Technik Projekte: 2019

Inhaltsverzeichnis

Sonnenuhr
Kerze
Sanduhr
Gehemmter Wasserfluss
Uhr mit Pendel
Kleinuhr mit Unruh

Quarzuhr

Atomuhr

Eigenes DCF77-Projekt

Dieser Artikel liegt auch als Vortrag im PowerPoint-Format vor.
Ein Artikel über das eigene DCF77-Projekt ist in den DGC-Mitteilungen 2017 Nr. 151 erschienen.

Sonnenuhr

Seit der Antike (13.Jh.v. Chr.)

Stand der Sonne am Himmel

Äquatorialsonnenuhr, Quelle: Wikipedia, gifmania

Kerze

Vor dem 14. Jh.

Markierung 1/4, 1/2 oder 1h

nicht reversibel, das Kerzenwachs verbraucht sich

Kerze mit Markierungen, Quelle: wikipedia, Bild: Animaatjes

Sanduhr

Seit dem 14. Jh.

Laufzeit ca. 3 min. oder 1 h

kleine Zahlenspielerei:

ca. 700 000 Sandkörner

Menschenleben sind ca. 650 000 Stunden

Herz macht ca. 800 000 Schläge/Woche

Sanduhr, Bild: area77

Gehemmter Wasserfluss

Seit dem 3. Jh. v. Chr. (Ktesibios)

Regelung Ablauf in einen darunter liegenden Behälter

daher der Spruch: Deine Zeit ist abgelaufen

Moderne Anwendung: Auslaufwasseruhr Teeautomat

Wasseruhr (Ktesibios), Animation: Karl-Heinz Omet

Uhr mit Pendel

Seit 1650 (Ch. Huygens), Abweichung ca. 1 min/Tag

Seit 1721 (George Graham) Abweichung einige ms/Tag (temperaturkompensiertes Pendel)

Pendeluhr, Quelle: Wikipedia, gifmania

Kleinuhr mit Unruh

Seit 15. Jh. (Peter Henlein 1. tragbare Uhr)

Gangregler: Unruh

Unruh, dezentraler Sekundenzeiger, Film: Karl-Heinz Omet

Quarzuhr

Seit 1970

Frequenz Uhrenquarz 32,768 kHz

Erhöhung der Frequenz - höhere Genauigkeit

Oszillator und Teiler 2^15

Lavet-Schrittmotor

Energiequelle: Batterie

Schwingquarz Quelle: wikipedia

Lavet-Schrittmotor, Quarz und Batterie, Bild: Karl-Heinz Omet

Animation: Karl-Heinz Omet

Atomuhr

1960 Übergang Zeitnormal auf Atomuhr

1999 CSF1 (Cäsium-Fontänenuhr, PTB)

Unsicherheit CSF1 1x10^-15

1 s = 9 192 631 770 Perioden der Strahlung die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes vom Cäsium-133-Atom entspricht

Früher 1 s = 86 400 ste Teil des mittleren Sonnentages Quelle: PTB

Aufbau CSF1

Die Abbildung zeigt eine ungefähr maßstäbliche Schnittzeichnung durch das Vakuumsystem der Caesium-Fontäne CSF1. In einer magneto-optischen Falle (MOT) werden ca. 107 Cs-Atome aufgesammelt und durch Laserkühlung und sogenannte "optische Melasse" auf eine Geschwindigkeit von einigen cm/s abgebremst. Durch geeignet eingestrahlte Laserfelder wird die Wolke kalter Cs-Atome auf eine Höhe von fast 1 m geworfen. Die Wechselwirkungszeit entspricht der Flugzeit zwischen den beiden Passagen durch den Mikrowellen-Resonator und liegt im Bereich von 0,5 s. Am Ende eines Messzyklus wird mit einem optischen Nachweisverfahren der Energiezustand der Cs-Atome nach der Mikrowellen-Anregung bestimmt.

Schema CSF1, Bild: PTB

Zeitverteilung durch den DCF77

1959 Beginn Aussendung der Zeitsignale, gesetzlicher Auftrag an die PTB

Zeitquelle aktuell CSF1/CSF2

Rufzeichen DCF77

Trägerfrequenz 77,5 kHz

Sendeleistung 50 kW

Standort Mainflingen

Reichweite bis 2000 km

DCF77, Aufbau Zeitzeichensignal

amplitudenmoduliert

logisch 0 = 0,1 s, logisch 1 = 0,2 auf 15% abgesenkt

Zeitzeichen BCD-codiert

DCF77 Minutenkreis

M=Minutenmarke (0,1 s)
R=Rufbit
A1=Ankündigungsbit eines bevorstehenden Wechsels von MEZ auf MESZ oder umgekehrt
Z1 und Z2=Zonenzeitbits
A2=Ankündigung einer Schaltsekunde
S=Startbit der kodierten Zeitinformation (0,2 s)
P1, P2 und P3=Prüfbits für den farbig markierten Bereich.
Dabei werden die vorhergehenden Informationswörter (7 Bits für die Minute, 6 Bits für die Stunde und 22 Bits für das Datum einschließlich der Nummer des Wochentages) auf eine gerade Zahl von Einsen ergänzt.

Minutenkreis, Grafik: Karl-Heinz Omet

Eigenes DCF77-Projekt (für Details siehe mein Projekt DCF77 vom August 2015)

Hardware, Empfänger

Fertiges Modul mit Ferrit-Antenne
Es wird bereits ein sauberer Sekundenimpuls mit 100 ms Dauer für logisch ‚0‘ und
200 ms für logisch ‚1‘ geliefert

Empfänger, Bild: Karl-Heinz Omet

Hardware, Zentraleinheit

Bestehend aus Prozessor, Anzeige und USB-Schnittstelle zum PC

Zentraleinheit Innenansicht, Bild: Karl-Heinz Omet

Zentraleinheit Gehäuse geschlossen, Bild: Karl-Heinz Omet

Hardware, Anzeige, Bedeutung Anzeigefelder

1. Zeile
- Qualität des Signals
- Gesamtstatus DCF77-Daten
:) = gut :( = schlecht
- serielles Bit _ = Low - = High
- S = Sommerzeit W = Winterzeit
- Zeit in HH:MM:SS
- PTB-Rufbit N = normal R = gesetzt

2. Zeile
- Temperatur Sensor
- Datum
- Monat
- Wochentag

Display, Bild: Karl-Heinz Omet

PC-Software, Frontend

Frontend, Grafik: Karl-Heinz Omet

Folgende Funktionen sind implementiert:
- Signalqualität DCF77 als analoger Balken von schlecht bis gut
- Protokoll DCF77 zeigt an, ob die Übertragung über USB erfolgreich war
- BIT-Nr. entspricht den auf das Trägersignal modulierten Sekunden
- Uhrzeit/Datum wie über die Schnittstelle übermittelt
- COM erlaubt die Einstellung der passenden COM-Nr. (s. Gerätemanager
19200 Bits/s, 8Bit, keine Parität, 1 Stoppbit, keine Flusssteuerung
- Sommer/Winterzeit wie über die Schnittstelle übermittelt, als Bild dargestellt
- Quelle schaltet um von DCF77-Hardware zu PC-interner Uhr und umgekehrt
- Ticken kann die Sekunden hörbar machen, Schieber unten bedeutet aus
(zum Bedienen auf den Schieber klicken)
- Alle Zeiger der analogen Uhr sind per VB animiert.

Inhaltsverzeichnis

Motivation
Aufbau
Taste und Poti
Display
WLAN und Sound
Kodi

Audio-Amp

Fotostrecke

Downloads

Motivation

Mit dem Raspberry und einem entsprechenden Linux sollte ermöglicht werden, freie Software und Dienste für ein Internetradio zu verwenden.

Das fertige Internetradio. Zu sehen ist der KODI 17.4 mit der Favoritenseite

Aufbau

Das Internet Radio wird in ein ähnliches Dreiecksgehäuse eingebaut wie das Lesegerät. Das Gehäuse bietet eine hervorragende Ablesbarkeit des Touch-Displays. Statt Touch kann alternativ auch mit einer Maus bedient werden (Nano-Stick der Maus in den freien USB Port stecken). Der WLAN-Receiver incl. Antenne ist im Gehäuse angeordnet. Die Bedienelemente auf der Frontplatte bestehen lediglich aus einer Taste zum Einschalten und einem Potentiometer für die Lautstärke. Es wird der Raspberry Pi 2 B+ mit 4x0,9 GHz eingesetzt. Das Betriebssystem ist ein spezielles Linux vom Displayhersteller (raspbian-jessie), um die entsprechende Unterstützung für das Display incl. Touchfunktion zu bekommen. Beim Download von der Herstellerseite ist es wichtig, den richtigen Raspi auszuwählen. Die Vorgehensweise beim Brennen der SD-Card ist bereits beim Lesegerät beschrieben. In config.txt sind entsprechende Einträge ein- oder auszuschalten.

Taste und Poti

Die Stellung des Potis (Lautstärke) bildet das Eingangssignal für den 10-Bit ADC MCP3008. Dieser wird ständig über das Python-Programm adafruit_mcp3008.py im Raspi ausgelesen. Damit wird dann die System-Lautstärke eingestellt. Dazu wird ausgeführt:

sudo chmod +x /home/pi/3151375/adafruit_mcp3008.py

In der /etc/rc.local wird (unbedingt vor exit 0) eingetragen:

/home/pi/3151375/adafruit_mcp3008.py & #sonst stürzt der raspi ab

Damit ist die Datei adafruit_mcp3008.py im Autostart.

Die Datei adafruit_mcp3008.py wird entsprechend abgeändert:

set_vol_cmd = 'sudo amixer -c 2 cset numid=6 {volume}%' .format(volume = set_volume)

os.system(set_vol_cmd) # set volume

Die Taste wird mit dem speziellen Raspi-Port GPIO3 verbunden. Dieser wird auch im power-down Modus des Raspi ausgelesen, so dass damit das Linux wieder hochgefahren werden kann (Taste nur kurz drücken, bis die Tasten-LED grün blinkt). Das Runterfahren geschieht entweder vom Desktop aus mit Menü-Power-Shutdown oder im Kodi links oben mit dem Powersymbol-Ausschalten (Tasten-LED blinkt langsam).

Schaltplan Raspberry 2 B+, Taste, Tasten-LED, Poti und MCP3008 (fritzing)

Experimentalaufbau (fritzing)

Die Tasten-LED wird an Stelle der on-board ACT-LED angeschlossen.

Display

Das Display hat eine Auflösung von 1024x600 Pixel und wird vom USB des Raspi versorgt (wichtig: Netzteil 5V/3A). Gleichzeitig läuft die Touch-Steuerung ebenfalls über USB. Das Videosignal wird per HDMI-Kabel übertragen. Dem Download für das LINUX-Image liegt eine config.txt bei, in der das Display initialisiert wird. Das Netzteil sollte unbedingt 5V/3A liefern können. Nicht vergessen, den Backlight switch auf ‘ON’ zu stellen.

In der config.txt wird mit sudo nano /boot/config.txt geändert:

hdmi_boost=4 #mehr Strom vom USB
hdmi_drive=1 #HDMI sound off
hdmi_group=2
hdmi_mode=87

hdmi_cvt 1024 600 60 6 0 0 0 #Auflösung

Display montiert, links in der Mitte sieht man den Backlight switch

Blockschaltbild Raspberry mit Grafik-Display

WLAN und Sound

Um einen guten Empfang zu garantieren, wird ein WLAN-Stick mit Antenne eingesetzt. Er befindet sich innerhalb des Gehäuses.

Der on-board Sound des Raspis hat keine gute Qualität. Deshalb kommt eine ‘Soundkarte’ in Einsatz, die am USB angeschlossen wird. Ein folgender Endverstärker liefert max. 5W an den Dayton Lautsprecher. Der Audio-Verstärker wird von einem step-up Wandler mit 12 V versorgt. Im LINUX muss folgendes geändert werden, um die ‘Soundkarte zu enablen:

sudo nano /etc/modprobe.d/alsa-base.conf
options snd-usb-audio index=2 nrpacks=1
options snd-bcm2835 index=-0

In Einstellungen Audio Devices kann dann die USB Soundkarte ausgewählt werden. Sollte die USB Soundkarte im KODI nicht auswählbar sein (es wird z. B. nur HDMI-Sound und pulseaudio angeboten), muss pulseaudio deinstalliert werden:

sudo apt-get purge pulseaudio gstreamer0.10-pulseaudio

sudo apt-get autoremove

Die Entwicklung wurde mit dem SSH-Client Bitvise auf einem Windows 10 PC realisiert. Auf dem Raspi ist dazu im System-Menü SSH einzuschalten. Die Raspberry screenshots wurden mit dem Gnome aufgenommen:

sudo apt update && sudo apt upgrade
sudo apt install gnome-screenshot

Desktop Auswahl Soundkarte (Menü - Einstellungen - Audio Device Settings)

Blockschaltbild Raspberry, WLAN, Sound und step-up Wandler 5 V nach 12 V

KODI

Als Multimedia Plattform wird der Kodi 17.4 Krypton eingesetzt. Die Installation unter Raspbian Jessie wird im Internet ausführlich beschrieben. Der KODI kann über entsprechende Apps auf dem Handy incl. Lautstärke ferngesteuert werden. Dazu wird in Einstellungen - Dienste - Allgemein Zeroconf eingeschaltet. In - Steuerung wird Steuerung über HTTP erlaubt. Gleichzeitig wird dadurch der Port z. B. 8080 sowie der Name z. B. Kodi bekannt. Ebenso wird Anwendungskontrolle eingeschaltet.
Für den Sound wird in Einstellungen - System - Audio ALSA: USB Audio Device analog ausgewählt. Dazu die Beschreibung im Kapitel 'WLAN und Sound' beachten.
In dieser KODI-Version sollte es möglich sein, beim Ausschalten über das Power-Symbol oben links entweder mit 'Ausschalten - Verlassen' zum Desktop zurückzukehren oder mit 'Ausschalten - Ausschalten' das Gerät herunterzufahren.

Desktop mit KODI-Icon

Die KODI 17.4 Krypton Oberfläche

Audio-Amp

Als Mono-Audio Endstufe wird eine eigene Konstruktion mit dem TDA7056B eingesetzt. Bei diesem Chip ist kein Koppel-Elko zum Lautsprecher notwendig (BTL-Typ). Die on-board Klangregelung dient lediglich der akustischen Anpassung. Die on-board DC-gesteuerte Lautstärke wird fest eingestellt, da diese über das Eingangssignal mit der Systemlautstärke geregelt wird. Natürlich ist auch jeder andere geeignete Mono-Audio-Amp mit max 5W bei 12 V Versorgungsspannung geeignet. Der Breitband-Lautsprecher ND65-8 ist von Dayton und bietet eine hervorragende Klangqualität.

Der fertig aufgebaute Audio-Amp

Schaltplan Audio-Amp

Fotostrecke

Links sieht man den in die Seitenwand eingebauten Dayton-Lautsprecher und dahinter den Audio-Amp mit dem abgesetzten Step-up Wandler 5 auf 12 V. In der Mitte ist der Raspberry angeordnet, davor die USB-Soundkarte und rechts da hinter der 10-Bit ADC MCP3008. Um die Störungen so gering wie möglich zu halten, ist die Masse sternförmig verschaltet.