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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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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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!

Dateien zum Herunterladen

• 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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Liste der Bauteile:

• 2 x Hohlbuchse 5,5 x 2,1
• 1 x Battery Shield V3
• 1 x LiPo 18650 3500mAh
• 1 x Wippschalter 250V/3A Einbaumaß 15×10,5mm
• 4 x Zylinderkopfschrauben mit Innensechkant M2 x6
• 6 x Linsensenkkopfschrauben M2 x 12
• 1 x Modul XL6009
• 1 x Mini Voltmeter  DSN – DVM – 368
• 7 x Jumperkabel

Umsetzung

Grundsätzlich unterscheidet sich der XL6009 vom LM2587S lediglich in der Stromstärke. Der XL6009 liefert eine Ausgangsspannung von 5V-35V und eine Eingangsspannung von 3V-32V bei 2,5A Ausgangsstrom. Um mit 3A Ausgangsstrom zu arbeiten muss der XL6009 mit einem Kühlkörper betrieben werden. Meine Wahl fiehl in erster Linie auf Grund der kleinen Abmessungen und wegen des günstigen Preises auf das Modul. Da die Kapazität des LiPi Akkus beschränkt ist, braucht man keinen zu großen  Step-up einbauen.

Konstruktion

Das Battery shield V3 wurde hier bereits ausführlich analysiert. Daher kann direkt mit der Konstruktion des Gehäuses begonnen werden. Als Grundlage dient das Gehäuse der letzten Powerbank, da die Aufnahme für das Battery shield V3 schon inkludiert ist. Es müssen jetzt die beiden Hohlbuchsen,der XL6009 und das Mini Voltmeter integriert werden.  Für die Hohlbuchse am XL6009 Ausgang scheint genügend Platz um über dem USB Micro Eingang vertikal zu platzieren.

Für dieses Vorhaben muss lediglich die Höhe des Gehäuses vergrößert werden. Die Erhöhung hilft außerdem um die zweite Hohlbuchse im Deckel an der Vorderseite zu fixieren. Die Position der Hohlbuchse mit einer Montagebrücke ist ebenfalls vertikal angeordnet. Die Hohlbuchse für den Ausgang des XL6009 wird von außen verschraubt. Die Hohlbuchse für den 3V Ausgang von Innen. Dies ist wichtig, da zwei unterschiedliche Hohlbuchsen Halterbrücken benötigt werden. Zum leichteren Verständnis dient die folgende Illustration:

Für das XL6009 Modul habe ich ein neues Bauteil hinzugefügt. Es ist ein Halter, der an der Innenwand des Gehäuses befestigt wird. So kann das Modul von außen fest verschraubt werden. Nachteilig ist die Tatsache, dass der Halter mit Modul den LiPo verdeckt und beim Wechseln des LiPo Akkus zuerst der Step-up entfernt werden muss. Idealerweise wird der Akku aber nur selten gewechselt.

Der Deckel wurde gegenüber der einfachen Powerbank etwas erhöht und der ein oder andere Quer Steg entfernt. Dadurch entstand Platz für das Mini-Voltmeter. Um den XL6009 einstellen zu können ohne den Deckel zu entfernen, wurde noch eine Bohrung im Deckel benötigt.

Um die Bohrung möglichst ideal zu setzen, hilft es mir das Gehäuse zunächst real zusammen zu bauen. So kann man die Position des XL6009 Moduls auf dem Halter noch etwas verschieben da das Modul eine 3mm Bohrungen besitzt und die Befestigungsschrauben mit M2 ein wenig Platz lassen.

Um den XL6009 ein- und ausschalten zu können, war noch ein Schalter notwendig. Hier habe ich mich für einen gewöhnlichen Kippschalter entschieden. Im Ganzen bin ich zufrieden, da das Gehäuse gegenüber der anderen Powerbank um lediglich 12mm höher geworden ist und die Abmessungen in Breite und Länge gleichgeblieben sind.

Schritt für Schritt Zusammenbau

Zweck der Powerbank

Die Powerbank kann natürlich wie jede andere Powerbank über den USB A, Smartphones und Headsets aufladen. Über den 3V Ausgang kann man übliche Taschenlampen oder elektronisch Module betreiben. Zudem kann der regelbare Spannungsausgang eine Spanne von 6V bis 30V abdecken. Es gibt viele Geräte die mit 6V, 9V und 12V betrieben werden z.B. LED, Radio usw..

Ich habe den obersten Spannungswert bis 30V angeben, aber das XL6009 Modul könnte mindestens 35V. Allerdings ist das verwendete Mini-Voltmeter nur bis 30V zugelassen. Ein weiterer Grund wäre das Battery Shield V3 selbst. Für das Shield wird zwar der Ausgang mit 5V und 3A beschrieben, die Wirklichkeit liegt aber darunter. Die Ursache liegt am internen Spannungswandler der die LiPo-Spannung auf 5V bringt.

Die nachfolgende Tabelle enthält Messwerte die das Verhältnis (ohne internen Spannungswandler) zwischen Anstieg des Amperewertes am Eingang und dem Voltwert am Ausgang zeigt:

Man sollte nicht vergessen, dass bei batteriebetriebenen Spannungswandelern zusätzlich der Spannungsabfall bei der Entladung hinzu kommt. Sicherheitshalber habe ich in dieser Powerbank noch eine Pico Sicherung mit 2A eingebaut. Anbei eine Tabelle mit Ampere Werten, die bei angebener Voltzahl nicht vom Verbraucher überschritten werden sollten:

Dateien zum Herunterladen

• Gehäuse für die Powerbank mit dem XL6009
• Gehäuse der Powerbank LM2596

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Die Taschenlampe konnte man nicht ordentlich positionieren und sie blendete. Aus diesem Grund kam mir die Idee eine eigene blendfreie Lampe zu entwickeln, die man einfach auf das Heizbett stellen kann und nicht blendet. Am besten kabellos mit einer Powerbank. Ich hatte bereits eine eigene Powerbank mit dem Battery Shield V3 gebaut, welche ich dieses Mal als Basis genutzt habe.

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Liste der Komponenten

• 1 x Hohlbuchse 5,5×2,1
• 1 x Battery Shield V3
• 1 x LiPo 18650 3500mAh
• 1 x Wippschalter 250V/3A Einbaumaß 15×10,5mm
• 4 x Zylinderkopfschrauben mit Innensechkant M2 x6
• 6 x Linsensenkkopfschrauben M2 x 20
• 17 x 5V SMD2835 LED Streifen
• 5 x Jumperkabel

Wahl der LED

Da das Grundgehäuse der Powerbank mit dem Battery shield V3 bereits fertig war, musste ich mir hauptsächlich Gedanken über die Beleuchtung machen. Als Leuchtmittel sollten LEDs mit 5V oder 3V genutzt werden, da das Battery shield V3 entweder 5V oder 3V bereitstellt. Für meine Zwecke reicht ein geringerer Lumen Wert. Nach kurzer Recherche fand ich passende LED-Strips.

Die Lichttemperatur meines LED Streifens beträgt 6500K auch kaltweiß genannt. Dieses Licht beinhaltet sehr viel Blauanteil, wodurch sich gut arbeiten lässt und Details schnell sichtbar werden. Da das Battery shield V3 drei zusätzliche 5V und einen USB A Ausgang besitzt, ist die Versorgung der LEDs kein Problem. 

Bei den LEDs für die blendfreie Lampe handelt es sich um SMD2835. Diese sind 2,5 mm breit und 3,5 mm lang und haben eine etwas geringere Leuchtkraft als ein SMD5050. Wieviel die LEDs verbrauchen ist entscheidend für die Leuchtdauer der Lampe, da die Energiezufuhr über den Akku beschränkt ist.  

Konstruktion des Deckels und Zwischendeckels

Wie bereits im vorherigem Abschnitt erwähnt wird das Grundgehäuse der Powerbank nicht verändert. Die LEDs werden stattdessen auf einen Zwischendeckel aufgeklebt. Der Zwischendeckel dient auch als Träger der Hohlbuchse für den 3V Ausgang. Weiterhin wurde ein Durchbruch kontruiert um die Kabel vom Ein-Aus-Schalter durchzuführen. Die schrägen Öffnungen des Zwischendeckels sollen helfen bei Bedarf nachträglich noch von hinten Kleber an den LED Streifen anzubringen.

Bei der Oberseite (dem Deckel, wo das Licht durchscheint) wurde es ein wenig komplexer. Einerseits soll genügend Licht durchscheinen, andererseits darf es nicht blenden! Natürlich wäre ein glasklarer Deckel für die Lichtausbeute ideal, doch wie gesagt, dann würde es womöglich blenden. Um einen Ausgleich zu schaffen zwischen effektiver Lichtausbeute und Blendfreiheit sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen:

• Materialauswahl (Filament)
• Abstand zum Leuchtmittel
• Stärke der Scheibe
• Druckstrategie

Bei der Materialauswahl für die blendfreie Lampe fiel die Wahl auf „Elfenbein“. Der Abstand zum Leuchtmittel beträgt 10,5 mm und die Scheibendicke (Materialstärke) 1 mm. Die Schichthöhe beträgt 0,25 mm, sprich bei einem Millimeter ergibt das vier Schichten, wobei die erste Schicht 45° nach links und die zweite Schicht 45° nach rechts aufgetragen wird. Durch die verschiedenen Richtungen der Schichten wird das Licht immer wieder gebrochen und blendfrei. Es handelt sich dabei um eine subjektive Wahrnehmung und die Bezeichnung blendfrei gilt daher nicht für alle Menschen.

Zusammenbau

• Verlöten der Teile mit den Jumperkabeln:

• Schneiden und ankleben der LED Streifen: Der LED Streifen wird in zweimal 6 LEDs und einmal 5 LEDs getrennt und auf den Zwischendeckel geklebt. Der Kabeldurchbruch am Deckel für den Stecker muss frei bleiben:

• Anbringen der Hohlbuchse am Zwischendeckel:

• Einschrauben des Battery shield in das Gehäuse nachdem die zehn Gewinde zuvor in das Gehäuse geschnitten worden sind.

• Wippschalter in den Deckel eindrücken:

• LiPo 18650 in die Aufnahme drücken

• Kabel verbinden und einschalten:

• Falls alle LED’s leuchten, Zwischendeckel auf Gehäuse stecken und danach den Deckel auf den Zwischendeckel stecken und verschrauben:

Blendfreie Lampe CAD Design

Für die Gewinde sind die Bohrungen auf Kernlochdurchmesser konstruiert, d.h. bei M2 auf den Durchmesser 1,6 mm. Man kann das Gewinde mit dem Gewindebohrer schneiden oder mit einer Schraube formen (eindrücken). Ich persönlich bevorzuge das Gewindeschneiden. Wo an dem Gehäuse die Gewinde geschnitten werden müssen zeigen die beiden Grafiken.

Weitere Anmerkungen

Mancher wird sich fragen, warum der Wippschalter aus dem Deckel ragt und nicht versenkt wurde. Die Lampe lässt sich dadurch besser ein- und ausschalten.  Meistens hat man nur eine Hand frei und kann nicht richtig in die Versenkung greifen, wenn der Wippschalter aber hervorsteht ist es leichter ihn zu bedienen. Trotzdem habe ich auch eine Variante mit versenktem Wippschalter konstruiert, die man im Download-Bereich herunterladen kann!

Die Leistung der Lampe liegt bei ca. 1,4 Watt. Bei 5,05 V beträgt die Stromstärke daher 0,27 A, was kein Problem  für das Battery Shield V3 und den LiPo darstellt. Die Leuchtdauer der Lampe beträgt ca. 5 Stunden im Dauerbetrieb. Für diese Daten habe ich einen Samsung 18650 mit 3500 mAh verwendet. Die Powerbank kann parallel zum Betrieb der Lampe genutzt werden. Die gesamte Stromstärke sollte allerdings nicht über 3A liegen.

Ich benutze diese Lampe nicht nur für meinen 3D Drucker, sondern auch beim Löten, lesen oder als Nachtlicht. Die Powerbank ist zudem extrem leicht mit 127g.

Datei zum Herunterladen

• STL Dateien der blendfreien Lampe

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Das nachfolgende Bild zeigt eine solche Verbindung. Ich bin absolut begeistert davon wie praktisch diese Verbindungen im Alltag sind. Beispielsweise lassen sich mehrere LED Streifen über eine 4 PIN Dupont Steckverbindung mit einem Controller ohne zusätzliches Werkzeug zusammenschalten!

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Liste der Komponenten

• 3D Drucker
• Filament PLA
• Jumper Kabel

Material und Dimensionierung

Um 4 Jumper Kabel ins Gehäuse bringen zu können, habe ich ein Innenmaß von 10,6 mm gewählt. Für die Seitenwände wählte ich eine Dicke von 1,7 mm und für den Boden eine Stärke von 1,46 mm. Für die Außen-Abmessungen ergaben sich 4 mm x 14 mm x 25 mm.

Konstruktion des Deckels

Für den Deckel sind die  Maße identisch zum Gehäuse, aber mit einem Zusatz für die herausstehenden Laschen mit den Nasen. Die Dimensionen der Laschen sind auf Grundlage meiner bisherigen Erfahrungen entstanden. Ich habe mich für ein zweites Laschen Pärchen entschieden, weil die Haltekraft dadurch erhöht wird und die Kraft sich besser verteilt. Außerdem, falls eine Lasche brechen sollte, würde der Deckel trotzdem sicher am Gehäuse halten.

Wichtig ist die Form der Nase am Ende der Lasche (Detail A), da der 3D-Drucker dies nicht exakt so druckt wie am CAD konstruiert.

Zusammenbau

Der Zusammenbau ist flott und kinderleicht. Das erste Dupont-Kabel legt man von vorne an eine der beiden Seitenwände und schiebt das Kabelgehäuse bis zum Anschlag (Detail D). Danach hält man das Gehäuse fest und zieht am Kabel um mögliches Spiel zwischen Crimp-Verbindung und Kabelgehäuse zu eliminieren. Das Kabel drückt man nun in die Kabelführung am Stecker Gehäuse. Analog die Vorgensweise mit Kabel Nummer 2, 3 und 4. Anschließend wird der Deckel auf das Gehäuse gedrückt bis es klickt.

Anwendungen

Ursprünglich hatte ich dieses Stecker Design für ein Projekt mit vielen 4PIN RGB-Streifen konstruiert. Nach kurzer Zeit merkte ich wie praktisch die Konstruktion war. Ich kann es für den Arduino, Sensoren, LED Streifen, Raspberry Pi und vieles mehr verwenden und das ohne Löten oder anders Werkzeug zu benutzen. Natürlich weiß ich, dass man z.B am Arduino zwischen den Steckern immer 2 PINs Abstand lassen muss, aber im Alltag stört das eigentlich nicht.

Vorteile der Dupont Steckverbindung:

• Schnelle Montage
• Universeller Einsatz
• Enorme Haltekraft
• Leicht zu drucken

Nachteile der Dupont Steckverbindung:

• Größerer Platzbedarf

Dateien zum Herunterladen

• 4 PIN Variante STL Datei
• 3 PIN Variante STL Datei
• 5 PIN Variante STL Datei
• 6 PIN Variante STL Datei
• 7 PIN Variante STL Datei
• 6 PIN Variante STL Datei

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Liste der Komponenten

• Arduino IDE (Entwicklungsumgebung)
• WeMos D1 R2

Unterschiede zwischen dem WeMos D1 R2 und dem Arduino UNO R3

Ein Arduino UNO R3 ähnelt optisch sehr dem WeMos D1. Der Hauptunterschied ist, dass der D1 ein ESP2866 WIFI Modul auf seiner Platine integriert hat. Dadurch hat man die Möglichkeit den D1 mit dem Internet zu verbinden. Grob gesagt ist der D1 ein wlanfähiger Arduino!

Man sollte allerdings beachten, dass die Taktfrequenz der beiden Prozessoren unterschiedlich sind. Der Arduino besitzt einen 8 bit Atmel Prozessor und der D1 einen Wlan fähigen ESP8266 Prozessor mit 32 bit Taktfrequenz. Die Pins des D1 sind zwar ähnlich angeordnet wie bei einem Arduino UNO, aber unterscheiden sich in der Betriebsspannung. Bei einem Arduino UNO liegt die Spannung der Pins bei 5V und bei dem D1 bei 3,3V. Zusätzlich ist aber auch auf dem D1 ein 5V Ausgang vorhanden. Aufgrund der Spannungsunterschiede an den Pins sollte man nicht blindlings ein Arduino Shield auf einen D1 stecken. Es empfiehlt sich zuerst die Kompatibilität zu prüfen!

Außerdem sollte man beachten, dass der D1 im Gegensatz zum Arduino nur einen analog Pin besitzt und zusätzlich die Anzahl der digitalen Pins unterschiedlich ist. Der Arduino besitzt 20 digitale Pins und der D1 nur 16 digitale Pins. Allerdings haben die digitalen Pins des D1 mehr nützliche Zusatzfunktionen.

Bitte beachten: Auch die Bezeichnung der digitalen D1 Pins unterscheidet sich von denen des Arduino und müssen daher softwaretechnisch angepasst werden.

Als letztes noch der Hinweis, dass sich der USB Anschluss ebenfalls unterscheidet. Im Gegensatz zum Arduino besitzt der D1 den deutlich verbreiteteren Micro USB Standard.

Einrichtung des D1

Die Arduino IDE öffnen und den D1 mit dem Computer verbinden. Unter Tools > Port den entsprechenden COM Port des D1 auswählen. Sollte der D1 hier nicht erkannt werden liegt das vermutlich an einem fehlenden Treiber.

Wenn nun der passende COM Port ausgewählt wurde und man einen Beispiel sketch auf den D1 lädt wird vorraussichtlich folgende Fehlermeldung auftauchen: „An error occurred while uploading the sketch avrdude: stk500_getsync() attempt 1 of 10: not in sync: resp=0x2e“. Der Grund für diesen Fehler ist, dass das falsche Board ausgewählt wurde. Der Name des ausgewählten Boards taucht rechts unten in der IDE auf:

Um den D1 auswählen zu können muss der Boardmanager für den ESP8266 noch hinzugefügt werden. Hier folgenden Link in Preferences > Board Manager einfügen: http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

Anschließend in Tools > Board > Board Manager nach ESP8266 suchen und die neuste Version installieren:

Jetzt in Tools > Board > ESP8266 Boards > LOLIN (WEMOS D1 R2 &mini) auswählen:

Nun kann man wieder ein Beispielprojekt unter File > Examples > 01.Basics > Blink auswählen und mit einem Klick auf Upload funktioniert das Ganze. Das Beispielprojekt lässt jetzt die blaue LED auf dem ESP8266 Modul blinken.

Achtung: Dieses Setup war einmalig für die erstmalige Benutzung und muss nicht erneut wiederholt werden!

WeMos D1 mit dem Internet verbinden

Der Programmaufbau entspricht dem eines regulären Microcontrollers wie man es auch vom Arduino kennt. Es gibt eine setup() Funktion, welche nur einmal direkt zum Programmstart aufgerufen wird und eine loop() Funktion, welche nach dem setup() in Dauerschleife läuft.

Als erstes wird die ESP WiFi Bibliothek benötigt. Diese wird mittels #include <ESP8266WiFi.h> eingebunden. Sobald der ESP mit Strom versorgt wird, soll eine WLAN-Verbindung hergestellt werden. Daher wird der Code in die setup() Funktion geschrieben.

Wir brauchen den Seriellen Monitor um uns den aktuellen Stand des Verbindungsaufbaus anzeigen zu lassen. Die Baudrate kann selbst festgelegt werden. Für den D1 nehme ich 115200. Den Seriellen Monitor findet man unter Tools > Serial Monitor. Im Fenster des Seriellen Monitors kann rechts unten die Baudrate eingestellt werden. Bitte hier ebenfalls 115200 auswählen. Wählt man nicht die gleiche Baudrate wie im setup() definiert, werden einem nur unleserliche Sonderzeichen angezeigt.

Um sich mit dem Wlan zu verbinden reicht der einfache Befehl WiFi.beginn(„WlanName“, „WlanPasswort“). Es kann sehr hilfreich sein wenn man sich hier gleich die IP Adresse des D1 anzeigen lässt. Dazu nutzt man den Befehl WiFi.localIP()

#include <ESP8266WiFi.h>

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

}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:

}

Der D1 als Webserver und DNS-Server

Nach den bisherigen Schritten ist der D1 zwar mit dem WiFi verbunden, aber selbst noch nicht über einen Browser erreichbar. Damit der D1 bequem über den Browser angesteuert werden kann braucht man die #include <ESP8266WebServer.h> Bibliothek. Anschließend wird mit dem Befehl ESP8266WebServer server(80) ein Webserver Objekt erstellt und der Port 80 festgelegt. Der Server lässt sich nun mit dem Befehl server.begin() starten. Damit der D1 zu jederzeit prüfen kann, ob Anfragen zu bearbeiten sind, wird der server.handleClient() in die loop() Funktion geschrieben.

Gibt man nun die IP Adresse des D1 in einem Browser ein, von einem Gerät, dass sich im selben WiFi befindet, ist der D1 bereits erreichbar. Es wurde nur noch nicht spezifiziert was bei einem Aufruf des D1 passieren soll.

Man kann sich hier auch vorgefertigte Funktionen anzeigen lassen. Für den Anfang beispielsweise einen Satz, wenn der Link nicht definiert wurde, oder einen Text für einen custom Link. Es können auch eigene Funktionen für bestimmte Links ausgeführt werden.

server.onNotFound([](){ 
  server.send(404, "text/plain", "Link was not found!");  
});
 
server.on("/", []() {
  server.send(200, "text/plain", "Landing page!");
});
 
server.on("/custom", []() {
  server.send(200, "text/plain", "Just a custom route!");
  ownFunction();
});

Die Webserver Einrichtung ist jetzt abgeschlossen. Da es aber meist sehr nervig ist jedesmal die IP-Adresse des D1 in den Browser einzutippen bzw. die sich auch ändern kann, macht es Sinn dem DNS des D1 einen Namen zuzuweisen. Dafür wird wieder eine Bibliothek verwendet, welche mittels #include <ESP8266mDNS.h> eingebunden wird. Der DNS wird einmalig definiert und daher in die setup() Funktion geschrieben. Um den DNS Namen festzulegen, nutzt man die Methode MDNS.begin(DNS Name), beispielsweise MDNS.begin(nerd-corner). Zusätzlich muss noch MDNS.update() in die loop Funktion geschrieben werden.

#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.onNotFound([](){ 
    server.send(404, "text/plain", "Link was not found!");  
  });
 
  server.on("/", []() {
    server.send(200, "text/plain", "Landing page!");
  });
 
  server.on("/custom", []() {
    server.send(200, "text/plain", "Just a custom route!");
    ownFunction();
  });

  server.begin();

}

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

}

void ownFunction(){ //go to "IP-Adress/custom" to call this function
  Serial.println("Own function was called");

}

Anschließend kann man im Browser http://nerd-corner.local eingeben und man erreicht den D1. Bitte beachten, dass die Endung immer „.local“ sein muss! Manche Android Geräte unterstützen mDNS nicht, dann muss weiterhin die tatsächliche IP Adresse angegeben werden. Jetzt steht der Verwendung für eigene Projekte eigentlich nichts mehr im Weg! Hier findet Ihr ein paar spannende Anwendungsbeispiele: https://makesmart.net/tag/d1-mini/

Beispielprogramm zum Ein- und Ausschalten der OnBoard LED

Zum Abschluss des Blogposts noch ein simples Beispielprogramm bei dem wir das bisher gelernte anwenden. Wir schreiben zwei zusätzliche Funktionen. Eine um die fest verbaute BuiltIn Led einzuschalten und eine Funkton zum Ausschalten. Ein kleiner Hinweis, im Gegensatz zum Arduino wird die LED mit digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW) eingeschalten statt ausgeschalten, also genau invertiert!

Die Funktionen können über http://nerd-corner.local/on und http://nerd-corner.local/off aufgerufen werden. Anbei der vollständige Programmcode:

#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.onNotFound([](){ 
    server.send(404, "text/plain", "Link was not found!");  
  });
 
  server.on("/", []() {
    server.send(200, "text/plain", "Landing page!");
  });
 
  server.on("/on", []() {
    server.send(200, "text/plain", "Switching LED on!");
    switchLedOn();
  });

  server.on("/off", []() {
    server.send(200, "text/plain", "Switching LED off!");
    switchLedOff();
  });

  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 
}

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Allerdings ist es unpraktisch bei unterschiedlichen Geräten die Spannungen zu variieren. Zum Einen befindet sich die Eingangsbuchse am Boden des Gehäuses, was leider beim Einstellen der Spannung zu einem unangenehmen Winkel für die Haltung des Schraubenziehers führt und den Fingern nur wenig Platz lässt. Zum Anderen wird jedes Mal ein Multimeter zur Messung der Spannung benötigt. Ziel der Anpassungen war eine Verbesserung der Handhabung und des Designs.

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Liste der Bauteile:

• 1x Hohlstecker 5,5 x 2,1
• 1x Schraubbuchse 5,5 x 2,1
• 2x Flachkopfschraube M2x6
• 2x Flachkopfschraube M2x4
• 4x Linsensenkkopfschraube M2x10
• 1x Modul LM2587S DC-DC Step Up
• 2x Pico Sicherung 3A 125V / 230V
• 1x Mini Voltmeter Digital mit LED-Anzeige 0,36″  (optional)

Gehäuse Konstruktion des LM2587S Spannungswandler

Die vertikale Stellung der Buchse ergibt sich aus der Gehäuselänge. Da der Stromeingang jetzt auf der Rückseite sein soll, musste das Gehäuse länger gestaltet werden. 12 mm waren ausreichend um die Buchse horizontal einbauen zu können. Durch die Gehäuselänge kann der Schraubenzieher problemlos die Buchse innen anschrauben.

Alternativ hätte man die Buchse auch um 90° drehen können, dadurch wäre die Buchse an der Seite und die Länge des Gehäuses würde gleich bleiben. Allerdings wäre damit der Abstand zur Gegenwand äußerst gering und es würden beim Verschauben Probleme entstehen. Man bräuchte dafür einen abgewinkelten Schraubenzieher oder man bohrt Montagebohrungen in die Seitenwand.

Nun musste die Buchsen Brücke modifiziert werden. Die Brücke würde sonst an den Enden mit der Ecke kollidieren. Die störenden Teile an der Brücke wurden im CAD entfernt. Die Säulenhöhe bleibt dabei bestehen, da die Bodendicke und die Rückwanddicke gleich sind. Der Deckel musste ebenfalls an die Länge angepasst werden und einen Durchbruch oder Fassung für das Mini Voltmeter erhalten.

Das Voltmeter 3631AS-1

Bei der Auswahl des Mini Voltmeters habe ich mich für die Variante „3631AS-1“ entschieden. Dieses Voltmeter sitzt auf einer Platine, die über Laschen mit Bohrungen verfügt, so dass man es am Gehäusedeckel anschrauben kann. Bei diesem Voltmeter sind die Kabel schon mit den korrekten Farben angelötet (für plus rot und für minus schwarz). Um das Voltmeter vor mechanischer Zerstörung zu schützen, habe ich noch einen Rahmen auf den Gehäusedeckel aufgesetzt.

Die Gehäusehöhe muss für den LM2587S Spannungswandler nicht verändert werden, da in der Vorgänger Version schon genügend Platz vorhanden war. Die Arbeit am CAD ist hier definitiv von Vorteil, da der Deckel auch ohne Aussparung für das Voltmeter einfach verlängert werden kann und schon erhält man eine Variante „lang“ für diejenigen, die kein Voltmeter brauchen, aber den Eingang an der Rückseite haben wollen.

Die Bauteile wurden wie immer am 3D-Drucker produziert und anschließend wurde das Gewinde geschnitten (in diesem Fall M2). Das Verlöten ist wie beim Vorgänger sehr einfach und die zwei zusätzlichen Kabel vom Voltmeter werden farbengerecht mit den OUT-Kabeln am Hohlstecker verschraubt.

Einstellung und Justierung des LM2578S Spannungswandler

Nun zum Einstellen bzw. justieren des LM2587S Spannungswandlers. Hier war vorallem die Genauigkeit des Voltmeters interessant. Grundsätzlich sollte die Justierung unter Last erfolgen. Das bedeutet mit einem angeschlossenen Verbraucher (z.B. einem Widerstand). Die Messungen habe ich mehrmals wiederholt und war sehr erstaunt über die Genauigkeit des Mini Voltmeters.

Die maximale Abweichung betrug nicht mehr als 0,04 V und das sogar bei unterschiedlichen Eingangsspannungen. Das Gerät wurde von 4 V bis 32 V ausgiebig getestet. Ich empfehle bei längerer Benutzung nicht mehr als 30V Ausgangsspannung für den Betrieb zu nutzen, da das Voltmeter auf Dauer nicht für höhere Spannungen geeignet ist.

Wichtig ist natürlich der Übergangswiderstand, denn jede zusätzliche Steckverbindung reduziert die Spannung. Daraus folgt:

• Unnötige Steckverbindungen vermeiden
• Spannung immer an der letzten Verbindung messen

Sicherheitsaspekt

Die Sicherheit sollte auch nicht außer Acht gelassen werden, da der Step-up im Gegensatz zum Step-down einen offenen Schaltkreis hat, sollte dieser mit einer Sicherung versehen werden! An meinem Step-up habe ich nachträglich (leider auf den Fotos nicht zu sehen) sowohl an der Eingangsspannung, als auch an der Ausgangsspannung ein träges Pico mit 3A am Pluspol angebracht. Damit steht der Benutzung also nichts mehr im Wege!

Dateien herunterladen:

• STL Dateien für den 3D Drucker (mit Voltmeter)
• STL Dateien für den 3D Drucker (Langversion ohne Voltmeter)

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Liste der Bauteile:

• 1x Battery Shield V3
• 6x Linsenkopfschrauben M2x8
• 1x Hohlstecker 5,5×2,1
• 6x Flachkopfschraube M2x6
• 1x LiPo Akku 18650

Untersuchung des Battery Shield V3

Nachdem das Battery Shield V3 bei mir angekommen war musste ich als erstes die Eigenschaften genau untersuchen.  Die Tests habe ich mir vorher überlegt und orientieren sich in erster Linie an meine Anwendungsfälle. Da ich natürlich kein Prüfinstitut bin habe ich die Tests so einfach wie möglich gehalten.

Zunächst habe ich die Hauptfunktion, das Aufladen eines LiPo Akkus, getestet. Der Ladevorgang am Modul wird mit Hilfe einer LED signalisiert. Rot bedeutet, dass der Akku aufgeladen wird und Grün bedeutet, dass der Ladevorgang beendet ist. Leider befinden sich die LEDs auf der Unterseite des Moduls und sind nicht gut sichtbar.

Laut den Angaben des Herstellers bzw. des online Händlers beträgt die Ladespannung 4,2 V und der Ladestrom 500 mA. Um diese Werte zu überprüfen, habe ich den Ladezustand des eingesetzten Akkus gemessen und notiert. Der Ladezustand war ungefähr bei 1100 mAh. Die gesamte Kapazität des Akkus beträgt 3000 mAh. Daraus folgt, dass die Differenz zwischen vollständig geladen und teilgeladen 1900 mAh beträgt. Um die vorraussichtliche Ladedauer zu erhalten, wird dieser Wert durch die vom Hersteller angegebenen 500 mA geteilt. Die berechnete Ladedauer ergab somit 4 h. Als Netzteil wird ein Standard Netzteil mit 5V und 1A Ladestrom verwendet. In der Realität betrug die Dauer des Ladens 4 h und 15 min. Das ist nahe an der Theorie und somit in Ordnung. 

Bitte beachten: Für diesen Test nie einen ganz neuen LiPo Akku verwenden, sondern einen der schon einige Ladezyklen hinter sich hat. Ansonsten ist das Ergebnis nicht sehr aussagekräftig. 

Untersuchung der Modul Spannungen

Im zweiten Test wurden die unterschiedlichen Spannungen untersucht, welche das Modul zur Verfügung stellt. Diesen Test habe ich in zwei Phasen unterteilt. In der ersten Phase (Bild Test 2_1) wird das Modul ohne LiPo Akku verwendet. Anschließend wird in der zweiten Phase ein LiPo Akku eingesetzt.

Wichtig ist hierbei natürlich die richtige Auswahl der Verbraucher, um den Test so realitätsnah wie möglich durchzuführen. Für den USB-A Anschluss habe ich sowohl einen Lastwiderstand mit 1 A als auch mit 2 A ausgewählt. Dieser keramische Lastwiderstand ist ideal, da eine USB Schnittstelle vorhanden ist und die LED grün leuchtet wenn 5 Watt verbraucht werden. Bei 10 Watt leuchtet die LED rot.

Für die 3 x 5 V Ausgänge habe ich an zwei Ausgängen 5V LED Streifen gelötet und am dritten 5V Ausgang hängt ein von mir konstruiertes Step-Down Modul LM2596S, das auf 2V eingestellt ist, um eine 10 mm RGB Led zu versorgen. An die 3 x 3 V Ausgängen wurden jeweils 3 V LEDs gelötet. Für diesen Test wurde ein 5 V (18 Watt) Netzteil verwendet.

Das Modul im Netzbetrieb ohne LiPo Akku

Es passierte eigentlich nach dem Anschließen der Verbraucher und den Netzteil nicht sonderlich viel. Es leuchtete nur die modulinterne LED rot. Erst als ich den Keramik-Lastwiderstand deaktiviert habe leuchtete einer der 5 V LED Streifen und die mit dem Step-Down verbundene RGB Diode (Gelb markiert in Bild Test2_1).

Bei der anschließenden Messung der Ausgänge wurden folgende Werte festgestellt: Bei den 5 V Ausgängen wurde eine Spannung von 3,24 V gemessen und bei den 3 V Ausgängen 2,28 V. Die gesamte Strombereitstellung des Moduls ohne eingesetzten LiPo Akku liegt bei ca. 11 mA. Das sollte für eine kleine LED ausreichen.

Das Modul mit LiPo Akku

Für die Phase 2 wurden alle Verbraucher entfernt und ein LiPo Akku (SAMSUNG INR18650-35E SDI KL59) in das Modul eingesetzt. Wie auf den Bildern zu erkennen ist wurden Steckverbindungen angebracht. Das liegt daran, dass dieses Modul keinen Schalter für den LiPo Akku besitzt und somit die Last sofort auf den LiPo Akku angelegt wird. Es ist einfach unangenehm einen Akku oder jegliche Batterie unter Last einzulegen bzw. einzustecken.

Alle Verbraucher sind in Phase 2 im Vollmodus und funktionieren einwandfrei. Zusätzlich wird sogar noch der LiPo Akku aufgeladen. Zweifel sind an den 5 V Ausgängen bezüglich der Ampereangaben (4 A) angebracht. Angesichts der Ampere Zahlen des LiPo Akkus ist das zwar möglich, aber es erscheint mir sehr hoch für eine USB Micro Versorgung. Meine Empfehlung ist das Modul mit weniger als 4 Ampere zu beanspruchen.

Tiefenentladeschutz

Der dritte und letzte Test ist eher trivial. Um den Tiefenentladeschutz zu prüfen wurde nur der Keramik Lastwiderstand mit 5 Watt aktiviert und keine Netzversorgung angeschlossen. Dadurch wird der LiPo Akku entladen und wenn der Tiefenentladeschutz des Moduls den Entladeprozess eigenständig beendet ist der Test erfolgreich. Das war der Fall. Es war genügend Restkapazität vorhanden. Allerdings sollten solche Stresssituationen für den LiPo Akku trotzdem vermieden werden. 

Gehäuse für das Battery Shield V3

Natürlich konnte ich es nicht lassen noch ein Gehäuse für das Battery Shield V3 Modul zu konstruieren. Neben dem normalen 5 V USB Ausgang, der über einen extra Schalter ein- und ausgeschalten werden kann, habe ich zusätzlich noch einen konstanten 3V Ausgang mit einer 5,5 x 2,1 Buchse  in das Gehäuse konstruiert.

Das Gehäuse kann am Ende des Blogbeitrags im STL-Format heruntergeladen werden.

Kleiner Nachteil

Der On/OFF Schalter schaltet nur den USB Port. Die 3 x 3 V und 3 x 5 V Lötstellen können nicht über diesen Schalter ein und ausgeschaltet werden.

Für meine Elektronik Projekte ist dieser Nachteil nicht wirklich dramatisch, da ich in erster Linie den USB Port nutze. Außerdem können an die Lötstellen auch zusätzliche Schalter eingelötet werden.

Dateien zum Herunterladen:

• Datenblatt Battery Shield V3 (von AZ Delivery)
• 3D Druck Gehäuse

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