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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.

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• Solarpanelhalterung Gehäuse

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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.

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• Tastenfeldschloss Gehäuse

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Umsetzung der Dupont Steckverbindung

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Zusammenbau der Dupont Steckverbindung

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

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

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

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

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

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• Dupont Steckverbindung 3PIN

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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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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

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• 4 PIN Variante STL Datei
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• 6 PIN Variante STL Datei

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

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Liste der Komponenten

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

Anwendung im Projekt

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

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

Ablauf

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

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

Arbeitsschritte in Bildern

Vorteile:

• Keine Kabelvorbereitung
• Starke Verbindung
• Einfacher 3D Druck

Nachteile:

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

Datei zum Herunterladen

• • STL Datei der Anlöthilfe

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Wir haben bereits kleinere Arduino Projekte in Angriff genommen. Als nächstes möchten wir eine Gebetsmühle bauen, die anfängt zu Leuchten, wenn sie gedreht wird. Hierfür werden wir einen Hall Sensor brauchen.

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In diesem Beitrag wird an einem ganz einfachen Beispiel erklärt wie man einen Hall Sensor mit einem Arduino verbindet und so programmiert, dass eine LED anfängt zu leuchten, sobald der Hall Sensor KY024 ein Magnetfeld detektiert.

Liste der Bauteile

• Arduino Mega
• Jumper Kabel
• 220 Ohm Widerstand
• LED
• Magneten
• Hallsensor KY-024

Wie funktioniert ein Hallsensor bzw. der Halleffekt?

Wenn sich ein Stromdurchflossener elektrischer Leiter in einem Magnetfeld befindet, baut sich ein elektrisches Feld auf. Dieses ist senkrecht zur Stromrichtung und zum Magnetfeld und kompensiert die Lorentzkraft, welche auf die Elektronen wirkt.

Ein Hall-Sensor liefert auch ein Signal, wenn das Magnetfeld, in dem er sich befindet, konstant ist. Dies ist der Vorteil im Vergleich zu einer einfachen Spule, die nur die Ableitung des Magnetfeldes nach der Zeit feststellen kann.

Der Hallsensor KY-024

Der lineare magnetische Hallsensor KY-024 kann Magnetfelder detektieren und reagiert daher sobald man sich ihm mit einem Magnet nähert. Er verfügt über ein Potentiometer mit dem man die Empfindlichkeit des Sensors einstellt. Der KY-024 Hallsensor bietet sowohl einen analogen als auch einen digitalen Ausgang.

Der digitale Ausgang fungiert als Schalter, der ein- und ausgeschaltet wird, wenn sich ein Magnet in der Nähe befindet. Der Analogausgang dagegen kann die Polarität und relative Stärke des Magnetfelds messen.

KY-024 Arduino Verkabelung

Es handelt sich um einen sehr einfachen Aufbau, der nur dafür dient die Funktionsweise des KY-024 Hallsensors zu verdeutlichen. Bitte auf die Vorwärtsrichtung der LED achten, das abgeknickte Ende wird mit einem Arduino Pin verbunden und das gerade Ende mit GND. Korrekterweise braucht die LED einen 220 Ohm Vorschaltwiderstand. Dieser kann aber für die kurze Anwendungsdauer auch vernachlässigt werden.

Ansonsten analog zur Fritzing Skizze GND des KY-024 mit GND des Arduino verbinden. Den analogen Ausgang A0 des KY-024 mit A0 des Arduino Mega verbinden. Das + des KY-024 mit 5V des Arduino verbinden und den digitalen Ausgang D0 des KY-024 mit Pin 9 des Arduino verbinden. Das war auch schon der komplette Aufbau.

Hall Sensor KY-024 Arduino Code

int LED = 53 ; // LED
int digitalPin = 9; // Hall magnetic sensor input 1 (high) or 0 (low)
int analogPin = A0; // analog Pin also available, but not necessary
int digitalInputValue ; // digital readings
int analogInputValue; // analog readings

void setup ()
{
  pinMode (LED, OUTPUT); 
  pinMode (digitalPin, INPUT); 
  pinMode(analogPin, INPUT); //not necessary, but it is interesting to see the analog values
  Serial.begin(9600);
}

void loop ()
{
  
  digitalInputValue = digitalRead(digitalPin) ; 
  if (digitalInputValue == HIGH) // When magnet is present, digitalInputValue gets 1 (HIGH) and turns LED on
  {
    digitalWrite (LED, HIGH);
    
  }
  else
  {
    
    digitalWrite (LED, LOW);
  }
  
  //Here you can see the analog values of the sensor
  analogInputValue = analogRead(analogPin);
  Serial.println(analogInputValue); // print analog value

  delay(100);
}

Wir definieren zunächst die Belegung der LED (hier Pin 53), den digitalen (Pin 9) und den analogen Pin (Pin A0) und zwei Variablen um die digitalen und analogen Sensordaten auszulesen. Für unseren Zweck, die LED zum Leuchten zu bringen reicht der digitale Pin.

Der analoge Pin kann eigentlich vernachlässigt werden. Da es aber für dieses Tutorial nützlich ist auch die analogen Werte zu zeigen wurde der analoge Pin trotzdem im Code berücksichtigt.

Im Setup wird der jeweilige PinMode definiert und in der Loop Funktion wird der digitale Sensor Wert des KY 024 eingelesen und je nach Wert erhält die LED das Kommando zu leuchten oder eben nicht. Der digitale Sensorwert ist entweder 0 oder 1. Wenn man nun möchte kann man sich mit den vorletzten 2 Zeilen die zugehörigen analogen Werte anzeigen lassen.

Download Dateien

• Hall sensor KY-024 Arduino code

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