Projektabschluss: Forschungsseminar Teil 2

Hallo,

wie bereits angekündigt, möchte ich heute die Umsetzung unseres Forschungsseminar-Projektes vorstellen. In [Teil1] ging es um die Projektidee und deren Konzeption.

Für die Umsetzung unserer erarbeiteten Konzepte hatten wir erneut ein Semester Zeit. Da wir unsere Bestelllisten bereits am Ende des ersten Semesters abgegeben hatten, konnten wir zunächst zügig unsere Lieferungen in Empfang nehmen. In Folge dessen konnte ich die geplante Schaltung auf einem Breadboard aufbauen.

Schaltungsaufbau auf Steckbrett

Mikroprozessor-Programmierung

Diesen provisorischen Aufbau habe ich genutzt, um die Programmierung zu beginnen. Es war nötig, dies zügig anzugehen, da davon die Arbeit der anderen Gruppenmitgliedern abhängte. Die Programmierung des Mikroprozessors habe ich in mehrere unabhängige Module (Antrieb, Eingabe, Kommunikation, etc.) unterteilt. Jedes der Module enthält eine "Init" und eine "Handle" Methode. Die Init-Methoden werden ein mal bei Programmstart ausgeführt, die Handle-Methoden anschließend in einer Schleife. Dadurch ist es möglich, Modulen mehr Rechenzeit zuzuordnen, wenn diese zeitkritisch behandelt werden müssen. Dies war insbesondere bei der Motorsteuerung von Vorteil, da die Steuerausgänge des Motors während einer Bewegung oft geändert werden müssen. In diesem Fall wird die Handle-Methode des Motors zehn mal öfter aufgerufen, als die Handle-Methoden der anderen Module.

Programmablaufplan Mikroprozessor

Kommunikation

Die Kommunikation mit der Einrichtungs-App erfolgt über WLAN. Ist dem System noch kein Netz bekannt, so wird ein eigener Hotspot aufgebaut. Zu diesem kann sich verbunden werden, um das System einzurichten und mit einem WLAN zu verbinden. Diese Verbindung ist optional, hat jedoch den Vorteil, dass das System von selbst die Uhrzeit aus dem Internet beziehen kann. Außerdem muss sich für spätere Änderungen nicht erneut zum Hotspot verbunden werden.

Als Transportprotokoll wird sowohl TCP, als auch UDP verwendet. TCP wird zur Übertragung von Daten verwendet, welche nur sporadisch gesendet werden, also beispielsweise die Änderung eines Parameters. UDP wird dagegen für zyklisch übertragene Daten verwendet. Dies sind sich ständig ändernde Werte wie der aktuelle Umgebungslichtwert oder die Rolloposition.

Platinenlayout

Parallel zur Programmierung musste die Schaltung in ein Platinenlayout übertragen und umgesetzt werden. Dazu habe ich die Bauteile auf kariertem Papier gezeichnet und angeordnet. Dabei habe ich insbesondere darauf geachtet, den Leistungsteil und den Logikteil zu trennen, da diese mit unterschiedlichen Spannungen arbeiten (12V und 5V). Als Resultat ergibt sich das folgende Layout.

Platinenlayout

Diese Layout habe ich im folgenden mit der Gruppe besprochen, da die Platine auch in ein Gehäuse integriert werden musste und dafür entsprechende Anschluss- und Befestigungsmöglichkeiten gegeben sein mussten. Da es jedoch keine Einwände gab, habe ich das Layout umgesetzt. Das folgende Bild zeigt eine fertige und eine für die Bestückung vorbereitete Platine.

Fertige und vorbereitete Platine

Tasterleiste

Zur lokalen Bedienung ohne App wurde eine Tasterleiste entwickelt. Diese besteht aus vier Tastern, welche über ein Wiederstandsnetzwerk an den analogen Eingang des ESP8266 angeschlossen sind. Die Tasterleiste ist optional an das Antriebsmodul ansteckbar. Da die Belegung der Tasten variabel und Geräteübergreifend vorgesehen war, hätte so nur eine Leiste für beispielsweise zwei Rollos verwendet werden können. Auf Grund knapper Bearbeitungszeit haben wir uns jedoch dazu entschlossen, die variable Belegung außenvor zu lassen. Stattdessen wurden die vier Tasten mit Standardfunktionen belegt, welche von allen im Netzwerk befindlichen Geräten ausgeführt werden. Diese Funktionen sind: "bis ganz oben fahren", "nach oben fahren, solange gedrückt", "nach unten fahren, solange gedrückt" und "bis ganz unten fahren".

3D-Modell der Tasterleiste

Die Leiste selbst besteht aus einer kleinen Lochrasterplatine, welche die vier Taster mit jeweils einem Widerstand enthält. Die Platine ist in einem Gehäuse eingefasst, welches aus aus Rückseite, Deckel und vier Tasterblenden besteht. Die Gehäuseteile wurden per 3D-Druck gefertigt. Leider war die Qualität des 3D-Drucks nicht besonders überragend, sodass die gedruckten Teile mehrere Stunden Nacharbeit benötigten, um zusammen zu passen, obwohl beim Design bereits Toleranzen vorgesehen wurde. Dieses Problem hat auch die Gehäuse für unsere Antriebsmodule, sowie einige andere Gruppen des Seminars betroffen. Den Grund für die schlechte Qualität vermute ich in den Druckeinstellungen. Da wir die Teile jedoch in der Uni fertigen haben lassen, hatten wir keinen Einfluss darauf.

Ein weiteres Problem war der Zusammenhalt des Gehäuses der Tasterleiste. Die Front und die Rückseite sollten über einen Schnappmechanismus zusammen halten. Leider habe ich diesen zu klein dimensioniert, sodass mittlerweile drei der vier Nasen abgebrochen sind. Normalerweise hätte ich die Teile noch einmal designt und erneut gedruckt, leider mangelte es aber auch dafür an der Zeit. Stattdessen haben wir die Teile mit Metallklammern versehen und mit Klebeband fixiert - schön ist es nicht, aber es hält  ¯\_(ツ)_/¯

Die Tasterleiste von der Planung bis zum fertigen Objekt

Abschluss

Am Ende des Semesters galt es, die Module an unseren Demonstrator anzubauen und für die Abschlusspräsentation vorzubereiten. Die folgenden Bilder zeigen unseren finalen Zustand, welchen wir auch letztendlich präsentiert und verteidigt haben.

Der Demonstrator in der Gesamtansicht

Eines der drei Antriebsmodule im geschlossenen Gehäuse

Ein anderes der Antriebsmodule mit offenem Gehäuse.
Dieses wurde offen gelassen, um bei der Präsentation einen Einblick zu gewähren

Die Tasterleiste an der linken Seite des Demonstrators.

Mit dem Abschluss dieses Projekts sollte es mir nun auch wieder möglich sein, weiter an meinen privaten Projekten zu arbeiten. An einigen Dingen habe ich bereits gearbeitet, aber darüber werde ich in einem zukünftigen Blogeintrag schreiben.