Aber wäre es nicht viel praktischer, ganz auf physische Schlüssel zu verzichten? Heutzutage gibt es zahlreiche Möglichkeiten, ein Schloss zu öffnen: Fingerabdruckscanner, Gesichtserkennung, NFC, Zahlencodes, Stellräder – oder natürlich brachiale Methoden wie Sprengstoff und rohe Gewalt. Doch wenn man eine preiswerte, gewaltfreie und einfache Lösung sucht, rückt das Tastenfeldschloss in den Fokus.

Überraschenderweise gibt es im Internet kaum wirklich gute DIY-Lösungen für Hobbybastler. Also packe ich es selbst an – mein erstes Tastenfeld-Schloss, das ich schlicht „Version 1“ nenne.

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Konstruktion des Gehäuses

Zunächst liegt der Fokus auf dem Gehäuse und der Aufnahme für das Tastenfeld. Die erste Frage, die sich dabei immer stellt: Wie groß soll es sein? Die Antwort hängt von mehreren Faktoren ab:

• Welche Komponenten werden benötigt? Jedes Bauteil nimmt Platz ein und beeinflusst die Bauweise.
• Wie viel Raum beanspruchen die Komponenten? Ein kompaktes Design ist vorteilhaft, darf aber nicht die Funktionalität einschränken.
• Wie sind Haptik und Bedienbarkeit? Das Tastenfeld sollte angenehm zu bedienen sein, ohne dass es zu eng oder unpraktisch wird.

Diese Überlegungen bilden die Grundlage für das Gehäusedesign – denn eine gute Planung spart später Zeit und Nerven.

Was kommt ins Gehäuse?

Zentraler Bestandteil ist natürlich das Membrantastenfeld (1.0.1). Es hat die folgenden Abmessungen:

• Breite: 69 mm
• Länge: 76 mm
• Dicke: 0,6 mm (bzw. 0,95 mm über den Tasten)

Zusätzlich verfügt das Tastenfeld über ein Flachbandkabel mit DuPont-Buchsen zum Anschluss an einen Mikrocontroller. Das Kabel selbst ist 85 mm lang und 17,78 mm breit.

Die Schaltzentrale des Schlosses bildet der Nano (1.0.2). Um ihn sauber im Gehäuse unterzubringen und die Kabelverbindungen möglichst komfortabel zu gestalten, habe ich mich für ein Nano-Expansionsboard mit Schraubklemmen (1.0.4) entschieden.

Für die Notstromversorgung kommt eine Hohlbuchse (5,5 x 2,1 mm, 1.0.4) zum Einsatz, damit das Schloss auch bei einem Stromausfall weiterhin funktioniert.

Die Stift- und Buchsenleisten (1.1.1) dienen als zentrale Stromverteilung und werden später auf die Lochrasterplatte (1.1.2) gelötet. Damit alle Komponenten zuverlässig verbunden werden, kommen Jumperkabel (1.1.3) zum Einsatz. Je nach Position der Bauteile sind unterschiedliche Längen erforderlich – in diesem Fall 10 cm und 20 cm.

Für die Statusanzeige des Tastenfeldschlosses setze ich auf Neo-Pixel – adressierbare LEDs vom Typ WS2812b (1.2.1). Damit lassen sich verschiedene Farben und Effekte steuern, um den aktuellen Zustand des Schlosses visuell darzustellen.

Auf die Positionierung der Schrauben gehe ich später noch genauer ein.

Nachdem die Komponenten nun feststehen, kann ich mir Gedanken über die Größe des Gehäuses machen. Diese wird nicht nur durch die verbauten Elemente bestimmt, sondern vor allem durch die Bedienbarkeit und Haptik.

Tastenfelder begegnen uns täglich – an Bankautomaten, Telefonen, Türschlossanlagen und natürlich Smartphones. Die Entscheidung für die Tiefe des Gehäuses basiert auf einer positiven Erinnerung an meinen vorletzten Arbeitsplatz: Das dortige Tastenfeldschloss am Eingang war erhöht und von beiden Seiten gut zugänglich. Man konnte es bequem mit dem rechten oder linken Daumen bedienen, und die abgerundeten Ecken sorgten für eine angenehme Haptik beim Auflegen der Hand.

Tastenfeldschloss Gehäusedesign

Daraus ergibt sich eine Tiefe von 45 mm (2.0.3). Für eine bessere Ergonomie erhalten die Ecken einen Radius von 15 mm (R15) und die umlaufenden oberen Kanten einen Radius von 10 mm (R10). Mir ist bewusst, dass diese Verrundungen den Innenraum leicht verkleinern, aber der Komfort und die Optik überwiegen diesen Nachteil.

Die Breite und Höhe des Gehäuses ergeben sich aus den einzubauenden Komponenten. Dabei muss auch der Platz für die Verkabelung berücksichtigt werden. Besonders wichtig: Der Nano sollte im eingebauten Zustand weiterhin mit einem handelsüblichen USB-Mini-Kabel erreichbar sein, um beispielsweise neue Programme aufspielen zu können.

Montage und Befestigung

• Vier M3-Gewinde (2.0.1) an der Innenseite ermöglichen das Anschrauben der Trägerplatte.
• Zusätzlich gibt es vier Montagepunkte mit Ø4,2 mm Bohrungen zur Befestigung des Gehäuses an einer Tür, einem Deckel oder einer Wand.
• Das Gehäuse erhält ein Fenster (2.0.2) mit 60 × 67 mm, das für das Tastenfeld vorgesehen ist. Dieses wird später mit der Trägerplatte ausgefüllt.
• Haltesäulen mit M2-Gewinde sowie die Öffnung für die Hohlbuchse (1.0.4) sind mit orangen Ellipsen markiert (2.0.1, 2.0.3).
• Das nächste Bild (2.0.4) zeigt die Außenmaße: 110 mm Breite und 117 mm Höhe.
• Außerdem ist ein Durchbruch bzw. Schlitz von 50 mm Länge für die LED-Blende (2.0.5) erforderlich.

Für die Wandstärke des Gehäuses habe ich durchgehend 2 mm vorgesehen – stabil genug für den vorgesehenen Einsatzzweck.

Mit der abgeschlossenen Gehäusekonstruktion können wir nun mit den weiteren Komponenten fortfahren.

Die Trägerplatte – das zentrale Montageelement

Die nächste wichtige Komponente ist die Trägerplatte. Der Name erklärt sich von selbst: Bis auf die Hohlbuchse werden hier alle Bauteile befestigt. Dieses System bietet mehrere Vorteile gegenüber einer direkten Montage im Gehäuse:

Einfache Montage außerhalb des Gehäuses – Mehr Platz und bessere Handhabung bei der Verkabelung.
Modularität – Verschiedene Trägerplatten mit unterschiedlichen Komponenten sind möglich.
Schlichtes Gehäusedesign – Die Gehäusekonstruktion bleibt einfacher und flexibler.
Leichter Austausch – Komponenten lassen sich einfacher ersetzen oder erweitern.

Doch speziell für das Tastenfeldschloss gibt es noch einen weiteren entscheidenden Vorteil:

Das Tastenfeld wird direkt in eine vorgesehene Vertiefung der Trägerplatte (2.1.1) geklebt. Anschließend wird die Trägerplatte samt Tastenfeld von hinten in das Gehäuse eingesetzt und mit M3-Schrauben fixiert. Dabei verdeckt der Rahmen des Fensters im Gehäuse den Rand und die Kabel vollständig.

Sicherheitsaspekt: Das Fenster ist so dimensioniert, dass zwar der Rand und die Kabel verborgen bleiben, aber die Tasten vollständig sichtbar und bedienbar sind. Dadurch lässt sich das Tastenfeld nicht zerstörungsfrei entfernen – ein wichtiger Schutzmechanismus gegen Manipulation.

Befestigung der Komponenten auf der Trägerplatte

Auf der Rückseite (2.1.2) der Trägerplatte befinden sich diverse Befestigungsmöglichkeiten für die Elektronik:

M3-Gewinde für den Nano-Adapter (2.1.3) – Da Nano-Adapter im Internet oft unterschiedliche Lochabstände haben, gibt es auf der rechten Seite (2.1.2) ein zusätzliches Befestigungsgewinde zur flexiblen Anpassung. Falls die Bohrungen dennoch nicht exakt passen, lassen sie sich vorsichtig aufweiten – allerdings ohne dabei Leiterbahnen des Adapters zu beschädigen.

M2-Gewinde für den Nano R3 ATMEGA168P (2.1.4) – Eine alternative, kostengünstige Lösung anstelle eines Nano R3 mit Adapter.

M2-Gewinde für die Lochrasterplatte (20×80 mm, 1.1.2, 2.1.5) – Diese dient zur Energieverteilung und verbindet alle Stromversorgungsleitungen sauber an einem zentralen Punkt.

Die LED-Blende und ihre Befestigung

Die LED-Blende (2.2.1) wurde so konstruiert, dass sie von der Rückseite in den Schlitz (2.0.5) des Gehäuses eingeklickt wird. Der Radius an der Außenseite der LED-Blende entspricht dem Gehäuseradius, wodurch ein weicher Übergang entsteht und sich die Blende optisch nahtlos einfügt.

Die Montagebrücke (Vorderseite 2.2.2, Rückseite 2.2.3) muss ich nicht neu entwerfen, da ich sie bereits in anderen Projekten erfolgreich verwendet habe.

Die Befestigung der LEDs

Nun bleibt noch die Montage der drei WS2812b-LEDs (1.2.1). Warum genau drei LEDs benötigt werden, werde ich später im Programmierteil dieses Artikels erläutern.

Die Entwicklung des LED-Halters (SMD50, 2.2.4) war aufwendiger als erwartet. Natürlich könnte man die LED-Streifen einfach kleben, klemmen oder mit Heißkleber befestigen – doch das erschien mir zu unprofessionell.

Daher habe ich viel Zeit und Mühe investiert, um eine perfekte Halterung zu entwerfen. Das Resultat ist auf Bild 2.2.5 zu sehen.

Weiterführende Informationen:
Für Details zur Konstruktion gibt es einen eigenen Artikel auf NerdCorner.

3D-Druck der Bauteile

Nachdem die Konstruktion abgeschlossen ist, müssen die Teile nun gedruckt werden.

Materialwahl für die einzelnen Komponenten:

• Gehäuse (3.0.1): gedruckt mit ABS-Filament, bestehend aus Vorder- und Rückseite.
• Trägerplatte (3.0.2): gefertigt aus PLA-Filament.
• LED-Blende (3.0.3): stehend im Drucker hergestellt, gedruckt mit PLA+ in der Farbe „Natur“.
• LED-Klemmen (3.0.4): ebenfalls aus PLA+, gefertigt im selben Verfahren wie die LED-Blende.
• Brücke für die Hohlbuchse: gedruckt aus PLA-Filament, analog zur Trägerplatte.

Mit diesen Materialien sind die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Bauteile optimal auf ihre jeweiligen Einsatzzwecke abgestimmt.

Nachbearbeitung der Bauteile

Nach dem Druck müssen sowohl die gedruckten Teile als auch einige Kaufteile bearbeitet werden.

1⃣ Säubern der 3D-Druckteile

• Entfernen von Stützmaterial und überstehenden Druckrückständen.

2⃣ Gewinde schneiden

• Gehäuse (4.0.1):
  • Vier M3-Gewinde (Achtung: Sacklöcher! Beim Schneiden vorsichtig vorgehen, um den Boden nicht nach außen zu drücken).
  • Zwei M2-Gewinde (4.0.2).
• Trägerplatte (4.0.3):
  • Die blau markierten M2-Gewinde müssen auf jeden Fall geschnitten werden.
  • Bei Verwendung eines Nano-Adapters mit Schraubklemmen (2.1.4) müssen zusätzlich die rot markierten M2-Gewinde geschnitten werden.

3⃣ Lochrasterplatte kürzen

• Die Lochrasterplatte (4.0.4) muss auf 8 bis maximal 10 Lochraster gekürzt werden.
• Wichtig: Die Montagelöcher sollten erhalten bleiben (siehe 4.0.5).

4⃣ Stiftleiste kürzen

• Die Stiftleiste mit einem Seitenschneider auf acht Pins kürzen (4.0.6).

Löten der Bauteile

Nun geht es ans Löten der Teile. Zuerst konzentrieren wir uns auf die Energieversorgungsplatine:

1⃣ Löten der Energieversorgungsplatine

• Lochrasterplatte (4.0.5): Lötung der Sockelleiste (1.1.1) und der Pin-Leiste (4.0.6).
• Pin-Leiste (4.1.2): Eine zweireihige Pin- und Sockelleiste wird aufgelötet. Auf der Rückseite verbinden wir die beiden Reihen jeweils mit Lötzinn.
  • Die Reihen unterscheiden sich in Männchen und Weibchen sowie in den Farben: Rot für Plus und Schwarz für Minus. Dies erleichtert den Anschluss der Energieversorgung.

2⃣ Verlötung der WS2812B LEDs

• Verlöten der Anschlüsse des WS2812B LED-Streifens (4.1.3).

3⃣ Verlöten der Hohlbuchse

• Zum Abschluss wird die Hohlbuchse (1.0.4) verlötet (4.1.4).
• Eine detaillierte Anleitung zum Verlöten der Hohlbuchse findest du in einem separaten Artikel. Es ist wichtig, die genaue Vorgehensweise zu kennen, um Fehler zu vermeiden.

Zusammenbau des Tastenfeldschlosses

1⃣ LED-Blende einbauen

• Zuerst klicke die LED-Blende (2.2.1) in das Gehäuse ein.
• Verklebe die LED-Blende an den vorgesehenen Stellen, wie auf den Bildern 5.0.1 und 5.0.2 abgebildet.

2⃣ Nano R3 einstecken

• Stecke den Nano R3 (1.0.2) in den Nano-Adapter (5.0.3) deiner Wahl ein.

3⃣ Nano-Adapter montieren

• Schraube den Nano-Adapter (1.0.3) mit dem eingesteckten Nano R3 (1.0.2) auf der Trägerplatte-Rückseite (4.0.3) fest.
• Verwende dafür die M3-Gewinde auf der Trägerplatte und die Schrauben (1.2.2), wie auf den Bildern 5.0.4 und 5.0.5 zu sehen.

4⃣ Energieversorgung anbringen

• Befestige die Energieversorgung (4.1.2) mit den Schrauben (1.2.4) an der Trägerplatte-Rückseite (4.0.3).
• Siehe dazu das Bild 5.0.6.

Montage des Tastenfelds auf der Trägerplatte

1⃣ Wahl der Schraubenlänge

• Achte darauf, wie auf Bild 5.1.1 dargestellt, die richtige Schraubenlänge zu wählen.
• Schrauben dürfen nicht zu lang sein, da sie sonst beim Anbringen des Tastenfelds aus der Klebefläche herausragen und das Tastenfeld nicht sauber aufgeklebt werden kann.

2⃣ Tastenfeld vorbereiten

• Entferne die Schutzfolie des Tastenfelds (1.0.1).
• Um die Folie zu entfernen, benutze ein Teppichmesser, um vorsichtig an einer Ecke zwischen Klebeschicht und Schutzfolie zu kommen (siehe 5.1.2).
• Nachdem du die Ecke erreicht hast, ziehe die ganze Schutzfolie ab (siehe 5.1.3).

3⃣ Tastenfeld aufkleben

• Setze das Tastenfeld (1.0.1) in die Vertiefung auf der Trägerplatte-Vorderseite (2.1.1) ein und drücke es fest an.
• Das Tastenfeld muss komplett versenkt werden und darf nicht über den Rand hinausstehen (siehe 5.1.4).
• Achte darauf, dass auch die Kabel in der Vertiefung liegen (siehe 5.1.5).

Verkabelung des Tastenfelds mit dem Arduino Nano R3

1⃣ Jumper-Kabel verwenden

• Jumper-Kabel (10 cm lang, Männchen-Männchen) werden verwendet, um das Tastenfeld mit dem Arduino Nano R3 zu verbinden (siehe 5.2.1).

2⃣ Anschluss der Kabel

• Achte darauf, dass du die Kabel nicht verdrehst, sondern nur biegst.
• Das linke Kabel wird an D2 des Arduino angeschlossen, und das rechte Kabel an D8.
• Insgesamt sind es sieben Kabel, die die Anschlüsse D2 bis D8 belegen (siehe 5.2.3).

3⃣ Pin-Leisten verwenden

• Da das Rastermaß des Arduino-Adapters und des Tastenfelds nicht übereinstimmen, kannst du Pin-Leisten verwenden, um die Verbindung herzustellen.

4⃣ Befestigung der LED-Klemmen

• Die Klammern (3.0.4) für die WS2812B LEDs werden an den LEDs festgeklickt.
• Am besten machst du das auf einer ebenen Oberfläche (siehe 5.2.4).

5⃣ Anbringen des LED-Streifens

• Der WS2812B Streifen wird nun mittig an der Oberseite der Trägerplatte aufgeschoben (siehe 5.2.5 Vorderseite und 5.2.6 Rückseite).

Zusammenbau der Trägerplatte und Gehäuse

1⃣ Verschrauben der Trägerplatte mit dem Gehäuse (5.3.1)

• Achte darauf, dass du M3 Schrauben verwendest, die nicht zu lang sind. Andernfalls könnten sie beim Anziehen eine Erhöhung in die Vorderseite des Gehäuses drücken.
• Die Ausrichtung der Trägerplatte im Gehäuse ist wichtig: Der LED-Streifen sollte auf der gleichen Seite wie die LED-Blende sein.
• Nach dem Verschrauben sollte das Tastenfeld leicht an den inneren Rahmen des Gehäuses gepresst sein (siehe 5.3.2 und 5.3.3).

2⃣ Vormontage der Hohlbuchse für die Notstromversorgung

• Für die Notstromversorgung musst du die Hohlbuchse vormontieren und an das Gehäuse schrauben.
• Die Hohlbuchse mit Brücke und Mutter wird in Bild 5.3.4 dargestellt.
  • Stecke die Hohlbuchse in die runde Vertiefung der Brücke.
  • Kontere die Hohlbuchse mit der Mutter auf der anderen Seite der Brücke.

3⃣ Befestigung der Hohlbuchse im Gehäuse

• Die Hohlbuchse mit der Brücke wird dann an die im Gehäuse vorgesehenen Haltesäulen mit M2 Schrauben verschraubt (siehe 5.3.5 und 5.3.6).

Anschluss der Kabel und Fertigstellung der Stromversorgung

1⃣ Anschluss des Steuerkabels für den Servomotor

• Das Steuerkabel für den Servomotor wird an Pin D9 des Nano R3 angeschlossen (5.4.1).

2⃣ Anschluss der Stromversorgung für den Nano R3

• Die Stromversorgung des Nano R3 wird an den GND-Pin und den VIN-Pin des Nano R3 angeschlossen (5.4.2).

3⃣ Anschluss des Steuerkabels für den WS2812B

• Das Steuerkabel für den WS2812B LED-Streifen wird an Pin D10 des Nano R3 angeschlossen (5.4.3).

4⃣ Verkabelung des Stromverteilers

• Alle restlichen Kabel müssen an den Stromverteiler angeschlossen werden:
  • Servomotor-Anschluss
  • Arduino Nano R3
  • WS2812B LED-Streifen
  • Hohlbuchse Alle Verbindungen erfolgen mit Plus und Minus (siehe 5.4.4 und 5.4.5).

5⃣ Verwendung von unterschiedlichen Farben und Anschlussarten für die Verkabelung

• Es hilft, unterschiedliche Kabel-Farben zu verwenden:
  • Rot für Plus
  • Schwarz für Minus
• Der Stromverteiler hat unterschiedliche Anschlussarten:
  • Männlich für Plus
  • Weiblich für Minus

6⃣ Hinweis zur Hohlbuchse

• Zur Verkabelung und Anschluss der Hohlbuchse gibt es einen eigenen Artikel, den du unbedingt lesen solltest

7⃣ Anbringen der Stecker-Gehäuse für den Servomotor und die Energieversorgung

• Für den Servomotor-Anschluss wird ein drei-poliger Stecker benötigt.
• Für die externe Energieversorgung wird ein zwei-poliger Stecker benötigt.
  • Weitere Details zum Konstruktionsprozess und den Download-Links für Stecker-Gehäuse findest du hier.

Im Bild 5.5.1 ist nochmal die ganze Verkabelung dargestellt.

Arduino Code

Nach der intensiven Arbeit mit der Hardware und dem 3D-Drucker widmen wir uns nun der Strategie und der Programmierung des Tastenfeldschlosses. Warum ist eine Strategie für ein Tastenfeldschloss wichtig? Eine durchdachte Handlungsabfolge – also die Reihenfolge, in der das Tastenfeldschloss bedient wird, welche Ereignisse sich aus bestimmten Aktionen ergeben und welches Ziel verfolgt wird – bildet die Grundlage für eine funktionale Steuerung. Dieser Leitfaden ist daher auch entscheidend für die Programmierung des Tastenfeldschlosses: Er legt fest, was wann passieren soll und welche Hardware dabei zum Einsatz kommt. Ziel ist es, eine logische und nachvollziehbare Abfolge von Ereignissen zu schaffen, die in diesem Fall auch optisch nachzuvollziehen ist.

Beispiel 1:
Das Tastenfeldschloss soll anzeigen, wie viele Stellen bereits eingegeben wurden. (Siehe Bilder 7.0.1 bis 7.0.4)

Beispiel 2:
Das Tastenfeldschloss soll nach Betätigung einer bestimmten Taste mitteilen, ob das eingegebene Kennwort korrekt ist. (Siehe Bild 7.0.5)

Beispiel 3:
Das Tastenfeldschloss soll anzeigen, wenn etwas falsch eingegeben wurde, wie etwa ein falsches Kennwort oder zu viele Tastenanschläge. (Siehe Bild 7.0.8)

Beispiel 4:
Das Tastenfeldschloss soll den aktuellen Zustand anzeigen. (Siehe Bilder 7.0.5 bis 7.0.7)

Kommen wir nun zur Programmierung des Tastenfeldschlosses, die sich in einigen Punkten von herkömmlichen Programmen im Internet unterscheidet. Zu Beginn werden die drei notwendigen Bibliotheken eingebunden: <Keypad.h> für das Tastenfeld, <Adafruit_NeoPixel.h> für die WS2812B LEDs und <Servo.h> für den Servomotor (Bild 6.0.1). Im folgenden Abschnitt wird die Pin-Belegung für die LEDs festgelegt, wobei Pin D10 verwendet wird und die Anzahl der LEDs sowie das Farbschema bestimmt werden. Ebenso wird die Helligkeit der LEDs festgelegt – dieser Wert kann je nach Standort angepasst werden, wobei höhere Werte für mehr Helligkeit sorgen (Werte von 0 bis 255). (Siehe Bild 6.0.2) Der dritte Abschnitt widmet sich der Beschreibung des verwendeten Tastenfelds, einschließlich der Anzahl der Reihen und Spalten sowie der Belegung der Tasten. (Siehe Bild 6.0.3)

Im vierten Abschnitt wird der Servomotor konfiguriert, indem der Gradbereich festgelegt wird, den er zurücklegen kann, sowie die Geschwindigkeit, mit der er sich bewegen soll (siehe Bild 6.1.1). Anschließend folgt der Abschnitt zur Kennworteingabe. Hier habt ihr die Möglichkeit, das Standardkennwort 1516 zu ändern, um ein neues vierstelliges Kennwort festzulegen. Das Programm funktioniert nur korrekt, wenn ein vierstelliger Code eingegeben wird. In diesem Abschnitt wird außerdem der Steuer-Pin für den Servomotor auf D9 gesetzt (siehe Bild 6.1.2). Der darauf folgende Abschnitt widmet sich der Festlegung der Farben für die verschiedenen Ereignisse.

In den letzten beiden Abschnitten wird das Verhalten des Tastenfeldschlosses bei bestimmten Handlungen erläutert. Diese Beschreibung stellt natürlich nur einen groben Überblick über das Programm dar. In einem zukünftigen Artikel für Tastenfeldschloss Version 2 werden wir dann das Programm detaillierter und umfassender erklären.

//==========================================Librarys==============================================================
#include <Keypad.h>
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#include <Servo.h>
//========================================Neo-Pixel==============================================================
#define LED_PIN 10
#define LED_COUNT 3
Adafruit_NeoPixel strip(LED_COUNT, LED_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
int led_strength = 75; //controlls Brighttness (0 - 255)
//========================================Keypad=================================================================
const byte rows = 4;
const byte cols = 3;
char keys[rows][cols] = {
 {'1', '2', '3'},
 {'4', '5', '6'},
 {'7', '8', '9'},
 {'*', '0', '#'}
};
byte rowPins[rows] = {8, 7, 6, 5};
byte colPins[cols] = {4, 3, 2};
Keypad keypad = Keypad( makeKeymap(keys), rowPins, colPins, rows, cols );
//=========================================Servo============================================================
Servo lock;
int pos = 0;
int servo_angle = 180;
int servo_speed = 15;
//======================================Password===============================================================
String input;
const String password = "1516"; //Set Password
int n = 1;

 

void setup() {
 input.reserve(password.length() +2);
 strip.begin();
 strip.show();
 lock.attach(9); //motor pin
}

void loop() {
//-------------------colours------------------------------------------------------------------- 
 uint32_t blue = strip.Color(0, 0, led_strength);
 uint32_t green = strip.Color(0, led_strength, 0);
 uint32_t red = strip.Color(led_strength, 0, 0);
 uint32_t orange = strip.Color(led_strength, led_strength/2, 0);

 char key = keypad.getKey();

if (key != NO_KEY) {
//-------------------------End conditions------------------------------------------------------
 if (key == '#') {
 if (input == password) {
 //unlock
 strip.clear();
 strip.fill(green, 0, LED_COUNT);
 strip.show();
 for (pos = 0; pos <= servo_angle; pos += 1) {
 lock.write(pos);
 delay(servo_speed );
 }
 while (1 == 1)
 { char key = keypad.getKey();
 strip.clear();
 strip.fill(orange, 0, LED_COUNT);
 strip.show();
 if (key == '*')
 {
 strip.clear();
 strip.fill(green, 0, LED_COUNT);
 strip.show();
 break;
 }
 }

 for (pos = servo_angle; pos >= 0; pos -= 1) {
 lock.write(pos);
 delay(servo_speed );
 }
 n = 1;
 input = "";
 delay (1000);
 strip.clear();
 strip.show();
 } else {
 //wrong password
 strip.clear();
 strip.fill(red, 0, LED_COUNT);
 strip.show();
 n = 1;
 input = "";
 delay (1000);
 strip.clear();
 strip.show();
 }
 }
 else if (n == password.length() + 1) {
 //Input too long
 strip.clear();
 strip.fill(red, 0, LED_COUNT);
 strip.show();
 n = 1;
 input = "";
 delay (1000);
 strip.clear();
 strip.show();
 }
//----------------------------------Buttons------------------------------------------
 else {
 input += key;
 if (n == password.length() ) {
 strip.clear();
 strip.fill(blue, 0, LED_COUNT); 
 strip.show();
 n++;
 }
 else {

 strip.clear();
 strip.setPixelColor(n-1, blue);
 strip.show();
 n++;
 }
 }
 }

}

Funktion

Die Bedienung des Tastenfeldschlosses ist sehr intuitiv. Sobald die erste Taste gedrückt wird, leuchtet die rechte LED blau (7.0.1). Beim zweiten Tastendruck wird die mittlere LED blau (7.0.2). Nach der dritten Taste strahlt die linke LED in Blau (7.0.3). Mit der vierten Taste leuchten schließlich alle drei LEDs blau (7.0.4). Wenn diese drei LEDs in Blau leuchten, weiß der Benutzer, dass die #-Taste gedrückt werden muss.

Wird die #-Taste betätigt, erfolgt die Überprüfung des Passworts. Ist das Passwort korrekt, leuchten alle drei LEDs gleichzeitig grün, und der Servomotor wird aktiviert (7.0.5). Das grüne Licht bleibt so lange an, wie der Servomotor seine Endlage (offen) noch nicht erreicht hat. Sobald der Servomotor die Endlage (offen) erreicht, wechseln die LEDs von Grün zu Orange (7.0.6). Die orange Farbe bleibt so lange erhalten, bis der Benutzer die *-Taste drückt.

Nach dem Drücken der *-Taste wechseln die LEDs wieder auf Grün (7.0.7) und bleiben in dieser Farbe, bis der Servomotor die Endlage (geschlossen) erreicht hat. Ist dies der Fall, erlöschen die LEDs, und das Tastenfeldschloss ist bereit für neue Eingaben.

Falls jedoch das Passwort nach dem Drücken der #-Taste in Schritt 7.0.4 falsch ist, leuchten alle drei LEDs rot (7.0.8). Ebenso wird das rote Licht angezeigt, wenn mehr als vier Tasten, abgesehen von der #-Taste, gedrückt werden.

Türmontage

Natürlich ist diese Variante nicht für den Einsatz an einer gewöhnlichen Tür gedacht, bei der man einfach hindurchgeht und die Tür sich von selbst wieder schließt. Der Grund dafür liegt im offenbleiben des Schlosses, bis die *-Taste gedrückt wird. Doch wie kann man die *-Taste drücken, wenn man sich auf der anderen Seite des Tastenfeldschlosses befindet, hinter der Wand? Eine Verzögerung im Programm könnte zwar helfen, aber wer weiß schon, wie lange man braucht, um die Tür zu passieren und hinter sich zu schließen? Eine viel sinnvollere Lösung wäre es, einen zusätzlichen Schalter zu implementieren, der auf der anderen Seite der Tür angebracht wird. Dieser Schalter würde, ohne eine Passworteingabe, bei Betätigung direkt zu Punkt 7.0.6 führen und das Schloss öffnen, sodass die Tür von innen geöffnet werden kann.

Doch das ist Zukunftsmusik. Nun kommen wir zur Montage des Tastenfeldschlosses an einer Tür. Hierfür habe ich auf der Rückseite des Gehäuses vier Bohrungen vorgesehen. Diese Bohrungen haben an der Innenseite eine Vertiefung für herkömmliche Sechskantmuttern M4 DIN 934. Die entsprechenden Bohrungen sind in Bild 8.0.1 (Rückansicht) und Bild 8.0.2 (Vorderansicht) zu sehen, wobei das Gehäuse zur besseren Anschauung etwas transparent dargestellt ist. Die Installation der Muttern ist denkbar einfach: Nachdem sichergestellt wurde, dass sämtliches Supportmaterial entfernt ist, wird die Mutter von hinten in die vorgesehene Vertiefung gedrückt. Es sollten keine Einpressmuttern verwendet werden, da diese unnötig teuer sind.

Für die Befestigung an der Wand oder Tür habe ich eine Bohrschablone entwickelt (Bild 8.0.3). Diese Schablone enthält an den vier Ecken jeweils eine Bohrung mit einem Durchmesser von 4 mm. Der Abstand der Bohrungen entspricht dem Abstand der Bohrungen am Gehäuse. Man kann die Schablone bequem an der Oberfläche der Tür fixieren, zum Beispiel mit Klebeband (Bild 8.0.4). So spart man sich das mühsame Anreißen der Bohrlöcher und vermeidet Fehler.

Auf Bild 8.1.1 sehen wir die gebohrten Montagelöcher von der Vorderseite, markiert durch magentafarbene Kreise. Dank der Bohrschablone haben diese Löcher den richtigen Abstand zueinander. Falls beim Bohren die Position leicht verrutscht oder nicht ganz exakt eingehalten wurde, stellt das kein Problem dar. In diesem Fall kann man die Montagelöcher einfach etwas größer bohren, um das Tastenfeldschloss beim Anschrauben präzise auszurichten. Zusätzlich sind auf diesem Bild in gelben Kreisen zwei Bohrungen zu sehen, die leider etwas am Rand ausgebrochen sind. Diese Bohrungen sind für das Kabel des Servos und die Energieversorgung vorgesehen. Nachdem die Bohrungen fertiggestellt waren, habe ich das Tastenfeldschloss angebracht und die Kabel zuvor durch die vorgesehenen Bohrungen auf der Rückseite der Tür (Bild 8.1.2) geführt.

Die gesamte Montagearbeit des Tastenfeldschlosses ist auf der Vorderseite der Tür in Bild 8.2.1 zu sehen. Wer mit dieser Montagelösung nicht zufrieden ist, kann ich beruhigen: Als letzten Schritt habe ich einen Rückendeckel entworfen, der es ermöglicht, das Tastenfeldschloss an einer Wand oder einem Rahmen zu befestigen (Bild 8.2.2). Dazu steckt man einfach das Gehäuse des Tastenfeldschlosses auf den Rückendeckel und verschraubt es von hinten mit M4 Senkkopfschrauben (markiert durch magentafarbene Kreise in Bild 8.2.2). Danach wird das ganze Konstrukt an der Wand befestigt, wofür zwei Laschen mit jeweils zwei Bohrungen zur Verfügung stehen (gelbe Kreise in Bild 8.2.2).

Nicht zu vergessen ist, dass man am Gehäuse zusätzlich eine oder mehrere Bohrungen für die Kabel des Servos und der Energieversorgung anbringen muss. Dabei sollte man auch das Sicherheitsrisiko bedenken, dass eine unbefugte Person das Tastenfeldschloss über die zugänglichen Schrauben abschrauben könnte.

Schließmechanismus

Wer jetzt noch einen echten Schließmechanismus vermisst, der nicht nur einen Servo-Anschluss nutzt, kann sich auf den „Schließer“ freuen, der sich bereits in der Entwicklung befindet und in den kommenden Versionen des Tastenfeldschlosses präsentiert wird.

Die Entwicklung des Tastenfeldschlosses war eine spannende, aber auch herausfordernde Aufgabe. Besonders hervorzuheben sind einige Eigenschaften der VERSION 1 des Tastenfeldschlosses:

• Verschiedene Arduino Nano-Modelle und Adapter können verwendet werden – Flexibilität bei der Hardwarewahl.
• Optisches Feedback – Über die Zahleneingabe und den Status des Tastenfeldschlosses wird der Benutzer direkt informiert.
• Notstromversorgung über Hohlbuchse – Garantiert zuverlässige Funktion im Falle von Stromausfällen.
• Stabiles Programm – Die Software wurde so entwickelt, dass sie zuverlässig funktioniert.
• Optimale Haptik für Links- und Rechtshänder – Das Tastenfeldschloss wurde ergonomisch gestaltet, um allen Nutzern gerecht zu werden.

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• Tastenfeldschloss Gehäuse

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Umsetzung der Dupont Steckverbindung

Wie bei jeder Neuentwicklung oder Änderung eines bestehenden Teils standen auch hier einige Entscheidungen an, jedoch waren in diesem Fall nicht viele notwendig.

• Anzahl der Befestigungslaschen: zwei oder vier
• Durchmesser der Befestigungslöcher: 2,2 mm
• Deckel nach Befestigung abnehmbar: ja

Bei der Anzahl der Befestigungslaschen ist klar, dass eine einzelne Lasche dazu führt, dass sich das Gehäuse um die Schraube dreht, wenn diese nicht fest genug angezogen ist. Beim Ein- oder Ausstecken der Verbindung versucht das Gehäuse sich um die Schraube zu drehen. Mit zwei oder mehr Laschen lässt sich das Ein- und Ausstecken problemlos bewerkstelligen, selbst wenn die Schrauben nicht vollständig festgezogen sind.

Der Durchmesser der Befestigungsbohrungen wurde auf 2,2 mm für M2-Schrauben festgelegt. Größere Schrauben würden die Laschen größer machen als das Gehäuse des Verbinders selbst, und zwei M2-Schrauben bieten bereits ausreichend Haltekraft.

Die Entscheidung, ob der Deckel nach der Befestigung des Verbinders weiterhin abnehmbar sein soll, ergab sich zwangsläufig. Da die Klemmlaschen des Deckels am Gehäuseboden überstehen, mussten die Befestigungslaschen ohnehin erhöht über dem Boden stehen. Wären die Laschen bündig mit dem Gehäuseboden, könnte sich der Deckel beim Anziehen der Schrauben um etwa 0,3 mm anheben. Warum wurden die Befestigungslaschen nicht direkt am Deckel angebracht? Der Deckel ist nicht stabil genug, um die seitlichen Laschen zu tragen. Der Abstand zwischen der Oberfläche und dem Gehäuseboden beträgt im verschraubten Zustand 1,1 mm, was ausreicht, um den Deckel problemlos zu entfernen.

Zu den Befestigungsbohrungen mit einem Durchmesser von 2,2 mm: Der Bohrungsabstand ist immer ein Vielfaches von 2,54 mm, was sinnvoll ist, da auch die DuPont-Stecker eine Breite und Höhe von 2,54 mm haben. Der Bohrungsabstand vergrößert sich proportional zur Anzahl der Pins am Gehäuse. Ein positiver Nebeneffekt: Diese Abstände passen auch zu den Löchern einer Lochrasterplatte. In Bild 1.0.1 habe ich zwei 4-Pin-Stecker auf einer Lochrasterplatte montiert. Für die Befestigung habe ich die passenden Löcher im Abstand der 4-Pin-Stecker verwendet und mit einem M2-Gewindebohrer Gewinde geschnitten. Wie man sehen kann, halten die Schrauben einwandfrei, ohne dass eine Mutter benötigt wird.

Ja, das war’s fast für diesmal – eigentlich wären wir jetzt fertig, aber zwei Dinge sind mir noch wichtig. Erstens möchte ich auf die vielseitige Verwendung der Steckverbinder eingehen. Ich benutze sie seit vier Jahren und entdecke ständig neue Möglichkeiten, diese flexibel einzusetzen. Nachfolgend einige Beispiele mit Variante eins, die bis auf die Anschraubmöglichkeit identisch mit Version 1.1 ist.

In Bild 2.0.1 sieht man einen 10-PIN-Stecker mit einem 200 mm Jumperkabel. Bild 2.0.2 zeigt den Unterschied zwischen einem 10-PIN-Stecker mit einem 100 mm Jumperkabel und einem mit 200 mm.

Bild 2.1.1 zeigt einen 9-PIN-Stecker auf der einen Seite und drei verschiedene Stecker auf der gegenüberliegenden Seite. In Bild 2.1.2 ist diese Seite vergrößert dargestellt. Hier sieht man die drei Stecker: einen 4-PIN-Stecker, daneben einen 3-PIN-Stecker und ganz links einen 2-PIN-Stecker. Addiert man die Pins der drei Stecker, kommt man wieder auf die neun Pins, wie auf der anderen Seite.

Sicherlich ist euch aufgefallen, dass die DuPont-Stecker der drei Verbindungen unterschiedlich sind. Beim 4-PIN-Stecker sind alle Pins männlich, also Stifte. Im Gegensatz dazu sind beim mittleren 3-PIN-Stecker alle Pins weiblich, also Buchsen. Besonders interessant wird es beim 2-PIN-Stecker, der einen Stift und eine Buchse kombiniert. Was hat es damit auf sich? Hier möchte ich die Flexibilität des werkzeuglosen Stecksystems von Nerd-Corner demonstrieren. Mit diesen Steckern kann man, wie beim 2-PIN-Stecker, einen Verpolungsschutz einbauen: Der Stift ist der Pluspol, die Buchse der Minuspol. Am Gegenstecker ist es umgekehrt, wodurch die Verbindung nicht falsch gesteckt werden kann!

Der 2-PIN-Stecker ist das einfachste Beispiel, aber dieses Prinzip lässt sich auf alle Stecker anwenden, sodass sich auch komplexere Schutzsysteme aufbauen lassen.

Der Aufbau in Bild 2.2.1 zeigt eine weitere Möglichkeit, einen Kabelbaum zu erstellen. Auf der linken Seite befindet sich ein 10-PIN-Stecker, ganz rechts ein 5-PIN-Stecker, verbunden durch ein 200 mm Jumperkabel. Der orangefarbene 3-PIN-Stecker ist über ein 400 mm Jumperkabel mit dem 10-PIN-Stecker verbunden, ebenso wie der 2-PIN-Stecker, allerdings mit einem 500 mm Jumperkabel. Diese Lösung bietet grenzenlose Flexibilität über die gesamte Steckerfamilie hinweg und das komplett werkzeuglos.

Zusammenbau der Dupont Steckverbindung

Ich erhalte immer wieder Anfragen, Steckergehäuse für 15 oder 22 Pins zu bauen. Leider ist dies mit diesem System zwar nicht unmöglich, aber eine große Herausforderung. Der Aufwand steht in keinem sinnvollen Verhältnis zum Nutzen – zumindest für mich. Eigentlich wollte ich bereits bei der 6-PIN-Variante aufhören, da die Montage schon einiges an Feinmotorik erfordert und die Haltekraft der Laschen nachlässt. Das Problem der Haltekraft konnte ich ab der 7-PIN-Variante durch eine dritte Lasche lösen, aber der Zusammenbau wurde dadurch sehr schwierig.

Es gibt jedoch meist eine Lösung, wie in der Bilderserie 3.0 zu sehen ist.

In Bild 3.0.1 erkennt man, dass eine Buchsenleiste ins Spiel kommt, da wir hier männliche (Stift-)Kabel verwenden. Für weibliche Kabel könnte man stattdessen eine Stiftleiste nutzen.

Der Ablauf für den Zusammenbau mit männlichen Kabeln (Stiften) sieht folgendermaßen aus:

1. Die Kabel in die Buchsenleiste drücken.
2. Die gesteckten DuPont-Gehäuse leicht in den Gehäuseboden des Steckers drücken und die Kabel in die vorgesehenen Mulden pressen (siehe Bild 3.0.1).
3. Die DuPont-Gehäuse vollständig in den Gehäuseboden drücken und zur internen Anschlagleiste schieben. Anschließend die Kabel einzeln nach hinten ziehen – die Buchsenleiste sollte nicht entfernt werden (Bild 3.0.2).
4. Sobald die DuPont-Stecker im Gehäuse fixiert sind, wird der Deckel aufgesetzt und eingerastet (Bild 3.0.3).
5. Zum Abschluss wird die Buchsenleiste entfernt, und der Zusammenbau ist abgeschlossen (Bild 3.0.4).

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• Dupont Steckverbindung 3PIN

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Herstellung der LED-Streifen

Man muss auch wissen wie solche LED-STREIFEN hergestellt werden, der Irrglaube, dass die Streifen auf einem Endlosband bestückt werden und je nach Bedarf abgeschnitten werden ist falsch. Die Streifen werden in der Länge 500mm in eine Bestückungsmaschine gespannt und mit den LEDs bestückt. Die Anzahl der LEDs hängt davon ab wie viele LEDs pro Meter gebraucht werden. Es gibt Streifen mit 30/60/144 LEDs pro Meter. Danach werden die 500mm Streifen an den Enden auf die erforderliche Länge zusammengelötet.

Umsetzung der SMD5050 Klammer

Wie immer suche ich zuerst alle verfügbaren LED-Strefen aus meinem Sammelsurium die eine SMD5050 beinhalten. Wichtig war es alle Varianten der unterschiedlichen Hersteller zu haben. So kann man den bestmöglichen Mittelweg finden, um die Funktion (also das Klemmen) auf möglichst vielen Varianten anzuwenden.

Die Idee war es den Streifen nicht an der Rückseite zu verkleben, sondern die LED an den Außenflächen zu klammern. Im Bild 1.0 werden einige der Zahlreichen Varianten für SMD5050 dargestellt

• 1.0.1 WS2812B Streifen mit 30 LED pro Meter
• 1.0.2 WS2812B Streifen mit 60LED pro Meter
• 1.0.3 WS2812B Streifen mit 144 LED pro Meter
• 1.0.4 Sk6812 Streifen mit gleichen Unterteilungen wie oben
• 1.0.5 Kalt Weiß Streifen mit 60 LED pro Meter

Der nächste Schritt besteht darin die Außenmasse der SMD5050 auszumessen und zu vergleichen. Wie der Name SMD5050 schon beinhaltet stehen die Zahlen 5050 für die Masse 5mm an den Außenlinien (5050 ist gleich 5mm lang und 5mm breit). Zu meinem Erstaunen bewegen sich die SMDs nur im hundertstel Millimeter. Das heißt die Abweichungen sind marginal (2.0.1, 2.0.2) und für die Konstruktion zu vernachlässigen.

Anders sieht es bei der Höhe der LEDs aus, dort sind die Unterschiede etwas markanter (2.0.3, 2.0.4 und 2.0.5). Aber der größte Unterschied liegt bei den Lötungen mit mehr oder weniger Lötzinn. Die Unterschiede sind nun bekannt und können in der Konstruktion berücksichtigt werden.

Die meisten Probleme bereiten die Lötstellen und außenstehenden Widerstände. Die Lötstellen sind oft sehr unterschiedlich, manchmal etwas dicker und zuweilen ragen sie über die Seitenkante hinaus. Auch die Widerstände sind je nach Streifen an unterschiedlichen Stellen platziert.

Zuerst zeichne ich die Halteklammer (3.0.1) an der die LED später befestigt wird. Als nächstes gestalte ich den Halterahmen für die SMD5050, der später für die Klemmung der LED sorgt (3.0.2). Bei Bild 3.0.3 füge ich sogenannte Aussparungen hinzu. Diese Vertiefungen im Rahmen habe ich bei den verschiedenen LED-Streifen gemessen.

Nach diesen drei Hauptschritten drucke ich den ersten Prototyp mit meinem Lieblingsmaterial und favorisierten Drucker. Nach den ersten Versuchen die LED zu klammern war ich sehr zuversichtlich, dass es am Ende funktioniert. Natürlich muss man beim herausnehmen des Materials auch die Stabilität der Klammer im Auge behalten.

Die Entwicklung basiert auf meinen bisherigen Erfahrungen. Es ist ein Spagat zwischen Haltekraft, Stabilität und der Druckbarkeit. Die Anzahl der gedruckten Prototypen in diesem Fall fünfzehn Stück, sagt nur bedingt über die entstandene Arbeit aus. Fünfzehn Versuche ist eher wenig. Ich hatte Glück mit dem Grundkonzept und dass die Idee die Richtige war.

Im Bild 3.0.4 und 3.0.5 seht ihr noch die Veränderungen zu 3.0.3 in den Maßen und Formen wie z.B. das Anbringen von Fasen.

Herstellen der Klammer im 3D Drucker

Die CAD Entwicklung ist nun abgeschlossen. Als nächstes ist der Durckvorgang an der Reihe. Es müssen einige Faktoren berücksichtigt werden wie z.B. das richtige kalibrieren des 3D Druckers. Wenn man ein Gehäuse mit einem Deckel auf einem schlecht kalibrierten oder nicht kalibrierten 3D Drucker mit denselben Einstellungen und Material druckt, passt es immer zusammen. Es stimmen die Masse nicht aber die Bezüge von Gehäuse und Deckel sind gleich und darum passt es trotzdem.

Anders sieht es aus, wenn ein extern produziertes Bauteil wie die SMD5050 ins Spiel kommt. Dann muss die Masse in einem bestimmten Toleranzfeld übereinstimmen. Wenn man seinen 3D Drucker nicht kalibrieren will, kann man die Maße über den Slicer anpassen. Jeder Slicer bietet eine sogenannte Skalier Funktion. Der nächste Faktor hängt mit der Größe der Klammer zusammen, da die Klammer sehr klein ist muss die Düsenkühlung auf 100% eingestellt sein. Düsenkühlung ist eigentlich der falsche Begriff, da nicht die Düse, sondern das austretende Filament gekühlt werden soll. Bei kleinen Bauteilen kommt die heiße Düse schneller wieder am Werkstück vorbei, sodass dieses nicht richtig abkühlen kann. Dadurch verläuft das Filament und kann die gewünschte Form nicht halten.

Nicht zu unterschätzen ist auch die Druckrichtung. Bei unseren Klammern sollte die Druckrichtung seitlich stattfinden, also liegend gedruckt (4.0.1). Es schadet auch nicht einen BRIM vom Slicer generieren zu lassen (4.0.2).

Montage der SMD5050 Klammer

Für die Montage der Klammer ist es ratsam die einzelne LED oder den Streifen auf eine ebene Oberfläche zu legen und danach die Klammer von oben aufzudrücken. Die LEDs sind sehr stabil und können einiges aushalten. Wer Zweifel an der Haltekraft der Verbindung hat kann natürlich noch etwas Kleber hinzufügen. Man muss auch nicht jede LED am Streifen klemmen, es reicht völlig aus jede dritte oder vierte LED zu klemmen.

Ich habe unterschiedliche Varianten von Klammern konstruiert, die man verschrauben, klemmen und natürlich verkleben kann. Eine Einschränkung gibt es aber doch. Man kann die Klammer nur in zwei Richtungen anbringen. Bei der Konstruktion musste ich den Kompromiss eingehen, dass nur zwei Seiten für das Klipsen in Frage kommen. Man kann daher die Klammer nicht alle 90 Grad drehen und anbringen, sondern nur jeweils um 180 Grad. Kurz gesagt die Lötstellen müssen immer rechts und links von der Klammer stehen und nicht oben und unten. (siehe Bilder 5.0 – 5.1)

Anwendungsbeispiele

• 5.0.1, 5.0.2 WS2812B 60 LED/m
• 5.0.3 RGW auf Platine
• 5.0.4 WS2812B 144 LED/m (geht nur jede zweite LED zu Klipsen)
• 5.1.1 SK6812 verlötet auf Trägerplatte geklemmt
• 5.1.2 WS2812B verlötet drei Stück
• 5.1.3 RGW
• 5.1.4 CW mit Seitenclips rechts und links

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• Klemme für SMD5050

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Liste der Komponenten

• LED Teelicht Set
• Knopfzelle CR2032
• Jumper Kabel
• Schrauben

Vorgehensweise

Als erstes habe ich mir ein LED Teelichter Set bestellt. Dieses habe ich vermessen und untersucht, ob man sie an ein Kabel anschließen kann. Ich war durchaus überrascht von der Technik wie die LED Strom von der Batterie bekommt. Es ist simple aber gut durchdacht! Mit dem Ein- und Ausschalter wird ein Metallstift an den Rand der Batterie geschoben. Dieser Rand ist der Pluspol. Der andere Metallstift steht fest im Gehäuse und berührt dauerhaft den Boden der Batterie. Der Boden ist der Minuspol. Die Metallstifte erinnerten mich an Pins von Jumperkabeln. Wie ich die Kabel an die Teelichter angeschlossen haben, könnt ihr der nachfolgenden Bilderserie entnehmen.

Als Erstes müssen Deckel und Kontaktfolie entfernt werden. Danach wird die Batterie entnommen.

Im Batterieschacht sind nun die beiden Stromabnehmer sichtbar. Der Minuspol wird mittels eines Schraubendrehers oder einer Zange in die vertikale Position gebracht.

Anschließend entfernt man die schwarze Plastikhülle (female) an beiden Jumperkabeln mit einem Seitenschneider. Aber Vorsicht, die Metallklemmen dabei nicht beschädigen oder verdrücken!

Ein Jumperkabel wird an den Pluspol und am Minuspol jeweils über den Pin geschoben und angepresst. Danach sollte man die Haltefähigkeit der Pressverbindung testen. Wenn die Metallklemmen fest auf den Pin sitzen, sollte noch die Funktion der LED überprüft werden. Beispielsweise mittels der ausgebauten Batterie.

Die Fixierung der Kabel wird mit Heißkleber durchgeführt. Zum Schluss nach nochmaliger Prüfung der Funktion der LED bringe ich noch ein Steckergehäuse an den Kabeln an. Wie man ein solches Steckergehäuse konstruiert, findet ihr hier.

Als zweites benötige ich noch einen Halter für meine verkabelten Teelichter. Den Halter möchte ich selbst am CAD konstruieren und danach am 3D Drucker ausdrucken. Wie man einen solchen Teelichthalter in Solidworks konstruiert könnt ihr im nachstehenden Video ansehen:

Nachdem der Teelichthalter konstruiert und gedruckt wurde, wird er noch lackiert. Anschließend kann das verkabelte LED Teelicht in den Halter montiert werden. Natürlich sollte der Halter zuvor ordentlich entgratet werden. Die Vorgehensweise seht ihr im nächsten Bild.

Bei der Verwendung des vorgestellten Teelichthalters muss man darauf achten die Kabel durch die dafür vorgesehene Bohrung zu führen. Bitte auch darauf achten die Kabel bei Schritt 6.4 nacheinander in die Bohrung zu stecken.

Stromversorgung

Als drittes kümmere ich mich um die Stromversorgung der Teelichter. Dafür nutze ich ein USB Netzteil mit 5V und einen Step down Modul wie z.B. den LM2596s. Der Spannungswandler soll mir die benötigten 3V liefern die die Teelichter benötigen. Zum Glück habe ich in der Vergangenheit einige Gehäuse für den LM2596 konstruiert, die ich hier verwenden kann.

Mit dem hier verwendeten LM2596 reduziere ich die Spannung vom USB-Charger von 5V auf 3V für die LED. Man kann die Spannung auch unter 3V anlegen, dann verringert sich lediglich die Leuchtkraft der LEDs. Die Anordnung der Halter im Bild ist nur ein Beispiel.

Falls man eine unabhängige Stromquelle z.B. eine Powerbank benötigt, bietet sich meine Powerbank mit 3V-Ausgang an.

Montage

Bei der Montage der Teelichthalter können verschiedene Schrauben verwendet werden. Je nach Untergrund kann man beispielsweise Holzschrauben oder Zylinderkopfschrauben nutzen. Alternative kann man die Halterung auch direkt an die Wand mit Hilfe von Dübel schrauben. Zu beachten ist nur, dass der Schraubenkopf größer als 7 mm und kleiner als 11 mm im Durchmesser sein muss. Die Bohrung für die Schrauben hat einen Durchmesser von 5 mm. Die Bohrung für die Kabel liegt vertikal auf der Mittellinie der Schraubenbohrung und der Mittelpunktabstand zu dieser beträgt exakt 7 mm. Der Durchmesser der Kabelbohrung liegt bei 4,5 mm.

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• Teelichthalter

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Um etwas Ordnung in der Werkstatt zu schaffen habe ich einen Aufbewahrungsbehälter für CR2032 und baugleiche Batterien dieser Art entwickelt. Da gibt es zwar schon ein paar, aber alle hatten das gleiche Manko. Die Batteriebehälter für die CR2032 müssen immer mit der richtigen Seite nach oben geöffnet werden, da sonst alles auf den Boden fällt. Mein Batteriebehälter für die CR2032 bieten eine sichere und saubere Aufbewahrung ohne das die Zellen herausfallen können. Dazu hat man immer den Überblick über die Anzahl der vorhandenen Batterien.

Es gibt den Behälter  in 2 Ausführungen, einmal für 10 und einmal für 22 Knopfzellen. Der Behälter besteht je aus einer Schublade und einer Hülle (Container) und ist sicher gegen Stöße und Abstürze. Die Batterien werden einfach eingeklickt und halten fest in ihrem Schubfach.

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Konstruktion Batteriebehälter CR2032

Der Behälter muss stabil und langlebig sein, aber trotzdem eine handliche Dimensionen haben. Zudem muss jede einzelne Batterie fest in ihrem Fach sitzen und dennoch leicht zu entnehmen sein. Dazu stellte sich mir auch die Frage wie viele Batterien der Batteriebehälter für die 2032 eigentlich beinhalten sollte. Die meisten Sets bestehen aus 5, 6, 8 oder 10 Stück, teilweise sogar aus 20 Stück. Auf jeden Fall musste der Container in meine Schreibtischschublade passen. Da ich mir nicht sicher war über die Anzahl der zu lagernden Batterien, entschied ich mich für zwei Varianten, eine mit 10 Stück und eine mit 22 Stück.

Die Konstruktion am CAD beginnt mit der Lade also dem Einschubteil und zwar das lange Teil für 22 Stück. Die Breite des Schachts hängt natürlich von der Breite der Batterie ab, die Batterie ist 3mm dick, um genau zu sein 2,95mm, und braucht genügend Luft zwischen den einzelnen Wänden. Es reicht für jede Seite ein Spalt von 0,15-0,2mm, um keine Reibung zu erzeugen. Wenn wir also alles zusammenzählen entsteht eine Schachtbreite von 3,3-3,4mm. Die Haltekraft die dafür sorgt, dass die Batterie nicht aus dem Schacht fällt erzeugen wir mit dem Kantentrick. Wir erstellen eine kreisrunde Tasche im Mittelpunkt des Einschubes mit einem größeren Durchmesser als die Batterie. Danach schneiden wir das Material über dem Mittelpunkt ca. 1 bis 3 mm ab, so entsteht eine Kante. Diese Kante muss im absoluten Längenmaß etwas kleiner als der Durchmesser der Batterie sein (In diesem Fall kleiner als 20mm). Wenn man nun die Batterie in den Schacht schiebt muss sie die Kante überwinden, was durch die Elastizität des Materials auch möglich ist.

Nun sitzt die Batterie im Schacht und kann nicht mit ihrem Eigengewicht die Kante in die andere Richtung überwinden. Dieses Prinzip ist eigentlich recht simpe, mit dem nötigen Wissen über Material, Fertigungstoleranzen, Kräfte und Haltemomente. Am Ende war es eine Mischung aus Erfahrung und einigen Probedrucken, bis das optimale Ergebnis erreicht wurde. Jetzt passt die Batterie sauber in den Schacht und hält perfekt. Und mit sanftem Druck lässt sich die Batterie auch wieder aus dem Schacht entfernen.

Das nächste Ziel war es den Einschub so zu konstruieren, dass dieser in die Hülle sicher hält. Das ist ebenfalls ein Zusammenspiel aus Materialelastizität und dem richtigen Durchmesser am Bund, der die Konstruktion zusammenhält. Nach ein paar Probedrücken war ich zufrieden.

Die Hülle des Batteriebheälters CR2032 ist schnell konstruiert. Im Grunde ist es ein Zylinder mit Boden. Der Innendurchmesser wurde an das Einschubmaß angepasst um die Verriegelung zu gewährleisten und die Bohrung im Hülsenboden dient der Entlüftung, denn wenn der Einschub in die Hülse geschoben wird muss die Luft entweichen können.

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• Batteriebehälter CR2032

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Daher habe ich einen Schnellverbinder im CAD designt mit dem Jumper Kabel sehr einfach verlötet werden können. Der Verbinder dient als ideale Löthilfe. Natürlich muss auch der Litzen Querschnitt für die benötigte Amperezahl ausreichen! Auf dem Markt gibt es hauptsächlich minderwertige Schnellverbinder. Meine STL Datei ist dagegen günstig und funktioniert einwandfrei.

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Liste der Komponenten

• 4 Pin RGB LED Streifen
• Jumper Kabel
• Schrumpfschlauch
• Heißkleber

Anwendung im Projekt

Für ein größeres Projekt brauchte ich 16 RGB Streifen mit je 21 LEDs. Die Streifen wurden nachher in eine 3D gedruckte Fassung geschoben. Der LED-Streifen wurde direkt an der vormarkierten Stelle mit einer handelsüblichen Schere getrennt (meistens sind die RGB-Streifen nach jeder dritten LED teilbar).

Bei den Jumper-Kabeln habe ich eine Seite männlich und die andere weiblich gewählt. Die Seite mit den PINs (männlich) wurden an den RGB-Streifen gelötet und die Buchse (weiblich) als Stecker benutzt. Es ist entscheidend Jumper-Kabel mit quadratischem Gehäuse (Standardabmessung: 2,54 mm). Die Länge des Plastikgehäuses spielt keine Rolle. Je nach Marke sind die Plastikgehäuse 12 mm oder 14 mm lang.

Ablauf

Da keine Vorarbeit an den Kabeln notwendig ist kann direkt mit dem Löten begonnen werden. Ich bevorzuge zuerst am RGB-Streifen an den Lötstellen (Kupferschicht) Lot aufzubringen.  Danach löte ich die PINs an die Lötstellen ohne zusätzliches Lot. Die PINs sollten nicht zu tief Richtung LED verlötet werden und die Ausrichtung muss passen.

Anschließend kommt der Verbinder ins Spiel. Dieser Verbinder ist an der RGB Seite und nach oben offen. Der RGB-Streifen wird in den Verbinder eingelegt, sodass die Lötstellen sich im Verbinder befinden. Im Anschluss werden die vier Kabel in die Schlitze gedrückt und die Lötstellen evtl. mit Heißkleber versiegelt. Ich empfehle zur Sicherheit noch einen 12er Schrumpfschlauch anzubringen. Dadurch erhält man eine superstarke Verbindung!

Arbeitsschritte in Bildern

Vorteile:

• Keine Kabelvorbereitung
• Starke Verbindung
• Einfacher 3D Druck

Nachteile:

• Benötigt mehr Platz
• STL Datei nur für RGB Streifen mit 10 mm Breite

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• • STL Datei der Anlöthilfe

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Liste der Bauteile:

• 4 x Magnet 2x10x30 Neodym vernickelt N42
• 2 x Passstift dia 4×24

Konzept zur Entwicklung des Magnetwinkel:

• Teile aus dem 3D Drucker
• Preiswerte Neodym Magnete
• Leicht zu bedienende Technik
• Keine runde Form
• Stabile und leichte Bauweise

Umsetzung des Magnetwinkel mit 100 mm

Für die Teile aus dem 3D Drucker werden STL Dateien benötigt. Diese können durch ein CAD Programm generiert werden. Wie immer verwende ich als CAD zum Konstruieren Solidworks.

Die Idee war ein Winkel zu konstruieren ähnlich wie der, welcher beim Schweißen als Stütze oder Halter genutzt wird. Für die Magnettafel braucht es natürlich Magnete. Ich habe Quadermagnete aus Neodym vernickelt gewählt mit den Abmessungen 2 x 10 x 30 mm.

Die Magnetstärke beträgt „N42“ und ist weder zu schwach noch zu stark. Der Wert „N42“ beschreibt die Energiedichte des Neodym-Magnetes und wird meistens unterteilt in N35 bis N54.

Daraus folgt je höher die Zahl desto stärker ist der Magnet. Die Beschichtung mit Nickel dient dabei zum Schutz vor Korrosion. Die Dimensionen des Magnetes bestimmen die Abmessungen an dem Winkel. Der Einfachheit halber wurde dieser gleichschenklig konstruiert. Ein Schenkel mit 100 mm Länge und einer Breite von 25 mm dürfte für einen kleinen 3D-Drucker keine Herausforderung sein.

Zur Verbesserung der Stabilität und zur Verwindungssteifigkeit habe ich 10 mm hohe Wände mit einer Dicke von 3 mm konstruiert. Die Magnete werden am Boden mit Aussparrungen versenkt. Zu beachten ist, dass bei den Aussparrungen ein Übermaß von 0,15 mm eingeplant wurde, damit zum Festkleben der Magnete der Kleber genügend Platz hat. Es sollte ein hochwertiger Kleber verwendet werden, wenn man lange Freude am Magnetwinkel haben will.

Zum Entfernen des Winkels von der Tafel wären unterschiedliche Varianten denkbar gewesen. Eine Möglichkeit wäre eine Schraube, die beim Drehen den Winkel von der Magnettafel drückt. Der Vorteil wäre gewesen, dass nur ein einziges Gewinde im Winkel konstruiert werden hätte müssen. Der Nachteil wäre, dass eine Schraube ohne Schutz die Oberfläche der Tafel beschädigen würde und darüber hinaus viele Umdrehungen notwendig wären. Eine bessere Lösung war daher ein sogenannter Exzenter um den Winkel ohne großen Kraftaufwand loslösen zu können.

Dabei galt es ein paar Punkte zu beachten. Der Exzenter durfte nicht einfach irgendwo platziert werden, sondern musste so nah wie möglich am Magnet befestigt werden. Der Anstieg beim Betätigen des Exzenters sollte exponentiell sein, da der Magnet mit zunehmendem Abstand an Stärke verliert. Das bedeutet, um die Hebellänge des Exzenters so kurz wie möglich zu halten wurde der Abstand zwischen den Magneten und der Tafel erst nur minimal und dann immer schneller größer. Der voll geöffnete Exzenter besitzt 3 mm. Mit diesem Wert kann der Winkel leicht von der Tafel entfernt werden.

Pro Schenkel wurde ein Exzenter zwischen den Magneten fixiert. Für die Drehachse des Exzenters wurde ein nicht gehärteter Passstift mit einem Durchmesser von 4 mm genutzt. Alternativ kann auch eine M4 Schraube genutzt werden, die aber mit einer Mutter befestigt werden muss.

Die Teile wurden gedruckt, zusammengebaut, verklebt, und konnten anschließend getestet werden. Das Ergebnis war an verschiedenen Tafeln und Stahlblechen mehr als zufriedenstellend. Die Haltekräfte sind hervorragend, allerdings sollte fairerweise erwähnt werden, dass die Winkel manchmal leicht verrutschen. Daher wurde bei einigen Winkeln ein Antirutschband aufgeklebt.

Bitte bei der Verwendung des Magnetwinkels beachten:

• Anbringen nur mit geöffnetem Exzenter
• Haltekraft hängt überwiegend von der Qualität der Magnettafel ab
• Neodym Magnete sind kein Spielzeug (Verletzungsgefahr!)
• Guten Kleber nutzen

Download Dateien

• STL Dateien für Winkel und Exzenter
• Alternative STL Datei für die Magnethalterung

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