Nachdem ich bereits diverse Elektronikprojekte umgesetzt hatte, entstand im Jahr 2018 die Idee ein wenig mehr mit Sensoren zu experimentieren. Da der Bau meiner Innenraumtemperatursensoren* nun schon einige Jahre her war und ich zwischenzeitlich immer mal wieder Temperatursensoren in anderen Projekten eingesetzt hatte, dachte ich mir das es diesmal ruhig ein wenig mehr als nur eine Temperaturmessung sein darf. Damit war die Idee der DIY-Wetterstation geboren, welche ich hier kurz vorstellen möchte.
Leider habe ich das Layout der Platine und die Verkabelung der Sensoren damals „on the fly“ erstellt und nicht dokumentiert, weshalb ich leider keinen detaillierten Schaltplan liefern kann. Da die Pin-Belegung der Sensoren aber nicht sonderlich kompliziert ist, denke ich das es kein Problem sein sollte, die Wetterstation auch ohne einen Schaltplan komplett, oder auch nur teilweise nachzubauen. Falls dennoch jemand Unterstützung benötigen sollte, dann kann er sich gern per Mail unter info@langer-sebastian.de an mich wenden.
Während der Entwicklung der SLSS CANAnalyser* CAN-Bus Software benötigte ich mehrere Arduino Uno R3* Micro-Controller Boards inkl. angeschlossener MCP2515 CAN Bus Shields*, um die Kommunikationschnittstelle mit dem Computer entwickeln, testen und debuggen zu können. Da jedes der CAN-Boards bereits 7 JumperWires* für den Anschluss an den Arduino benötigt und die beiden CAN-Verbindungsleitungen zwischen den Controllern auch noch dazugekommen sind, sah es auf meinem Basteltisch ziemlich „chaotisch“ aus und das obwohl ich nicht wirklich viel mit den Boards machte (ich arbeitete ja an der Software). Noch schlimmer wurde es, als ich den Aufbau, um für ein anderes Projekt platz zu haben, auf die Seite räumen musste. Dabei lösten sich zum Teil die Anschlussleitungen am CAN-Board, am Arduino oder gleich auf beiden Seiten und ich musste diese jedes Mal neu verbinden, was dann auf Dauer doch etwas nervig war.
Aus diesem Grund entschloss ich mich dazu ein Halterung zu konstruieren, welche das CAN Board mit dem Arduino verbindet, die Kabel etwas in Zaum hält und mir trotzdem noch die Möglichkeit bietet die übrigen Ein- und Ausgänge des Arduino-Boards frei zu konfigurieren. Jetzt hätte ich zu diesem Zweck natürlich eine Platine bauen können, welche das CAN-Board aufnimmt und auf den Arduino Uno* aufgesteckt wird. Dies habe ich in der Vergangenheit schon des Öfteren gemacht und das hat auch immer super funktioniert. In diesem Fall wäre es jedoch zum aktuellen Zeitpunkt unnötig gewesen, da ich sowieso die Idee habe für die CAN-Software ein passendes Hardware-Layout zu erstellen. Diesen Schritt möchte ich mir allerdings für die fertige Software aufheben, da ich dann genau weiß, was ich wie und wo umsetzen möchte. Um nun doch ein wenig Ordnung in meinen Versuchsaufbau zu bekommen und die Boards auch „mobil“ nutzen zu können, habe ich mich also für das Erstellen einer Halterung für den 3D-Drucker entschieden.
Da ich in der Vergangenheit sowohl beruflich, als auch in meiner Freizeit immer wieder mit CAN-Bus Systemen und den darüber versendeten Botschaften in Kontakt gekommen bin, entstand irgendwann der Wunsch / Bedarf nach einer Software, mit dessen Hilfe ich mir das Handling und den Umgang mit den Bus-Daten erleichtern kann. Bis dato habe ich CAN-Botschaften entweder im Terminal, später mit einem Pythonprogramm auf einer Raspberry Pi*, wie ich sie zum Beispiel als zentrales Gateway bei meinem SLSS CarNet* Projekt verwende, oder mittels der seriellen Ausgabe eines Arduino* Micro-Controller Boards, angezeigt und mitgeloggt. Die Auswertung der Daten erfolgte dann immer im Nachgang anhand der gemachten Aufzeichnung, oder durch das physische Überprüfen der Reaktionen, welche durch das Senden von bestimmten Botschaften ausgelöst werden sollten. Dies ist auf Dauer natürlich nur wenig komfortabel.
Für die professionelle Bearbeitung von CAN-Bus Daten gibt es natürlich auch professionelle Tools, welche alle gewünschten Funktionen unterstützen und mit verschiedenen, teilweise sogar hardwareseitig implementierten Methoden, sicherstellen, dass jedes Datenpaket welches über den CAN-Bus übertragen wird auch erkannt und mitgeloggt wird. Diese Tools kommen meist in den Entwicklungsabteilungen für Kraftfahrzeuge, Nutzfahrzeuge, Schiffe und auch anderen Maschinen zur grundlegenden Auslegung und Entwicklung des CAN-Bus zum Einsatz und werden ständig weiterentwickelt, geupdatet und verbessert. Da dieser Vorgang für die entwickelnden Firmen recht zeit- und kostenintensiv ist, werden diese Programme leider meist als zeitlich begrenzte Lizenzversionen verkauft und benötigen nicht selten herstellerspezifische Hardware, welche ebenfalls nicht ganz billig ist. Diese tollen und sehr nützlichen Tools sind damit leider für den Hobbybereich oder den sporadischen Einsatz einfach zu teuer.
Meine Leidenschaft für die „Bastelei“ mit Micro-Controllern hat mittlerweile auch in meiner beruflichen Tätigkeit als Prüfstandstechniker Einzug gehalten. So ist innerhalb der letzten Jahre das eine oder andere „Helferlein“ für die Erleichterung unserer täglichen Arbeit und das Meistern von speziellen Mess- und Prüfaufgaben entstanden. Der Anstoß für die Entwicklung eines neuen Gerätes war dabei meist der einfache Fakt, dass für die Umsetzung der benötigten Messungen keine Hardware verfügbar, oder die verfügbare Hardware für die Aufgabe nicht genau passend war. Da dieser Umstand beim Testen von Einzelkomponenten oder Teilgruppen relativ häufig vorkommt, fand ich immer wieder neue Herausforderungen und konnte somit auch Dinge realisieren, welche ich so in dieser Art vorher noch nicht umgesetzt hatte. So war zum Beispiel meine erste CAN-Bus Anwendung eines dieser Bastelprojekte.
Ein weiterer großer Vorteil dieser „Eigenanfertigungen“ ist, dass ich die zum Betrieb benötigten Ein- und Ausgaben direkt an die von unseren Prüfständen zur Verfügung gestellten Eingangs- und Ausgangsschnittstellen anpassen kann. So wurde bei den meisten meiner „schwarzen Kästchen“ die Steuerung per analogem Eingangssignal im Bereich von 0V – 10V realisiert, während die Rückgabe der Einstell- und Messwerte meist per CAN-Bus erfolgte. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass der Treiber des verwendeten Messsystems nur auf dem CAN-Eingang des Prüfstandes lesen, aber nicht senden kann.
In der Vergangenheit gab es immer wieder die Anforderung Magnetventile, Motoren oder andere elektrische Komponenten mit einer vorzugebenden Frequenz – Tastverhältniseinstellung, also per Pulsweitenmodulation* / PWM* (https://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/0401111.htm), betreiben zu können.
Da die Digitalausgänge unser Prüfstandshardware keine hohen Schaltströme zulassen, wurde für die Ansteuerung von elektrischen Bauteilen meist eine Kombination aus vorgeschaltetem Reed-Relais und nachgeschalteten Kfz-Last-Relais verwendet. Leider ließen sich mit dieser Kombination keine hohen Schaltfrequenzen realisieren (max. ca. 30Hz bis 50Hz), was dazu führte, dass für Schaltanforderungen mit höheren Frequenzen meist Fahrzeugsteuergeräte und Kabelbäume aufgebaut, und die Ansteuerung kompliziert über deren Software realisiert werden musste.
Meine erste Idee war, den Relaisverbund durch ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor* (kurz: MOSFET) zu ersetzen, womit sich die Schaltfrequenz um ein vielfaches erhöhen lässt und einer direkten Ansteuerung nichts mehr im Weg steht. Da ich bereits für andere Schaltaufgaben MOSFETs verwendet hatte, passte ich eine dieser Schaltungen an die neuen Anforderungen an. Als wir diese Schaltung am Prüfstand testeten, stellten wir jedoch fest, dass mit den digitalen Ausgängen der Messkarten keine stabilen Frequenzsignale erzeugt werden konnten. Hierbei liegt das Problem jedoch weniger an der Hardware selbst, sondern eher an dem in der Prüfsoftware eingestellten Software-Takt, welcher bei höherer CPU-Auslastung ab und an ins Stocken geriet. Dies war bei der Ansteuerung eines Magnetventils hörbar und auch in den aufgezeichneten Messdaten sichtbar.
Da man hiermit keine vernünftigen Messergebnisse erzeugen konnte, kam ich auf die Idee, die Ansteuerung von Frequenz und Tastverhältnis über einen Micro-Controller zu realisieren. Dieser sollte auf Grund seiner internen Timer und der hardwarenahen Programmierung problemlos ein stabiles PWM-Signal erzeugen können.
Das man mit einem 3D Drucker mehr anfangen kann, als nur Gehäuse und Funktionsteile zu drucken, ist glaube ich landläufig bekannt. Durch die großen Online-Sammlungen an 3D Objekten hat man auf der einen Seite die Möglichkeit von Fahrzeugen über Häuser, Boote, Flugzeuge bis hin zu Einrichtungsgegenständen für Puppenhäuser, verschiedenste Objekte drucken zu können, ohne selbst das 3 Modell erstellen zu müssen. Auf der anderen Seite kann man natürlich auch noch nicht verfügbare Gegenstände per CAD-Software verkleinern und so ein maßstabsgetreues Abbild der realen Welt schaffen.
Da unser leitender Prüffeldmeister Ende Mai 2019 in seinen verdienten Ruhestand gegangen ist, wollten wir ihm zum Abschied ein Geschenk machen, welches ihn an seine Arbeit erinnert und seinen langjährigen Leistungen würdig ist. Da er am Entwurf und der Entwicklung eines unserer Prüfstände maßgeblich beteiligt war, hatten wir die Idee diesen Prüfstand* (https://patents.google.com/patent/DE102007057052B4) mit allem was dazu gehört nachzubauen. Eine Aufgabe, welche mir ca. 500 Stunden Arbeitszeit und einige graue Haare beschert hat.
Nachdem ich meine DIY-Hausautomatisierung* um viele Softwarefunktionen erweitert hatte und der Umstieg auf die Raspberry Pi* mich neugierig auf die Welt der Elektronikbasteleien gemacht hat, empfahl mir ein guter – ebenfalls technikaffiner – Freund, doch mal einen Blick auf das Micro-Controller-Board namens Arduino* zu werfen. Zu diesem Zeitpunkt hatte ich auf Grund meiner Ausbildung zwar bereits ein Grundverständnis von Elektrik und Elektronik, doch Micro-Controller waren komplettes Neuland für mich. Da das Thema aber so interessant war, bestellte ich mir das empfohlene Starter-Kit mit dem Namen Fritzing Creator Kit*, in welchem neben einem Arduino* Uno R3 auch einige elektronische Bauteile, ein Breadboard* und eine Handvoll Verbindungsleitungen zum Anschluss der Bauteile enthalten war. Nach ein wenig Rumspielerei mit den enthaltenen Bauteilen kam mir die Idee dem Micro-Controller eine sinnvolle Aufgabe zu geben. Einen Funk-Temperatursensor für meine Hausautomatisierung hatte ich schon länger auf meiner Nice-To-Have-Liste, doch leider gab es nichts passendes zu kaufen. Jetzt war die Zeit gekommen, es anzugehen diese selbst zu bauen.
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