenz ändert oder die Helligkeit der LEDs erhöht wird. Das Eingangssignal sollte Musik aus einem Handy zum Beispiel sein. Die Musik sollte also die ganze Lichtorgel steuern. Mein Projekt sollte so konzipiert sein, dass es insgesamt 3 verschieden farbige LEDs gibt. Es gibt somit auch 3 verschiedene Frequenzabschnitte (25Hz-150Hz; 150Hz-2kHZ; 2kHz- 10kHZ). Je nach Frequenz beginnen die LEDs zu leuchten. Die Helligkeit der LEDs ist mit der Lautstärke verknüpft. Umso lauter der Ton ist, desto heller leuchtet die LED. Autor: Julian Banz Seite 5

6 Erster Entwurf der Schaltungen: Mikrophon-Vorverstärker: 3-fach Frequenzfilter: Autor: Julian Banz Seite 6

7 Endstufe: Autor: Julian Banz Seite 7

8 3.2 Problemstellung: Nach längerer Überlegung habe ich ein paar Nachteile und Defizite an meinem ersten Entwurf erkannt. Der größte Nachteil lag am Eingangssignal. Zuerst sollte das Eingangssignal über ein Mikrophon aufgenommen werden und durch einen Vorverstärker verstärkt werden. Was ich aber nicht berücksichtigte zu Anfang war der große Störfaktor bei dieser Übertragung. Durch die ganzen Hintergrundgeräusche würde ein Mikrophon nicht nur die Signale der gewünschten Musik bekommen, sondern auch die der Hintergrundgeräusche, was zu einem total falschen Ergebnis führen würde. Dieses Problem habe ich behoben, indem ich das Mikrophon durch eine direkte Signalübertragung über ein Chinch-Kabel ersetzt habe. Nun hat man ein Signal ohne Störung, aber man hört den Ton aus dem Handy nicht mehr. Daher habe ich ein Kopfhörer-Splitter Adapter - 3,5mm dual Stereoweiche an mein Handy angeschlossen um noch externe Lautsprecher mit anzuschließen zu können. Ein weiteres Problem stellte ich fest, als ich die Endstufe zu Testzwecken schon mal aufbaute und über den Arduino mit einem Testprogramm ansteuerte. Autor: Julian Banz Seite 8

9 Die normalen LEDS, mit einem Strom von 20mA waren nicht hell genug für eine gut aussehende Lichtorgel. Daher kam ich auf die Idee die normalen LEDs durch Power-LEDs zu ersetzen. Doch der Einbau von solchen Power-LEDs stellte sich als kompliziert heraus, da die Spannungs- und Stromversorgung vom Arduino nicht ausreicht um die Power-LEDs mit voller Leistung leuchten zu lassen. So kam ich auf die Idee eine kleine Power-LED Taschenlampe, die man in jedem Elektronikladen kaufen kann, so umzubauen, dass ich sie über den Mikrocontroller ansteuern kann. 3.3 Modifizierung der Taschenlampen: Die Taschenlampen waren nicht nur optisch viel schöner, sondern hatten auch um einiges mehr Leistung. Ein weiterer Vorteil war auch, dass sie eine eigene Spannungsversorgung (3x 1,5V Batterien pro Taschenlampe) hatten. Nun musste man nur noch den Strom zur Ansteuerung über den Transistor erhöhen. Durch Messungen und Berechnungen bin ich auf die geeigneten Bauteile gekommen. Autor: Julian Banz Seite 9

10 3.3.1 Berechnung der Bauteile: 2N1613: B = 30 (gemessen in der Taschenlampe) (gemessen in der Taschenlampe) => Power-LED: 3.2V/56mA Da der BC548 nur Strom bis 2mA regeln kann ersetzte ich ihn durch einen 2N1613, der mit sehr viel höheren Strömen betrieben werden kann (s. Kapitel 8.1) Nun musste ich noch und anpassen um die max. Leistung an der Power-LED zu gewährleisten. Autor: Julian Banz Seite 10

11 Berechnung von : = 15Ω => Berechnung von : => praktisch liegt bei der max. Strom von 53mA an der Power-LED. Autor: Julian Banz Seite 11

12 3.4 Aufbau: Nun da ich die Vorwiderstände berechnet hatte, konnte ich mit dem Umbau der Taschenlampe beginnen. Zuerst überbrückte ich den Ein- und Ausschaltknopf der Taschenlampe und ersetzte diesen durch das Signal aus dem Arduino. Daraufhin überbrückte ich die integrierte Schaltung in der Taschenlampe mit dem von mir vorher ausgerechneten Widerstand. Autor: Julian Banz Seite 12

13 Dies machte ich für alle 3 Taschenlampen. Die Schaltungen für den Vorverstärker, den 3fach Frequenzfilter und der Endstufe realisierte ich auf einem Steckboard. Letztendlich befestigte ich die Schaltungen, die Taschenlampen und das Arduino-Board auf einem Brett um dem ganzen noch die nötige Stabilität zu geben. Autor: Julian Banz Seite 13

14 Kapitel 4 Schaltung: Autor: Julian Banz Seite 14

15 Autor: Julian Banz Seite 15

16 4.1 Vorverstärker Die Stromversorgung Uv wird über R1 entkoppelt und von C1 und C2 von hochfrequenten Störungen befreit. Das Eingangssignal bekommt über R2 eine Vorspannung. Das Signal wird über C3 zum Verstärkereingang vom Operationsverstärker U1 weitergeleitet. Dieser Eingang liegt durch R3 und R4 auf halber Versorgungsspannung um mit dem Wechselstromartigem Frequenzgang (nach oben und unten) fertig zu werden. Das Signal wird also im Operationsverstärker verstärkt und über C5 zum Ausgang geleitet. Mit dem Potentiometer R8 am Ausgang kann man noch den Pegel des Ausgangssignales einstellen. Der Verstärkungsfaktor der Schaltung ergibt sich aus dem Verhältnis von R7 und der Summe der Widerstände R5 und R6. Somit kann man die Verstärkung über den Potentiometer R6 einstellen. Der Verstärkungsfaktor liegt zwischen Autor: Julian Banz Seite 16

17 4.2 3-fach Frequenzfilter: Prinzip: Das Prinzip der Schaltung ist aus der Fachliteratur Trietze/Schenk Halbleiterschaltungstechnik, 6. Auflage (s. Kapitel 9 Quellen). Autor: Julian Banz Seite 17

18 4.2.2 Tiefpass 2.Ordnung (inverter): Die Grenzfrequenz dieses Tiefpasses kann man über eine Formel berechnen. Somit werden alle Frequenzen über 160Hz nicht durch diesen Filter gelassen. Autor: Julian Banz Seite 18

19 4.2.3 Bandpass 2.Ordnung (Inverter): Resonanztreu: Bandbreite: Somit ergibt sich ein Bandpass, der von 450Hz bis 1150Hz durchlässig ist. Autor: Julian Banz Seite 19

20 4.2.4 Hochpass 2.Ordnung (inverter): Grenzfrequenz: (gilt für Hochpass 2. Ordnung) Somit ist dieser Hochpass ab Frequenzen von 1800Hz durchlässig. Autor: Julian Banz Seite 20

21 4.2.5 Einweggleichrichter: Pro Periode der eingehenden Wechselspannung entsteht am Gleichrichterausgang ein Spannungsimpuls. Die Diode D4 leitet nur, wenn das eingehende Signal positiv ist. Im Fall der Musik-Frequenz die positive Halbwelle. Dadurch gelangt immer nur die positive Halbwelle auf den Widerstand R23. Der Kondensator C9 dient als Glättungskondensator für das ausgehende Signal. Autor: Julian Banz Seite 21

22 4.3 Endstufe: Je nachdem wie hoch die Spannung ist, die von dem Mikrocontroller Arduino Uno über den Widerstand R9 geleitet wird, desto weiter öffnet oder schließt der Transistor Q1. So wird sehr schnell die Spannung an der LED in Abhängigkeit des Signales von dem Arduino geregelt. Autor: Julian Banz Seite 22

23 Kapitel 5 Arduino: Das Arduino-Board besteht aus mehreren digitalen und analogen Ein- und Ausgängen, aber das Herzstück ist der eingebaute Mikrocontroller. Insgesamt gesehen ist dieser Mikrocontroller ein funktionsfähiger Computer. Er besitzt einen 2KB RAM Arbeitsspeicher, einen 32KB Flashspeicher und einen 1KB EEPROM (nicht flüchtiger Speicher) und einem Prozessor ATmega328. Die CPU ist das Gehirn des Mikrocontrollers. Die CPU holt die im Flash-Speicher gespeicherten Programmanweisungen ab und führt sie aus. Dazu müssen z. B. Daten aus dem Arbeitsspeicher abgerufen, bearbeitet und wieder im Arbeitsspeicher abgelegt werden. Der EEPROM-Speicher ist wie ein Flash-Speicher, nur dass die in ihm gespeicherten Dateien bei einem Ausfall des Systems (Absturz der CPU oder Stromausfall) nicht verloren gehen. Der Flash-Speicher wird zum Speichern der Programmanweisungen, den so genannten Sketches, genutzt. Der Arduino UNO wird mit einer Versorgungsspannung von 9V betrieben. Autor: Julian Banz Seite 23

24 5.1 Analoge Eingänge: Der Arduini UNO bietet 6 Analoge Eingänge A0-A5. Mit diesen sechs Pins lässt sich die jeweils angelegte Spannung ermitteln. Jedoch kann man an diesen Eingängen nur die Spannung ermitteln, da sie einen sehr hohen Innenwiderstand haben und somit nur ein sehr kleiner Strom fließt. Den gemessenen Spannungswert kann man in einem Sketch ermitteln und ausgeben lassen. Diese Eingänge sind perfekt um die gefilterten Frequenzen in Form von Spannung aus dem 3fach-Frequenzfilter aufzunehmen und zu messen. 5.2 Digitale Verbindungen: Der Arduino UNO besitzt 14 digitale Pins (0 bis 13). Diese Pins können entweder als Einoder Ausgänge verwendet werden. In der Funktion als Ausgang besitzt jeder dieser Pins eine Spannung von 5V. Somit kann man in einem Sketch definieren, dass z. B auf Pin 7 eine Spannung von 0V oder 5V liegen. Die Pins 3, 5, 6, 9, 10 und 11 sind auch für PWM (s. Kapitel 5.3) geeignet. Autor: Julian Banz Seite 24

25 5.3 Pulsweitenmodulation: "PWM", wie es abgekürzt heißt, dient zur Feinjustierung der Spannung vom Arduino. Die digital Pins besitzen eine Spannung von 5V (an) und 0V (aus). Jedoch die Pins 3, 5, 6, 9, 10 und 11 können sich durch den richtigen Sketch auch einen Wert dazwischen wählen. Es funktioniert über einen Parameter. Es gibt einen so genannten "Duty-Cycle" für diese Digital Pins der von 0 bis 255 geht. Wobei 255 die 5V Spannung ist und 0 die 0V sind. So kann man sehr fein und genau die Spannung in Abhängigkeit von dem sich ständig verändertem Musik Signal an den analogen Eingängen anpassen. Kapitel 6 Software: * Author: Julian Banz Programm: Arduino-Lichtorgel Date: * int ledping = 9; //LED connected to digital Pin 9 int ledpino = 10; //LED connected to digital Pin 10 int ledpinr = 11; //LED connected to digital Pin 11 int analogping = 2; //Highpass connected to analog pin 2 int analogpino = 3; //Bandpass connected to analog pin 3 int analogpinr = 4; //Lowpass connected to analog pin 4 int valg = 0; // variable to store the read value int valo = 0; int valr = 0; void setup() Autor: Julian Banz Seite 25

26 { pinmode(ledping, OUTPUT); //set the pin as output pinmode(ledpino, OUTPUT); pinmode(ledpinr, OUTPUT); } void loop() { valg = analogread(analogping); // read the input pin valo = analogread(analogpino); valr = analogread(analogpinr); analogwrite(ledping, valg / 4); // analogread values go from 0 to 1023, analogwrite values from 0 to 255 analogwrite(ledpino, valo / 4); analogwrite(ledpinr, valr / 4); } Autor: Julian Banz Seite 26

27 Kapitel 7 Fazit: Schlussendlich kann man sagen, dass das Projekt durch seine Komplexität sehr Zeitintensiv war. Jedoch habe ich meine fachlichen Kenntnisse der Elektrotechnik dadurch intensiv verbessen können. Der Umbau der Taschenlampe gehörte zu dem zeitintensivsten Teil der Projektarbeit. Dort war das Umbauen der in der Taschenlampe integrierten Schaltung eine große Herausforderung, da das Arbeiten auf diesem engen, begrenzten Raum der Schaltung außerordentlich mühselig war. Aber trotz alledem hat es eine Menge Spaß gemacht und es ist immer ein tolles Gefühl, wenn das gebaute am Ende, genauso funktioniert wie man es sich vorgestellt hat. Autor: Julian Banz Seite 27

28 Kapitel 8 Datenblätter: 8.1 Transistor 2N1613: Autor: Julian Banz Seite 28

30 8.2 Operationsverstärker TL071: Autor: Julian Banz Seite 30

33 Kapitel 9 Quellen: Simon Monk: "30 Arduino Selbstbau-Projekte" (Franzis-Verlag) U. Tietze * Ch. Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik" (Springer-Verlag, 6. Auflage, Seite ) "Arduino Projects Book" von Arduino.cc "Elektrotechnik für berufsbildende Schulen" (Verlag Handwerk und Technik) Datenblätter: - 2N1613: - TL071: Autor: Julian Banz Seite 33