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Montageplanung und Materialwahl

Bevor ich mit dem Bau beginne, überlege ich mir zunächst, wo die Solarpanels montiert werden sollen: Eins am Gartenschuppen, zwei am Balkongeländer,  und eines am Mast der Wetterstation.

Am Gartenschuppen steht eine gerade Holzwand zur Verfügung, was einen flachen Halter erforderlich macht. Das Balkongeländer sowie der Mast hingegen haben jeweils einen Durchmesser von 30 mm – hier ist ein Halter mit Rundung notwendig. Aktuell benötige ich also zwei unterschiedliche Befestigungstypen.

Als Solarpanel verwende ich ein monokristallines 2-Watt-Modul mit etwa 6 V Ausgangsspannung (siehe Bild 1.0.1). Für den elektrischen Anschluss am Panel habe ich mich für eine Standard-Hohlbuchse mit 5,5×2,1 mm entschieden (siehe Bild 1.0.2). Kabel und Schrauben sind in der Darstellung nicht enthalten, da sie je nach Anwendung variieren können. Die Panels sind im Fünfer- oder Zehnerpack bei diversen Onlinehändlern erhältlich. Ihre Abmessungen betragen 120 × 110 mm (Länge × Breite), wobei die Höhe zwischen 1,3 mm und 1,8 mm schwanken kann.

Konstruktion des Gehäuses

Das zentrale Bauteil für die Solarpanelhalterung ist der Rahmen. Er übernimmt sowohl die Stabilität als auch die Dichtfunktion des Gehäuses. Der Rahmen muss verwindungssteif sein, alle notwendigen Gewinde aufnehmen können und dabei dennoch kompakt bleiben. Das Solarpanel wird von hinten mit Leisten in seinen Sitz gepresst, sodass es an der Vorderseite dicht abschließt.
Um einen gleichmäßigen Anpressdruck zu erzeugen, sind mehrere Schrauben notwendig (siehe Bild 2.0.1).

Auf der Rückseite befindet sich ein Deckel (Bild 2.0.2), der zur Stabilität in X-Form verstärkt ist. Dieser Deckel nimmt außerdem die Hohlbuchse (5,5 × 2,1 mm) auf, die später mit einer kleinen Brücke befestigt wird. Eine der insgesamt vier Anpressleisten, die das Panel in den Rahmen drücken, ist in Bild 2.0.3 zu sehen. Zur Befestigung an Geländern oder Wänden kommt der Gelenkhalter (Bild 2.0.4) zum Einsatz. Dieser dient als Aufnahme für den Haltehebel, der das Gehäuse sicher fixiert und eine flexible Ausrichtung ermöglicht.

Auf Bild 2.1.1 ist der Halte Arm zur Geländer Befestigung angezeigt mit einem 30mm Durchmesser am Ende. Das Gegenstück für den Halter sieht man auf Bild 2.1.2. Die Brücke (Bild 2.1.3) zum Befestigen der Hohlbuchse am Deckel.

3D-Druck der Bauteile

Für den 3D-Druck habe ich folgende Druckausrichtungen für den Prusa MK4 gewählt (siehe Bild 3.0.1 und 3.0.2).
Besonders wichtig: Die Leiste muss natürlich viermal gedruckt werden, da sie an allen vier Seiten des Solarpanels zum Einsatz kommt.

Gewindeschneiden

Kommen wir nun zu meiner Lieblingsbeschäftigung: dem Gewindeschneiden. Zugegeben – gerade im Rahmen gibt es einiges zu tun (siehe Bild 3.1.1): Die grünen Markierungen zeigen 12× M3-Gewinde, die gelben 4× M3-Gewinde an.

Für alle, die nicht zu den größten Fans des Gewindeschneidens zählen, gibt es eine alternative Variante des Rahmens. Dieser ist mit Schlitzen zur Aufnahme von normalen M3-Muttern ausgestattet. Die passende Datei trägt den Namen: Deckel110x120_V1-2.stl (siehe Bild 3.1.3).
Die Vertiefungen für die Muttern sind zusätzlich in Bild 3.1.4 und 3.1.5 gut zu erkennen.

Beim Rückendeckel (Bild 3.1.2) lässt sich das Schneiden von Gewinden allerdings kaum vermeiden: Hier sind 3× M3-Gewinde und 2× M2-Gewinde notwendig.
Alternativ können jedoch auch selbstschneidende Schrauben verwendet werden – das spart Werkzeuge und Zeit.

Verlöten und Montage

Wenn alle 3D-Druckteile gereinigt und mit Gewinden versehen sind, kann das Solarpanel angeschlossen und verlötet werden.

Elektrische Anschlüsse

Die erste Hürde besteht darin, herauszufinden, wo sich der Pluspol am Panel befindet.
Auf der Rückseite des Solarpanels befinden sich lediglich zwei Lötlaschen, aber keine Kennzeichnung – also: Plus oder Minus? Um das schnell und eindeutig festzustellen, benötigen wir ein Multimeter. Stellen wir es auf Gleichspannungsmessung (DC) ein, hilft es uns, die Polarität zu erkennen.

Im Bild 4.0.1: Die rote Leitung (Plus) des Multimeters liegt auf einer der Lötlaschen, die schwarze Leitung (Minus) auf der anderen. Erscheint nun im Display ein Minuszeichen vor dem Messwert, bedeutet das, dass die rote Leitung am Minuspol liegt – also ist die gegenüberliegende Lasche der Pluspol des Solarpanels.

Im Bild 4.0.2 sehen wir die umgekehrte Konfiguration: Die rote Leitung liegt auf dem Pluspol des Panels, die schwarze Leitung auf dem Minuspol. In diesem Fall erscheint kein Minuszeichen im Display – die Polarität stimmt,
und wir wissen nun sicher, wo der Pluspol des Solarpanels ist.

Jetzt wird die Hohlbuchse mit dem Solarpanel verlötet. Welche Anschlüsse dabei verbunden werden müssen, zeigt Bild 4.1.1 deutlich.
Im Bild 4.1.2 sieht man die fertige Verlötung im eingebauten Zustand.

Zusätzlich habe ich am Pluspol der Hohlbuchse eine Diode angelötet (siehe Bild 4.1.3).
Diese schützt vor Rückstrom: Sollte am angeschlossenen Verbraucher keine eigene Schutzdiode vorhanden sein, würde das Solarpanel im Dunkeln Energie aus dem Akku ziehen – und ungewollt als Heizung arbeiten.

Ein typisches Beispiel:
Wenn ein Laderegler keine integrierte Diode besitzt, kann der Akku das Panel bei fehlendem Sonnenlicht rückwärts entladen.

Die Einbaurichtung der Diode ist entscheidend, damit der Strom nur in eine Richtung fließen kann.

Montage der Hohlbuchse und Einsetzen des Panels

Die Montage der verlöteten Hohlbuchse an der Haltebrücke ist in Bild 4.2.1 dargestellt.
Dazu wird die Hohlbuchse in die große Öffnung der Haltebrücke geschoben, bis das Gewinde auf der anderen Seite herausragt. Anschließend wird die Mutter auf das Gewinde gesetzt und festgezogen – das Ergebnis zeigt Bild 4.2.2. Nun wird das Solarpanel in den Haltesitz des Rahmens eingesetzt (siehe Bild 4.2.3, roter Rahmen).
Wer die Dichtigkeit erhöhen möchte, kann vor dem Einsetzen des Panels etwas elastischen Kleber gleichmäßig in den Sitz auftragen. Sitzt das Solarpanel korrekt, wird die erste Leiste aufgesetzt und mit einer Schraube in der Mitte leicht angezogen (siehe Bild 4.2.4, magenta Kreis). Zur Veranschaulichung nochmal eine Seitenansicht in Bild 4.2.5.

Befestigung der Leisten und Verschraubung

Nach und nach werden die restlichen Leisten jeweils mit der Schraube in der Mitte angebracht (siehe Bild 4.3.1). Anschließend werden die restlichen Schrauben eingesetzt, aber noch nicht fest angezogen (siehe Bild 4.3.2). Wenn das Solarpanel gleichmäßig sitzt, werden zuerst die mittleren Schrauben jeder Leiste fest angezogen.
Danach werden alle übrigen Schrauben festgezogen und nach einer kurzen Zeit nochmals nachgezogen. Falls das Solarpanel noch Spiel hat, kann man zwischen Solarpanel und Leiste etwas unterlegen, bis es fest sitzt. In Bild 4.3.3 sieht man, wie die Hohlbuchse samt Haltebrücke an der Innenseite des Rückendeckels befestigt wird.
Zum Abschluss wird der Rückendeckel mit vier Schrauben auf den Rahmen geschraubt (siehe Bild 4.3.4).

Bis zur Fertigstellung des Halters sind nur noch wenige Schritte nötig:
Zuerst wird die M6-Mutter in den Gelenkhalter eingepresst (siehe Bild 4.4.1).
Anschließend wird der Halter für das Geländer mit einer M6-Schraube am Gelenkhalter befestigt (siehe Bild 4.4.2).
Der Gelenkhalter wird nun mit drei M3-Schrauben am Rückendeckel verschraubt.
Nicht zu vergessen: Die M3-Muttern müssen in den Gegenhalter eingepresst werden, der später für die Montage am Geländer verwendet wird (siehe Bild 4.4.4).

Explosionszeichnung

Zur besseren Übersicht gibt es eine Explosionszeichnung des Solarpanelhalters in Bild 4.5.1.

Anmerkung

Natürlich gibt es auch alternative Befestigungsmöglichkeiten. So könnte man das Solarpanel beispielsweise im Garten am Blumenbeet anbringen – dort besteht jedoch die Gefahr, dass wachsende Pflanzen es nach und nach verdecken. In diesem Fall bietet sich ein Halter mit Aluminiumrohr und Erdspieß an (siehe Bild 5.0.1).
Auch auf dem Balkon lässt sich das Panel befestigen, etwa an Blumenkästen, die das Geländer verdecken. Hierfür gibt es ebenfalls eine passende Halterung mit Aluminiumrohr (siehe Bild 5.0.2).
Darüber hinaus ist auch eine Montage an einer Wand oder an einem Pfosten vorgesehen (siehe Bild 5.0.3).

Des Weiteren plane ich die Konstruktion eines Solarpanelhalters mit integriertem USB-C-Ausgang.

Das Solarpanel ist eine ideale Ergänzung für meine Kleingeräte und Sensoren im Außenbereich – und das sogar im Winter! Die benötigten Kabel lassen sich je nach Anforderung entweder selbst konfektionieren oder einfach kaufen. Grundsätzlich gilt dabei: je kürzer, desto besser.

Viel Freude beim Nachbauen – oder vielleicht hat dich dieses Projekt sogar inspiriert, selbst kreativ zu werden.

Dateien zum Herunterladen

• Solarpanelhalterung Gehäuse

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Einen VPS bei Hetzner einrichten

Hetzner bietet oft Empfehlungslinks mit Guthaben-Vorteilen für Neukunden. Selbstverständlich kann man auch andere Anbieter nutzen, aber Hetzner ist preislich attraktiv und bietet solide Leistungen.

Was ist ein VPS?

Ein Virtual Private Server (VPS) ist ein virtueller Server, der auf einer physischen Maschine betrieben wird und als eigenständiger Server agiert. Er bietet mehr Kontrolle als klassisches Shared Hosting und ist eine kostengünstige Alternative zu dedizierten Servern. Der Zugriff erfolgt in der Regel per SSH (Secure Shell), wodurch wir den Server über die Kommandozeile steuern können.

SSH-Zugriff auf den VPS

Nach dem Erstellen eines VPS erfolgt die Verwaltung meist über eine Secure Shell (SSH). SSH ist ein Protokoll, das verschlüsselte Verbindungen zu entfernten Servern ermöglicht. Um sich mit dem Server zu verbinden, nutzt man folgenden Befehl:

ssh root@<IP-Adresse-des-Servers>

Falls ein SSH-Schlüssel hinterlegt wurde, kann die Authentifizierung per Public-Key-Authentifizierung erfolgen, was sicherer als ein Passwort ist.

Server bei Hetzner erstellen

1. Nach der Anmeldung in der Hetzner Cloud navigieren wir zu „Projekte“ und erstellen ein neues Projekt.
2. Danach wählen wir „Server hinzufügen“ und können eine Instanz konfigurieren.
3. Für den Anfang reicht oft das günstigste Modell aus. Ich empfehle jedoch, die Option für eine IPv4-Adresse zu aktivieren, da rein IPv6-basierte Setups oft Kompatibilitätsprobleme verursachen.

Domain einrichten

Um die Anwendung später unter einer eigenen Domain zu erreichen, muss man eine Domain registrieren und mit dem Server verknüpfen.

Domain bei Hetzner beantragen

1. In der Hetzner ConsoleH eine neue Domain registrieren oder eine bestehende Domain hinzufügen.
2. Um DNS-Einträge zu verwalten, müssen wir den DNS-Zugriff aktivieren.

Nameserver setzen

Folgende Nameserver sollten genutzt werden:

helium.ns.hetzner.de. 
hydrogen.ns.hetzner.com. 
oxygen.ns.hetzner.com.

Diese neuen Nameserver bieten bessere Performance und Flexibilität im Vergleich zu den alten Hetzner-Nameservern:

ns1.first-ns.de.
robotns2.second-ns.de.
robotns3.second-ns.com.

Beide Nameserver Varianten sind aber möglich! Die DNS Änderungen brauchen etwas Zeit. Mit Tools wie MXToolbox können wir aber überprüfen, ob die Änderungen bereits stattgefunden haben.

Domain mit dem Server verbinden

Nun muss die IP-Adresse des Servers mit der Domain verknüpft werden:

1. In der Hetzner Cloud zu DNS-Zonen wechseln.
2. Die registrierte Domain auswählen.
3. Einen neuen A-Record erstellen und die IPv4-Adresse des Servers eintragen.
4. Falls vorhanden, den IPv6-Record (AAAA) entfernen, um Kompatibilitätsprobleme zu vermeiden.

Mit MXToolbox kann man auch hier prüfen, ob die DNS-Änderungen bereits übernommen wurden.

Kubernetes einrichten

Kubernetes ist ein leistungsfähiges Orchestrierungstool für Container. Ich verwende k3s, eine schlanke Kubernetes-Variante, die sich besonders gut für kleinere Umgebungen eignet.

K3s auf dem Server installieren

Per SSH auf den Server verbinden und k3s mit folgendem Befehl installieren:

curl -sfL https://get.k3s.io | sh - 

Das Skript installiert k3s und startet den Kubernetes-Dienst. Nach der Installation kann k3s mit folgendem Befehl überprüft werden:

kubectl get nodes

k3s bringt eine eigene kubectl-Version mit, sodass keine separate Installation nötig ist.

YAML-Files für FE, BE, MySQL und Redis erstellen

Für das Deployment unserer Anwendung brauchen wir YAML-Dateien für:

• Frontend (Angular)
• Backend (NestJS)
• Datenbank (MySQL)
• Session-Management (Redis)

Eine Deployment-Datei für das Backend könnte so aussehen:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: backend
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: backend
  template:
    metadata:
      labels:
        app: backend
    spec:
      containers:
        - name: backend
          image: dockerhub-user/backend:latest
          ports:
            - containerPort: 3000
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: backend-service
spec:
  selector:
    app: backend
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 3000
  type: ClusterIP

Was sind Deployments und Services?

• Deployments verwalten die Bereitstellung und Skalierung von Containern.
• Services sorgen für eine stabile Netzwerkverbindung zwischen Containern.
• ClusterIP bedeutet, dass der Service nur innerhalb des Kubernetes-Clusters erreichbar ist.

Caddy als Reverse Proxy einrichten

Damit eingehender Traffic richtig verteilt wird, wird ein Reverse Proxy benötigt. K3s bringt standardmäßig Traefik mit, allerdings habe ich mich für eine einfachere Lösung entschieden: Caddy. Ich war echt erstaunt wie wenig Anleitungen bzw. Dokumentation es zu Caddy in Kombination mit Kubernetes gibt.

Warum Kubernetes mit Caddy?

• Automatische Let’s Encrypt SSL-Zertifikate
• Einfache Konfiguration per Caddyfile
• Built-in Load Balancer

Traefik entfernen

kubectl delete helmrelease traefik -n kube-system

Caddy Deployment erstellen

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: caddy
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: caddy
  template:
    metadata:
      labels:
        app: caddy
    spec:
      containers:
        - name: caddy
          image: caddy
          volumeMounts:
            - name: caddy-config
              mountPath: /etc/caddy/Caddyfile
      volumes:
        - name: caddy-config
          configMap:
            name: caddy-config
---
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: caddy-config
data:
  Caddyfile: |

    example.com {
        reverse_proxy backend-service:3000
    }

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: caddy-service
spec:
  type: LoadBalancer
  selector:
    app: caddy
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 80
    - port: 443
      targetPort: 443

Wichtig: Da Let’s Encrypt ein Rate-Limit hat, sollten Tests zunächst mit Staging-Zertifikaten erfolgen!

Fazit

Nach diesen Schritten läuft die Anwendung nun in einem Kubernetes-Cluster auf einem Hetzner VPS und ist über eine eigene Domain erreichbar. Als nächstes würde es sich anbieten eine automatische CI/CD-Pipeline einzurichten, um neue Versionen ohne manuellen Aufwand zu deployen.

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Erstellung der Docker Compose Yml

Mit Docker Compose können alle Komponenten einer Anwendung über eine einzige Konfigurationsdatei definiert und gemeinsam gebuildet bzw. gestartet werden.

version: '3.8'

services:
  frontend:
    build: ./frontend
    ports:
      - "80:80"
    depends_on:
      - backend

  backend:
    build: ./backend
    ports:
      - "3000:3000"
    depends_on:
      - mysql
      - redis
    environment:
      - DATABASE_URL=mysql://user:password@mysql:3306/db
      - SESSION_STORE=redis://redis:6379

  mysql:
    image: mysql:8.0
    environment:
      MYSQL_ROOT_PASSWORD: root
      MYSQL_DATABASE: db
    ports:
      - "3306:3306"

  redis:
    image: redis:latest
    ports:
      - "6379:6379"

Erstellung der Env Datei

Um Umgebungsvariablen zentral zu verwalten, erstellen wir eine .env Datei:

DATABASE_URL=mysql://user:password@mysql:3306/db 
SESSION_STORE=redis://redis:6379

Wichtig: Alle ENV-Variablen, die im Code verwendet werden, müssen auch in docker-compose.yml vorkommen!

Docker-Image für das Frontend

Das Angular-Frontend muss für die Produktion gebaut werden. Hier ein Beispiel-Dockerfile:

FROM node:20 AS build
WORKDIR /app
COPY package.json package-lock.json ./
RUN npm install
COPY . .
RUN npm run build --prod

FROM nginx:alpine
COPY --from=build /app/dist /usr/share/nginx/html
COPY nginx.conf /etc/nginx/nginx.conf

Da wir für den Build auf nginx angewiesen sind brauchen wir auch eine entsprechende Config Datei:

server {
  listen 80;
  server_name _;

  location / {
    root /usr/share/nginx/html;
    index index.html;
    try_files $uri $uri/ /index.html;
  }
}

Docker-Image für das Backend

Auch das NestJS-Backend muss gebaut werden. Hier ein optimiertes Dockerfile

# Build stage
FROM node:20 AS build
WORKDIR /app
COPY package.json package-lock.json ./
RUN npm install
COPY . .
RUN npm run build

# Production stage
FROM node:20-alpine
WORKDIR /app

COPY --from=build /app/dist ./dist
COPY package.json package-lock.json ./
RUN npm install --only=production
CMD ["node", "dist/main.js"]

Builden der App mit Docker Compose

Nachdem alle Dockerfiles konfiguriert wurden können jetzt die Images gebuildet werden. Mit Docker compose ist das ganze wirklich einfach.

docker compose up -d --build

Anschließend sind die Images fertig, die Container gebaut und die App kann lokal direkt ausgetestet werden! Als letzer Schritt müssen die Images noch auf DockerHub hochgeladen werden, damit sie später leichter für das Deployment auf einem Server genutzt werden können.

Hochladen auf Docker Hub

Das Hochladen wird nachfolgend Schritt für Schritt erklärt:

1. Erstelle einen Account bei Docker Hub.
2. Erstelle ein Repository für das Frontend und Backend (1 privates Repo ist aktuell kostenlos).
3. Baue die Images und tagge sie:

   docker tag <image-id> dockerAccountName/frontend:latest
   docker tag <image-id> dockerAccountName/backend:latest

4. Melde dich an und pushe die Images:

   docker login
   docker push dockerAccountName/frontend:latest
   docker push dockerAccountName/backend:latest

Ausblick: Deployment mit Kubernetes

Da die Images nun auf Docker Hub sind, steht dem Deployment nichts mehr im Wege. Ich habe mich für ein Kubernetes-Cluster auf einem Hetzner-VPS entschieden. Mehr Infos dazu hier.

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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.

Dateien zum Herunterladen

• Tastenfeldschloss Gehäuse

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Schritt 1: NestJS auf Vercel hosten

Das Wichtigste zuerst: Die Grundeinstellungen für die Bereitstellung auf Vercel. Vercel ist großartig für Serverless, aber die Arbeit mit NestJS benötigt ein paar Anpassungen. Die Hauptsache ist, eine vercel.json-Konfigurationsdatei einzurichten, die Vercel genau sagt, wie die App zu behandeln ist.

Hier ist die Endkonfiguration:

{
  "version": 2,
  "builds": [
    {
      "src": "src/main.ts",
      "use": "@vercel/node"
    }
  ],
  "routes": [
    {
      "src": "/(.*)",
      "dest": "src/main.ts",
      "methods": [
        "GET",
        "POST",
        "PUT",
        "PATCH",
        "OPTIONS",
        "DELETE",
        "HEAD",
        "CONNECT",
        "TRACE"
      ]
    }
  ]
}

Ich habe daraufhin in Vercel folgende Fehlermeldung erhalten:

This Serverless Function has crashed. Your connection is working correctly. 
Vercel is working correctly. 500: INTERNAL_SERVER_ERROR 
Code: FUNCTION_INVOCATION_FAILED ID: bom1::sgk4v-1711014022883-1e9ed54f4c37

Bei einem Blick in die Logs stellte ich fest, dass die Datenbankverbindung ein Problem darstellte und außerdem die folgende Logmeldung angezeigt wurde:

No exports found in module "/var/task/app-name/src/main.js".
Did you forget to export a function or a server?

Es stellte sich heraus, dass ich den zweiten Teil der Fehlermeldung ignorieren und mich nur auf die Datenbankverbindung konzentrieren musste.

Schritt 2: Konfigurieren der Datenbank

Für meine Anwendung habe ich eine mysql-Datenbank mit mehreren Schemata verwendet. Ich habe mehrere kostenlose Angebote ausprobiert, aber sie waren nicht mit dem Ansatz mehrerer Schemata kompatibel. Daher habe ich mich für das Hosting bei Google Cloud entschieden. Ich habe es auf einen Preis von 0,01 $ pro Stunde heruntergeschraubt und das 300 $-Einsteigerangebot genutzt.

Um Vercel eine Verbindung zu ermöglichen, musste in der Konfiguration von Google Cloud die IP-Adresse auf 0.0.0.0/0 gesetzt werden, so dass die Datenbank von jeder IP-Adresse aus zugänglich war.

Schritt 3: Umgang mit CORS

Die CORS Fehler haben auch für einige Kopfschmerzen gesorgt. Stelle sicher, dass OPTIONS für CORS Preflight-Anfragen zugelassen wird, da Vercel eine explizite Erlaubnis für Cross-Origin-Anfragen benötigt. Am Ende musste ich eine Menge Header hinzufügen, um sicherzustellen, dass die Anfragen erlaubt waren:

app.enableCors({
    origin: 'domain-name',
    credentials: true,
    methods: 'GET,HEAD,PUT,PATCH,POST,DELETE,OPTIONS',
    allowedHeaders: [
      'Origin',
      'X-Requested-With',
      'Content-Type',
      'Accept',
      'Authorization',
    ],
  });

Schritt 4: Umstellung auf express-session und Redis für die Sitzungsverwaltung

Einer der kniffligsten Teile war die Sessions zum Laufen zu bringen. Ich begann mit der cookie-session Bibliothek, aber Vercel ignoriert sie komplett. Nach einem Blick in die Dokumentation und einigem Ausprobieren wechselte ich zur express-session Bibliothek, da sie populärer ist und besser mit Vercels serverloser Umgebung funktioniert.

Aus irgendeinem Grund muss die Import-Syntax genau so aussehen:

import session = require('express-session');

Außerdem musste ich die Sitzungsmiddleware mit aktiviertem Vertrauensproxy konfigurieren, da Vercel Anfragen proxifiziert. So sieht die Einstellung aus:

const expressApp = app.getHttpAdapter().getInstance();
expressApp.set('trust proxy', true);

Auch die Einstellung secure: true und sameSite: ’none‘ war wichtig, um sicherzustellen, dass Cookies über HTTPS und verschiedene Domainanfragen funktionieren!

Beachten, dass mit Vercel mehrere serverlose Instanzen Anfragen bearbeiten können, was bei parallelen Anfragen leider zu Sitzungskonflikten führt. Um dies zu beheben, habe ich meinen Sitzungsspeicher mit einer Redis-Instanz verbunden. Glücklicherweise war das super einfach.

Redis hält die Sitzungsdaten konsistent und vermeidet Konflikte zwischen Anfragen, insbesondere unter Last. Hier der Code:

const expressApp = app.getHttpAdapter().getInstance();
expressApp.set('trust proxy', true);

const redisClient = createClient({
    password: process.env.REDIS_PASSWORD,
    socket: {
      host: process.env.REDIS_HOST,
      port: parseInt(process.env.REDIS_PORT, 10),
    },
  });

  redisClient
    .connect()
    .catch((err) =>
      console.log('Could not establish a connection with Redis: ' + err),
    );

  redisClient.on('error', (err) => console.log('Redis error: ' + err));
  redisClient.on('connect', () =>
    console.log('Connected to Redis successfully'),
  );

  app.use(
    session({
      store: new RedisStore({ client: redisClient }),
      secret: process.env.COOKIE_SECRET,
      cookie: {
        secure: process.env.NODE_ENV !== 'development',
        sameSite: process.env.NODE_ENV === 'development' ? 'lax' : 'none',
        maxAge: 86400000,
      },
    }),
  );

Schritt 5: Hinzufügen von withCredentials im Frontend

Dieser Schritt ist nur eine Randnotiz: Damit Session-Cookies zwischen Frontend und Backend funktionieren, muss withCredentials in den HTTP-Anfragen meines Frontends auf true gesetzt werden. Dies ermöglicht die Einbeziehung von Cookies in herkunftsübergreifende Anfragen, was wichtig ist, wenn das Frontend und das Backend getrennt gehostet werden. Ich musste sicherstellen, dass der HTTP-Client von Angular diese Einstellung aktiviert hat.

Schritt 6: Schriftart hinzufügen

Um Schriftdateien in Ihr NestJS-Projekt einzubinden, muss man die CompilerOptions in der nest-cli.json-Datei verwenden, um Assets für die Build-Ausgabe zu definieren, z. B. durch die Angabe von „include“: „**/*.ttf“ und ‚outDir‘: „dist/src“.

{
  "$schema": "https://json.schemastore.org/nest-cli",
  "collection": "@nestjs/schematics",
  "sourceRoot": "src",
  "compilerOptions": {
    "assets": [
      {
        "include": "**/*.ttf",
        "outDir": "dist/src"
      }
    ],
    "deleteOutDir": true
  }
}

Anschließend kann man nach dem Build die Schriftarten im Code mit path.resolve referenzieren, z. B. path.resolve(__dirname, ‚../fonts/Roboto-Regular.ttf‘). Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Schriftartendateien mit dem Build gebündelt werden und während der Laufzeit zugänglich sind.

Schlussgedanken zum Thema NestJS auf Vercel hosten

Das Deployment meiner NestJS-App auf Vercel war eine wahre Achterbahnfahrt. Manchmal hatte ich das Gefühl, dass ich kurz davor war, alles perfekt zum Laufen zu bringen, nur um dann mit neuen Fehlern konfrontiert zu werden, die mich zurück in den Fehlersuch-Modus schickten. Es gab Momente der Frustration – vor allem im Zusammenhang mit der Sessionverarbeitung und CORS-Problemen. Aber jede Lösung brachte ein neues Hoch, und jeder behobene Fehler fühlte sich wie ein kleiner Sieg an.

Jetzt, wo endlich alles reibungslos funktioniert, kann ich sagen, dass es ein großartiges Gefühl ist. Wenn ich sehe, dass meine Anwendung so funktioniert, wie ich es mir vorgestellt habe, ist das all die Kopfschmerzen wert. Es ist eine große Erleichterung, aber noch mehr freut es mich, zu wissen, dass ich jede Hürde überwunden habe und auf das, was ich gelernt habe, zurückblicken kann. Ich hoffe, dieser Leitfaden kann anderen einige dieser Schwierigkeiten ersparen und helfen, diesen „Es funktioniert einfach“-Moment etwas schneller zu erreichen!

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Die Lösung für mein Problem ist das Mini-Voltmeter, dass ich in der Vergangenheit schon viele Male in verschiedenen Projekten eingebaut habe. Meistens reicht die Genauigkeit der Mini-Voltmeter aus und meine Projekte bewegen sich auch eher im Niedrigvolt-Bereich. Dazu kommt, dass die Mini-Voltmeter verhältnismäßig preisgünstig sind und man sie überall bekommt.

Ich benutze auch USB-Multimeter zum Messen von Spannung und Stromstärke, die gleichzeitig die Werte speichern. Auf Bild 1.0 sind einige USB-Multimeter dargestellt, die mehr oder weniger Spannung vertragen. Manche Geräte sind sehr teuer und wie viel Ampere maximal gemessen werden kann unterscheidet sich ebenfalls. Wer nur Spannung messen will und nicht viel Budget hat, ist bei meinem Projekt genau richtig.

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Liste der Komponenten

• Mini-Voltmeter DSN-DUM-368 /oder DSN-DMU-368k (Bild 2.0.1)
• Hohlbuchse 5,5×2,1 (Bild 2.0.2)
• Hohlstecker 5,5×2,1 (Bild 2.0.3)
• USB Micro Adapterplatine optional (Bild 2.0.4)
• M2 x 10 Senkkopfschraube 6x (ohne Bild)
• M2 x 4 Zylinderkopfschraube 2x optional (ohne Bild)
• Kabel 0,5mm² (ohne Bild)

Wie auf Bild 3.0 zu sehen ist gibt es zwei verschiedene Arten von Mini-Voltmetern. Die mit zwei Kabeln (Bild 3.0.1) und die mit drei Kabeln (Bild 3.0.2).
Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass bei dem Mini-Voltmeter mit zwei Kabeln die Versorgungsspannung gleich der zu messenden Spannung ist (Bild 3.0.1).

Bei dieser Variante gibt es aber ein Problem. Wenn die Spannung unter 4,7V liegt, funktioniert das Mini-Voltmeter nicht mehr, da es mindestens eine Versorgungsspannung von 4,7V benötigt. Will man also eine Spannung unter 4,7V messen braucht man eine Versorgungsspannung über 4,7V und ein separates Kabel zum Messen der Spannung (Bild 3.0.2).

Man kann auch ein Mini-Voltmeter mit drei Kabeln zu einem Mini-Voltmeter mit zwei Kabeln umfunktionieren. Es muss nur eine Brücke zwischen +Ub und input bei jumper-1 gelötet werden (Bild 3.1.1). Die Jumper zwei bis vier dienen der Feinjustierung des Minivoltmeters (Bild 3.1.1), teilweise sind die Schrittweiten aufgedruckt wie bei Bild 3.0.1.
Wie so ein Mini-Voltmeter im Detail aufgebaut ist, ist beispielsweise hier oder hier dokumentiert.

Konstruktion

Wegen dieser zwei unterschiedlichen Typen habe ich mich dazu entschieden zwei Gehäuse zu konstruieren. Beginnen wir mit der Variante für das zwei Kabel Mini-Voltmeter. Ich habe in der Vergangenheit mehrfach Mini-Voltmeter in Gehäuse verbaut und dabei die Herausforderungen der Maßhaltigkeit und Variantenvielfalt verschiedener Hersteller kennengelernt. Trotz angeblich standardisierter Bauteile muss man oft mit geringfügigen Abweichungen in den Maßen rechnen. Daher ist es wichtig, bei der Konstruktion größere Toleranzen zu berücksichtigen.

Eines der Gehäuse, das ich konstruiert habe, war für das Step-up-Modul LM2587 (Bild 3.2.1) vorgesehen. Dieses Gehäuse erschien mir geeignet, um es für die neuen Anforderungen zu modifizieren. Es enthält bereits Halterungen für den Hohlstecker (2.0.3) und die Hohlbuchse (2.0.2), die ich verwenden möchte. Außerdem ist im Deckel bereits eine Aussparung für das Mini-Voltmeter (2.0.1) vorhanden. Mit den Abmessungen (Bild 3.2.2) bin ich größtenteils zufrieden, abgesehen von der Länge. Was mich jedoch stört, ist die Position des Voltmeters im Deckel – es sollte zentraler platziert werden, also näher zur Mitte.

Zuerst beginne ich mit der Modifikation des Deckels. Mit der Breite und Höhe bin ich zufrieden, jedoch ist das Gehäuse zu lang. Deshalb kürze ich den Deckel an der Seite, an der die Hohlbuchse (2.0.2) angebracht ist. Dadurch bleibt die Halterung des Hohlsteckers unberührt, da diese bereits passgenau auf den Stecker abgestimmt ist. Beim Kürzen muss darauf geachtet werden, dass sich die internen Bauteile nicht berühren und ausreichend Platz für die Verkabelung bleibt. Man sollte es mit der Reduzierung der Größe jedoch nicht übertreiben, da auch die Stabilität und Haptik wichtige Faktoren einer Konstruktion sind.

Nach Abwägung aller Faktoren kürze ich die Länge des Gehäuses bzw. des Deckels auf 63,5 mm, und die Position des Mini-Voltmeters wird nun mittig auf dem Deckel ausgerichtet (Bild 4.0.1). Die Bohrung zur Justierung des LM2587S (weiß markiert) und die Lüftungsschlitze habe ich entfernt, da keine Einstellung erforderlich ist und aufgrund der geringen Wärmeentwicklung auch keine Lüftung notwendig ist.

Auf Bild 4.0.2 (rot markiert) sieht man, dass ich die Aussparungen bzw. Taschen geändert habe, da bei manchen Mini-Voltmetern statt Laschen eine ebene Fläche vorhanden ist (Bild 4.0.3).

Im nächsten Schritt kürze ich das Gehäuse, ähnlich wie den Deckel, auf 63,5 mm. Dabei entferne ich auch die Befestigungssäulen für das LM2587S-Modul, wie auf Bild 4.1.1 zu sehen. Auf der Seite der Hohlbuchse entferne ich die Vertiefung und versetze das Bohrbild um 1 mm nach oben, in Richtung Deckel (Bild 4.1.2). Abschließend wird der Schriftzug auf VOLT METER korrigiert.

3D Druck der ersten Variante

Kommen wir zum Drucken der Teile von unserer Variante 1 mit zwei Kabeln. Wir benötigen für diese Variante nur drei Teile:

• Gehäuse Bild 5.0.1
• Deckel Bild 5.0.2
• Hohlbuchsen-Halter Bild 5.0.3

Für den Druck dieser Teile gibt es keine besonderen Anforderungen, und es wird kein spezielles Material benötigt. Ich verwende in diesem Fall preiswertes PLA von einem zuverlässigen Hersteller. Der Druck erfolgte auf einem Prusa MK4 mit den gängigen Standard-Einstellungen.

Bei der Nachbearbeitung der gedruckten Teile für Variante eins müssen lediglich vier M2-Gewinde ins Gehäuse geschnitten werden (Bild 6.0.1) sowie zwei M2-Gewinde an der Montagebrücke für die Hohlbuchse (Bild 6.0.2). Im Deckel müssen ebenfalls zwei M2-Gewinde geschnitten werden (Bild 6.0.3). Alternativ können auch selbstschneidende Schrauben verwendet oder die Teile teilweise verklebt werden.

Verlöten und Verkabeln der ersten Variante

Nachdem alle Teile für Variante eins gedruckt und bearbeitet sind, wird die Hohlbuchse mit den Kabeln verlötet. In Bild 6.1.1 sind die Plus- und Minuspole markiert, an denen die Kabel angelötet werden (Bild 6.1.2). Anschließend werden die Kabel der Hohlbuchse und des Mini-Voltmeters im Hohlstecker verschraubt (Bild 6.1.3). Ob man die Kabel verdrillt oder an den Enden verlötet, ist Geschmackssache. Die Kabel des Mini-Voltmeters verbinde ich immer mit dem Stromausgang. In Bild 6.1.4 sieht man das komplette Innenleben verlötet und verkabelt. Um die Lötstellen am Mini-Voltmeter zu stabilisieren, habe ich sie mit einem kleinen Tropfen Heißkleber verstärkt. Zum Abschluss wird die Hohlbuchse in die Rückseite des Gehäuses eingesetzt und der Hohlstecker in die vorgesehene Aussparung geschoben (Bild 6.1.5).

Im vorletzten Schritt schiebe ich das Mini-Voltmeter in den dafür vorgesehenen Ausschnitt im Deckel und befestige es durch Verschrauben oder Verkleben (Bild 6.2.1). Anschließend wird der Deckel mit dem Gehäuse verschraubt (Bild 6.2.2). Zum Schluss folgt ein Funktionstest (Bild 6.2.3).

Konstruktion der zweiten Variante

Wer nicht unter 4,7 V mit dem Mini-Voltmeter messen oder die Spannung anzeigen möchte, kann an dieser Stelle aufhören. Wie ich zu Beginn erwähnt habe, gibt es jedoch die Möglichkeit, diese Mini-Voltmeter mit drei Kabeln zu betreiben. Diese Option besteht, wenn der Jumper1 (Bild 3.1.1) nicht gesetzt bzw. nicht überbrückt wird. Da das Mini-Voltmeter eine Mindestversorgungsspannung von 4,7 V benötigt, um zu funktionieren, brauchen wir eine zweite Spannungsquelle, die über dieser Grenze liegt.

In Variante eins des Gehäuses gibt es jedoch nur einen Eingang, weshalb ein zweiter Stromeingang erforderlich ist. Da ich die Abmessungen des Gehäuses nicht ändern möchte und für eine zweite Hohlbuchse kaum Platz bleibt, muss eine alternative Lösung her. Die Lösung ist eine Micro-USB-Platine (Bild 2.0.4), die flach ist und auf dem weit verbreiteten Micro-USB-Standard basiert.

Nun stellt sich die Frage, wo der zweite Anschluss positioniert werden soll. Ein seitlicher Anschluss würde zu viel Platz benötigen, z. B. auf einem Tisch, da das Kabel im 90°-Winkel nach oben oder unten herausragen würde. Für mich ist die beste Lösung, den USB-Anschluss auf der gleichen Seite wie die Hohlbuchse zu platzieren.

Die nächste Frage betrifft die Montage der Micro-USB-Platine: Sollte sie direkt am Gehäuse befestigt oder einfach angeklebt werden? Nach reiflicher Überlegung entschied ich mich, die Platine an der Halterbrücke der Hohlbuchse zu montieren (Bilder 5.0.3, 6.0.2 und 7.0.1). Auf Bild 7.0.2 sieht man, wie ich eine Platte an der Halterbrücke angebracht habe. Diese Platte hat zwei M2-Gewindebohrungen (weiß markiert) zur Befestigung der Micro-USB-Platine sowie zwei Aussparungen für Kabel und Lötzinn.

Am Gehäuse (Bild 7.0.3) muss das Bohrbild (rot markiert) um 1,5 mm in Richtung Deckel verschoben werden, um Platz für den Schlitz des Micro-USB-Steckers zu schaffen. Der Schlitz (gelb markiert) wird unterhalb der Hohlbuchse angebracht.

Der Druck geht relativ zügig von statten. Wir brauchen das Gehäuse mit USB Schlitz (Bild 8.0.1), den Deckel (Bild 8.0.2) und den neuen Halter für Hohlbuchse und USB Platine (Bild 8.0.3).

In der Nachbearbeitung der gedruckten Teile für Variante „Zwei“ gilt es nun das Gewinde zu schneiden. M2 4x am Gehäuse (Bild 9.0.1) und 4x M2 Montagebrücke für die Hohlbuchse und USB Platine (Bild 9.0.2). Bei dem Deckel müssen ebenfalls zwei Gewinde M2 geschnitten werden (Bild 9.0.3).

Verlöten und Verschrauben der zweiten Variante

Nun müssen, wie bei Variante eins (Bild 6.1), die Teile verlötet und verschraubt werden. Dabei ist zu beachten, dass jetzt ein zusätzliches Kabel vorhanden ist und die Verkabelung anders als bei Variante eins verläuft. Die Stromversorgung des Mini-Voltmeters erfolgt nun extern über den Micro-USB-Anschluss. Der Minuspol wird von der Hohlbuchse (9.1.3) zur USB-Platine (9.1.1), dann zum Mini-Voltmeter (9.1.2) und schließlich zum Hohlstecker (9.1.4) geführt.

Die Plusleitung für die Stromversorgung des Mini-Voltmeters (9.1.2) geht vom Pluspol des Micro-USB (9.1.1) direkt zum Pluspol des Mini-Voltmeters (9.1.2). Die Hauptstromleitung führt vom Pluspol der Hohlbuchse (9.1.3) zum Pluspol des Hohlsteckers (9.1.4). Die Messleitung verläuft direkt vom Mini-Voltmeter (9.1.2) zum Pluspol des Hohlsteckers (9.1.4).

Wie man die USB-Platine (9.1.1) an die Hohlbuchsen Halter (9.0.2) schraubt ist in Bild 9.2.1 dargestellt. In Bild 9.2.2 sieht man die Hohlbuchse 9.1.3 und die USB-Platine 9.1.1 komplett verlötet, verschraubt mit dem Hohlbuchsen Halter und danach mit Heiß Kleber nochmals fixiert. Das Ergebnis sieht man im Bild 9.2.1.

Nach erfolgreichem Löten und Kleben, setze ich das Mini-Voltmeter Variante „Zwei“ zusammen. Als erstes stecke ich die Haltebrücke für die Hohlbuchse und USB-Platine in die Rückseite des Gehäuses und verschraube diese von außen (Bild 9.3.1).

Danach kommt der Hohlstecker in die vorgesehene Aussparung und wird bis zum Boden eingedrückt (Bild 9.3.2). Jetzt wird das Mini-Voltmeter in den Deckel gedrückt und entweder Verschraubt oder verklebt (Bild 9.3.3). Als letztes wir der Deckel aufgesetzt und mit den M2 Schrauben angeschraubt (Bild 9.3.4).

Funktionstest

Nun steht der unverzichtbare Funktionstest an. Dafür benötigen wir ein Micro-USB-Netzteil sowie ein 12V-Netzteil mit einem 5,5×2,1 mm Hohlstecker. Zuerst schließe ich das Micro-USB-Netzteil, das 5V liefert, an das Gehäuse an. Das Display des Mini-Voltmeters leuchtet auf und zeigt null an (Bild 9.4.1). Dies ist das erwartete Ergebnis, da noch keine Spannung an der zu messenden Leitung anliegt. Erst als ich das 12V-Netzteil mit Hohlstecker anschließe, zeigt das Mini-Voltmeter korrekt 12V an (Bild 9.4.2).

Alles funktioniert einwandfrei und bringt für mich einen Mehrwert in der Werkstatt.

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• Mini Voltmeter

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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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Liste der Komponenten

Für die Darstellung der Funktion habe ich mich für einen kleinen Testaufbau entschlossen. Für meinen Testaufbau benötige ich folgendes:

• Hohlbuchse 5,5 x 2,1 (1.0.1)
• Voltmeter (1.0.2)
• 5V Netzteil (1.0.3)
• Hohlbuchsen Halter (1.0.4)
• Hohlbuchsen Brücke (1.0.5)
• Diverse Kabel (1.0.6)

Montageanleitung für Halter und Brücke

Der erste Schritt besteht darin, den Halter (1.0.4) und die Brücke (1.0.5) mit dem 3D-Drucker zu drucken. Nach dem Säubern der Druckteile schneide ich in den Halter zwei M2-Gewinde (siehe 2.0.1). Wer lieber mit selbstschneidenden Schrauben arbeitet, kann diesen Schritt überspringen. Danach wird die Hohlbuchse in das große Loch der Brücke geschoben (2.0.2) und mit der Mutter an der Vorderseite der Brücke fest verschraubt (2.0.3). Die Montage der Brücke am Halter ist ebenfalls sehr einfach: Man schiebt die Brücke mit den Aussparungen rechts und links über die beiden Zylinderflächen am Halter (2.0.4) und befestigt sie mit M2-Schrauben (2.0.5). Halter und Brücke mit montierter Hohlbuchse bilden eine sehr stabile Einheit, die große Kräfte aufnehmen kann. Wenn alles korrekt montiert ist, sollte die Hohlbuchse nicht überstehen, sondern 0,3 bis 0,5 mm versenkt sein.

Verkabelung und Verlötung der Hohlbuchse

Kommen wir nun zum Kern dieses Artikels: dem Verkabeln beziehungsweise Verlöten der Hohlbuchse. Hierbei verwende ich vorkonfektionierte Stecker und Buchsen, die bereits verpresste Kabel und eine Zugentlastung enthalten. Die Farbmarkierung der Kabel ist ebenfalls praktisch, da rot für Plus und schwarz für Minus steht (3.0.1).

Die Hohlbuchse mit Schaltfunktion hat in der Regel drei Lötlaschen. Der Minuspol wird immer geschaltet, das heißt, im Bild 3.0.2 entspricht dies der Nummer zwei. Hier wird auch der Minuspol der primären Energieversorgung, wie z.B. Batterie oder Akkumulator, angelötet. Die Lötlasche Nummer eins ist für den gemeinsamen Pluspol vorgesehen; alle Plus-Verbindungen werden hier angelötet. Der Minuspol zu den Verbrauchern im Gerät wird an die Lötlasche Nummer drei gelötet. Im Bild 3.0.3 ist die komplette Verlötung der Hohlbuchse dargestellt.

Montage und Anschluss

Nach der erfolgreichen Verlötung kann nun mit dem restlichen Versuchsaufbau fortgefahren werden. Zuerst wird der Halter mit der verlöteten Hohlbuchse auf eine Holzplatte geschraubt (4.0.1). Anschließend werden die beiden Mini-Voltmeter auf der Holzplatte befestigt (4.0.2). Die Mini-Voltmeter sind eine Kreation von Nerd-Corner. Wer Interesse an solchen Gehäusen hat, kann unter folgendem Link den entsprechenden Artikel lesen und die STL-Dateien herunterladen.

Nun schließe ich die an der Hohlbuchse verlöteten Kabel an die Mini-Voltmeter an (siehe Bild 4.0.2, rosa Rahmen). Als nächstes verbinde ich die primäre Stromquelle mit meinem 5V-Netzteil und schalte es ein (siehe Bild 4.0.3, gelber Rahmen). Nach dem Einschalten des Netzteils liegt an beiden Mini-Voltmetern eine Spannung an: 5,35 Volt am Versorger (roter Kreis) und 5,28 Volt beim Verbraucher (grüner Kreis).

Einbindung der zweiten Stromquelle

Da der Strom sauber über die Hohlbuchse zum Verbraucher fließt, kommt jetzt die zweite Stromquelle ins Spiel. Diese betreibe ich mit 12V, um einen deutlichen Unterschied zur primären Stromversorgung zu haben. Im Bild 4.1.1 ist die zweite Stromversorgung mit 12,2 Volt dargestellt (türkiser Rahmen).

Nun stecke ich die zweite Stromversorgung mit 12 Volt in die Hohlbuchse (Bild 4.1.2, blauer Rahmen). Nach einer kurzen Verzögerung ändert sich der Wert am Mini-Voltmeter des Verbrauchers auf 12 Volt (grüner Rahmen). An der primären Stromversorgung hat sich nichts geändert; sie bleibt eingesteckt und eingeschaltet (roter Rahmen). Der Wert liegt weiterhin bei 5,34 Volt, was zwar 0,01 Volt niedriger ist als vor dem Einstecken der zweiten Stromversorgung, aber dies liegt an den Schwankungen des 5V-Netzteils.

Als letzten Schritt entferne ich das 5 Volt Netzteil vom primären Stromkreis um zu überprüfen, ob wirklich keine Spannung am primären Stromkreis anliegt. Am Bild 4.2.1 im gelben Rahmen bleibt es dunkel und somit war der Versuch erfolgreich!

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• Holstecker Halter und Brücke

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Ich sehe leider sehr oft Blogartikel in denen der HTML Code in der Arduino Datei eingebettet wird. Sowas kann man für eine Mini Demonstration zwar machen, ist aber im Alltag völliger Schwachsinn. Es ist viel zu unübersichtlich und sobald das Projekt wächst nicht mehr nutzbar.

Die ordentliche Alternative ist einen Ordner namens „data“ einzurichten und in diesem die Webseiten als html Dateien abzulegen. Zusätzlich wird das Styling als CSS Datei gespeichert und es können sogar Funktionen per JavaScript Datei ausgeführt werden. Also alles 1:1 wie auf einem gewöhnlichem Webserver!

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Liste der Komponenten

• Arduino IDE (Entwicklungsumgebung)
• WeMos D1 R2

Das Einrichten des Dateisystems (offiziell SPIFFS) geschieht einmalig und ist kinderleicht:

(Zunächst sollte man die grundlegende Einrichtung aus dem ersten Teil abgeschlossen haben!)

1. Auf GitHub eine Kopie der Datei „ESP8266FS-0.2.0.zip“ herunterladen und entpacken
2. Die Datei esp8266fs.jar im Arduino-Tool-Verzeichnis ablegen. Der Pfad sieht etwa so aus: [home_dir]\Arduino\tools\ESP8266FS\tool\esp8266fs.jar (Siehe Bild) Ich musste den Pfadteil tools\ESP8266FS\tool\ im Arduino Ordner selbst erstellen.
3. Die Arduino IDE neustarten.

Das wars auch schon! Man kann jetzt in der Arduino DIE unter Tools den neuen Punkt „ESP8266 Sketch Data Upload“ sehen.

Wie kann man das neue Dateisystem jetzt nutzen?

1. Erstellen Sie in ihrem aktuellen WeMos Projekt Ordner einen zusätzlichen Ordner mit dem Namen „data“. So wie in dem nachfolgendem Bild

2. Legen Sie die Dateien, die Sie hochladen möchten, in das ‚data‘-Verzeichnis
3. Wählen Sie in der Arduino IDE im Menü ‚Tools‘ den WeMos aus und wählen Sie eine Größe bei ‚Flash Size‘
4. Das Dialogfeld für den seriellen Monitor schließen!
5. Wählen Sie aus dem Menü ‚Tools‘ die Option ‚ESP8266 Sketch Data Upload‘.

Sobald der Upload abgeschlossen ist zeigt das Nachrichtenfenster der Arduino IDE 100% Upload an.

WeMos Beispielprogramm zum Ein- und Ausschalten der OnBoard LED

Ähnlich wie im ersten Teil wird der Webserver die OnBoard LED steuern. Als Basis dient ebenfalls der Code aus dem ersten Teil. Der überarbeitete Code sieht so aus:

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <ESP8266WebServer.h>
#include <ESP8266mDNS.h>

ESP8266WebServer server(80);

void setup() {
  Serial.begin(115200); //Baudrate
  Serial.println("ESP starts");

  WiFi.begin("NerdCornerWiFi","NerdCornerPassword");


  Serial.print("Connecting...");

  while(WiFi.status()!=WL_CONNECTED){ //Loop which makes a point every 500ms until the connection process has finished

    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println();

  Serial.print("Connected! IP-Address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP()); //Displaying the IP Address

  if (MDNS.begin("nerd-corner")) {
    Serial.println("DNS started, available with: ");
    Serial.println("http://nerd-corner.local/");
  }

  server.serveStatic("/", SPIFFS, "/", "max-age=86400");
  SPIFFS.begin();

  server.onNotFound([](){ 
    server.send(404, "text/plain", "Landing page not found! Don't forget to name your landing page 'index.html'!");  
  });
 
  server.on("/led", HTTP_POST, []() {    
     
    const String ledState = server.arg("ledstate");
    if(ledState=="on"){
      switchLedOn();
    }
    else if(ledState=="off"){
      switchLedOff();
    }
    server.send(200, "text/json", "{\"result\":\"ok\"}");
  });

  server.begin();
  // initialize digital pin LED_BUILTIN as an output.
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  server.handleClient();
  MDNS.update();

}

void switchLedOff(){ 
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);   // turn the D1 LED off 
}

void switchLedOn(){ 
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);    // turn the LED on 
}

Auf ein paar Besonderheiten möchte ich dabei hinweisen. Wir haben beispielsweise folgendes hinzugefügt:

server.serveStatic("/", SPIFFS, "/", "max-age=86400"); 
SPIFFS.begin();

Ohne die beiden Zeilen wäre der Zugriff auf die Dateien im „data“ Ordner nicht möglich. Bitte beachten, dass der Name „index.html“ als default für die Landing Page eingestellt ist. Wenn man unbedingt möchte kann man das aber auch ändern.

server.on("/led", HTTP_POST, []() {    
     
    const String ledState = server.arg("ledstate");
    if(ledState=="on"){
      switchLedOn();
    }
    else if(ledState=="off"){
      switchLedOff();
      }
      server.send(200, "text/json", "{\"result\":\"ok\"}");
  });

Der „/led“ Endpoint empfängt die Befehle vom Webserver. Lautet der Befehl „on“ wird die LED eingeschaltet und bei „off“ wird die LED ausgeschaltet.

Wemos Webseite zum Ein- und Ausschalten der WeMos OnBoard LED

Die Beispielwebseite ist ganz einfach aufgebaut. Sie besteht in erster Linie aus 2 Buttons zum Ein- und Ausschalten der LED.

Die Ordnerstruktur der Webseite ist sehr übersichtlich gehalten. Es gibt eine Hauptseite mit dem Namen „index.html“ Dieser Name ist weltweit üblich für die Hauptseiten und wird auch automatisch vom WeMos entsprechend erkannt. Darüber hinaus einen „CSS“ Ordner fürs Styling und einen „JS“ Ordner für Funktionen.

Im Header Bereich der Webseite verlinken wir die Styles. Da wäre zum einen ein Standard Bootstrap, der alles automatisch bischen schöner macht und zusätzlich eine custom Styles Datei mit meinen eigenen Anpassungen. Außerdem werden im Header Bereich auch die Funktionen der Webseite verlinkt. Ich benutze den jQuery Standard um von der Webseite Requests an den WeMos zu senden. Meine eigenen custom Funktionen liegen in der „index.js“.

Bitte beachten, dass die jQuery Datei VOR der eigenen Datei eingebunden werden muss, sonst können keine jQuery Befehle im eigenen Code benutzt werden! Die eigenen Funktionen werden anschließend von den Buttons verwendet. Der HTML Code der Seite sieht insgesamt folgendermaßen aus:

<!DOCTYPE html>
<html lang="en"></html>
<html>
  <head>
    <meta charset="utf-8" />
    <meta
      name="viewport"
      content="width=device-width, initial-scale=1, shrink-to-fit=no"
    />
    <script type="text/javascript" src="js/jquery-3.5.1.min.js"></script>
    <script type="text/javascript" src="./js/index.js"></script>
    <link rel="stylesheet" href="css/bootstrap.min.css" />
    <link rel="stylesheet" href="css/custom-style.css" />
    <title>D1 Webserver</title>
  </head>
  <body>
    <h1>D1 Webserver with filesystem</h1>
    <p>
      This is an example for a WeMos Webserver with a filesystem. You can easily
      create webpages with html, css and js!
    </p>

    <h3>Example to turn on and off the built in LED</h3>
    <button class="button-style" onclick="changeLEDState('on')">Turn on</button>
    <button class="button-style" onclick="changeLEDState('off')">
      Turn off
    </button>

    <h3>Example to demo a JS function</h3>
    <button class="button-style" onclick="showAlert()">Show alert</button>
  </body>
</html>

Besonderes Augenmerk gilt der JavaScript Funktion „changeLEDState(value)“

function changeLEDState(value) {
  $.post("/led", { ledstate: value });
}

Dadurch, dass jQuery genutzt wird für die Kommunikation mit dem WeMos, reicht ein einfaches Dollarzeichen mit dem entsprechendem Request Befehl. Bei diesem POST Request wird ebenfalls ein Wert mit geschickt, welcher entweder „on“ oder „off“ ist zum ein- und ausschalten der LED.

Die Webseite kann nachfolgend als zip Datei heruntergeladen werden.

Dateien zum Herunterladen

• Wemos example webserver to control OnBoard LED

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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

Dateien zum Herunterladen

• Klemme für SMD5050

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