Arduino-Lichtorgel - 2016.hems.de2016.hems.de/.../content_uploads/Projektbericht_Arduino_Lichtorgel.pdf · Arduino-Lichtorgel Projektbericht Autor: Julian Banz Klasse: Berufliches

Arduino-Lichtorgel Projektbericht

Autor: Julian Banz Klasse: Berufliches Gymnasium, 13d Elektrotechnik Fach: Technologie, Q3 Lehrer: Herr Bersch

2014

Julian Banz HEMS

23.12.2014

Technologie Q3

Projektbericht Arduino Lichtorgel

Datum: 23.12.14

Autor: Julian Banz Seite 2

Inhaltsverzeichnis:

Kapitel Thema Seitenzahl

1 Vorwort Seite 3

2 P Aufgabenstellung und Projekterklärung Seite 4

3 Vorgehen beim Aufbau Seite 5

3.1 Vorüberlegung Seite 5

3.2 Problemstellung Seite 8

3.3 Modifizierung der Taschenlampen Seite 9

3.3.1 Berechnung der Bauteile Seite 10

3.4 Aufbau Seite 12

4 Schaltung Seite 14

4.1 Vorverstärker Seite 16

4.2 3-fach Frequenzfilter Seite 17

4.2.1 Prinzip Seite 17

4.2.2 Tiefpass 2.Ordnung (inverter) Seite 18

4.2.3 Bandpass 2.Ordnung (inverter) Seite 19

4.2.4 Hochpass 2.Ordnung (inverter) Seite 20

4.2.5 Einweggleichrichter Seite 21

4.3 Endstufe Seite 22

5 Arduino Seite 23

5.1 Analoge Eingänge Seite 24

5.2 Digitale Verbindungen Seite 24

5.3 Pulsweitenmodulation Seite 25

6 Software Seite 25

7 Fazit Seite 27

8 Datenblätter Seite 28

8.1 Transistor 2N1613 Seite 28

8.2 Operationsverstärker TL071 Seite 30

9 Quellen Seite 33

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Datum: 23.12.14


Kapitel 1 Vorwort:

Der folgende Projektbericht dient zur Erläuterung meines Projektes, welches ich im Jahr

2014/15, beziehungsweise im Jahrgang Q3, bearbeiten musste. Diese Projektarbeit ist ein

wesentlicher Bestandteil des Technologie Unterrichts in Q3. 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.

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Kapitel 2 Aufgabenstellung und Projekterklärung:

Der Lehrplan für Technologie in Q3 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.

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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.

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Erster Entwurf der Schaltungen:

Mikrophon-Vorverstärker:

3-fach Frequenzfilter:

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Endstufe:

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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.

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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.

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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.

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Berechnung von :

= 15Ω

=>

Berechnung von :

=> praktisch liegt bei der max. Strom von 53mA an der Power-LED.

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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.

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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.

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Kapitel 4 Schaltung:

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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 150 - 1500.

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4.2 3-fach Frequenzfilter:

4.2.1 Prinzip:

Das Prinzip der Schaltung ist aus der Fachliteratur Trietze/Schenk

Halbleiterschaltungstechnik, 6. Auflage (s. Kapitel 9 Quellen).

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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.

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4.2.3 Bandpass 2.Ordnung (Inverter):

Resonanztreu:

Bandbreite:

Somit ergibt sich ein Bandpass, der von 450Hz bis 1150Hz durchlässig ist.

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4.2.4 Hochpass 2.Ordnung (inverter):

Grenzfrequenz:

(gilt für Hochpass 2. Ordnung)

Somit ist dieser Hochpass ab Frequenzen von 1800Hz durchlässig.

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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.

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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.

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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.

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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 Ein-

oder 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.

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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: 25.10.14 *

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()

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{

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);

}

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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.

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Datum: 23.12.14


Kapitel 8 Datenblätter:

8.1 Transistor 2N1613:

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Datum: 23.12.14


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8.2 Operationsverstärker TL071:

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Datum: 23.12.14


Kapitel 9 Quellen:

Simon Monk: "30 Arduino Selbstbau-Projekte" (Franzis-Verlag)

U. Tietze * Ch. Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik" (Springer-Verlag, 6. Auflage,

Seite 376-513)

"Arduino Projects Book" von Arduino.cc

"Elektrotechnik für berufsbildende Schulen" (Verlag Handwerk und Technik)

http://arduino.cc/en/pmwiki.php?n=Main/arduinoBoardUno

http://arduino.cc/en/pmwiki.php?n=Reference/AnalogWrite

Datenblätter:

- 2N1613: http://html.alldatasheet.com/html-

pdf/15063/PHILIPS/2N1613/995/4/2N1613.html

- TL071: http://www.alldatasheet.com/datasheet-

pdf/pdf/5779/MOTOROLA/TL071.html

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