Entwicklung und Aufbau eines motorisierten Kamerasliders mit ...

Einleitung 1 Vorwort 1.1 Einleitung Im Rahmen unserer 2-­‐jährigen Weiterbildung zum staatlich geprüften Techniker in allgemeiner Elektrotechnik an der Technikerschule in München ist es möglich alternativ zu einem Wahlpflichtfach eine Projektarbeit durchzuführen. Die Zielsetzung einer solchen Arbeit ist, die Problemstellung selbstständig und als Team eigenverantwortlich zu lösen. Mit der Durchführung des Projektes sollen nicht nur Fach, –und Lernkompetenz optimiert, sondern auch die Kooperationsbereitschaft im Team verbessert werden. In diesem Zusammenhang war es für uns wichtig ein Projekt zu finden, in dem wir anspruchsvolle Aufgaben in den Bereichen der Mechanik, Elektrotechnik und der IT-­‐Programmierung durchführen konnten. Nach kurzer Überlegung stand fest, es soll etwas mit unserem Hobby, dem Fotografieren, zu tun haben. Zeitrafferaufnahmen mit langsam bewegten Vordergründen haben uns schon immer fasziniert. So entstand der Gedanke einen Kameraslider zu entwickeln, der nicht nur für den teuren professionellen Bereich gedacht ist. Zunächst mussten wir uns mit dem Umfang dieses Vorhabens intensiver vertraut machen und den Hintergrund sowie die Thematik mit dem Projektbetreuer seitens der Technikerschule besprechen. Die gewünschten Absichten vom Projektteam wurde vom Projektleiter angenommen und man einigte sich auf das Projekt „Kameraslider“. Somit war eine unserer Aufgaben, im Rahmen des Projektes ein Lasten-­‐ und Pflichtenheft, sowie diese technische Dokumentation zu erstellen. Diese schriftliche Dokumentation soll einen Einblick in Planung, Material, Zusammenbau und Programmierung geben. Auf leichte Verständlichkeit wurde durch Einfügen von Bildern besonders Wert gelegt. Ein gewisses Grundwissen in der Elektrotechnik und in C-­‐Programmierung sollte vorhanden sein, um Missverständnisse vorzubeugen. 1.2 Team Das Projektteam besteht aus Daniel Ettenhuber und Andreas Halecker. Fachliche, kompetente Hilfe gab es von Paul Wünsche, der uns bei der Konstruktion der Endstücke unterstützte. Bernhard Slawik, von der Objekt Druckerei Breit, Slawik, Trampler GbR, war für den 3D-­‐Druck der Endstücke zuständig. Die Dreharbeiten für die Motor-­‐ und Umlenkwelle wurde von Sam Bruckmaier Kunststofftechnik durchgeführt. Der Zeitraum des Projekts war vom 12/2012 – 05/2013 angesetzt. Es stand jeden Donnerstagnachmittag unterrichtsfreie Zeit für das Projekt zur Verfügung. Hauptsächlich wurden die Ferien und die Freizeit für die Projektarbeit genutzt. 1.3 Projektbetreuer Projektbetreuer an der Technikerschule München: Klaus-­‐Peter Zingelmann 3

Projektziele 4. Projektziele Intention dieses Projekts ist die Entwicklung eines motorisierten Kamerasliders mit Mikrokontrollsteuerung der mit herkömmlichen digitalen Spiegelreflexkameras ausgestattet werden kann. Das System soll nach kurzer Einweisung aufzubauen und ohne Programmierkenntnisse bedienbar sein. Ersatzteile können unproblematisch geordert oder selbst hergestellt werden können. 6

Baugruppen 6.2 Stativkopf Ein Kugelkopf ist nicht optimal, da eine exakte Ausrichtung nur mit Hilfe einer Wasserwagen-­‐Libelle erreicht werden kann. Die Wahl fiel auf einen 3-­‐Wege-­‐Neiger, mit dem man jede Bewegungsachse einzeln einstellen kann. (Bild 6.2.1) Der Kamerakopf ist aus Aluminium und für Kameras bis 5kg geeignet. Sein Gewicht beträgt 570g und hat eine Höhe von 9,5cm und 360° drehbar. Der Stativkopf hat an seiner Unterseite ein 3/8″ UNC Gewinde für die Befestigung eines Statives. Abb. 2: Stativkopf Manfrotto 391 RC2 10

Baugruppen 6.3 SainSmart UNO mit Display Shield Für die Automatisierung wurde eine Arduino UNO kompatible Platine von SainSmart mit Display Shield ausgewählt. Dieser Arduinonachbau ist kostengünstiger aber macht trotzdem einen hochwertigen Eindruck. Die Plattform ist ideal für dieses Projekt, weil keine zusätzlich Gedanken über ein Platinenlayout und die Beschaltung des Mikrocontrollers zu machen sind. Das Display-­‐Shield wird direkt auf die UNO-­‐Platine aufgesteckt. Am Display-­‐Shield befinden sich sechs Taster die zum Bedienen der Steuerung des Kamerasliders benutzt werden. 6.3.1 Technische Daten SainSmart UNO Microcontroller Atmega328 Operating Voltage 5V Input Voltage (recommended) 7-­‐12V Input Voltage (limits) 6-­‐20V Digital I/O Pins 14 (of which 6 provide PWM output) Analog Input Pins 6 DC Current per I/O Pin 40 mA DC Current for 3.3V Pin 50 mA Flash Memory 32 KB (Atmega328) of which 0.5 KB used by bootloader SRAM 2 KB (Atmega328) EEPROM 1 KB (Atmega328) Clock Speed 16 MHz 11

Baugruppen 6.3.2 Technische Daten SainSmart 1602 LCD Keypad Shield - 16x2 LCD Display (2 Zeilen mit je 16 Zeichen) - Blaue Hintergrundbeleuchtung mit weißer Schrift und einstellbarem Kontrast - 6 Taster, die über ein Widerstandsnetzwerk an nur einem Analogpin ausgewertet warden (Siehe Anhang Schaltplan LCD Keypad Shield) Abb. 3: 4Bit SainSmart Platine Abb. 4: 4 Bit SainSmart Platine mit LCD Display Abb. 5: SainSmart mit aufgestecktem LCD Display 12

Baugruppen 6.5 Schrittmotor Der Schrittmotor stellt das Kernstück des Systems dar. Es wurden Erfahrungswerte von Motorspezialisten eingeholt, damit die richtige Wahl des Motors getroffen werden konnte. Bei der Vielfallt in Frage kommender Motoren war eine Beratung und das beschaffen etwaiger Erfahrungen dahingehend sehr wichtig. Die Eigenschaften des Motors müssen an unseren Bedürfnissen angepasst sein. Interessant wurde der Motor vor allem durch das Haltemoment von 3,17 kg/cm. Das ist genügend Drehmoment um den Schlitten auch bei 45 ° nach oben zu ziehen, wie im Lastenheft gefordert wurde. Der gewählte Hybridschrittmotor kann als unipolarer oder bipolarer Schrittmotor verwendet werden. Er hat einen Schrittwinkel von 1,8° (200 Schritte / Umdrehung). Bei einem Spulenstrom von 1200 mA bei 4 V, erreicht der Motor ein Haltemoment von 3,17 kg/cm. Der Motor verfügt über sechs farbcodierte Drähte. 6.5.1Technische Daten Schrittmotor Größe: Gewicht: Wellendurchmesser: Schritte pro Umdrehung: Aktuelle Bewertung: Nennspannung: Widerstand: Haltemoment: Induktivität: Leitungslänge: 42,3 mm im Quadrat x 48 mm, ohne Welle 350 g 5 mm 200 1200 mA pro Spule 4 V 3,3 Ohm pro Spule 3,17 kg-­‐cm 2,8 mH pro Spule 30,50 cm Abb. 8: Drehmomentkurve Abb. 9: techn. Zeichnung Abb. 10: Schrittmotor mit Wellen und Zahnscheiben 14

Baugruppen 6.6 Schrittmotortreiber Angesteuert wird der Motor durch eine Schrittmotortreiberplatine A4988 von Pololu. Auf dieser Platine sind neben der Motorsteuerung auch noch Spannungsregler, die eine Spannung von 3,3V und 5V für z.B. die Infrarot-­‐Auslösung zur Verfügung stellen können. Die Motorsteuerung arbeit in einem Versorgungsspannungsbereich von 8V bis 35V. Die Treiberfunktion verfügt über eine einstellbare Strombegrenzung, Überstrom-­‐und Übertemperaturschutz, und bietet fünf verschiedene Mikroschrittauflösungen bis 1/16 Schritt. 6.6.1 Allgemeine Daten Minimale Betriebsspannung: Maximale Betriebsspannung: Dauerstrom pro Phase: Maximaler Strom pro Phase: Minimum Logikspannung: Maximale Logikspannung Mikroschrittauflösungen: 8V 35V 1A 2A 3V 5,5V voll, ½, ¼, 1/8, und 1/16 Abb. 11: Anschlussplan Abb. 12: Schrittmotortreiber 15

Baugruppen 6.7 Endschalter Damit eine automatische Abschaltung des Motors gewährleistet werden kann, werden an den Schienenendstücken Endschalter von Panasonic auf selbstgebaute Aluwinkel montiert. Die Aluwinkel werden jeweils auf die Endstücke verschraubt. Die Endschalter werden jeweils durch am Schlitten montierte Winkel betätigt, sobald der Schlitten das Ende der Schiene erreicht. Um den geforderten Witterungsbedingungen gerecht zu werden, sind diese Endschalter geschützt nach Schutzklasse IP 67. Abb. 13: Endschalter mit Anschlusskabel 16

Baugruppen 6.8 Schienenendstücke Das Endstück auf der Motorseite dient der Aufnahme des Motors und der Umlenkrolle, die direkt auf der Motorwelle montiert ist sowie der Befestigung eines Endschalters. Das andere Endstück dient für den festen Sitz der Umlenkrolle und eines zweiten Endschalters. Durch ein Verschieben des zweiten Endstücks kann der Zahnriemen gespannt werden. Die Endstücke werden direkt an die Schiene geschraubt. Die Endstücke gibt es so nicht zu erwerben und müssen individuell konstruiert werden. Der Konstrukteur Paul Wünsche hat sich diesem Thema gewidmet und entwickelte mit der Software SolidWorks und unser eingebrachter Planung die 3D-­‐Modelle. Für die Realisierung wurde anstatt einer CNC-­‐Fräsmaschine ein 3D-­‐Drucker ausgesucht. Die Daten wurden an Bernhard E. Slawik gesendet, der seinen 3D-­‐Drucker für dieses Projekt zur Verfügung stellte. Vorteil dieser Methode ist gegenüber der Fertigung in einer CNC-­‐Fräsmaschine der günstigere Stückpreis. Erst einmal wurden Prototypen gedruckt um sicherzugehen, dass das Material stabil genug ist und sich an der Schiene verschrauben lässt. So wurde auch klar ersichtlich, wo noch nachgebessert werden kann und ob noch etwas für die spätere Montage fehlte. Es wurden zwei Prototypen gedruckt, bis die endgültigen Endstücke hergestellt wurden. Abb. 15: 1. Prototyp an Schiene Abb. 14: CAD-­‐Modell 1. Prototyp Abb. 16: 1. Prototyp an Schiene 17

Baugruppen 6.9 Aluschiene Für die Realisierung der Riemenbefestigung, der zwei Winkel für die Endschalter und die Betätigungswinkel wurde eine herkömmliche Aluschiene mit L-­‐Profil (30mmx30mmx2,8mm) aus dem Baumarkt verwendet. Abb. 17: Aluschiene mit L-­‐Profil 18

Zsammenbau des Kamerasliders 7. Zusammenbau des Kamerasliders 7.1 Vorbereitung der Endstücke Nach dem Drucken müssen die Endstücke etwas bearbeitet werden. Die Stützstruktur in den Löchern musste entfernt werden, sodass die Schrauben und die Antriebs-­‐/ und Umlenkwelle Platz finden. Für die Lagerung der Wellen werden Gleitlager eingesetzt, damit die Reibung beim Drehen so gering wie möglich ist. Hierzu ist gut auf (BILD) zu erkennen, dass die Welle etwas zu lang ist. Die Welle wurde im späteren Verlauf der Montage mit einer Drehmaschine etwas gekürzt. Abb. 19: Beide Schienenendstücke Abb. 20: Schienenendstück Umlenk Abb. 18: Entfernung der Stützstruktur Abb. 21: Schienenendstück mit Welle 19

Zsammenbau des Kamerasliders 7.2 Vorbereitung der Schiene Nachdem die Endstücke für die Montage vorbereitet wurden, konnten die Bohrlöcher für die Endstücke an der Schiene angezeichnet, gebohrt und anschließend in jedes Bohrloch ein M4 Gewinde geschnitten werden. Abb. 22: Vorbereitung Bohren Abb. 23: Bohrlöcher für ein Endstück Provisorisch wurde der Riemen mit den Zahnrädern und Endstücken an die Schiene gehalten. Dadurch stellte sich heraus, dass der Riemen etwas zu kurz gewählt wurde. Zuerst kam die Idee auf, den Riemen auseinanderzuschneiden und unter dem Schlitten zwei mal zu befestigen. Aber wir entschieden uns die Schiene um etwa 5mm zu kürzen. Diese Lösung ist einfacher und unkomplizierter. Abb. 24: Schiene zu lang Abb. 25: Abgesägtes Stück Abb. 26: Angepasste Schienenlänge 20

Zsammenbau des Kamerasliders 7.3 Motorwelle und Umlenkwelle Die Motor-­‐ und Umlenkwelle wurde von der Firma Sam Bruckmaier Kunststofftechnik nach unseren Vorgaben hergestellt. 21

Zsammenbau des Kamerasliders 7.4 Montage motorseitiges Schienenendstück Die Vorbereitungen sind abgeschlossen und die Endstücke können zusammengesetzt und an die Schiene verschraubt werden. Der Schrittmotor wurde auf den dafür vorgesehen Deckel mit Gleitlager geschraubt. An die Welle wird eine Riemenscheibe mit einer Madenschraube befestigt. Nun wird der Riemen um das Scheibe gelegt und der Deckel mit dem Bodenteil ebenfalls verbunden und verschraubt. Abb. 27: Endstück mit Motor u. Umlenkrolle Abb. 28: Verschraubtes Endstück Abb. 29: Verschraubung an Schiene 22

Zsammenbau des Kamerasliders 7.5 Riemenbefestigung Damit der Schlitten am Zahnriemen befestigt werden kann, wurde ein Winkel aus der Aluschiene gesägt. Der Winkel wird mittig am Schlitten verschraubt sodass am Riemen keine allzu großer Verzug entsteht sobald der Schlitten das Ende der Schiene erreicht. In den Zahnriemen werden zwei Löcher mit dem Lötkolben geschmolzen, durch die der Riemen mittels einer kleinen Klemmleiste festgeschraubt und geklemmt wird. Die Klemmleiste wird ebenfalls aus der Aluschiene gesägt. Die Befestigung ist 4cm lang, besitzt einen Schraubenabstand von 2cm. Es werden M3-­‐Schrauben für die Riemenbefestigung verwendet. Abb. 30: Positionierung am Schlitten Abb. 31: Befestigung am Riemen Abb. 32: Riemenbefestigung 23

Zsammenbau des Kamerasliders 7.6 Befestigung der Endschalter Die Endschalter werden an den dafür vorgesehenen Ausbuchtungen der Schienenendstücke mit einem Alu-­‐Winkel montiert. Die Befestigung am Winkel erfolgt über ein 3mm Loch und eine M3-­‐Schraube. An den Endschaltern befindet sich eine Nut, wodurch nur eine Schraube pro Endschalter notwendig ist. Die Anschlusskabel werden von der Umlenkseite durch den Hohlraum der Schiene verlegt und an der Motorseite zusammengeführt. Auf dem Bild 7.6.... wird das durch den Querschnitt der Schiene verdeutlicht. Abb. 33: Größenvergleich Endschalter Abb. 34: Endschalter am Aluwinkel Abb. 35: Endschalter am Aluwinkel Abb. 36: Veranschaulichung -­‐ Verlegung der Endschalterkabel durch die Schiene 24

Zsammenbau des Kamerasliders 7.7 Betätigung der Endschalter Sobald der Schlitten bei einer Kamerafahrt das Ende der Schiene erreicht, müssen die Endschalter rechtzeitig betätigt werden, damit der Schlitten nicht gegen die Endstücke fährt und das System beschädigt wird. Die Betätigung erfolgt durch zwei Winkel, die am Schlitten verschraubt sind. Die zwei Winkel werden aus der Aluschiene gefertigt. Diese werden jeweils am oberen Rand des Schlittens mit der dazugehörigen M8 Schraube für das Gleitlager der Schiene verschraubt. Abb. 37: Winkelbearbeitung Abb. 38: Winkelbearbeitung Abb. 39: Winkel auf Schlitten verschraubt Abb. 40: Winke auf Schlitten mit Endschalter 25

Zsammenbau des Kamerasliders 7.8 Befestigung des Stativkopfes Der Stativkopf wird mit einer 3/8 Zoll UNC Sechskantschraube am Schlitten befestigt. Dafür wurde mittig in den Schlitten ein 9,5mm Loch gebohrt. Die Zollschraube kann mit einem 14er Schlüssel festgeschraubt werden. Abb. 41: Stativkopf, Schraube und Schlitten Abb. 42: Montierter Stativkopf auf Schlitten 7.9 Auslösung der Kamera Die Kamera wird über eine Infrarot Leuchtdiode ausgelöst. Um die LED immer zum Empfänger ausrichten zu können, ist ein flexibler Arm erforderlich. Dieser Arm besteht aus einer mit Schrumpfschlauch umhüllten starren Leitung, die auf der einen Seite am Schlitten befestigt wird. Am anderen Ende der Leitung ist die LED auf einer kleinen Platine befestigt. Abb. 43: Infrarot LED 26

Schaltungsaufbau 8 Schaltungsaufbau Die angefertigte Hauptplatine dient als Träger für das Arduino-­‐Board und verbindet die Ein-­‐ und Ausgänge direkt mit einem 15-­‐poligen Sub-­‐D Stecker. Auf dieser Platine ist ein Spannungsregler für die Stromversorgung des Arduino sowie die Pull-­‐Down-­‐Widerstände für den Anschluss der Endschalter angebracht. Abb. 44: Hauptplatine Abb. 45: Platine mit Schrittmotortreiber Die zweite Platine ist in unmittelbarer Nähe des Motors am Schienenendstück befestigt und dient als Träger für den Schrittmotortreiber und verbindet die Anschlüsse des Treibers und die Endschalter mit einem 15-­‐poligen Sub-­‐D Stecker. Auf dieser Platine ist zusätzlich eine Transistorschaltung, um die LED mit maximaler Leistung zu anzusteuern. Beide Platinen werden durch ein 16 poliges Datenkabel miteinander verbunden. 27

Schaltungsaufbau 8.1 Schaltplan Abb. 46: Schaltplan 28

Programmierung 9 Programmierung Die meiste Zeit im Projektverlauf beanspruchte die Programmierung der Steuerung, da das Programm komplett eigenständig erstellt wurde. Die Kenntnisse in der C-­‐Programmierung aus dem ersten Jahr der Technikerschule konnten dabei genutzt und selbstständig erheblich verbessert werden. Die Programmierung umfasst neben dem eigentlichen Funktionscode noch eine Menüstruktur, die auf dem Display dargestellt und mit den Eingabetastern bedient wird. Der komplette Quelltext ist im Anhang zu finden. Das Menü ist zweidimensional aufgebaut (Abb. 47). Auf dem Display werden Navigationspfeile angezeigt. In Richtung dieser Pfeile kann immer durch die Menüstruktur navigiert oder Werte geändert werden. Abb. 47: Menüstruktur 29

Programmierung 9.1 Ausführliche Beschreibung der einzelnen Haupt-­‐ und Untermenüpunkte Nach dem Einschalten der Stromversorgung oder nach Reset wird im Display für 500ms der Startbildschirm angezeigt. Anschließend erfolgt der Sprung ins Hauptmenü. S/M/S Modus Shoot/Move/Shoot bedeutet dass der Schlitten eine bestimmte Strecke fährt, die Kamera bei Stillstand ausgelöst wird und der Schlitten nach einer bestimmten Zeit wieder fährt. Bei Betätigung der Taste UNTEN wird in den Menüpunkt Fahrt ohne Ausösung gesprungen. Bei Betätigung der Taste RECHTS wird in das Untermenü Schrittweite gesprungen. Hier kann eingestellt werden, wie weit der Schlitten zwischen zwei Auslösungen fahren soll. Bei unserer Hardware entsprechen 10 Motorsteps genau einem Millimeter, deswegen wurde die Anzeige auch so gewählt dass der Wert in mm angegeben wird. Taste OBEN erhöht den Wert, Taste UNTEN verringert den Wert, Taste SELECT ändert das Vorzeichen. Bei Betätigung der Taste LINKS wird in das Hauptmenü, bei Betätigung der Taste RECHTS in das Untermenü Intervall gesprungen. Hier kann eingestellt werden, in welchem zeitlichen Abstand die Auslösungen erfolgen. Es ist darauf zu achten dass die Zeit nicht kürzer ist als die Fahrzeit des Schlittens für die eingestellte Schrittweite. Taste OBEN erhöht den Wert, Taste UNTEN verringert den Wert. Bei Betätigung der Taste LINKS wird in das Untermenü Schrittweite, bei Betätigung der Taste RECHTS in das Untermenü Haltemoment gesprungen. 30

Programmierung Hier kann eingestellt werden, ob das Haltemoment des Schrittmotors die ganze Zeit eingeschaltet sein muss, oder in den Intervallpausen ausgeschaltet wird. Haltemoment ein ist sinnvoll wenn die Schiene schräg steht und der Schlitten durch sein Eigengewicht und das Gewicht der Kamera nach unten rutschen würde. Haltemoment aus ist empfehlenswert wenn die Schiene waagrecht steht und wenn auf einen geringen Stromverbrauch geachtet werden muss. Taste OBEN oder Taste UNTEN schalten um zwischen ein und aus. Bei Betätigung der Taste LINKS wird in das Untermenü Intervall, bei Betätigung der Taste RECHTS in das Untermenü S/M/S aus/ein gesprungen. Bei Betätigung der Taste Select wird der S/M/S Modus gestartet und die Anzeige wechselt auf S/M/S ein. Im Display wird links die verbleibende Zeit in Sekunden bis zur nächsten Fahrbewegung des Schlittens angezeigt. Im Display rechts wird angezeigt wie oft ausgelöst wurde. Wenn der Schlitten am Schienenende angekommen ist und den Endschalter betätigt, oder bei Betätigung der Taste Select wird der S/M/S Modus wieder ausgeschaltet, die Anzeige wechselt auf S/M/S aus. Der Sprung zurück in das Menü Haltemoment (Taste LINKS) ist nur möglich wenn der S/M/S Modus ausgeschaltet ist. Im Menü Fahrt ohne Auslösung kann der Schlitten mit einer bestimmten Geschwindigkeit kontinuierlich verfahren werden, ohne dass eine Auslösung stattfindet. Bei Betätigung der Taste OBEN wird in den Menüpunkt S/M/S Modus gesprungen. Bei Betätigung der Taste UNTEN wird in den Menüpunkt Intervall Auslösung gesprungen. Bei Betätigung der Taste RECHTS wird in das Untermenü Geschwindigkeit gesprungen. Hier kann eingestellt werden, wie schnell der Schlitten fahren soll. Der Wert ist in Millimeter pro Sekunde angegeben. 31

Programmierung Taste OBEN erhöht den Wert, Taste UNTEN verringert den Wert, Taste SELECT ändert das Vorzeichen. Bei Betätigung der Taste LINKS wird in das Hauptmenü, bei Betätigung der Taste RECHTS in das Untermenü Motor aus/ein gesprungen. Bei Betätigung der Taste Select wird der Motor gestartet und die Anzeige wechselt auf Motor ein. Im Display wird die aktuelle Geschwindigkeit des Schlittens angezeigt. Wenn der Schlitten am Schienenende angekommen ist und den Endschalter betätigt, wird 500ms gewartet und dann die Fahrtrichtung umgekehrt sodass der Motor wieder in die andere Richtung fährt. Bei Betätigung der Taste Select wird der Motor wieder ausgeschaltet, die Anzeige wechselt auf Motor aus. Der Sprung zurück in das Menü Geschwindigkeit (Taste LINKS) ist nur möglich wenn der Motor ausgeschaltet ist. Im Menü Intervall Auslösung kann die Kamera ausgelöst werden, ohne dass der Schlitten verfahren wird. Bei Betätigung der Taste OBEN wird in den Menüpunkt Fahrt ohne Auslösung gesprungen. Bei Betätigung der Taste UNTEN wird in den Menüpunkt Testfoto gesprungen. Bei Betätigung der Taste RECHTS wird in das Untermenü Intervall gesprungen. Hier kann eingestellt werden, in welchem zeitlichen Abstand die Auslösungen erfolgen. Taste OBEN erhöht den Wert, Taste UNTEN verringert den Wert. Bei Betätigung der Taste LINKS wird in das Hauptmenü, bei Betätigung der Taste RECHTS in das Untermenü Intervall aus/ein gesprungen. 32

Programmierung Bei Betätigung der Taste Select wird der Intervallmodus gestartet und die Anzeige wechselt auf Intervall ein. Im Display wird links die verbleibende Zeit in Sekunden bis zur Auslösung angezeigt. Im Display rechts wird angezeigt wie oft ausgelöst wurde. Bei Betätigung der Taste Select wird der Intervallmodus wieder ausgeschaltet, die Anzeige wechselt auf Intervall aus. Der Sprung zurück in das Menü Intervall (Taste LINKS) ist nur möglich wenn der Intervallmodus ausgeschaltet ist. Im Menü Testfoto kann die Kamera mittels Tastendruck ausgelöst werden. Bei Betätigung der Taste OBEN wird in den Menüpunkt Intervall Auslösung gesprungen. Bei Betätigung der Taste UNTEN wird in den Menüpunkt Einstellungen gesprungen. Bei Betätigung der Taste SELECT wird die Kamera ausgelöst. Als Bestätigung erscheint im Display während der Auslösung kurz ein Sternsymbol (*). In diesem Menü konnen verschiedene Einstellungen vorgenommen und überprüft werden. Bei Betätigung der Taste OBEN wird in den Menüpunkt Testfoto gesprungen. Bei Betätigung der Taste RECHTS wird in das Untermenü Displayhelligkeit gesprungen. Hier kann eingestellt werden, hell die Beleuchtung des Displays sein soll. Die Einstellung geht von 0 (Beleuchtung aus) bis 25 (maximale Helligkeit). Wenn die Beleuchtung aus ist, sinkt der Stromverbrauch gegenüber maximaler Helligkeit um 50mA. Taste OBEN erhöht den Wert, Taste UNTEN verringert den Wert. Bei Betätigung der Taste LINKS wird in das Hauptmenü, bei Betätigung der Taste RECHTS in das Untermenü Kameramarke gesprungen. 33

Programmierung Hier kann die verwendete Kameramarke eingestellt werden Jeder Hersteller verwendet eigene Infrarot Auslösecodes, die untereinander nicht kompatibel sind. Um den Kameraslider mit möglichst vielen verschiedenen Kameras benutzen zu können, wurden Auslösecodes für die Hersteller Nikon, Canon, Sony, Olympus und Pentax eingepflegt. Taste OBEN und Taste UNTEN ändert die Kameramarke. Bei Betätigung der Taste LINKS wird in das Untermenü Displayhelligkeit, bei Betätigung der Taste RECHTS in das Untermenü Endschalter Test gesprungen. Hier kann der aktuelle Zustand der Endschalter überprüft werden. Die Endschalter in unserer Hardware sind als Öffner ausgeführt, das heißt im unbetätigten Zustand liegt am Mikrocontroller ein 1-­‐Signal, im Display wird HIGH angezeigt. Falls ein Endschalter betätigt ist oder die Kabelverbindung unterbrochen ist (Drahtbruch oder Ausstecken) wird das von der Steuerung entsprechend ausgewertet, im Display wird LOW angezeigt. 9.2 Verwendete Bibliotheken Folgende Bibliotheken sind für die Kompilierung des Quelltextes erforderlich Multi Ir Camera Control Bibliothek zur Einbindung der Infrarot-­‐Auslösecodes http://sebastian/arduino/my-­‐libraries/multi-­‐camera-­‐ir-­‐control/ Sainsmart LCD Keypad Bibliothek zum Auswerten der Tasten auf dem Display Shield http://invisibletower.de/2012/sainsmart-­‐lcd-­‐keypad-­‐library/ AccelStepper Bibliothek zur Steuerung von Schrittmotoren http://www.airspayce.com/mikem/arduino/AccelStepper/index.html 34

Programmierung 9.3 Details und Erklärungen zur Programmierung 9.3.1 Menüstruktur Die Menüstruktur ist wie schon erwähnt zweidimensional aufgebaut. Das bedeutet dass man zwischen den Hauptmenüs vertikal wechseln kann (Tasten OBEN und UNTEN) und in den Untermenüs horizontal (Tasten LINKS und RECHTS). Das wurde durch die Verwendung einer Variablen „Menu“ und die Verwendung von switch-­‐case-­‐Anweisungen realisiert. Jedes Menübild ist ein eigener case. Bei Tastendruck ändert sich der Wert der Variable Menu. Dadurch wird bei jedem Programmdurchlauf der case angesprungen, der durch die Variable Menu ausgewählt wird. Menü 1 bis 9 kann als Hauptmenü verwendet werden. Von jedem Hauptmenüpunkt können 10 Untermenüs (z.B. 10 bis 19) abgeleitet werden. So sind jetzt bis zu 99 Menüpunkte möglich, theoretisch könnte aber jeder Untermenüpunkt wieder zehn mal unterteilt werden, so dass das Menü fast unendlich komplex werden könnte. Es wäre auch möglich direkt zwischen verschiedenen Menüs zu wechseln, dazu muss lediglich die Variable Menu geändert werden. Abb. 48: Menüpunkte 9.3.2 lcd.print und stepper.run Da der lcd.print Befehl relativ viel Zeit benötigt, aber der Befehl stepper.run so oft wie möglich aufgerufen werden muss, sollte man die beiden Befehle nicht in der gleichen Schleife abarbeiten .Wenn beide in einer Schleife sind, beschleunigt der Schrittmotor nicht gleichmäßig sondern stufenförmig. Deswegen wird der lcd.print Befehl, der die aktuellen Sekunden und die Auslösungen auf das Display schreibt nur alle 500ms aufgerufen. 35

Programmierung 9.3.3 Formatierung der Werte Schrittweite und Geschwindigkeit Der Inhalt der Variablen kontgeschw und schrittweite muss auf auf dem Display nachvollziehbar dargestellt werden. In unserem Fall bedeutet der Wert 10 einen Millimeter Fahrstrecke. Also muss 10 in 1,0mm umgewandelt werden. Vor der Kommastelle wird der Absolutwert der Variable geteilt durch 10 angezeigt, nach der Kommastelle wird nur die letzte Stelle des Absolutwerts der angezeigt. Ohne Verwendung des Absolutwertes würde bei negativem Inhalt der Variablen vor und nach dem Komma jeweils ein Minus angezeigt werden. Da aber bei der Verwendung des Absolutwerts die Anzeige von negativen Werten nicht möglich ist, wird manuell ein Minus vor dem Anzeigewert eingefügt, falls der Inhalt der Variablen negativ ist. 9.3.4 EEPROM Folgende Variablen werden im EEPROM des Mikrocontrollers gespeichert und sind auch nach Unterbrechung der Stromversorgung oder Reset gespeichert. EEPROM Adresse Variable Beschreibung 0 helligkeit Displayhelligkeit 1 kameramarke Kameramarke für IR-­‐Auslösecode 2 intervall Intervallmodus Pausenzeit 3 smsintervall S/M/S Intervall Pausenzeit Es wäre möglich noch viele weitere Werte im EEPROM zu speichern, da der EEPROM unseres Mikrocontrollers (Atmel Atmega328) einen Speicher von 1 Kilobyte hat, das heißt 1024 Byte gespeichert und ausgelesen werden können. Das EEPROM wird mit einer Lebensdauer von 100.000 Schreib/Lösch Zyklen 2 angegeben, es kann unendlich oft ausgelesen werden. 9.3.5 Definition eigener Zeichen für das LCD Im Zeichensatz für das LCD 3 sind zwar viele Buchstaben und Sonderzeichen vorhanden, aber manchmal benötigt man eigene Zeichen. In unserem Fall sind das der Navigationspfeil nach oben und der nach unten. Mit dem „LCD Custom Character Designer“ 4 können ganz einfach eigene Zeichen erstellt werden, der Code für die Zeichen wird automatisch erzeugt. Allerdings sollte beim Schreiben des Zeichens mit dem Befehl lcd.write explizit den Datentyp byte angegeben werden weil sonst der Compiler meint, dass es sich bei der Zahl um den Datentyp int handelt. 2 http://arduino.cc/de/Reference/EEPROMWrite 3 http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Charset.gif 4 http://mikeyancey.com/hamcalc/lcd_characters.php 36

Resümee 10 Resümee 10.1 Erweiterungsmöglichkeiten Durch die zeitlich begrenzte Projektaufgabe ist der Kameraslider noch nicht am Ende der Designmöglichkeiten angelangt. In den nachfolgenden Punkten werden einige Erweiterungsmöglichkeiten gezeigt. Im Betrieb mit einem Netzteil ist die Aufnahmedauer maßgeblich durch die Kapazität des Kameraakkus beschränkt. Eine sinnvolle Erweiterung wäre der Kauf eines Akkufacheinsatzes, der statt des Akkus in die Kamera gesteckt wird und über einen zusätzlichen Spannungsregler aus der Versorgungsspannung die Betriebsspannung für die Kamera erzeugt. Ebenfalls denkbar wäre die Verwendung eines sogenannten Pan-­‐Tilt-­‐Heads statt des Stativkopfes. Dadurch könnte die Kamera automatisiert an der Nick-­‐ und Gierachse bewegt werden. Die Belichtungszeit der Kamera könnte auch über den Mikrocontroller gesteuert werden. Hierbei müsste die Kamera in den Bulb-­‐Modus umgeschaltet werden. Beim ersten Infrarotsignal startet die Aufnahme, beim zweiten Signal wird die Aufnahme beendet. So könnte über einen Helligkeitssensor immer die richtige Belichtungszeit gewählt werden. 10.2 Reflexion Mit diesem Projekt haben wir uns einer aufwendigen und anspruchsvollen Aufgabe gewidmet und in intensiver Eigenarbeit gelöst. Obwohl es zum Wahlfach in keiner zeitlichen Relation steht haben wir uns dennoch für das Projekt ausgesprochen. Es ist eine sehr anstrengende Zeit und fordert eine gewisse Disziplin von Eigenmanagement. Neben dem Projekt müssen auch die anstehenden Klausuren geschrieben werden. Gerade zum Ende des Technikerstudiums lief das Projekt unter sehr hohem Zeitdruck. 10.3 Schlusswort Abschließend möchten wir einen großen Dank an Paul Wünsche richten, der uns die Endstücke nach unseren wünschen konstruierte. Einen besonderen Dank gilt auch Bernhart E. Slawik von der Objekt Druckerei Breit, Slawik, Trampler GbR, der es erst ermöglichte die Schienenendstücke zu realisieren und der Firma Sam Bruckmaier Kunststofftechnik für Drehteile (Verlängerung Motorwelle und Umlenkwelle). Des Weiteren möchten wir uns bei der Firma igus® für die zur Verfügung gestellten Linearführungen und Führungsschlitten bedanken, bei Herrn Gerd Bindl von Panasonic Electric Works für die Endschalter und bei Herrn Thomas Seesing von Harting für die Steckverbinder.37

Quellen 11 Quellen Folgende Internetseiten wurden in dieser Dokumentation und zum entwickeln des Kamerasliders verwendet. • http://de.wikipedia.org/wiki/Zeitraffer • http://arduino.cc/de/Reference/EEPROMWrite • http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Charset.gif • http://mikeyancey.com/hamcalc/lcd_characters.php • http://sebastian.setz.name/arduino/my-­‐libraries/multi-­‐camera-­‐ir-­‐control/ • http://invisibletower.de/2012/sainsmart-­‐lcd-­‐keypad-­‐library/ • http://www.airspayce.com/mikem/arduino/AccelStepper/index.html 38

Eidestattliche Erklärung 11 Eidesstattliche Erklärung Hiermit erklären wir eidesstattlich, dass wir die vorliegende Projektarbeit selbstständig angefertigt haben. Die aus fremden Quellen direkt oder indirekt übernommenen Gedanken sind als solche kenntlich gemacht. München, den 11.05.2013 Unterschrift Unterschrift 39

Anhang Technische Daten: Versorgungsspannung Stromaufnahme bei 12V Nutzbarer Verfahrweg Maße Unterstützte Kamerahersteller: Max. Verfahrgeschwindigkeit 8V-­‐35V Motor ein, Beleuchtung max: 1A Motor aus, Beleuchtung aus: 50mA 1480mm 1650mm x 120mm Nikon, Canon, Sony, Olympus, Pentax > 25mm/s 40

Anhang Schaltplan Schrittmotortreiber Aus Anleitung -­‐ Stand vom 21.2.2012 Schrittmotortreiber A4988POW 41

Anhang Schaltplan LCD-­‐Keypad Shield 42

Anhang Schaltplan Arduino UNO Platine 43