Arduino Treppenstufen-"Fader"

Intelligente Treppenstufen-Beleuchtung mit "Fading-Effekt"
https://youtu.be/mx7jJO8hpKQ
Nachdem ich mich entschlossen hatte, mich mit Microcontrollern zu beschäftigen, schien mir das Arduino-Project die geeignete Plattform zu sein. Es gibt dazu im Internet viele Fundstellen zu Anwendungen, Schaltungen, Programmen, etc., so daß man sich auch als Anfänger rel. schnell einarbeiten kann. Grundkenntnisse in der Programmierung und auch Elektronik sollten jedoch vorhanden sein. Gesagt, getan, also einen sog. Arduino UNO bei einem bekannten Auktionshaus bestellt ( knapp 10,- € - aus China ). Nach Lieferung des Boards wurden ein paar Testaufbauten durchgeführt Nachdem die ersten Tests erfolgreich verlaufen waren, sollte etwas praktisches realisiert werden. Als ich dieses Youtube-Video: Stair light controller gesehen hatte, stand fest: muss ich unbedingt selber bauen ;-) 2 LED-Streifen mit jeweils 5 m Länge hatte ich noch im Bastelkeller und ein paar elektronische Bauteile ( LED's, Widerstände, Transistoren) ebenfalls. In einem ersten Entwurf konnten 6 LED's direkt vom Arduino angesteuert werden. Es sollten aber 14 Stufen beleuchtet werden, der Arduino kann aber nur max. 6 Kanäle mit einem PWM-Signal ansteuern. Glücklicherweise gibt es aber von Texas Instruments ein 16-Kanal LED-Driver-IC TLC5940, mit dem sich weitere Kanäle mittels Arduino steuern lassen. Also wurde auf einem sog. Breadboard (Steckplatine) die entspr. Schaltung aufgebaut, siehe Bild 1 und Bild 2. Es gab jedoch noch ein weiteres Problem zu lösen: Der TLC5940 kann mit max. 120 mA pro Kanal belastet werden, was jeweils nur für ein paar LED's ausreicht. An den Treppenstufen sollten aber handelsübliche LED-Streifen mit 60 LED's pro Meter verwendet werden. Bei Treppenstufen-Breiten von 80cm-110cm ergibt das also 48-66 LED's pro Stufe. Deshalb wurde für jeden Kanal noch eine Treiberstufe, bestehend aus jeweils einem NPN-Transistor BC547 und einem MOSFET IRF540 (die waren noch in der Bastelkiste), vorgesehen, s. Schaltplan Bild 3, bzw. Schaltplan-Graustufendarstellung, oder Schaltplan-SW-Darstellung. Als weitere "Stromsparmaßnahme" werden die LED-Streifen anstatt der nominellen 12V nur mit 9V versorgt, was aber noch gut zur Beleuchtung der Treppenstufen ausreicht. Insgesamt, also wenn alle LED-Streifen mit max. Helligkeit eingeschaltet sind, wurde eine Stromaufnahme von 1,2A gemessen. In der Bastelkiste fand sich noch ein Steckernetzteil mit 12V/2A, welches zur Versorgung der kpl. Schaltung ausreichen sollte. Mittels eines µA 7809-Spannungsreglers (1,5A) werden die 12V des Netzteils auf 9V herunter geregelt. Auf der Arduino-Platine sind ebenfalls Spannungsregler vom Typ 7805 vorhanden, welche aus den 9V die Versorgungspannung von 5V für den Arduino und den TLC5940 bereit stellen. Der Testaufbau mit 14 bereits auf Länge geschnittenen LED-Streifen ist in Bild 4 zu sehen. Jetzt galt es noch, das Ganze für den praktischen Einsatz aufzubauen. Dafür wurde anstelle des Arduino-UNO ein Arduino-Nano verwendet, welcher im Prinzip die gleiche Funktionalität aufweist, aber auf einer Lochrasterplatine montiert werden kann. Der erste Testaufbau mit Arduino-Nano auf dem Breadboard, bereits auf Lochrasterplatine gelötetem TLC5940 und 14 Treiberstufen ist in Bild 5 zu sehen. In Bild 6 ist der Arduino-Nano bereits auf der Lochrasterplatine verlötet. Rechts im Bild kann man den mit einem kleinen Kühlkörper versehenen µA 7809 erkennen. Oben im Bild ist einer der beiden PIR-Bewegungsmelder ( HC-SR501 ) zu sehen, welche detektieren, ob jemand die Treppe benutzen will. Bild 7 zeigt den endgültigen Schaltungsaufbau - sieht wild aus ;-) , soll aber in einem kleinen Kunststoffgehäuse Platz finden. Die LED-Streifen wurden in Aluminium U-Profile (8,2 x 10,1 x 8,2 mm) aus dem Baumarkt geklebt, siehe Bild 8. Die Stripes sind zwar geringfügig breiter als die Nut, aber mit sanftem Druck einer abgerundeten! Pinzette lassen sie sich hineinpressen, bzw. verkleben. Die Alu-Profile selbst wurden mit doppelseitigem Klebeband an die Setz-Stufen der Treppe geklebt. Vorher wurden allerdings noch 6 mm-Löcher links oben in die Setz-Stufen gebohrt, um die Anschluß-Kabel der LED-Leisten durchzuführen und somit eine unsichtbare Verkabelung unter, bzw. hinter der Treppe zu ermöglichen. Gesteuert wird die Schaltung von 2 Bewegungsmeldern ( z.B. PIR Motion Sensor ), welche jeweils oben (in der obersten Setz-Stufe) und unten (seitlich) an der Treppe montiert wurden. Bild 9 und Bild 10 verdeutlichen, wie die beiden Bewegungsmelder an der Treppe befestigt wurden. (Der große "Kasten" in der obersten Stufe war bereits vorhanden, weil dort vorher ein normaler 230V-Bewegungsmelder montiert war, der einen daneben montierten Halogen-Spot gesteuert hat.) Zur Montage des unteren Bewegungsmelders wurde eine ausgediente Garten-Solarleuchte verwendet. Dazu wurde einfach der "Solarkopf" der Gartenleuchte benutzt und aus diesem die LED samt Elektronik und Akku entfernt. Stattdessen wurde der PIR-Bewegungsmelder in dem Rohr verklebt. Die kleine Solarzelle wurde in dem Rohr belassen, sie diente anschließend als Klebefläche für die Konstruktion. Befestigt wurde das Rohr incl. Bewegungsmelder wiederum mit doppelseitigem Klebeband. Vorteil: Sieht ganz ansehnlich aus und durch den 45°-Winkel der Solarzelle kann man die ganze Mimik drehen, um so den günstigsten Erfassungswinkel für den Bewegungsmelder zu ermitteln. Schließlich soll das Treppenlicht nur ausgelöst werden, wenn sich jemand unmittelbar vor der Treppe befindet und nicht wenn man nur auf dem Flur an der Treppe vorbei geht. Der Bewegungs-Melder musste aber letztendlich doch mit schwarzem Isolierband partiell abgeklebt werden, damit nur Bewegungen direkt vor der Treppe detektiert werden, siehe auch Bild 10.

Downloads
Sketch:	Treppen_Fader_TLC5940_PIR.ino
TLC5940-Libraries:	Tlc5940.zip