Die Technik eines Tannenbaums

Wie in der Zusammenfassung des diesjährigen Weihnachtsprojektes zu sehen ist, haben Felix und ich es uns angenommen für schöne und eventuell auch ein bisschen sehr bunte Stimmungsbeleuchtung zu sorgen. Dafür wurde eine Platine in Tannenbaumform und 24 RGBW LEDs, eine davor platzierte mattierte Plexiglasscheibe, sowie ein Ständer entwickelt. An dieser Stelle soll dann auch eine Übersicht über die technischen Aspekte erfolgen. Prinzipiell gibt es drei Baustellen: Zunächst muss eine elektronische Schaltung und eine Platine als elektronische Hardware Plattform entwickelt werden. Dann folgt die Software um möglichst schöne Bilder und eine zuverlässige und intuitive Bedienung zu ermöglichen. Als letztes ist der mechanische Aufbau mit Plexiglas und Ständer beschrieben.

Elektronik

Das elektronische Design dreht sich komplett um die Integration von 24 RGBW (red green blue white) SK6812 LEDs. Durch das digitale Interface und die Kaskadierung aller LEDs ist der schaltungstechnische Aufwand so gering wie möglich. Es werden RGBW anstatt RGB LEDs verwenden, sodass auch eine warmweiße Lichtfarbe zur Verfügung steht. Wenn eine weiße Lichtfarbe nur durch die Mischung von Rot, Grün und Blau zur Verfügung stände wäre zum einen der Stromverbrauch wesentlich höher, zum anderen die Lichtfarbe doch unschön klinisch blauer.
Die LEDs werden von einem ATtiny85 gesteuert. Dieser nutzt seinen internen 8Mhz RC-Oszillator als Taktquelle. Eine niedrigere Taktfrequenz ist aufgrund des 800kHz Taktes des Protokolls der LEDs, das per Bit-Banging implementiert wird, nicht realistisch. Auch so sind nur 10 Mikrocontrolleroperationen zur Verfügung um die Timing Spezifikationen einzuhalten. Dazu im Abschnitt über Software mehr. Zwei Schalter und ein Potentiometer werden als User Interface verbaut. Die Stellung des Potentiometer wird mit einem ADC Kanal vom ATtiny ausgelesen. Die Schalter werden softwareseitig entprellt.
Es stehen zwei Varianten der Stromversorgung zur Verfügung. Entweder über eine USB Buchse der letzten Generation (Micro-USB), sodass sämtliche jetzt obsolete Handyladegeräte weiter genutzt werden können, oder über einen eingebauten Lithium-Ionen Akku. Der Akku wird über die USB Schnittstelle mithilfe des LTC4054 Akku Lade-IC geladen. Der Ladestrom ist so konservativ eingestellt, dass auch langfristig kein schnelles Ende der Lebenszeit des Akkus auftreten sollte. Eine Power-OR Schaltung sorgt dafür, dass der Baum während des Ladevorgangs vom Netzteil bestromtn wird. Um die Akkulaufzeit zu maximieren besteht die Power-OR Schaltung aus einer Schottky Diode hinter dem Netzteil und einer MAX40200 idealen Diode hinter dem Akku. So ist Leistungsaufnahme der Diode aufgrund der niedrigen Vorwärtsspannung im Akkubetrieb minimal und der Akku kann tiefer entladen werden. Auch wenn der Baum ausgeschaltet ist wird der Akku durch die Platzierung des An/Aus Schalters geladen.

 

Software

Die Programmstruktur sieht 19 statische und dynamische vorgegebene Bilder, sowie einem Progammiermodus, vor. Das aktuell angezeigte Bild kann mit dem „Auswahl“ Schaltern gewählt werden. Mit dem anderen Schalter wird in den Progammiermodus gewechselt. In diesem wird durch alle LEDs geschaltet und es kann eine aus zehn Farben für jede gewählt werden. Nach jedem Umschalten einer Farbe wird das eigene Bild im EEPROM gespeichert. So kann der Programmiermodus nicht nur durch das Setzen aller LEDs, sondern auch durch Drücken des Reset Tasters verlassen werden. Wenn also kein passendes Bild bei den vorprogrammierten Bildern dabei ist, kann auch noch eins selbst designed werden. Auch das aktuelle angezeigte Bild wird im EEPROM gespeichert. Beim Einschalten wird dann wieder das zuletzt angezeigte Bild angezeigt.

Mechanik

Der mechanische Aufbau besteht aus einem Holzständer in den die oben beschriebene Platine und eine Plexiglasscheibe derselben Form in einem Winkel von 15 Grad gesteckt werden. Für die Version mit Akku wird dieser in den Ständer eingelassen und zum Stoßschutz mit einem Deckel aus klarem Plexiglas abgedeckt. Beide Teile werden mit meiner CNC-Fräse gefertigt.
Die matte Scheibe in Tannenbaumform wird zunächst ausgefräst. Obwohl in 3mm Stärke bestellt, hat das Rohmaterial eine Spanne von 2,7mm bis zu 3,3mm. Nach Absprache mit dem Lieferant scheint das auch normal so. Naja. Also muss die Kontaktfläche zwischen Glas und Ständer auf einen gemeinsamen Nenner gebracht werden. Da die Spaltbreite des Ständers konstant ist, wurde der „Stumpf“ des Baumes auf 2,5mm abgefräst.
Der Ständer wird in eine 15 Grad schräge Einspannhilfe gespannt und die beiden Slots für Platine und Plexiglasscheibe werden mit einem 1,5mm Fräser gefräst. Die Tasche für die Akkuversion wird mit einem 6mm Fräser gefräst. Dabei wird auch der Glasdeckel so eingelassen, dass er bündig mit der Holzoberfläche abschließt. Fixiert wird er mit zwei Holzschrauben.

Das finale Produkt sieht dann so aus:

An dieser Stelle wünschen Felix und ich eine schöne Adventszeit.

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