{"id":1,"date":"2020-11-24T12:15:00","date_gmt":"2020-11-24T11:15:00","guid":{"rendered":"http:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-do-wetterstation-471\/?p=1"},"modified":"2021-02-21T19:01:00","modified_gmt":"2021-02-21T18:01:00","slug":"kleine-wetterstation","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-mi-wetterstation-523\/2020\/11\/24\/kleine-wetterstation\/","title":{"rendered":"Projektorientiertes Praktikum"},"content":{"rendered":"\n

Kleine Wetterstation<\/h2>\n\n\n\n

Das Projektorientierte Praktikum (Projektlabor), kurz ProLab, bietet Studenten die M\u00f6glichkeit, ein eigenes, technisches Projekt auf die Beine zu stellen. ProLab ist somit f\u00fcr Studenten eine tolle Abwechslung zum theoretischen Studium. Nicht nur das Teamwork, sondern auch das selbst\u00e4ndige, verantwortungsvolle Arbeiten wird gef\u00f6rdert.
Wenn Du also erfahren m\u00f6chtest, was eine Gruppe von flei\u00dfigen Studenten im Laufe eines Semesters auf die Reihe bekommt, bist du hier genau richtig! <\/p>\n\n\n\n

In diesem Sinne hei\u00dfen wir Dich herzlich auf unserer Projektwebsite willkommen! Hier gew\u00e4hren wir Dir einen genauen Einblick in die Verwirklichung unseres Projekts.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

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Projektwahl<\/h2>\n\n\n\n

Zum Semesterbeginn stand zun\u00e4chst die Gruppenbildung und anschlie\u00dfend die Projektwahl an. Unsere Gruppe besteht aus vier Studenten und wie Du sicherlich schon erkannt hast, haben wir uns f\u00fcr die „Kleine Wetterstation“<\/strong> entschieden. Nachdem wir uns entschlossen hatten, begann auch schon die Planung des Projekts.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

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Planung <\/h2>\n\n\n\n

Welche Funktionen muss unsere Wetterstation haben und wie realisieren wir das? Wie realistisch sind die gesetzten Ziele? Diese Fragen stellten wir uns bei der Planung unseres Projekts. Nach etwas \u00dcberlegen und Ratschl\u00e4gen unseres Tutors, einigten wir uns auf die grundlegendsten Aspekte. Unsere Wetterstation sollte \u00fcber ein Thermometer mit zwei 7-Segment-Anzeigen und ein Barometer mit einer analogen Bargraph-Anzeige verf\u00fcgen. Als Herzst\u00fcck dient ein Mikrocontroller, der die Signale miteinander verkn\u00fcpft. Das folgende Blockschaltbild veranschaulicht den allgemeinen Aufbau. <\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 1: Blockschaltbild der Wetterstation<\/span><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Die LCD-Anzeige soll als eine Art Zusatzaufgabe betrachtet werden und steht vorerst nicht im Vordergrund.
Da der Aufbau grob festgelegt wurde, tauschten wir nun Gedanken \u00fcber die Aufgabenteilung und die Realisierung aus. <\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

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Realisierung (Theorie)<\/h2>\n\n\n\n

Nachdem die Aufgabenteilung festgelegt wurde, konnte sich jeder mit der Realisierung seines Parts auseinandersetzen. Nat\u00fcrlich musste zuerst die Theorie erarbeitet werden.<\/p>\n\n\n\n

Die Temperaturmessung<\/strong> soll analog erfolgen. Daf\u00fcr verwenden wir einen sogenannten Pt100. Hierbei handelt es sich um einen temperaturabh\u00e4ngigen Platin-Widerstand, der bei 0\u00b0C einen Betrag von 100 Ohm aufweist. Flie\u00dft ein konstanter Strom durch diesen Widerstand, \u00e4ndert sich der Spannungsabfall \u00fcber den Pt100 mit der Temperatur. Das Spannungssignal wird dann \u00fcber einen Instrumentenverst\u00e4rker, der das Signal verst\u00e4rkt, an den Mikrocontroller weitergeleitet. Am Mikrocontroller wird das analoge Ausgangssignal der Temperatur- messung \u00fcber einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU) digitalisiert. Somit kann die sp\u00e4tere Temperaturmessung in Echtzeit gemessen werden. <\/p>\n\n\n\n

Das digitalisierte Signal wird dann im Mikrocontroller verarbeitet und an zwei Schieberegister, die die zwei 7-Segment-Anzeigen<\/strong> ansteuern, \u00fcbertragen. Au\u00dferdem muss f\u00fcr den Mikrocontroller ein Code geschrieben werden, sodass bei verschiedenen Spannungssignalen der Temperaturmessung die zugeh\u00f6rigen Pins des Schieberegisters angesteuert werden und sich somit die richtige Temperatur anzeigen l\u00e4sst. <\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

Da die Realisierung eines Barometers zu kompliziert gewesen w\u00e4re, benutzen wir einen Drucksensor, der je nach herrschendem Druck ein Spannungssignal, \u00e4hnlich wie bei der Temperaturmessung, an den Mikrocontroller weiterleitet. Die Hauptaufgabe der Gruppe Barometer<\/strong> ist es, die Analog-Digital-Umsetzer (ADU) am Eingang des Mikrocontrollers zum Laufen zu bringen, damit sowohl Temperatursignal als auch Drucksignal digitalisiert werden k\u00f6nnen. Des Weiteren soll eine „Real-time clock“ (RTC) im Mikrocontroller implementiert werden. Die RTC erm\u00f6glicht einen Vergleich zwischen dem aktuellen und vorigen Spannungssignal. Dadurch l\u00e4sst sich eine Aussage \u00fcber eine Luftdruck\u00e4nderung treffen und auf der „m\u00f6glichen“ LCD-Anzeige angeben. Die Real-time clock wird auch f\u00fcr die Temperaturanzeige ben\u00f6tigt.<\/p>\n\n\n\n

Die analoge<\/strong> Barometeranzeige<\/strong> im Form eines LED-Bargraphs greift das Spannungssignal direkt vom Drucksensor ab (Abb. 1). Das Spannungssignal wird anschlie\u00dfend in einem „LM3914“ verarbeitet. Im LM3914 befinden sich zehn Komparatoren, die je nach Gr\u00f6\u00dfe des Eingangssignal, die LEDs ansteuern. Eine interne Referenzspannung wird \u00e4quivalent auf die zehn Ausg\u00e4nge aufgeteilt. Dies verursacht ein integrierter Spannungsteiler. Betr\u00e4gt nun die interne Referenzspannung bspw. 3 Volt, schaltet sich die erste LED bei 0,3 Volt, die zweite bei 0,6 Volt, usw. ein. Erreicht man den H\u00f6chstwert, leuchten alle LEDs. <\/p>\n\n\n\n

Nach gr\u00fcndlicher Recherche sollten auch schon die ersten Simulationen durchgef\u00fchrt werden. Wir verwenden dabei die Simulationssoftware „LTspice XVII“<\/em>. Dort k\u00f6nnen wir unsere geplanten Schaltungen testen (Abb. 2). Erst wenn die Simulation geeignete Ergebnisse liefert, kann mit dem praktischen Teil begonnen werden.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 2: Beispielhafte Schaltung in LTspice XVII <\/em>(Temperaturmessung)<\/span><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Der theoretische Teil der Realisierung w\u00e4re hiermit abgeschlossen. Kommen wir nun zur Praxis.<\/p>\n\n\n\n

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Realisierung (Praxis)<\/h2>\n\n\n\n

Zuallererst beschlie\u00dfen wir die H\u00f6he der Versorgungsspannung. Das Projekt verf\u00fcgt \u00fcber eine externe Quelle, die unsere Wetterstation versorgt. Die Spannung betr\u00e4gt 12 Volt<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

Alle Gruppen sollen erstmal unabh\u00e4ngig von den anderen Projektteilnehmern ihre Schaltung auf einem Steckbrett aufbauen, um die Funktionsweise im Realen zu pr\u00fcfen. Allerdings besch\u00e4ftigt sich die Barometer-Gruppe zun\u00e4chst mit dem Programmieren, da dies oberste Priorit\u00e4t hat. Ohne den ADU und der RTC w\u00fcrde das gesamte Projekt nicht funktionieren.
Die restlichen Teilnehmer testen die Schaltungen auf dem Steckbrett. Hierbei treten wenige Fehler auf, die grunds\u00e4tzlich durch die realen integrierten Schaltkreise (engl. integrated circuit<\/em>, kurz IC) verursacht wurden. Das Anpassen der Schaltung, durch z. Bsp. Austauschen von Widerst\u00e4nden, erm\u00f6glichte Messergebnisse, die im Gro\u00dfen und Ganzen mit der Simulation \u00fcbereinstimmen. <\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

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Abbildung 3: Test der Temperaturanzeige auf dem Steckbrett<\/span><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

In Abbildung 3 sieht man den gelungenen Versuch, eine zuf\u00e4llige Temperatur auf dem Steckbrett anzeigen zu lassen. Die dargestellte Temperatur wurde manuell am Computer eingestellt und entspricht keineswegs der realen Temperatur. <\/p>\n\n\n\n

Im Rahmen des Projektlabors bauen wir die Schaltungen auf Platinen auf und es werden alle Bestandteile des Projekts in bzw. an ein gemeinsames Geh\u00e4use befestigt. Aufgrund dieser Vorgaben resultierten Fragen wie: Welche Gr\u00f6\u00dfe muss unser Geh\u00e4use haben? Wie werden die einzelnen Platinen miteinander verbunden? <\/p>\n\n\n\n

Das Geh\u00e4use besteht aus Plastik und erinnert an eine Schachtel (siehe Abb. 4). Die Ma\u00dfe betragen: Breite 95 mm x<\/em> H\u00f6he 160 mm x <\/em>Tiefe 60 mm<\/strong>. Als Schnittstelle dient ein sogenannter „Bus“. Durch diesen k\u00f6nnen die Daten von Board zu Board geleitet werden.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 4: Geh\u00e4use mit Bus und eingesteckter Platine<\/span><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Abbildung 4 zeigt das verwendete Geh\u00e4use. Bei den schwarzen Anschl\u00fcssen handelt es sich um den erw\u00e4hnten Bus. Die Pins wurden an der Hinterseite verl\u00f6tet, sodass die jeweiligen Pins aller vier Busse die gleichen Signale ausgeben.
Wie schon oben genannt, werden die Schaltungen auf Platinen realisiert. Daf\u00fcr m\u00fcssen erstmal von jeder Gruppe Layouts entworfen werden. Wir verwenden daf\u00fcr das Programm „EAGLE“<\/em>. In folgender Darstellung befindet sich ein beispielhaftes Layout. <\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 5: Entwurf einer Platine in EAGLE<\/em><\/span><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

So sieht ein fertiger Entwurf eines Layouts aus. Vor dem Erstellen eines Layouts \u00fcbernimmt man die aufgebaute Schaltung in EAGLE und fertigt zun\u00e4chst ein „Schematic“ an. Falls keine groben Fehler vorliegen, kann das Layout ge\u00f6ffnet werden. Zuerst sind die verwendeten Bauteile durcheinander. Diese m\u00fcssen n\u00e4mlich selbstst\u00e4ndig auf die digitale Platine platziert werden. Die Leitungen der Komponenten, die in rot und blau zu sehen sind, werden entweder auf der Ober- (Top-Layer) oder Unterseite (Bottom-Layer) gelegt. Es sollte weitestgehend auf dem Bottom-Layer gearbeitet werden, da die Schaltung auf die Oberseite der Leiterplatte aufgebaut wird und somit von der Unterseite leichter angel\u00f6tet werden kann. Die Entw\u00fcrfe werden sp\u00e4ter an der Universit\u00e4t gedruckt. Nachdem wir die Platinen erhalten, steht als N\u00e4chstes das L\u00f6ten an. Als Vorlage und Hilfestellung n\u00fctzt nat\u00fcrlich das EAGLE-Layout. In der Bildergalerie (Abb. 6) sind alle gel\u00f6teten Platinen zu finden, wobei der Mikrocontroller vorgefertigt ist. <\/p>\n\n\n\n

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    Temperaturmessung<\/figcaption><\/figure><\/li>
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    Temperaturanzeige<\/figcaption><\/figure><\/li>
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    Platine funktioniert! <\/figcaption><\/figure><\/li>
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    Druckanzeige: Bargraph<\/figcaption><\/figure><\/li>
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    Druckanzeige: Bargraph<\/figcaption><\/figure><\/li>
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    Druckanzeige: LCD + Mikrocontroller<\/figcaption><\/figure><\/li>
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    Mikrocontroller<\/figcaption><\/figure><\/li><\/ul>
    Abbildung 6: Fotogalerie der fertigen Leiterplatten<\/span><\/figcaption><\/figure>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

    Wie beim Steckbrett werden die gedruckten Schaltungen auf m\u00f6gliche Fehler \u00fcberpr\u00fcft und in das Geh\u00e4use wie in Abb. 4 gesteckt. Die letzte H\u00fcrde besteht darin, die Messsignale \u00fcber den Mikroprozessor richtig zu kalibrieren, sodass richtige Temperatur- und Druckwerte in Echtzeit ausgegeben werden k\u00f6nnen. Am Ende noch den Deckel drauf und die Wetterstation ist fertig!<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

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    Abbildung 7: Kleine Wetterstation<\/span><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

    In Abbildung 7 ist die fertige „Kleine Wetterstation“ zu sehen. Oben befindet sich die LCD-Anzeige, die sowohl die aktuelle Temperatur als auch den aktuellen Druckwert ausgibt. In der Mitte ist der Bargraph, der die Druck\u00e4nderung anzeigt. Die haupts\u00e4chliche Temperaturanzeige (7-Segment) befindet sich unten. Das herausgef\u00fchrte Verl\u00e4ngerungskabel ist mit dem Pt100 verbunden und leitet die Temperatur\u00e4nderung an die Wetterstation weiter. Beim oberen, schwarzen Kabel handelt es sich um ein angeschlossenes Netzteil, das die Versorgungsspannung von 12 Volt liefert. <\/p>\n\n\n\n

    Hier endet auch schon unser Projekt „Kleine Wetterstation“. Es war eine tolle Erfahrung und wir konnten viel dazulernen. Wir hoffen, dass Dir die Vorstellung unserer Arbeit gefallen hat! <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Kleine Wetterstation Das Projektorientierte Praktikum (Projektlabor), kurz ProLab, bietet Studenten die M\u00f6glichkeit, ein eigenes, technisches Projekt auf die Beine zu stellen. ProLab ist somit f\u00fcr Studenten eine tolle Abwechslung zum theoretischen Studium. Nicht nur das Teamwork, sondern auch das selbst\u00e4ndige, verantwortungsvolle Arbeiten wird gef\u00f6rdert. Wenn Du also erfahren m\u00f6chtest, was eine Gruppe von flei\u00dfigen Studenten […]<\/p>\n","protected":false},"author":109,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"templates\/template-cover.php","format":"standard","meta":[],"categories":[1],"tags":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-mi-wetterstation-523\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1"}],"collection":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-mi-wetterstation-523\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-mi-wetterstation-523\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-mi-wetterstation-523\/wp-json\/wp\/v2\/users\/109"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-mi-wetterstation-523\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1"}],"version-history":[{"count":44,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-mi-wetterstation-523\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":82,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-mi-wetterstation-523\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1\/revisions\/82"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-mi-wetterstation-523\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-mi-wetterstation-523\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-mi-wetterstation-523\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}