Propelleruhr

Projekt Propelleruhr mit Mikrocontroller

erstellt von Mathias Meinke und Julian Pape

an den BbS Bremervörde im Dezember 2010

Unsere Uhr

Unsere Ergebnis:

Eine funktionierende Uhr!

Textfeld: Unser Ergebnis

Inhaltsverzeichnis

1 Unsere Vorstellungen

2 Planung

2.1 Der Schaltplan

2.2 Die Platine

2.3 Die Stückliste

3 Umsetzung und die Probleme

3.1 Es dreht sich

3.2 Spannungsversorgung

3.3 Software

3.4 Funktionstest

3.5 Stellen der Uhrzeit

4 Ergebnis und einige Tipps

5 Bilder vom Projekt

6 Quellenangabe

1 Unsere Vorstellungen

Wir sollten uns im Lernfeld 15 (Multimediale Consumergeräte einrichten) ein Projekt aussuchen, welches wir umsetzen möchten. Wir haben uns für die Mikrocontroller entschieden und mit dem "Lernpaket Mikrocontroller - Technik mit Bascom" ein super Einsteigerpaket gefunden und viel Erfahrungen gesammelt.

Aber die Menschheit will immer mehr. Nach ein paar Wochen haben wir uns ein neues Ziel gesetzt, wir wollten eine Propeller-Uhr! Bekannt aus vielen Internetvideos. Gesagt, getan ...

2 Planung

2.1 Der Schaltplan

Um Zeit zu sparen, haben wir uns im Internet auf die Suche nach einem fertigen Schaltplan gemacht. Nach etwas Recherchieren hatten wir den folgenden gefunden.

Da im Schaltplan SMD-Bauteile verwendet wurden, mussten wir den Schaltplan so anpassen, dass wir ohne SMD-Bauteile auskommen. Des Weiteren haben wir den Schaltplan und die Bauteile auf unsere Bedürfnisse angepasst und teilweise vereinfacht.

2.2 Die Platine

Die Platine dazu haben wir selber mit dem Programm Lochmaster entworfen. Alle Bauteile haben auf eine 50x160mm großen Lochrasterplatine Platz gefunden.

Platinenlayout mit Lochmaster

Das Programm Lochmaster hat die Möglichkeit Bauteile grafisch auf die Lochrasterplatine zu setzten und zu verbinden. Als "Abfallprodukt" wird gleich eine sehr hilfreiche Bauteile-Stückliste erstellt.

2.3 Die Stückliste

D1 Duo-LED 5mm

D2 Duo-LED 5mm

D3 Duo-LED 5mm

D4 Duo-LED 5mm

D5 Duo-LED 5mm

D6 Duo-LED 5mm

D7 Duo-LED 5mm

C1 Keramik RM2,5, 16pF

C2 Keramik RM2,5, 16pF

C3 Elko 4,5mm, 10 µF

C4 Elko 4,5mm, 0,1 µF

C5 Keramik RM2,5, 100nF

C6 Keramik RM2,5, 1nF

C7 Keramik RM2,5, 1nF

C8 Elko 4,5mm, 4,7 µF

- Stiftleiste, 2-polig

- Sockelleiste, 3-fach

- Sockelleiste, 2-fach

- Sockelleiste, 1-fach

R1 R1, 68R

R2 R2, 68R

R3 R3 1k, 1k

R4 R4 1k, 1k

R5 R5 1k, 1k

R6 R6 1k, 1k

R12 R12 10k, 10k

Q1 TO-92, BC337

Q2 TO-92, BC337

Q3 TO-92, BC337

Q4 TO-92, BC337

Q5 TO-92, BC337

Q6 TO-92, BC337

Q7 TO-92, BC337

Q8 TO-92, BC337

Q9 TO-92, BC337

Q11 TO-92, BC327

Q12 TO-92, BC327

IC1 DIL28, ATmega8

IC2 IR-Empfänger

IC3 TO-220, 7805

X1 Quarz, 16 MHz

BR1 Gleichrichter, B380C800DIP

3 Umsetzung

Nachdem die Platine auf dem Computer fertig war, haben wir uns an die Arbeit gemacht, die Teile zu bestellen und angefangen den Plan in die Realität umzusetzen.

Nach einiger Zeit war die Platine soweit fertig und wir hatten unser erstes Problem. Zum Testen musste sich die Platine drehen! Wie lässt man eine ca. 200g schwere Platine drehen. Und wichtiger wie befestigt man sie? Nach Berechnung der Fliehkräfte tritt an der Spitze immerhin das 250-fache der Fallbeschleunigung auf.

3.1 Es dreht sich

Nach einigen Versuchen mit verschiedenen Motoren, haben wir uns für einen 90x90mm großen PC-Lüfter entschieden. Diese Lüfter haben bei einer Betriebsspannung von 12 Volt, genügend Kraft um die Platine zügig in Rotation zu versetzen, der Propeller ist kugelgelagert und sie bieten genug Auflagefläche um die Platine zu befestigen. Erste Versuche mit Lüftern der Größe 80x80mm hatten nicht genügend Kraft und waren nicht kugel- gelagert. Als Befestigungsmittel haben wir uns für drei M3 Senkkopfschrauben, die im Rotorkopf versenkt wurden, entschieden. Somit hatten wir Schrauben auf dem Rotorkopf, mit denen es uns dann möglich war die Platine zu befestigen.

Rotor mit Schrumpfschaluch Der angeschraubte Läufer mit der Sekundärspule in Schrumpfschlauch

Da wir diese Art der Befestigung noch nicht bei der Planung berücksichtigt hatten, haben wir einen "Doppelten Boden" an die Platine gelötet und konnten daran alles verschrauben.

3.2 Spannungsversorgung

Die Spannungsversorgung hat uns gleich zum nächsten Problem geführt.

Wir brauchten "Wireless-Strom"!

Wir haben uns für eine Induktionsspannungsversorgung, also zwei Spulen, entschieden. Diese Lösung hatte Nachteile. Es ist eine Übertragung mit NF-Wechselspannung, ungünstigem Wirkungsgrad und unerwünschter Wärmeentwicklung. Der schlechte Wirkungsgrad ist auf die Bauform des Rotors zurück zu führen, da dieser einen geschlossenen Metallring um den Ferritkern hat.

Der Rotor angeschraubt mit drei M3 Senkkopfschrauben

Für die Stabilität, Laufeigenschaften und EMV im PC super aber nicht für uns. Dieser Metallring erzeugt, ähnlich wie beim Induktionsherd, eine relativ hohe Wärmeentwicklung. Diese war so groß, dass das Klebeband, mit dem wir den Draht der Spule befestigten, sich zusammenzog und somit nicht mehr hielt. Die Lösung war ein übergroßer Schrumpfschlauch, dem die Wärmeentwicklung bestens gefiel.

Zum anderen Nachteil mit der Wechselspannung haben wir ein Brückengleichrichter, ein 220µF Elko und ein Spannungs-IC auf die Platine gesetzt. Somit hatten wir bei der Eingangsspannung freie Auswahl bis 25V bei 1 Ampere und haben am Ende immer stabile 5V Ausgangsspannung.

Das ist aber erst der Anfang, also das Gleichrichten.

s muss aber erst eine Wechselspannung erzeugt werden. Für diesen Zweck haben wir wieder auf Lochraster einen zusätzlichen Spannungswandler entwickelt und aufgebaut, welcher uns eine Wechselspannung mit ca. 20kHz erzeugt.

Der Spannungswandler

Bei unserer Schaltung haben Versuche ergeben, dass die 20kHz den besten Wirkungsgrad hatten.

Zurzeit nutzen wir 12 V Betriebsspannung bei einer Gesamtstromaufnahme der Propellerplatine und des Motors von 0,81A.

3.3 Software

Aus Zeitgründen benutzten wir auch das fertige Programm zum Schaltplan. Leider passte unsere Hardware nicht hundertprozentig, weshalb wir das Programm an unsere Bedürfnisse anpassen mussten.

3.4 Funktionstest

Der erste Funktionstest zeigte, dass unsere Uhr starke Vibrationen erzeugte und somit konnten wir unsere 12V Betriebsspannung nicht erreichen. Ausbalancieren und Auswuchten waren angesagt.

Für das Ausbalancieren haben wir die Platine mit Hilfe eines Stativs, eines geraden Plastikrohrs, das auf der Motorwelle aufgeschoben wurde und mit ihr fluchtete und einem zentrisch angebrachten Bindfaden aufgehängt. Somit konnten wir sehen in welche Richtung die Platine kippt und mit etwas Lötzinn ausbalancieren.

Ausbalancieren mit koaxialer Anordnung von Glasrohr und zentrischem Faden

Für das Auswuchten hat Herr Scholle mit uns eine Vorrichtung entwickelt. Hauptbestandteile des Messstandes sind zwei Kohlemikrofone, zwei Oszilloskope, eine Lichtschranke und ein elastisch aufgehängter Lüftermotor worauf sich alles leicht bewegen konnte. Die Bewegung wurde durch angeklebte Strohhalme auf die Mikrofone übertragen, diese haben die mechanischen Auslenkungen in elektrische Spannungen umgesetzt. Aus der Amplitude war die Stärke der Unwucht erkennbar und aus der Phasenverschiebung zum Bezugssignal der Lichtschranke konnte auf die Lage der Unwucht geschlossen werden. Somit wurde die Unwucht des Propellers mess- und behebbar.

Die Unwucht wird sicht- und lokalisierbar

Der zweite Funktionstest mit laufender Software zeigte, dass der Quarz nicht mit der korrekten Taktfrequenz lief und somit die Ausgabe nicht lesbar war. Die Anpassung auf die richtige Taktfrequenz behob dieses Problem. Des Weiteren wurde die Anzeige spiegelverkehrt ausgegeben was durch die gegenläufige Drehrichtung unseres Motors im Vergleich zu unserem Vorbild verursacht wurde.

Im Programm mussten wir daher die Bitmuster der Zeichen "spiegeln" und die Reihenfolge der Zeichenausgabe umkehren. Eine Drehrichtungsumkehr war nicht möglich, da wir innerhalb des Antriebsmotors die Phasenfolge nicht verändern konnten.

3.5 Stellen der Uhrzeit

Zitat aus (http://home.foni.net/~akniesel/):

Die Uhrzeit wird über Infrarot im RC5-Code gestellt, den alle handelsüblichen Fernbedienungen unterstützen. Ich habe sie auf Pioneer eingestellt, und die Uhr reagiert nur auf den VCR-Modus. Der Stellvorgang wird mit der Kanal-nach-oben-Taste eingeleitet. Sofort reagiert die zu stellende Ziffer mit dem Wechsel ihrer Farbe. Somit sieht man immer auf einen Blick welche Ziffer nun gestellt wird. Die Uhrzeit wird dann über die Zahlentastatur eingegeben. Nach dem setzen der Uhrzeit geht es gleich zum Datum über. Den Stellvorgang kann man jederzeit mit der Stop-Taste abbrechen. Wenn man nur das Datum stellen will kann man das mit der Kanal-nach-unten-Taste beginnen.

Fehleingaben sind ausgeschlossen, man kann also keine Stunden größer als 23 oder Minuten größer als 59 eingeben.

4 Ergebnis

Das Ergebnis ist eine funktionierende Propeller-Uhr die allerdings ein wenig laut ist.

Zum Schutz und der Optik wegen haben wir noch ein Aluring um die Uhr gebaut und den Hintergrund schwarz lackiert.

Hurra, sie läuft!

Hier noch einige Tipps für potentielle Nachbauer:

Der von uns verwendete Mikrocontroller verweigerte gelegentlich das Umprogrammieren, obwohl wir keine Schutzbits gesetzt hatten, so dass wir einen neuen verwenden mussten.
Damit nicht zu große und schlecht zu korrigierende Unwuchten entstehen, sollte möglichst wenig Masse (Lötzinn, Drähte usw.) verwendet werden.
Ein möglichst symmetrischer Aufbau wäre auch gut.
Unbedingt sollte vor dem Bestücken die Befestigung der Platine am Motor geklärt sein.
Die Wechselrichterschaltung sollte immer mit mindestens 6 V eingeschaltet werden. Bei einer allmählichen Spannungserhöhung von Null auf z. B. 6 V schwingt sie manchmal nicht an und neigt zur Selbstzerstörung.

5 weitere Bilder vom Projekt

Mathias arbeitet am Fuß der Uhr