Projektwoche-Dokumentaion V0

Projektwoche (Klausurarbeit) „Fenster- und Türsteuerungs-Modul“

Projektarbeit (Matura) 2006

Hausüberwachungs- und Steuerungsanlage:

(HUSA)

Fenster- und Türsteuerungs-Modul

Maturant: Platz Philipp

Klasse: 5.HIB

Betreuender Lehrer: Prof. DI. Roland Bobich

©2006 by Platz Philipp Seite 1Version 0.1 – Stand 12 April 2023


Inhaltsverzeichnis

1.Allgemeines1.1. Aufgabenstellung1.2. Beschreibung: HUSA1.3. Beschreibung: Fenster- und Türsteuerungs-Modul

1.3.1. Blockschaltbild1.4. Projektzeitplan

2. Beschreibung der Schnittstellen2.1. Schnittstelle MMI2 – Brandmodul

3. Schaltung 3.1. Beschreibung der Schaltungsfunktion3.2. Gesamtschaltung3.3. Teilschaltung: U-Regulator3.4. Teilschaltung: PIC-Schaltung3.5. Teilschaltung: Treiberstufe3.6. Teilschaltung: RS485-Converter3.7. Teilschaltung: RS485-Verbindung3.8. Teilschaltung: ICSP-Stecker3.9. Teilschaltung: Optokoppler-Schaltung3.10. Schaltungs-Layout

3.10.1. Layout 13.10.2. Layout 2

4. Software4.1. Allgemein4.2. Flussdiagramm

5. Konstruktionsunterlagen5.1. Stückliste5.2. Einkaufsliste5.3. Kostenvoranschlag5.4. Bestückungsplan

A. AnhangA1. ProjektablaufsverfolgungA2. Quellenangabe



1.Allgemeines

1.1. Aufgabenstellung

Thema: Erweiterung zum Unterrichtsprojekt „Hausüberwachungsanlage HUSA“

1. Die bestehende Hausüberwachungsanlage soll um das im Folgenden beschriebene HW-SW-Modul erweitert werden.

Fenster- und Türsteuerungs-Modul

Das Modul soll folgende Funktionen und Forderungen erfüllen: Entwicklung einer embedded Prozessorschaltung mit einem

geeigneten Prozessor aus der PIC-Familie Schnittstelle RS485 als Verbindung zu einer Zentrale 8 logische Ausgänge zur Ansteuerung von Fenster- bzw. Türen-

Motorsysteme, maximaler Strom von 150mA, galvanisch getrennt Annahme von Steuerbefehlen von RS485

Auszuarbeiten sind: Zeitplan für die Entwicklung Dokumente: Beschreibung Schaltplan, Schaltungsfunktion,

Simulationsergebnisse Schaltplan Layout der Printplatte Dokument: Testabläufe Flussdiagramm der embedded SW Konstruktionsunterlagen



1.2. Beschreibung: HUSA

Aufgabe während dieser Woche ist es, ein Modul für die Hausüberwachungs- und Steuerungsanlage (kurz genannt HUSA) zu entwickeln. Grundsätzlich besteht das System „HUSA“ aus vielen verschiedenen Sub-Modulen. Prinzipiell muss zwischen den einzelnen Überwachungs- und Steuerungseinheiten und einer zentralen Einheit unterschieden werden.Ein PC wird die zentralen Aufgaben übernehmen. Sie überwacht und steuert alle Überwachungs- und Steuerungseinheiten.

Meine Aufgabe ist es, ein Sub-Modul für das Gesamt-System zu entwickeln. Genauer gesagt soll eine Schaltung geplant und entworfen werden, welche für die Fenster- und Türsteuerung zuständig ist.Dieses Sub-Modul soll folgende Funktionen bzw. Forderungen erfüllen:

Verwendung eines geeigneten Prozessor aus der PIC-Familie) Schnittstelle zwischen dem Sub-Modul und einer Zentrale (PC)

(es muss der Schnittstellen-Standard RS485 verwendete werden) Sub-Modul soll 8 logische Ausgänge zur Ansteuerung von Fenster- bzw.

Türen-Motorsysteme besitzen; maximaler Ausgangsstrom von 150mA, galvanisch getrennt

Über die Schnittstelle RS485 sollen auch Steuerbefehle von der Zentrale angenommen werden



1.3. Beschreibung: Fenster- und Türsteuerungs-Modul

Das Fenster- und Türsteuerungs-Modul soll, wie der Name schon sagt, diverse Fenster und Türen, welche im System vorhanden sind, überwachen bzw. steuern. Es soll eruieren, ob eine Tür bzw. ein Fenster geöffnet ist. Wenn ja soll es, zum Beispiel wenn zu regnen beginnt oder Schlechtwetter aufzieht, geschlossen werden. Weiters könnte man bei Einbruch der Nacht alle Fenster und Türen schließen um einen Einbruch zu verhindern.Die diversen Aktionen werden von der Zentrale (PC) gesteuert. Das Fenster- und Türsteuerungs-Modul ist nur für die Steuerung der Motoren zuständig.

1.3.1. Blockschaltbild



1.4. Projektzeitplan

Ein Punkt der Aufgabenstellung war es auch, vor dem eigentlichen Projektbeginn einen Zeitplan zu erstellen. Dieser soll mittels des Programm MS Projekt erstellt werden. Es soll alle grundlegenden Aufgaben beinhalten und die verwendeten Ressourcen beinhalten. Wenn möglich sollen auch Abhängigkeiten eingefügt werden um somit die Zusammenhänge der einzelnen Arbeitschritte zu veranschaulichen.

Da die Einbettung des MS Projekt-Zeitplans nicht möglich war, kann ich nur auf die Datei verweisen.



3.Schaltung:

3.1 Beschreibungen der Schaltungsfunktion:

Meine Aufgabe war es ein Sub-Modul für die Hausüberwachungsanlage HUSA zu entwickeln. Laut der Aufgabenstellung sind diverse Funktionen und Forderungen zu erfüllen. Einige Punkte sind selbst ausgedacht um die Schaltung komfortabler bzw. übersichtlicher zu machen.

Forderungen: Entwicklung einer embedded Prozessorschaltung mit einem geeigneten

PIC-Typ. Verwendung eines geeigneten Quarzes Spannungsversorgung extern von 20V bis 9V Rote LED als Anzeige für Spannungsversorgung intern (5V) Printgröße soll maximal ein halbes Europakarten-Format sein

(50*80 mm) Schnittstelle RS485 als Verbindung zu einer Zentrale Annahme von Steuerbefehle von der Zentrale (PC) vom RS485-Bus 8 logische Ausgänge zur Ansteuerung von Fenster- bzw. Türen-

Motorsysteme, maximaler Strom soll maximal 150mA betragen, galvanisch getrennt

An den Schnittstellen nach außen (U-Versorgung, RS485) sind Überspannungsschutzmaßnahmen (ESD) und Filtermaßnahmen (CE) vorzusehen.

In diesem Dokument werde ich die Schaltungsfunktion genauer beschreiben. Dazu habe ich die Gesamtschaltung in mehrere Teilschaltungen unterteilt. Dies ist Möglich, weil die Teilschaltungen „relativ“ unabhängig voneinander arbeiten können. Weiters behält man leichter den Überblick und das Verständnis steigt, da es mehrere kleine Teilschaltungen sind als eine große komplexe Gesamtschaltung.



3.2 Gesamtschaltung:



3.3 Teilschaltung: U-Versorgung

Aufgabe dieser Teilschaltung ist es, die externe Spannungsversorgung welche zwischen 20V und 9V betragen kann, auf konstante 5V herunterzuregeln. Dies passiert mit einem Festspannungsregler. Diese werden durch eine nicht geregelte Eingangsspannung (Spannungsbereich z.B. 6V – 30V) gespeist. Der Regler liefert dann eine konstante Ausgangsspannung (z.B. 5V, 8V, usw.), je nach Beschaltung. Die meisten Festspannungsregler beinhalten auch eine Strombegrenzung zum Schutz der nachfolgenden Schaltung. Beim Entwurf der Schaltung muss beachtet werden, dass die minimale Eingangsspannung je nach Reglertyp etwa 0,5V bis 2V größer als die stabilisierte Ausgangsspannung sein muss. Ich verwende den Festspannungsregler 7805DT von Texas Instruments. Dieser gibt standardmäßig bei dieser Beschaltung eine Spannung von 5V aus. Der Festspannungsregler verträgt am Eingang kurzfristig bis zu maximal 35V. Auf der Eingangsseite befinden sich noch zwei Kondensatoren (Elkos). C5 (kann zwischen 50-300µF liegen) dient dazu, externe Spannungsschwankungen auszugleichen und somit Spannungseinbrüche zu verhindern. Dazu soll er auch noch eine Spannungsglättung bewirken. Der Kondensator (Elko) C1 wurde mit 1µF gewählt. Der Elko am Eingang soll Störspitzen und Oszillationsneigungen unterdrücken. C1 sollte stets so nahe wie möglich an die Anschlüsse des Spannungsreglers gelötet werden.Weiters befindet sich am Eingang noch eine Zener-Diode. Diese dient dazu, um Spannungsspitzen gegen GND abzuleiten und somit den 7805DT zu schützen. Falls die Zener-Diode nun doch einmal kaputt gehen sollte (entspricht dann einem Kurzschluss) und die komplette Spannung nicht am Festspannungsregler anliegt, wurde diese noch mit einem Widerstand danach abgesichert. Somit wurde auch der Überspannungsschutz noch abgesichert. Weiters hätte man noch eine Schmelzsicherung einbauen können. Davon habe



ich aber dann nicht Gebrauch gemacht, da es in der Verwendung umständlich ist die „geschmolzenen“ Sicherungen auszutauschen.Am Ausgang befinden sich wieder zwei Kondensatoren welche fast die gleiche Aufgabe haben, wie die an der Eingangsseite. C2 und C10 (beide 100nF) sollen Spannungsschwankungen verhindern und das Einschwingverhalten verbessern. Je höher der Wert von C2, umso geringer wird die Amplitude des Einschwingvorganges bei einer steilflankigen Eingangsspannungs- oder Laststromänderung. Fehlt dieser Kondensator ganz, ist die Regelschaltung überkristisch und neigt zum Oszillieren.Der Ausgangsstrom ist bei den verschiedenen Reglertypen sehr verschieden: Die Serie LM78XX, welche ich verwende, bietet Ausgangsströme von 0,1A bis 2A.Der verwendete 7805DT liefert bis zu 1,5A.Bei großen Strömen sollte man auch beachten, dass der Bauteil sich stark erwärmen kann. Daher sollte das Gehäuse mit Kühlköper betrieben werden. Einige Bauteile besitzen noch eine spezielle Funktion: Tritt im Bauteil Überhitzung auf, so wird automatisch eine Stromrückregelung ausgelöst. Eine LED inkl. Vorwiderstand befindet sich auch noch an der Ausgangsseite. Diese zeigt an, wenn die externe Spannung korrekt runter geregelt wurde und die darauf folgende Schaltung mit den erforderlichen 5V versorgt wird.



3.4 Teilschaltung: PIC-Schaltung (inkl. Quarz u. Reset-Schalter)

Hier sieht man nun das eigentliche Herzstück der Schaltung, den PIC. Der verwendete PIC stammt aus der PIC16787x-Serie von Microchip. Diese PIC-Familie ist die 2. Generation der Flash-PICs. Leistungsmäßig ist sie oberhalb der PIC16F84x-Serie angesiedelt. Diese PICs bieten mehr Pins und eine umfangreiche Hardware. Neben den PIC16F87x gibt es die neueren PIC16F87xA. Diese besitzen zusätzlich zwei Komparatoren. Außerdem wurde das Brennverfahren verändert und verbessert. Ich hab mich für den 16F876A entschieden. Erstens habe ich diesen auch schon bei vorherigen Projekten verwendet und der Umgang mit diesem Bauteil ist daher schon vertraut. Zweitens reicht die Funktionalität dieses PIC´s vollkommen aus um die Anforderungen zu erfüllen. Ein paar Grunddaten zum verwendeten PIC:Er besitzt einen großen Betriebsspannungsbereich (2V bis 5,5V). Weiters verbraucht er durch die verwendete CMOS-Technologie wenig Leistung (max. Verlustleistung 1W). Das Gehäuse besitzt 28 Pins und ist obwohl er sehr unfangreich ausgestattet ist eigentlich relativ kompakt. Ich hab mich für den SMD-Gehäuse-Typ SOIC mit 28 Pins entschieden. Durch die SMD-Bauweise wird das Layout kompakter und bekommt auch ein modernes Aussehen. Der 14-Bit-Kern-Controller besitzt einen Programmspeicher von 8192 Befehlen. Die RAM-Größe beträgt 368 Byte, die EPPROM-Größe 256 Byte.Es stehen für Ein- und Ausgaben insgesamt 22 Pins zur Verfügung. Weiters besitzt der 16F876A auch noch 3 Timer, fünf 10-Bit ADC-Inputs, zwei Komparatoren, zwei CCP-Module (Capture / Compare / PWM) und unterstützt jeweils USART (universelle Schnittstelle für asynchrone und synchrone



Datenübertragung) und I2C (serieller Zweidrahtbus). Die Programmierung des PIC´s ist auch über ICSP (In-Circuit Serial Programming) möglich. Dabei wird der PIC „beschrieben“, ohne das er ausgelötet werden muss bzw. vor dem Verlöten fertig programmiert sein muss. Für diesen Vorgang sind eigentlich nur zwei Pins notwendig, Pin 27 und 28.Da nicht alle I/O-Pins verwendet werden, können in späterer Folge auch noch Erweiterungen an der Schaltung vorgenommen werden.Zur Spannungsversorgung wird der PIC einfach mit den vorher heruntergeregelten 5V gespeist (Pin 20). Parallel dazu wird wieder ein Kondensator eingebaut, um Spannungsschwankungen entgegen zu wirken. Nicht vergessen darf man natürlich auch nicht die Verbindung gegen GND (Pin 8 und 9).Um den PIC in einen vordefinierten Zustand zu versetzen (Reset-Zustand), muss der PIN 1 (MCLR – Master Clear) mittels eines Schalters gegen Masse geschaltet werden können. Wenn nun der Schalter schließt und eine Verbindung gegen GND besteht, wird der PIC einem Reset ausgesetzt.Port A, auf welchen sich die logischen Ausgänge für die Fenster- und Türsteuerung befinden, sind mit den nachfolgenden Optokopplern, welcher für eine galvanische Trennung der beiden Stromkreise sorgen, verbunden (siehe Kapitel „logische Ausgänge). Über diese Ausgänge werden die Motoren, welche für das Öffnen und das Schließen der Fenster bzw. Türen notwendig sind, angesteuert.



3.5 Teilschaltung: Treiberstufe

Dieser Teil der Gesamtschaltung soll diverse Anzeigen ermöglichen. Dazu wurde der LED-Treiber ULN2003A verwendet. Diese Bausteine enthalten sieben (2003) bzw. acht (2803) Darlington - Leistungstreiber. Jeder Ausgang besitzt einen offenen Kollektor und alle Gatter können unabhängig voneinander betrieben werden. Die Eingänge sind für TTL bzw. CMOS - Signalpegel ausgelegt, wenn die Spannungsversorgung 5V beträgt. Die Ausgänge besitzen Schutzdioden gegen induktive Lasten. Sie können Spitzenströme bis 600 mA schalten. Es ist möglich, einzelne Treiber parallel zu betreiben, um so einen höheren Strom schalten zu können. Jedoch darf die Verlustleistung von 1,3W am Baustein nicht überschritten werden. Die ULN-Serie wurde vorzugsweise für Anzeige (LEDs usw.) und Gleichstrommotoren mit hohem Versorgungsstrom entwickelt. Der Eingang CD+ ist für Testzwecke da. Wird er auf GND gelegt, so führen alle Ausgänge, unabhängig von den Eingangssignalen das Bezugspotential (GND). Auf diese Weise ist es möglich, alle an den Ausgängen angeschlossenen LEDs einzuschalten, wenn diese am offenen Kollektor gegen Versorgungsspannung betrieben werden.Um bei Verwendung des ULN2003 den Layoutentwurf so leicht wie möglich zu machen, wurde beim inneren Aufbau darauf geachtet, das Input- und Outputpin gegenüberliegen. Dadurch wird das Signal nur „durchgeschleust“ und kommt genau gegenüber aus der Treiberstufe wieder hinaus.Auf der Input-Seite werden die einzelnen Signale angelegt. Bei dieser Schaltung wurden insgesamt 2 Signale verwendet. Nämlich die Leitungen, welche Schreib- und Lesezugriff des RS485-Busses anzeigen sollen. Auf der Ausgangsseite befinden sich an den zugehörigen Ausgangspins LEDs inklusive der dazugehörigen Vorwiderstände.Wenn nun ein Signal auf der Input-Seite daher kommt, zieht der ULN2003A den Output-Pin der dazugehörigen LED auf Masse. Nun fließt Strom von VDD in Richtung der Treiberstufe und die LED beginnt zu leuchten. Es muss aber bedacht werden, dass die Versorgungsspannung 5V beträgt. Daher muss für jede LED ein Vorwiderstand in die Schaltung eingefügt werden.



Grundsätzlich könnte man die LEDs direkt an den PIC anschließen. Das habe ich aber nicht gemacht, da der PIC sonst relativ viel Leistung verbraucht und somit der PIC nur unnötig belastet wird.

Kenndaten ULN2003ASpannung im Ausgang (max.) 50 VSpannung im Eingang (max.) 30 VDauerstrom im Kollektor 500 mASpitzstrom im Kollektor 600 mADauerstrom im Eingang 25 mAStrom im Eingang bei 5V 350 µAmax. Verlustleistung am Bauteil 1,3 W



3.6 Teilschaltung: RS485-Converter

Diese Schaltung ist für die Kommunikation über den RS485-Bus zuständig.Bei der RS485-Schnittstelle werden Informationen als symmetrisches Spannungssignal (min.1,5V, max. 5V) auf einem Bussystem mit bis zu 32 Teilnehmern und einer Datenrate bis 10 Mbit/s übertragen. Da mehrere Sender auf einer gemeinsamen Leitung arbeiten, muss durch ein Protokoll sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt maximal ein Datensender aktiv ist. Alle anderen Sender müssen sich zu dieser Zeit in hochohmigem Zustand befinden. Die Entfernung der Übertragung geht dabei bis zu 1200m. Ein RS485-Bus kann sowohl als 2-Draht- als auch als 4-Draht-System aufgebaut werden. Der Busanschluss geschieht über so genannte Transceiver (=Transmitter/Receiver), die im Halb-Duplex-Verfahren arbeiten. Ein typischer Transceiver für diese Anwendung ist der MAX485. Der Treiber (Transmitter) des Bausteins setzt TTL kompatible Signale in ein Spannungsdifferenzsignal auf den Busleitungen A und B um. Der ebenfalls im Chip enthaltene Empfänger (Receiver) wandelt in umgekehrter Richtung Spannungsdifferenzsignale zwischen D+ und D- in TTL-Logikpegel. Ob gesendet oder empfangen wird, lässt sich über die Steuerpins DE und RE bestimmen. Damit wird sichergestellt, dass immer nur ein Treiber zur selben Zeit auf den Bus sendet. Gegenüber anderen RS485-Transceivern ist der MAX485 besonders sparsam: der Eigenverbrauch beträgt nur 500µA. Von der Funktion her identisch ist der MAX481. Dieser lässt sich über die so genannte "shutdown"-Funktion abschalten, wobei der Versorgungsstrom dann nur noch 0,1µA(!) beträgt. Dies macht sich vor allem bei Anwendungen bemerkbar, bei denen nur zeitweise über den Bus kommuniziert wird.

Für meine Schaltung habe ich den MAX481-CPA von Maxim verwendet. Es handelt sich hierbei um einen Low-Power Half-Duplex Converter. Weiters besitzt der MAX481-CPA intern noch einen ESD-Schutz (bis zu 15kV). Um Spannungsschwankungen entgegen zu wirken, wurde ein Kondensator parallel dazu geschaltet.



3.7 Teilschaltung: RS485-Verbindung

Dieser Teil der Schaltung dient nur zur physischen Verbindung zwischen dem RS485-Converter und dem Ein- bzw. Ausgangsstecker der RS485-Verbindung.Beide Leitungen der Schnittstelle sind noch zusätzlich mit einer Zener-Diode und einem dazugehörigen Widerstand gegen Spannungsspitzen abgesichert.Der RS485-2-Draht-Bus besteht aus dem eigentlichen Buskabel mit einer max. Länge von 500m. Die Teilnehmer werden an dieses Kabel über eine max. 5 Meter lange Stichleitung angeschlossen. Der Vorteil der 2-Draht-Technik liegt im Wesentlichen in der Multimaster-Fähigkeit, wobei jeder Teilnehmer prinzipiell mit jedem anderen Teilnehmer Daten austauschen kann. Der 2-Draht-Bus ist grundsätzlich nur halbduplexfähig. D.h. da nur ein Übertragungsweg zur Verfügung steht, kann immer nur ein Teilnehmer Daten senden. Erst nach Beendigung der Sendung können z.B. Antworten anderer Teilnehmer erfolgen.Ein Abschluss des Kabels ist bei RS485-Verbindungen grundsätzlich erforderlich, um in den Zeiten, in denen kein Datensender aktiv ist, auf dem Bussystem den Ruhepegel zu erzwingen.Der Jumper dient zum Abschluss des RS485-Busses. Wenn das Sub-Modul das letzte in einem Bussystem ist, muss er also „abgeschlossen“ werden. Dies geschieht mit diesem Jumper, der beim Schließen einen Abschlusswiderstand von 120R „einfügt“.



3.8 Teilschaltung: ICSP-Stecker

Diese Teilschaltung besteht nur aus einem Stecker, der aber enorm wichtig ist. Nämlich der ICSP-Stecker. Das Prinzip des Brennens im separaten Brenner stößt spätestens bei PICs im SMD-Gehäuse an seine Grenzen. Hier gibt es nämlich keine geeigneten Schaltkreisfassungen. Der PIC müsste vor dem verlöten schon fix und fertig programmiert sein. Was meistens aber sehr umständlich und aufwendig ist. Dieser Stecker bietet eine Lösung (bzw. die ICSP-Technologie): das Brennen des PIC in seiner Anwendungsschaltung.

Auch wenn der PIC beim Brennenvorgang mit herkömmlichen Brennern mit allen Pins in der Fassung steckt, elektrisch sind mit dem Brenner nur 5 Pins verbunden. Das ist möglich, da der PIC mit Hilfe einer seriellen Datenübertragung programmiert wird - dem In Circuit Serial Programming (ICSP).

Folgende Leitungen sind erforderlich: Leitung für die +12V-Programmierspannung Leitung für die +5V-Betriebsspannung Masseleitung Datenleitung Taktleitung

Um in den Programmiermodus zu gelangen, wird zunächst die 5V-Betriebsspannung eingeschaltet und die PINS MCLR, RB6 und RB7 mit Masse verbunden. Dann wird MCLR schnell von Masse auf die Programmierspannung von 12 V gezogen. Dabei müssen RB6 und RB7 noch auf Masse gehalten werden. Danach kann der Brenner den PIC über die Pins RB6/RB7 auslesen und neu programmieren

An der ICPS-Buchse stehen also alle Signale zur Verfügung, um einen PIC zum Programmieren an den Brenner anzuschließen.



3.9 Teilschaltung: Optokoppler-Schaltung

Hauptaufgabe dieser Schaltung ist es, die 8 logischen Eingänge, welche für die Fenster- bzw. Tür-Steuerung zuständig sind, zu den Motoren weiter zu leiten. Die Signale die übertragen werden, steuern die Motoren und verursachen so das Schließen oder Öffnen von Türen und Fenster. Die Befehle fürs die diversen Aktionen bekommen die Motoren vom PIC. Diese wiederum erhalten alle Befehle über den RS485-Bus von der Zentrale. Unsere Schaltung ist legendlich für die Motorensteuerung zuständig. Laut Aufgabenstellung sollen die 8 logischen Ausgänge des PIC´s galvanisch getrennt von den Motoren sein. Unter galvanische Trennung versteht man, wenn es für Ladungsträger keinen Weg gibt, aus einem Stromkreis in einen anderen (unmittelbar benachbarten) zu fließen.Hierfür gibt es mehrere Möglichkeiten. Der Informationsaustausch zwischen galvanisch getrennten Stromkreisen ist durch nicht-elektrische Übertragungsstrecken, zum Beispiel in Optokoppler (optisch) oder Transformatoren (induktiv) oder Kondensator (kapazitativ) möglich. Da es sich nur um Steuerleitungen handelt, bei denen der Strom nicht wirklich ausschlaggebend ist, hab ich mich für Optokoppler entschieden. Der Optokoppler ist ein opto-elektronisches Verbund-Bauelement, welches aus einem lichtemittierendem und einem lichtempfangendem Bauelement besteht. Zweck ist die Übertragung eines elektrischen Signals bei gleichzeitiger galvanischer Trennung (elektrischer Isolierung) der Ein- und Ausgangsstromkreise. Üblicherweise besteht ein Optokoppler aus einer Leuchtdiode (LED) als Sender und einer Fotodiode, einem Fototransistor oder einem Fotothyristor als Empfänger. Das Licht gelangt über einen lichtleitenden Isolator, wie z.B. Glas zum Empfängerelement. Diese Anordnung wird gegen äußere Lichtstrahlung geschützt in einem Gehäuse zusammengefasst. Der



Sender besteht im Allgemeinen aus einer Gallium-Arsenid-LED, deren Wellenlänge besonders gut zur spektralen Empfindlichkeit des Silizium-Empfängerbausteins passt. Mit Optokopplern können sowohl binäre als auch analoge Signale übertragen werden. Vorteile von Optokopplern sind die kleine Abmessungen. Weiters können sie, wie schon erwähnt, binäre und analoge Signale übertragen. Sie besitzen eine sehr geringe Koppelkapazitäten zwischen Ein-und Ausgang und keine Induktivitäten. Im Vergleich zu (ebenfalls galvanisch trennenden) Relais haben sich auch eine sehr geringe Anstiegs- und Abfallzeiten des Ausgangssignals.Ein paar Nachteile darf man aber nicht vergessen. Restspannungen am Ausgang, geringer Eingangswiderstand, geringe Ausgangsströme, geringe Sperrspannung der Sendediode. Trotzdem sind Optokoppler sehr verbreitet.In meiner Schaltung wurde der TIL193B von Texas Instruments verwendet.Er beinhaltet insgesamt 4 Kanäle, womit logischerweise 4 Steuerleitungen übertragen werden können. Auf der Eingangsseite des Optokopplers befindet sich eine Gallium-Arsenid-LED, auf der Ausgangsseite ein Fototransistor. Die Isolationsspannung (jener Spannungsunterschied, zwischen Ausgangs- Eingangsseite) beträgt beim TIL193B ± 3,535 kV Spitzenwert und ± 2,5 kV Effektivwert. Diese Spannung ist abhängig von Abstand und Anordnung von Sender und Empfänger und dem Isolationswerkstoff.Das Gleichstrom-Übertragungsverhältnis CTR (gibt das Verhältnis zwischen Eingangs-und Ausgangsstrom bei Gleichstromsignalen oder niedrigen Signalfrequenzen an) beträgt beim TIL193 mindestens 20%. Ich hab mich aber für den Typ TIL193B, welcher laut Datenblatt einen CTR von 100% besitzt.Nach den Optokopplern ist es wichtig, das man die Masseanschlüsse nicht mit der Masse vor den Optokopplern verbindet, sonst hat die ganze galvanische Trennung keinen Sinn, da dann wieder beide Schaltungsteile das gleiche Massepotential besitzen.Nun kann das Signal über die Steckverbindung zu den Motoren, welche für die Tür- und Fenstersteuerung zuständig sind, übertragen werden.



3.10 Schaltungs-Layout

Ich hab 2 unterschiedliche Layouts entworfen. Vor- und Nachteile der einzelnen Layouts werden später noch erklärt.

3.10.1. Layout 1

Top-Layer:

Bottom-Layer:



Dieser Entwurf war mein erster. Grundsätzlich ist alles in Ordnung, nur die unterschiedlichen Massepotentiale (nach und vor den Optokopplern) könnte besser getrennt werden. Es besteht zwar keine Verbindung zwischen diesen zwei Stromkreisen. Das Massepotential nach dem Optokoppler liegt an einem Pin der nachfolgenden Steckverbindung SV2.

3.10.2. Layout 2

Top-Layer:

Bottom-Layer



Bei diesem Layout wurde die Schaltung nach den Optokopplern komplett von der übrigen Schaltung getrennt. Sie besitzt eine eigene Massefläche. Damit ist eine 100%ige Potentialtrennung gewährleistet. Durch die Trennung ist die Platine zwar ein wenig größer als das Layout 1.

Grundsätzlich hab ich versucht das die Layouts auf einen Layer zu beschränken. Nach den ersten Versuchen, kam ich aber zu der Erkenntnis, dass das ziemlich schwer und aufwendig wäre. Weiters habe ich fast ausschließlich nur SMD-Bauteile verwendet, welche die Layoutentwicklung nochmals ein wenig erschwert, da diverse Leiterbahnen nicht zwischen den Lötpads der Bauteile passen. Die Größe der Printplatte verringert sich zwar grundlegend, aber der Entwurf wird um einiges aufwendiger.Daher hab ich das Layout nochmals überarbeitet und ein Doppel-Layer-Layout entwickelt.



4. Software

4.1. Allgemeines

4.2 Quellcodes



5. Konstruktionsunterlagen

Unter Konstruktionsunterlagen versteht man jene Informationen die für die Fertigung einer Schaltung bzw. für die Realisierung eines Projekts notwendig sind, oder die Herstellung vereinfachen. Diese Unterlagen werden dann an die Fertigungsabteilung übergeben, damit jene Person, die die Schaltung fertig stellt, der Zusammenbau bzw. der Aufbau leichter fällt.Folgende Dokumente versteht man unter Konstruktionsunterlagen:

Stückliste (Auflistung aller Bauteile mit fortlaufender Nummer, Bezeichnung und Wert)

Einkaufliste(Auflistung aller Bauteile mit Preis und Beschaffungsort)

Kostenvoranschlag(Auflistung aller Kostenpunkte, die während der Entwicklung des Projekt anfallen – daraus berechnet sich dann auch der Einzelpreis der jeweiligen Schaltung)

Bestückungsplan(Abbildung des Layouts, ohne jegliche Leiterbahnen und Masseflächen – es ist nur der Ort, an dem die einzelnen Bauteile eingelötet werden, ersichtlich)

Mittels diesen Unterlagen sollte die Fertigung kann weiters Problem sein.



5.1. Stückliste

In der Stückliste sind alle Bauteile der Schaltung, mit fortlaufender Nummer aufgelistet. Zusätzlich kann aus der Liste auch der Name der Bauteile, welchen sie in der Schaltung besitzen, erkannt werden. Genauere Beschreibung bzw. die Größe des Elements ist auch aufgelistet.



5.2. Einkaufliste

Diese Liste ist, wie der Name schon sagt, für den Einkauf der Bauteile gedacht.Anhand dieser werden die Bauteile besorgt. Sie beinhaltet den Händler (inklusive der Bestell-Nummern), bei dem die Bauteile erhältlich sind. Preise der einzelnen Elemente ist auch enthalten. Am Schluss der Liste ist dann auch noch der Gesamtpreis aller verwendeten Bauteile ersichtlich.Ich hab versucht, alle Teile bei einem Händler zu bekommen. Damit erspart man sich das umständliche Einkaufen bei mehreren. Beim Elektronik-Händler Farnell sind alle Bauteile lagernd und lieferbar. (www.farnell.com).

EinkauflisteBezeichnung Größe Händler Best.-Nr. Anzahl Einzelpreis Gesamtpreis

Elko 100nF Farnell 3477496 1 € 0,350 € 0,350Kondensator 100nF Farnell 7569564 3 € 0,090 € 0,270Kondensator 15-33pF Farnell 7568592 2 € 0,270 € 0,540Elko 0,33µF Farnell 556294 2 € 0,350 € 0,700Stecker Phoenix-Stecker (2polig) Farnell 3040999 3 € 0,900 € 2,700Zener-Diode BZX284-C30 Farnell 1081387 1 € 0,180 € 0,180Zener-Diode BZX284-C20 Farnell 1081383 2 € 0,120 € 0,240µController 16F876A Farnell 9761322 1 € 13,300 € 13,300Treiberstufe ULN2003AD Farnell 597132 1 € 0,970 € 0,970RS485-Transceiver MAX481-CSA Farnell 9387102 1 € 3,120 € 3,120Jumper ---------------------------------------- Farnell 3218454 1 € 0,230 € 0,230SMD-LED LSR976 (rot) Farnell 142505 2 € 0,450 € 0,900SMD-LED LYR976 (gelb) Farnell 142529 1 € 0,450 € 0,450Optokoppler TIL193B Farnell 623970 2 € 3,050 € 6,100Quarz HC-49/UP (20 MHz) Farnell 9713352 1 € 0,800 € 0,800SMD-Widerstand 47kΩ Farnell 9241043 3 € 0,045 € 0,135SMD-Widerstand 560R Farnell 9236805 4 € 0,105 € 0,420SMD-Widerstand 1MΩ Farnell 9241124 1 € 0,045 € 0,045SMD-Widerstand 10kΩ Farnell 9241000 1 € 0,045 € 0,045SMD-Widerstand 480R Farnell 9240926 7 € 0,045 € 0,315SMD-Widerstand 100R Farnell 9240888 1 € 0,045 € 0,045R-Netzwerk 1kΩ Farnell 106180 2 € 0,870 € 1,740Reset-Schalter DT6 Farnell 151141 1 € 1,000 € 1,000Steckverbindung Harting-Stecker (10polig) Farnell 1106784 2 € 0,990 € 1,980U-Regulator 7805DT Farnell 1087157 1 € 1,510 € 1,510

SUMME € 38,085


http://www.farnell.com/


5.3. Kostenvoranschlag

In diesem Kapitel werden nicht nur die Bauteilkosten berücksichtig, sonder auch die diversen Kosten, welche während der Entwicklung anfallen, wie zum Beispiel Arbeitsaufwand (Stundenlohn,…). Weiters werden auch die Kosten, die bei der Fertigung anfallen aufgelistet. Der Kostenvoranschlag beinhaltet auch den Aufbau eines Prototyps. Die Summe, die am Schluss gesamt rauskommt, wäre der Preis, den ein Dritter zahlen müsste, wenn er das Projekt kaufen würde.

Notwendige Einkäufe

Bauteil-Einkauf (Prototyp) 38,09

Fertigung

Externes Ätzen der Platine (www.pcb-pool.com) - Prototyp 49,00

Verwendete Geräte

1 PCs, lediglich Betriebskosten (Stromkosten) 2,40

Arbeitskosten

1 Personen, 35 Arbeitsstunden zu je € 10,- 350,00

Summe

SUMME (gerundet)

439,49

440,-

Erläuterung der Kosten:Die Bauteilkosten sind aus der Einkaufliste übernommen (genau Auflistung siehe 5.2.). Das Ätzen einer Platine (Prototyp) wird extern vorgenommen. Nach kurzer Suche stieß ich auf den Anbieter PCB-Pool. Die kleinste Einheit die bestellt werden kann, ist eine Europakarte (100mm x 160mm). 1 dm2 fertige doppelseitige Leiterplatte kostet in bei einer Auslieferung in 5 Tagen € 61,25.Bei einer Lieferung in 8 AT sinkt der Grundpreisfaktor auf 0,5. 8 Tage sind eine annehmlich Zeit, und der Preis verringert sich auch erheblich.100mm x 160mm = 1,6 dm2

1,6 dm2 x 61,25 EUR/dm2 = 98.00 EUR98.00 EUR x 0,5 = 49,00 EUREs entsteht schlussendlich ein Preis von 49 EUR.


http://www.pcb-pool.com/


Da beider meiner Layouts ungefähr eine ¼ Europa-Karte groß sind, werden beim Ätzen gleich 4 dieser Platinen gefertigt. Somit bekommt man statt einem Prototyp vier. Der Preis bleibt aber gleich.

In diesem Preis ist nun folgendes inkludiert: 1 Europakarte (100m x 160mm)

o Doppelseitigo Durchkontaktierto Partiell verzinnt (HAL bleifrei)

Einrichtung Photoplot

Von einer Anschaffung eines PC wird nicht ausgegangen, da die Entwicklung des Projekts auf fast jeden Rechner vorgenommen werden kann. Die Programme die dafür notwendig sind (Eagle, MS Office-Paket,…), sind auch nicht in die Kosten inkludiert. Er werden also legendlich die Stromkosten berechnet.Die Arbeitkosten (darunter versteh ich den Lohn) beziehen sich auf die komplette Entwicklungszeit (35 Std.). Es wird ein Stundenlohn von €10 angenommen (durchschnittliches HTL-Absolvent-Gehalt).

Die Gesamtkosten der Entwicklung belaufen sich auf 440 EUR.Diese Kosten würden bei einem Weiterverkauf des Projekts anfallen.



5.4. Bestückungsplan

Der Bestückungsplan ist für das Verlöten der Bauteile hilfreich. Auf diesem Plan ist der genau Ort eines jeden einzelnen Bauteils sichtbar. Die Bezeichnung der Elemente auf dem Bestückungsplan entspricht dem der Stücklist. Somit sind Verwechslungen ausgeschlossen.

Layout 1:

Layout 2:



A. Anhang

A1. Projektablaufsverfolgung

08.Mai 2006 – 12.Mai 2006

h Tag TätigkeitAbgegebenes Ergebnis

308.05.06

(14 – 17 Uhr)

409.05.06

(8 – 12 Uhr)

409.05.06

(13 – 17 Uhr)

410.05.06

(8 – 12 Uhr)

410.05.06

(13 – 17 Uhr)

411.05.06

(8 – 12 Uhr)

411.05.06

(13 – 17 Uhr)

412.05.06

(8 – 12 Uhr)

412.05.06

(13 – 17 Uhr

35 Projekt-Ende


Documents

Projektwoche-Dokumentaion V0