PiXtend als Steuereinheit einsetzen

© Iurii Kovalenko, 123RF

Auf und nieder

Mit einem PiXtend-Board und der Codesys-IDE bauen Sie den RasPi zur professionellen Steuereinheit für Aufgaben im Smart Home aus.

In der Ausgabe 04/2016 haben wir uns das PiXtend-Erweiterungsmodul schon einmal genau angesehen [1]. Dabei zeigte sich, dass es sich um eine ausgereifte Hardware handelt, die sich für Aufgaben der Automatisierung sehr gut eignet. In dieser Ausgabe geht es darum, wie Sie die Hardware in Kombination mit der Entwicklungsumgebung Codesys zu einer professionellen Steuereinheit ausbauen. So können Sie bewegliche Objekte steueren, wie etwa das kleine Modell eines Aufzugs.

Die IDE ist mit unterschiedlichsten Typen von Hardware kompatibel – was Fluch und Segen zugleich ist. Der Fluch besteht darin, dass sich die Software nicht ganz einfach installieren lässt: Sie müssen sie an das betreffende Zielsystem anpassen. Auf der anderen Seite steht dafür eine professionelle Entwicklungsumgebung bereit, die über 300 Geräte unterschiedlicher Hersteller unterstützt. Das bedeutet, dass Sie sich nur einmal einarbeiten müssen, um zahlreiche Steuerungen zu programmieren.

Installation

Um die Codesys-Software auf einem Windows-PC zu installieren, fallen einige Downloads sowie die Installation verschiedener Komponenten an. Auf der Homepage gibt es eine ausführliche Anleitung, die alle nötigen Schritte für die Installation beschreibt [2]. Für Linux steht die Software nicht bereit.

Damit das PiXtend-Modul mit der Software zusammenarbeitet, benötigen Sie für den im Modul verbauten Raspberry Pi ebenfalls eine spezielle Software. Am einfachsten installieren Sie diese, indem Sie das entsprechende Image von der Homepage des Projekts herunterladen [3]. Dann schreiben Sie es mit einem Tool wie Etcher [4] oder – unter Linux – mit Dd [5] auf die SD-Karte für den RasPi.

Beachten Sie, dass es sich bei der Software auf dem Image um eine eingeschränkte Lizenz für Schulungszwecke handelt. Nach zwei Stunden stellt sie den Betrieb bis zum nächsten Reboot ein. Für Tests genügt das, ein vollwertiger Einsatz setzt den Erwerb einer Lizenz für knapp 60 Euro voraus.

Das erste Projekt

Beim ersten Setup setzen Sie zunächst einige Parameter in der Software. Eine Anleitung dazu finden Sie als PDF auf der PiXtend-Webseite [6] oder alternativ bei Youtube in Form dreier Filme der Hochschule Heilbronn [7]. Eine leere Projekt-Datei (RPG_Vorlage.project) liegt auch auf der Heft-DVD bei.

Als Basis für das Beispiel kommt das einfache Modell eines Aufzugs aus Holz zum Einsatz. Sie erhalten es für kleines Geld bei Amazon [8]. Das alleine genügt aber nicht: Sie benötigen noch eine Komponente, mit der Sie ermitteln, in welcher Position sich der Aufzug gerade befindet.

Da mechanische Schalter zum Auslösen immer etwas Kraft benötigen und das Modell recht leicht aufgebaut ist, fiel die Wahl im Test auf Reflexlichtschranken des Typs CNY70 [9]. Deren Ausgangstransistor sperrt bis zu 30 Volt, und sie haben eine Schaltleistung von maximal 200 mW. Die Reichweite der Lichtschranken beeinflussen Sie durch den Strom, der durch die Leuchtdiode fließt.

TIPP

Lösen die Lichtschranken nicht sauber aus, hilft es, wenn Sie reflektierendes Alu-Klebeband an der Fahrgastzelle anbringen.

Die CNY70 finden Sie im Angebot zahlreicher Elektronikhändler, für jedes Stockwerk benötigen Sie eine Lichtschranke. Der Einfachheit halber versorgte im Test der PiXtend die Lichtschranken mit Strom. Die 5-Volt-Anschlüsse des Boards weisen eine selbstrückstellende Sicherung auf, die den maximalen Strom pro 5-Volt-Ausgang auf 100 mA begrenzt. Das hilft, Schäden an der Elektronik zu vermeiden.

Nun benötigen die Lichtschranken etwas mehr Strom, als ein Ausgang liefert. Dieses Problem lösen Sie, indem Sie zwei der 5-Volt-Ausgänge parallel schalten. Sie kennen diese Vorgehensweise sicher von USB-Festplatten, die ebenfalls zwei Anschlüsse benötigen, um fehlerfrei zu arbeiten.

Wollen Sie das Projekt nicht nur auf dem Schreibtisch betreiben, sollten Sie direkt auf eine externe Spannungsquelle mit 24 Volt umsteigen und dabei nicht vergessen, auch die digitalen Eingänge des PiXtend von 5 auf 24 Volt umzustellen.

Um das Zielstockwerk auszuwählen, kommen einfache Mikrotaster zum Einsatz. Sie hängen ebenfalls an der Spannungsversorgung des PiXtend. Wie oben schon erwähnt, arbeitet der komplette Aufbau mit 5 Volt; die digitalen Eingänge D0 bis D7 des PiXtend sind ebenfalls für 5 Volt konfiguriert.

Als Antrieb für den Aufzug fungiert ein zweckentfremdeter Servomotor: Die Steuerelektronik bauen Sie aus, sodass der Motor frei drehen kann. Im Internet finden Sie bei Bedarf einige Anleitungen zum Hacken von Servos. Versuchen Sie gegebenenfalls, eine Umbauanleitung genau für den gewünschten Typ zu finden. Der umgebaute Servo kostet erheblich weniger als ein Getriebemotor aus dem Modellbau. Es liegt bei Ihnen, für welche der beiden Lösungen Sie sich entscheiden.

Sie steuern den Motor über eine sogenannte H-Brücke an. Die sehen Sie links unten im Schaltplan (Abbildung 1) noch einmal extra eingezeichnet. Mithilfe einer solchen Brücke lässt sich die Achse des Motors rechts und links drehen. Passen Sie beim Ansteuern einer H-Brücke allerdings nicht auf, erzeugen Sie schnell einen erstklassigen Kurzschluss.

Abbildung 1: Der Schaltplan für unsere Aufzugsteuerung. Links unten sehen Sie die H-Brücke.

Damit die Fahrgastzelle nicht zu schnell fährt, versorgt ein Labornetzteil den Motor mit der passenden Spannung. Die hängt von der Untersetzung des Getriebes und der Dicke der Kabeltrommel ab. Ein solches Netzteil ist außerdem üblicherweise kurzschlussfest. So machen Sie nichts kaputt, wenn Ihnen beim Verdrahten der H-Brücke ein Fehler unterläuft.

Abbildung 2 zeigt, wie der Aufzug aussieht, wenn Sie alle Teile zusammengesetzt haben. Die im Test verwendete Lösung für die Kabeltrommel funktioniert zwar, jedoch nicht optimal: Die Trommel löste sich im Test immer wieder vom Servo. Auf der Heft-DVD finden Sie ein kleines Video, das den Aufzug in Aktion zeigt.

Abbildung 2: Der komplett aufgebaute Aufzug samt Fahrgast in der Aufzugzelle.

Idealerweise führen Sie alle Leitungen zum Aufzugmodell über eine Klemmleiste (Abbildung 3). So lässt sich das Modell bei Bedarf schnell an eine andere Steuerung anschließen. Falls ein Fehler beim Verdrahten auftritt, beheben Sie diesen an der Leiste unproblematisch. Zu guter Letzt haben Sie dort für eine Fehlersuche schnell Zugriff auf alle Messpunkte.

Abbildung 3: Der Anschluss des Aufzugs erfolgt über eine Klemmleiste. Im Bild sehen Sie auch den Motor samt Seiltrommel.

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