Aktuell: Diese Seite wird bald komplett neu gestaltet und eine komplett neue Hardware mit vielen neuen Funktionen (Profile und Firmwares von SD-Karte laden, Mondphasensimulation, Temperatur- und PH-Sondenunterstützung, günstige 12V LED-Leisten und lautloses Monitornetzteil, Demo-Modus, ...) wird als offenes Projekt vorgestellt werden!
Ein Clip sagt mehr als tausend Worte!
Was ist das LeuchtMuff?
Das LeuchtMuff ist ein mikrocontrollergesteuertes LED-basiertes System zur Aquarienbeleuchtung. Es läßt sich jedoch auch für andere Anwendungen verwenden z.B. für Lichtwecker. Es besitzt weiße HighPower-LEDs und (farbige) RGB-LEDs, welche die Farbtemperatur beeinflussen können. Ein Mikrocontroller wird zum Dimmen der LEDs verwendet. Hierbei lassen sich beliebige Verläufe über eine Periode von 24 Stunden programmieren. Somit kann ein ganzer Tag mit Sonnenaufgang, Mittagssonne, Sonnenuntergang mit Abendröte und dem weichen Übergang zu einem fahlen Mondschein simuliert werden. Die Übergänge laufen sehr sanft über einen Zeitraum von mehreren Stunden. Bei niedriger Helligkeit können durch die RGB-LEDs beliebige Farben zusammen gemischt werden.
Welche Vorteile bringt das LeuchtMuff?
- Zwischen hell (Licht an) und dunkel (Licht aus) gibt es eine Dämmerung! Somit hat man die Chance dämmerungsaktive Fische auch tatsächlich in Aktion zu sehen.
- Weniger Algen und viele neue Blätter an den Pflanzen. Das könnte durch den starken Rot- und Blauanteil der LEDs kommen, der besonders gut für die Photosynthese der meisten Pflanzen sein soll. Der UV-Anteil ist dagegen extrem gering, was nicht gut für Algen ist. Vielleicht hat es auch was mit den langsamen Übergängen zu tun - keine Ahnung!
- Es verbraucht weniger Strom. Zwei 30 Watt Leuchtstoffröhren (also insg. 60W) ohne Reflektoren (üblich für ein 180l Aquarium) mit einem Gesamtlichtstrom von 3000 Lumen können problemlos von zwölf HighPower-LEDs mit einem Gesamtlichtstrom von 1428 Lumen ersetzt werden. Dabei verbrauchen die zwölf HighPower-LEDs nur 13,5 Watt! Jetzt stellt sich eine Frage: wieso reichen zwölf LEDs, wenn sie zusammen weniger als die Hälfte des Lichtstroms der Leuchtstoffröhren erzeugen? Die Antwort ist einfach: Die LEDs strahlen mit einem Abstrahlwinkel von 130° auf die Wasseroberfläche, während die Leuchtstoffröhren einen Abstrahlwinkel von 360° besitzen. Ohne spezielle Reflektoren wird somit ein großer Teil des abgestrahlten Lichts von der Aquarienabdeckung absorbiert. Wenn man jedoch Wert auf ein besonders hell beleuchtetes Aquarium legt läßt sich natürlich die Anzahl der LEDs verdoppeln, was mit 27 Watt immer noch eine Ersparnis von >50% ist!
Wie funktioniert das LeuchtMuff?
Elektronik
Das LeuchtMuff besteht aus drei Komponenten: einem ATX-Netzteil, einem Mikrocontroller von Atmel und den LEDs. Die LEDs werden durch den Mikrocontroller gedimmt. Hierzu sind Transistoren notwendig, die es dem Mikrocontroller ermöglichen größere Lasten zu schalten. Die LEDs samt Transistoren sind auf separate, je 420mm lange und 25mm schmale Platinen aufgelötet. Diese besitzen an beiden Enden eine 10-polige Schnittstelle, welche für die Stomversorgung und die Signalisierung sorgt. Durch diese Schnittstellen können mehrere Segmente hintereinander geschaltet werden. Jedes Segment besitzt eine Sicherung für den 12V Stromkreis der HighPower-LEDs und eine Sicherung für den 3,3V Stromkreis der RGB-LEDs. Das wars eigentlich.LEDs
Wie bereits erwähnt werden die LEDs durch den Mikrocontroller gedimmt. Dies geschieht durch PWM-Betrieb der LEDs. Eine geschickte und gängige Methode um die Leuchtstärke von LEDs zu steuern. Die LEDs werden mit einer festgelegten Spannung in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben. Die Helligkeit steht dabei in direktem, linearen Zusammenhang mit dem jeweiligen PWM-Wert. Das LeuchtMuff verwendet PWM-Signale mit 8 bis 10 Bit Auflösung und einer Frequenz von ca. 500Hz bis 1.000Hz - das ist bei weitem zu schnell für Mensch und Tier um ein Flimmern wahrnehmen zu können!Für die nötige Power sorgen hocheffiziente HighPower-LEDs vom Typ Seoul Z-LED P4. Diese sind mit einer Lichtausbeute von ca. 100lm/W eine sehr gute Wahl (Stand 2007).
Das Beimischen von beliebigen Farben übernehmen zahlreiche Superflux RGB-Leds. Alternativ könnte man auch gut einige RGB-HighPower-LEDs verwenden.
Schaltung
Die Grundschaltung ist simpel: Vier I/O-Leitungen des Mikrocontrollers werden als Ausgang für die PWM-Signale verwendet. Die PWM-Signale werden mit Darlington-Transistoren verbunden, welche die LEDs schalten. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit weitere Peripherie mit dem Mikrocontroller zu verbinden: LC-Display, 5-Wege-Schalter, DCF77-Empfangsmodul. Mittlerweile sind alle Schaltpläne und das Layout des LeuchtMuff-Controllers im Download-Bereich verfügbar!Mikrocontroller
In der ersten Version haben wir einen Atmega169 auf einem Butterfly-Demoboard von Atmel verwendet. Dieser hat jedoch einige Nachteile: sehr viele I/O-Leitungen gehen für das integrierte LCD und weitere Peripherie drauf. So sind alle Ausgänge der Hardware-PWM-Generatoren des Mikrocontrollers mit dem 5-Wege-Schalter verbunden. Da wir den Schalter zur Menüsteuerung verwenden mussten die PWM-Signale per Software erzeugt werden.Die neue Version ist ein optimiertes Board mit einem Atmega32. Dieser besitzt die doppelte Menge an SRAM- und EEPROM-Speicher (2KB bzw. 1KB). Ansonsten gibt es keine wesentlichen Unterschiede, die für die Anwendung erwähnenswert sind. Der Hauptvorteil liegt in der Freiheit die I/O-Leitungen selbst verschwenden zu dürfen!
Bill of materials
Die Koschte im Auge - Materialliste für ein 42cm langes LED-Segment
- 3x Seoul Z-LED P4, weiß für 6,50€/Stück.
- 12x Superflux RGB-LEDs für 2€ pro Stück. Alternativ könnte man auch eine kleinere Zahl Highpower-RGB-LEDs nehmen.
- 3x BD136 PNP-Transistoren zum Schalten der einzelnen Farbkanäle der RGB-LEDs für ~0,15€ pro Stück. Alternativ sind P-Kanal FETs möglich, die 400mA bei 3,3V dauerhaft vertragen.
- 1x BD645 NPN-Darlingtontransistor zum Schalten der Seoul Z-LEDs für etwa 0,20€. Alternativ sind N-Kanal FETs möglich, die 350mA bei 12V dauerhaft vertragen.
- Zusätzlich noch ein paar Kabel, Widerstände und Kondensatoren für kleines Geld.
- Die Platinen sind eine Eigenkreation und lassen sich für ca. 35€/Stück professionell herstellen (z.B. durch PCB-Pool).
Materialliste für den Rest
- 1x ATX PC-Netzteil für 5,99€ bei eBay (später ersetzt durch ein 35€ teures, wesentlich leiseres PC-Netzteil von Trust).
- 1x Atmel AVR Butterfly Mikrocontroller-Demo-Board für 20-30€. Alternativ ein selbst gebastelter Controller mit Atmega16 oder Atmega32 (siehe LMC).
- 2x Plexiglas- oder Acrylglasrohre. Je ein 90cm langes Rohr für zwei LED-Segmente. Meistens muss man 2m davon kaufen für ca. 20-60€, je nach Qualität. Dazu kommen dann noch der Zuschnitt und passende Deckel.
LeuchtMuff-Software Prometheus
Dies ist die Software für das Leuchtmuff. Wir haben Sie komplett in C (nach ISO C99) programmiert. Sie steht im Downloadbereich frei zur Verfügung.Alle Daten über den zeitlichen Verlauf der Beleuchtung ließt Prometheus aus dem EEPROM des Mikrocontrollers. Dabei werden Punkte definiert, die explizit die Helligkeit eines Kanals für eine bestimmte Uhrzeit festlegen. Ein Beispiel: Der Eintrag [Kanal: Rot, Zeit: 43.200.000ms, Helligkeit: 128] würde bedeuten, dass der Rotkanal der RGB-LEDs um 12:00Uhr mit halber Intensität leuchten soll. Dabei wird die Zeit in Millisekunden nach 0:00Uhr angegeben. Die Leuchtstärke wird in einer 8Bit-Zahl kodiert, wobei 255 für die maximale Helligkeit steht. Bei 0 ist die jeweilige LED komplett ausgeschaltet. Diese Angaben werden in 6 Byte großen Einträgen kodiert und auf dem EEPROM abgelegt.
Prometheus ließt alle Einträge im EEPROM aus und betrachtet für jeden Kanal zwei Einträge: Der erste Eintrag ist definiert als der Eintrag, der zeitlich am kürzesten zurück liegt. Der andere Eintrag ist entsprechend als der definiert, der am nächsten Zeitpunkt in der Zukunft liegt. Zwischen diesen Zeitpunkten wird die Helligkeit linear interpoliert. Dies kann man als die Hauptbeschäftigung von Prometheus bezeichnen. Das EEPROM speichert maximal 85 Einträge, bzw. 170 Einträge beim Atmega32. In der Praxis haben sich 40 bis 50 Einträge als hinreichend erwiesen.
Das Kompilieren von Prometheus erfordert den GCC für die AVR-Architektur, den AVR-GCC. Desweiteren ist die avr-libc (in Version 1.4.x) notwendig. Zum Übertragen der Software in den Programmspeicher des Mikrocontrollers empfehle ich AVRDUDE.
