Schwerpunktthema zeit patrik gumpold 5ael 2014 15

Patrik Gumpold 5AEL 2014/15

Schwerpunktthema: Zeit Name: Patrik Gumpold Schule: Technologische Fachoberschule Meran „Oskar von Miller“ Schuljahr: 2014/2015 Klasse: 5AEL

Schwertpunktthema: Zeit

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Inhaltsverzeichnis 1. Vorwort .................................................................................................................................................. 4 2. Die Geschichte der Zeitmessung............................................................................................................ 5 a. Zeitmessmethoden der Ägypter ................................................................................................ 5 b. Zeitmessmethoden der Griechen .............................................................................................. 6 c. Zeitmessmethoden der Römer .................................................................................................. 6 d. Die Quecksilberuhr .................................................................................................................... 7 e. L’orologio a candela (Abstrakt Italienisch) ................................................................................ 7 f.

Das Astrolabium ......................................................................................................................... 7

g. The quartz clock ......................................................................................................................... 8 h. Die Atomuhr ............................................................................................................................... 9 3. Die physikalische Zeit ........................................................................................................................... 10 a. Zeit als physikalische Größe ..................................................................................................... 10 b. Die Relativitätstheorie ............................................................................................................. 10 c. Die Relativität ........................................................................................................................... 11 d. Die Raumzeit ............................................................................................................................ 12 e. Das Zeitreisen........................................................................................................................... 12 4. Die Wahrnehmung der Zeit ................................................................................................................. 14 a. Das Zeitgefühl .......................................................................................................................... 14 b. Die Zeit in der Philosophie ....................................................................................................... 15 5. Maturaprojekt „LED-Uhr“ .................................................................................................................... 16 a. Projektbeschreibung ................................................................................................................ 17 b. Anlagenschema ........................................................................................................................ 17 c. Planung .................................................................................................................................... 18 d. Elektronik ................................................................................................................................. 19 i. LEDs .............................................................................................................................. 19 ii. 5mm LED ...................................................................................................................... 20 iii. 10mm LED .................................................................................................................... 21 iv. Schieberegister ............................................................................................................ 21 v. Spannungsregler .......................................................................................................... 22 vi. Mikrocontroller ............................................................................................................ 23 vii. Transistor ..................................................................................................................... 24

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Patrik Gumpold 5AEL 2014/15 viii. 7-Segment .................................................................................................................... 25 e. Schematic ................................................................................................................................. 26 f.

Board Routing .......................................................................................................................... 26

g. Löten ........................................................................................................................................ 31 h. Software ................................................................................................................................... 37 i.

Fehlersuche .............................................................................................................................. 38

j.

Kostenrechnung ....................................................................................................................... 41

6. Anhänge ............................................................................................................................................... 42 7. Quellen ................................................................................................................................................. 61 a. Informationsquelle: ................................................................................................................. 61 b. Bildquellen: .............................................................................................................................. 62

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Vorwort Mein Name ist Patrik Gumpold, dies ist mein Schwerpunktthema zum Thema Zeit, ich behandle in dieser Arbeit ein großes Umfeld der mir wichtigen Aspekte zum Thema Zeit. Neben der Physikalischen Definition und Interpretationen kommen noch geschichtliche, philosophische und Technische Aspekte der Zeit hinzu.

Ich hab die Zeit gewählt, da ich die es an der Zeit fand mich mit diesem Thema genauer zu beschäftigen. Ich war schon als Kind von der Zeit fasziniert, darunter verstand ich Früher die Geschichte! Das was vor uns war und nach uns ist, konkret die Entstehung des Universums und der Erde, die Entwicklung und Evolution der Tiere, ganz besonders der Dinosaurier, die Entwicklung und Geschichte des Menschen bis hin zur Technologie. Meine Neugier folgte jedoch nicht dieser chronologischen Reihenfolge.

Es waren die Dinosaurier die mich als heranwachsender Junge besonders faszinierten, es war wohl ihre Größe und Stärke dich mich so begeisterte, allen voran der Tyrannosaurus Tex. In unterschiedlichen Büchern zu diesen sammelte ich Wissen an, die Bilder der Ausgrabungsorten und jene der Dinosaurier selbst, begeisterten mich so sehr, dass ich selbst begann nach Knochen von Dinosauriern dieser zu suchen, jedoch feststellen musste, dass es diese nicht in meinem Garten gibt.

Ich wurde älter und die Dinosaurier verloren allmählich an Spannung, denn mein Interesse weckte nun das Universum. Dokumentation welche ich mit meinem Vater schaute, brachten mir dieses Thema näher und erklärten es auch so, dass ich den einfachen Themen wie Mond, Sonne, die Entstehung der Erde sowie Schwarze Löcher folgen konnte, jedoch zu diesem Zeitpunkt nur auf einer einfachen Ebene. Ich war begeistert von den unglaublichen Größenvergleichen welche herangezogen wurden, sowie der Unendlichkeit des Universums. Die Vorstellung, dass das Universum kein Ende hat, also unendlich groß ist und noch viel größer wird, war nahezu unmöglich.

Mit den Jahren nahm mein Interesse daran allerdings ab, die Dokumentationen waren inhaltlich gleich und komplexere Themen verstand ich noch nicht. Während dieser Zeit wechselte mein Interesse auf die Geschichte des Menschen, jede durchlaufene Epoche ließ mich Zusammenhänge zwischen Entscheidungen und Gründe für Geschehnisse verstehen. Mir wurde klar wir wichtig es ist die Vergangenheit zu kennen um die Zukunft lenken zu können, zudem war es sehr interessant zu erfahren wie ich der Mensch in seiner Denkweise im Laufe der Jahrhunderte entwickelte und allmählich seine ihn fesselnden „Ketten“ abzulegen begann. Damit meine ich die geistigen als auch durch Machtverhältnisse angelegte „Ketten“. Während dieser Zeit verstand ich auch zunehmend die Relativitätstheorie Albert Einsteins, es ergaben sich klarere und mir logischere Zusammenhänge.

Mit diesem Verständnis tat sich mir ein neues Gebiet der Forschung auf: Die Astrophysik. Ich verstand nun auch komplexere Theorien und Experimente, besonders Dokumentation um die Theorien von Stephan Hawking ließen mich meine Zeit an diesen verbringen. Als es im September 2014 dann im Schulfach Technologie und Projektion elektronischer und elektrotechnischer Systeme (kurz: TPS) an der Zeit war sein eigenes Projekt zu planen und zu realisieren, fiel meine Entscheidung auf ein LED-Uhr. Die Gründer davor sind vielseitig und werden im Vorwort meines Projektberichts auch geklärt. Mit diesem Projekt und einer Reflektion meiner Interessen, traf ich den Entschluss „Zeit“ zu meinem Schwerpunktthema zu machen, zudem wollte ich mich noch ein wenig genauer mit diesem Thema in unterschiedlichen Bereichen auseinandersetzen.

Vielen Dank für das Lesen meines Vorworts, Patrik Gumpold.

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Die Geschichte der Zeitmessung Die Geschichte der Zeitmessung hat nach unserem jetzigen Wissensstand schon vor fast 4.000 Jahren ihren Ursprung. Die Ägypter und Mesopotamier beobachteten verschiedene Himmelskörper wie beispielsweise Mond, Sterne sowie die Sonne als wichtigsten Stern, dadurch waren sie in der Lage Uhrzeit, Datum, und Jahreszeit zu bestimmen.

Heute wird allerdings auch schon vermutet, dass die Zeitmessung schon während der letzten Eiszeit (17.000 bis 12.000 Jahren) ihre Anfänge findet. Ein Überbleibsel dieser Zeitmessungen soll Stonehenge in England sein, weitere Steinkreise die dem im England ähnlich sind, findet man auch in weiteren Teilen Europas, sowie im Rest der Welt. Der Sinn dieser ist demnach die Vorhersage von wichtigen Ereignissen am Himmelsgewölbe wie beispielsweise die Sonnenwende oder die Tagundnachtgleiche.

Aufgrund fehlender Quellen dieser Zeit ist nicht mehr über die Formen der Zeit- und Kalendermessmethoden dieser Zeit bekannt.

Abbildung 1 Stonehenge in England

Zeitmessmethoden der Ägypter Das älteste uns bekannte Modell einer Sonnenuhr (oder auch Schattenuhr) stammt aus dem Alten Ägypten um ca. 3500 v.Chr., diese diente der Messung der Tageszeit. Der Tag wurde in verschiedene Abschnitte eingeteilt, durch den geworfenen Schatten konnte dann die Tageszeit bestimmt werden. Die Sonnenuhren der Ägypter waren wie folgt aufgebaut: Für die Zeit tagsüber hatte die Uhr zehn Unterteilungen, zusätzlich gab es vier weitere Teile, welche für die Dämmerungsstunden am Morgen und am Abend waren, jeweils zwei.

Abbildung 2 Beispiel für eine Einlaufuhr

Am Morgen wurden diese Uhren in Richtung Osten positioniert und am Mittag nach Westen, durch die geworfenen Schatten dieser, konnte dann die Zeit berechnet werden. Die Ägypter verfügten auch über andere Messmethoden, neben der Sonnenuhr gab es auch die Wasseruhr sowie das Verfolgen der Sternenbewegung.

Heute wissen wir, dass die Ägypter zwei unterschiedliche Systeme der Wasseruhr kannten, dabei handelt es sich um die Einlauf- und Auslaufuhr, desweiteren scheint es, dass die Ägypter die erste Kultur war welche diese Methode zu Messung der Zeit verwendete. Die Einlaufuhr beinhaltete zwei Komponenten, diese waren eine Schale mit kleinen Löchern am Boden, sowie ein Behälter welcher mit Wasser gefüllt war.

Zur Zeitmessung wurde die Schale, mit kleinen Löchern auf der Unterseite in den Behälter gelegt, diese Schwertpunktthema: Zeit

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Patrik Gumpold 5AEL 2014/15 Schwamm nun auf ihm und füllte sich langsam mit einer nahezu gleichmäßigen Geschwindigkeit. Innerhalb der Schale gab es verschiedene Markierungen welche je nach Wasserpegel die vergangene Zeit angaben.

Die Auslaufuhr beinhaltete auch einen Wasserbehälter sowie ein Messgefäß, das Prinzip war jedoch ein anderes. Der Wasserbehälter hatte eine kleine Öffnung an der unteren Hälfte aus welcher dann Wasser tropfen konnte, das Messgefäß wurde anschließend direkt darunter positioniert und füllte allmählich, auch dieser beinhaltete wieder Markierungen welche die vergangene Zeit angaben. Diese Methode der Zeitmessung war allerdings nicht sehr genau, da bei vollem Behälter das Wasser aufgrund des Drucks schneller auslief als bei einem niedereren Wasserstand.

Zeitmessmethoden der Griechen Die Griechen verwendeten wie schon die Ägypter Wasseruhren, diese wurden auch vor Gericht verwendet um die Redezeiten zu begrenzen.

Der griechische Philosoph Platon beispielsweise ergänzte das Prinzip der Auslaufuhr sodass sie zu einem Wecker wurde. Von diesem Wasserwecker gibt es wiederum zwei Versionen, eine davon nutzt einen Saugheber und zwei Krüge, mit diesem ist es möglich Flüssigkeiten über einen Schlauch oder ähnlichem von einem Behälter höherer Position in einen Behälter niederer Position zu übertragen, wobei der Schlauch den Behälterrand überwinden muss. Einer der Krüge wurde nun bis zum Überlaufen gefüllt und durch den Saugheber nun Wasser in einen leeren Krug übertragen, dieser Krug war jedoch so angefertigt, dass in ihm durch den steigenden Wasserstand, Druck entstand und dieser sich durch einen lauten Pfiff bemerkbar machte, sodass er als Wecker geeignet war.

Die Griechen verwendeten zum Großteil nur Wasseruhren, da die Sonnenuhren zwar genauer in ihrer Zeitmessung waren, jedoch nicht im Haus, bei Nacht oder bewölktem Himmel verwendet werden konnte.

Abbildung 3 Bespielbild der Wirkweise eines Saughebers

Zeitmessmethoden der Römer Die Römer verwendeten Sonnen- als auch Wasseruhren, dabei fanden sie eine Lösung für das bei der Wasseruhr auftretende Problem des Druckunterschiedes. Dieses Problem wurde durch eine kegelförmige Bauform des Auslaufbehälters gelöst. Jedoch gab es auch ein Problem welches nicht gelöst werden konnte, nämlich das der Wasserdichte bei unterschiedlicher Wärme, kaltes Wasser wies eine größere Dichte auf als wärmeres, zudem war eine Wasseruhr bei sehr niederen Temperaturen nicht funktionsfähig. Die Römer brachten in der Zeitmessung keine Revolution, jedoch fielen sie durch ihre genauen und präzisen Beschreibungen ihrer Zeitmessmethoden von Sonnen- und Wasseruhr auf. Die Zeitmessung und – einteilung war zudem ein wichtiger Faktor für die Herrschaft der Römer, durch die Zeitmessung konnten sie Arbeitsschichten einteilen. Dass es Unterschiede in den Längen von Tag und Nacht innerhalb Europas gab fiel ihnen auch auf, in Britannien beschwerten sich römische Legionäre über längere Schichtzeiten als im Süden Italiens.

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Die Quecksilberuhr Zur Lösung des Problems der Wasserdichte bei unterschiedlichen Temperaturen wurde um 976 n.Chr. in China eine spezielle Uhr mit Quecksilber angefertigt. Quecksilber eignete sich besser, da dieses die Eigenschaft besitzt, dass es bis minus 39°C flüssig bleibt. Die uns heute bekannte Form der runden Uhr mit Stundenzeiger trat im Jahr 1277 erstmals in Spanien beschrieben. Übersetzte Texte aus dem arabischen und jüdischen gaben eine Vorstellung über eine Quecksilberuhr welche in 24 Stunden genau eine volle Umdrehung zurücklegte. Die Funktion der Uhr baute auf die Eigenschaft des Quecksilbers auf, welches zähflüssig ist.

L’orologio a candela (Abstrakt Italienisch) La prima menzione dell’orologio a candela rinale al 520 a.C. in una poesia cinese. In questa poesia una candela è usata per misurare il tempo durante la notte. In Europa questa forma della cronometria viene scoperta nel IX secolo in Inghilterra e nel X° in Giappone. Le candele usate in Inghilterra avevano un’altezza di trenta centimetri e una densità di 2,5 centimetri e bruciavano esattamente quattro ore cosi si sono rese necessarie sei candele per misurare le ventiquattro ore del giorno. Con questo metodo la routine quotidiana è stata regolata. Una maggiore precisione della cronometria è stata raggiunta con la lanterna, perché la fornitura di ossigeno è stata regolata e cosi il valore era costante. Il tempo trascorso è stato misurato con una linea dietro la candela, cosi il tempo trascorso poteva essere stato visualizzato.

Abbildung 4 Esempio di un orologio a candela

Das Astrolabium Zur Zeitmessung über den astronomischen Weg wurde neben anderen Messmethoden ein sogenanntes Astrolabium verwendet, dieses war kreisförmig und hatte innerhalb des Kreises eine Scheibe mit drehbarem Radius, dadurch konnte der sich drehende Himmel nachgebildet werden.

Das Astrolabium bestand aus einer festen Scheibe auf welcher der Horizont und Koordinaten abgebildet waren, darüber war eine drehbare Scheibe, auch Rete genannt, mit Aussparungen an wichtigen astronomischen Punkten wie Himmelskörper oder der Jahreslaufbahn der Sonne. Das Astrolabium konnte für mehrere Anwendungen verwendet werden, zur Messung von Zeit und Datum wurde die Rete auf die Position von wichtigen Himmelskörpern eingestellt, somit konnte eine Zeitfeststellung getätigt werden, dies funktionierte auch umgekehrt, mit der Uhrzeit und dem Datum konnte man die Position von Himmelskörpern bestimmen. Bis ins 17. Jahrhundert wurde das Astrolabium zur Zeitmessung verwendet, jedoch lag die primäre Nutzung im astronomischen Bereich, als in dem der Uhrzeitmessung. ) Schwertpunktthema: Zeit

Abbildung 5 Moderner Nachbau eines Astrolabiums

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Elektronische Zeitmessung Als Ausgangsmaterial für einen Schwingquarz wird die kristalline Form von Siliziumdioxid verwendet (SiO2), in unbearbeiteter Form besitzt er noch nicht die Eigenschaften eines Schwingquarzes, diese erhält er erst durch das Zurechtschneiden in ein quaderförmiges Plättchen. Der Quarz besitzt die Eigenschaften, dass er durch eine mechanische Deformation eine elektrische Ladung an seiner Oberfläche erzeugt, dies nennt Abbildung 6 Unterschiedliche Bauformen und Schwingfrquenzen von Schwingquarzen man piezoelektrischen Effekt. Dieser Effekt funktioniert auch umgekehrt, das heißt legt man nun eine Spannung am Quarz an so wird er verformt, liegt es nun nicht mehr an so kehrt er in seine ursprüngliche Form zurück, dabei erzeugt er ein elektrisches Signal. In der Elektrotechnik und Nachrichtentechnik stellen Schwingquarze heutzutage den Standard zur Messung der Zeit dar, dazu nutzt man seine Eigenschaft mit einer konstanten Frequenz zu schwingen. Die geschieht durch das Anlegen eines Oszillators am Quarz, dadurch wird ein Wechselfeld erzeugt, durch entsprechende Beschaltung in Form einer Rückkopplung pendelt sich nun die erzeugte Frequenz des Oszillators auf die des Quarzes ein. Der Quarz bietet eine sehr hohe Genauigkeit, da er nur geringfügig Temperaturabhängig ist, zudem ist seine elektrische Dämpfung sehr gering. Um jedoch kleinere Ungenauigkeiten auszugleichen wird er oftmals von außen mit einem Widerstand (einstellbar) und einem Kondensator um pF-Bereich beschalten.

The quartz clock A quartz clocks is a special type of clock that uses an electronic oscillator to measure the time. The quartz creates a very precise a stable frequency, so the quartz clock compared to mechanical clocks is more accurate. Through his inner mechanism the quartz clock is real-time capable. The usual frequency for a quartz crystal in a clock is 32.768 Hz. Compared to other quartz crystals this frequency is very low, this low frequency has the effect, that the quartz has a very low power consumption. To measure the time, the T-flip-flops are used. They have the effect, that Abbildung 7 Left: The internal structure of the quartz clock model Astron, on the left the housing each of them halves the frequency. By using 15 of the T-flip-flops, the pulsation becomes exactly one second. Because 215 = 32.768 Hz reversed, two divides the 32.768Hz 15 times. The portable quartz clock invented in 1938 in Germany, but the Breakthrough was in 1969. The Japanese concern Seiko brought the quartz wristwatch named “Astron” on the market. The clock was a success, because the battery life was very long, the production costs very low and the accuracy very high.

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DCF77 Der DCF77 ist ein Langwellen-Zeichensender in Frankfurt am Main, er versorgt den Großteil der funkgesteuerten Uhren im westlichen Europa mit der deutschen Normalzeit. Gesendet wird mit einer Frequenz von 77,5kHz. Der Name der Anlage „DCF77“ setzt sich aus folgenden Faktoren zusammen, das D steht für Deutschland, C für Langwellensender, F steht für seinen Standort nahe Frankfurt und die Zahl 77 ergibt sich aus der Trägerfrequenz welche benutzt wird. Das Zeitsignal welches die Anlage versendet, hat seinen Ursprung direkt vor Ort, das versendete Zeitsignal hat eine Abweichung von einer Sekunde auf 30.000 Jahre betrachtet. Drei Atomuhren sind für dieses verantwortlich und synchronisieren sich über eine noch genauere Atomuhr mit Standort in der PhysikalischTechnischen Bundesanstalt in Braunschweig. Die Synchronisationsreichweite dieses Senders beträgt ca.

2000km, diese Reichweite ist jedoch von der Tages- und Abbildung 8Veranschaulichung der Reichweite des Senders Jahreszeit abhängig. Seit 2006 werden zuzüglich der Zeitinformationen auch noch die Wetterdaten des jeweiligen Landes mit gesendet, entsprechende Funkuhren können diese Information verwerten und darstellen.

Die Atomuhr Die genauste uns bekannte Messung der Zeit mit wenigen Sekunden Abweichung über Tausende von Jahren, stellt die Atomuhr dar. Sie wurde im Jahre 1949 erfunden und baute auf die entstehende Spektrallinie welches durch das Ammoniakmolekül entsteht auf. Heute basiert der Großteil der Atomuhren allerdings auf der Schwingung des Cäsiumatoms, die Eigenschaften des Cäsium Isotops Cs-133 stellten sich als ideal heraus um als Einheit für eine Sekunde festgelegt zu werden. Eine höhere Genauigkeit als auf Cäsium basierte Uhren erzielen die neusten Quecksilber-Atomuhren, diese sind um Abbildung 9 Eine der mehreren Atomuhren zur Erzeugung der gesetzlich festgelegten Deutschen Uhrzeit den Faktor zehn genauer. Diese QuecksilberAtomuhr nutzt die schnelle Schwingung eines Quecksilber-Ions welches Lichtimpulse mit einer Frequenz von mehr als einer Billiarde Schwingungen pro Sekunde abgibt. Zur Verbreitung der in Deutschland gesetzlich festgelegten Zeit ist die PhysikalischTechnische Bundesanstalt in Braunschweig zuständig. Hierfür werden mehrere Atomuhren verwendet, diese sind Synchronisationsstation für Zeitsendestationen wie dem DCF77.

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Die physikalische Zeit Um die Zeit zu betrachten gibt es viele verschiedene Möglichkeiten, sie spielt nicht nur in der Physik eine große Rolle, man kann sie auch aus psychologischer (Wahrnehmung der Zeit), ökonomischer (Arbeitszeit) oder sprachlicher (Zeitformen) Sicht sehen. In diesem Teil meines Schwerpunktthemas geht es allerdings um die physikalische Zeit.

Zeit als physikalische Größe Zeit ist eine Einheit der Physik und ist dort durch den Buchstaben „t“ vertreten, bei Messungen gewisser Parameter kann die Zeit gemessen werden oder es wird ein bestimmter Wert gemessen welcher sich auf in Abhängigkeit der Zeit befindet. In der heutigen Physik ist die Zeit wie auch andere physikalische Messgrößen durch ein Messverfahren bestimmt. Zur Messung der Zeit gibt es wie bereits unter dem Punkt „Die Geschichte der Zeitmessung“ angeführt, verschiedene Messmethoden. In der Physik sind zur Messung der Zeit jedoch Systeme welche periodisch in einen Ursprungszustand zurückkehren unumgänglich, denn durch das Zählen dieser Perioden wird die Zeitmessung durchgeführt. Die Genauigkeit einer Zeitmessung wird von der Reproduzierbarkeit des genannten zurückkehren in den Ursprungszustand bestimmt, sowie von ihrer Fehleranfälligkeit durch die äußere Umgebung welche beispielsweise Temperatur, Luftdruck oder elektrische Felder sein können. Die Zeit dient auch zur Definition der Länge, ein Meter entspricht jener Strecke, welches das Licht im Vakuum innerhalb 1/299.792.458 Sekunden zurücklegt.

Die Relativitätstheorie Bis zur Veröffentlich der speziellen Relativitätstheorie durch Albert Einstein im Jahre 1905 galt die Zeit als unveränderbar, in der Physik war die Rede der „absoluten Zeit“. In der speziellen Relativitätstheorie werden das Verhalten von Raum und Zeit aus der Sicht von Beobachtern, sowie die verstreichende Zeit zweier sich zueinander bewegender Objekte beschrieben. Die allgemeine Relativitätstheorie wird 1915 veröffentlicht und führt die in der speziellen Relativitätstheorie genannten Phänomene auf die Krümmung von Raum und Zeit, als auch auf die Abbildung 10 Der Physiker Albert Einstein Gravitation zurück. In der Theorie gelten dabei bewegte Objekte im Vergleich zu ruhenden als verkürzt und Uhren welche sich bewegen als verlangsamt. Schon Isaac Newton ging im Jahre 1687 von der Gleichförmigkeit der Zeit aus, auch das Alltagsverständnis der Menschen ließ die Zeit als unveränderbare Einheit erscheinen. Mit der speziellen Relativitätstheorie veränderte Albert Einstein die Betrachtungsweise der Zeit in der Physik. Damit war auch der Begriff Newtons der absoluten Zeit widerlegt worden.

Laut der Relativitätstheorie ist die Zeit relativ zu betrachten, sie ist immer abhängig vom Betrachter. Eines der wohl bekanntesten Beispiele um diese Theorie zu erklären ist das sogenannte Zwillings- oder auch Uhrenparadoxon. Dieses Paradoxon ist ein Gedankenexperiment bei welchem ein Zwilling mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zu einem fernen Himmelskörper hin und zurück reist, während der andere Zwilling auf der Erde bleibt. Bei seiner Wiederankunft auf der Erde wird der Zwilling welcher zum Himmelskörper Schwertpunktthema: Zeit 10

Patrik Gumpold 5AEL 2014/15 reiste feststellen, dass der auf der Erde verweilte Zwilling mehrere Jahre gealtert ist, fĂźr ihn verging also weniger Zeit. Denselben Effekt haben groĂ&#x;e Massen, wenn man beispielsweise mit einer Uhr neben einem Schwarzen Loch die verstreichende Zeit misst, kommt man zum Ergebnis, dass die Zeit dort langsamer vergeht als an einem Punkt auĂ&#x;erhalb des Gravitationsfeldes des Schwarzen Loches. Dieses Phänomen ist real und wurde bereits bewiesen und unter dem Begriff der Zeitdilation bekannt, allerdings kommt es nur bei annähernder Lichtgeschwindigkeit zu bemerkbaren Unterschieden in der vergangen Zeit, fĂźr den Alltag ergeben sich keine bemerklichen Veränderungen. Vom Rasen auf der Autobahn um im Vergleich zu unbewegten Menschen langsamer zu altern ist deswegen abzuraten.

Die wohl allgemein bekannteste Formel der Physik đ?‘Ź = đ?’Žđ?’„đ?&#x;? ist ein Naturgesetz welches Alber Einstein entdeckte. Es beschreibt die Gleichwertigkeit von Masse und Energie die sich gegenseitig zu Folge haben. Die Formel besteht aus E welches fĂźr die Energie in der Masse welche man beschleunigt, m steht fĂźr die das Gewicht der zu beschleunigenden Masse und c steht fĂźr die Lichtgeschwindigkeit welche zum Quadrat Abbildung 11 Beschreibung der Formel in ihren Werten genommen wird. Die Formel wird hauptsächlich in der Astro-, und Einheiten Kern- und Elementarteilchenphysik verwendet. Beim Versuch die benĂśtigte Energie zu berechnen welche man benĂśtigen wĂźrden um ein Objekt mit Masse auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunige, kann man folgende Formel verwenden:

đ?‘Ź=

(đ?’Žđ??œ đ?&#x;? ) √(đ?&#x;? −

đ?’—đ?&#x;? ) đ?’„đ?&#x;?

Das v im Nenner steht hierbei fßr die Geschwindigkeit welche man erreichen will, ist das Ziel nun die Lichtgeschwindigkeit, so wird im Bruch des Nenners das Ergebnis eins sein, das hat nun zur Folge, dass sich die erhaltene eins mit der bereits vorhandenen aufgrund des minus Zeichens streicht. Im Nenner steht nun also null! Ein Bruch welcher eine Null im Nenner hat ist unzulässig und nicht lÜsbar, somit ist das Erreichen der Lichtgeschwindigkeit fßr ein Massehaltiges Objekt unmÜglich.

Die Relativität Einstein zeigte dass alles relativ gesehen werden muss, die wahrgenommene Zeit hängt vom Betrachter ab, dadurch gibt es auch keine universelle Gleichzeitigkeit von Ereignissen.

Bewegen sich zwei Betrachter nebeneinander sehen sie die Uhr des jeweils anderen langsamer ticken, auch die Meterstäbe welche sie mitfĂźhren sind fĂźr den anderen kĂźrzer als ein Meter. Dabei ist die Frage, welcher der beiden die Situation als korrekt beschreiben kann, unsinnig. Eine Begrenzung der Relativität stellt allerdings die Konstanz Abbildung 12 Veranschaulichung des Versuchs zur Messung der Lichtgeschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit dar, es scheint als dass sie eine konstante und unĂźberschreitbare GrĂśĂ&#x;e darstellt. Misst man die Geschwindigkeit eines Lichtstrahls, wird dieser unabhängig vom eigenen Bewegungszustand Schwertpunktthema: Zeit

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Patrik Gumpold 5AEL 2014/15 immer die gleiche Geschwindigkeit aufweisen. Somit stellt die Lichtgeschwindigkeit mit 299.792.458 km/s die Obergrenze der Geschwindigkeit dar. Die meisten Phänomene welche in der Relativitätstheorie behandelt werden treten nur bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit auf. Des Weiteren nimmt die Masse von bewegten Objekten zu, weshalb bei Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit auch die Masse unendlich sein würde.

Die Raumzeit Die zwei Komponenten Raum und Zeit werden in der Relativitätstheorie zur Raumzeit vereint, denkt man sich diese zwei Komponenten nun in ein Koordinatensystem und betrachtet spezielle Fälle, so werden sie voneinander nicht mehr unterscheidbar und hängen in ungewöhnlicher Weise voneinander ab. Dies hat zur Folge, dass Phänomene wie die Zeitdilatation und die Längenkontraktion, welche besagt, dass ein sich bewegender Beobachter eine kürzere Distanz zwischen zwei Punkten misst als ein still stehender, sowie die Relativität der Gleichzeitigkeit, zur Folge. Der Zusammenhang zwischen Raum und Zeit ist auf visuellem Weg schwer darstellbar, allerdings auf mathematischem Weg sehr präzise formulierbar und beweisbar.

Die Krümmung der Raumzeit entsteht durch jede Art von Energie, wie beispielsweise Masse, Strahlung oder Druck, der Raum sowie die Zeit werden gekrümmt und somit entsteht ein Gravitationsfeld. Je stärker diese Krümmung nun ausfällt, umso stärker wird auch das entstehende Gravitationsfeld sein. Die Stärke der Krümmung hängt nun wiederum von der Stärke der Energie ab, haben wir also nun viel Energie beispielsweise in Form von Masse, wird auch das Gravitationsfeld stärker ausfallen. Durch die stärkere Krümmung der Raumzeit ist nun neben dem Raum auch die Zeit gekrümmt was zur Folge, dass große Massen das Phänomen der Zeitdilatation zur Folge haben. Da auch die Zeit durch das Gravitationsfeld beeinflusst wird, gehen Uhren welche sich auf einem Berg befinden schneller, als jene die sich tiefer befinden auch wenn der Unterschied nicht nennenswert groß ist. Bezieht man diese Theorie jedoch auf erheblich stärkere Gravitationsfelder, sprich größere Massen wie zum Beispiel ein Schwarzes Loch oder ein Planet mit großer Masse, so könnte man einen erheblichen Unterschied in den gemessenen Zeiten feststellen.

Das Zeitreisen Reisen in die Zukunft sind möglich, allerdings nur relativ betrachtet, Voraussetzung hierfür ist allerdings eine Bewegungsgeschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit, zu Nutze macht man sich dabei das in der Relativitätstheorie beschriebene Zwillingsparadoxon. Eine andere Möglichkeit wäre die Eigenpositionierung nahe einer großen Masse, da dort die Zeit innerhalb des Gravitationsfeldes langsamer vergeht als außerhalb. Dies sind physikalisch mögliche Formen, lediglich ihre Interpretation lässt sie zu Zeitreisen in die Zukunft werden, da der Zeitreisende an sich die Zeit in gleicher Länge vergehen sieht.

Die aktuellsten wissenschaftlichen Erkenntnisse legen nahe, dass Zeitreisen in die Vergangenheit wohl nicht möglich sind. Einige Theorien spekulieren jedoch auf die Möglichkeit von Zeitreisen, in der Praxis sind diese derzeit nicht umsetzbar, da der technische Wissenstand dazu fehlt. Jedoch schließt die Relativitätstheorie Zeitreisen in die Vergangenheit nicht ganz aus, es ist denkbar, dass sogenannte Wurmlöcher existieren. In der Theorie können die beiden Enden eines Wurmloches in einer unterschiedlichen Zeit sein und somit die Gegenwart mit der Vergangenheit unmittelbar verbinden.

Allerdings sind Wurmlöcher laut der Berechnungen instabil und brechen zu schnell zusammen als das man sie nutzen könnte. Ein weiteres Problem stellt die Entstehung von Paradoxien dar, das bekannteste ist hierbei das Großvaterparadoxon. In diesem Paradoxon reist jemand in die Vergangenheit zurück und Schwertpunktthema: Zeit

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Patrik Gumpold 5AEL 2014/15 verhindert die Zeugung seines Vaters indem er seinen Großvater tötet. Das Paradoxon entsteht in dieser Situation dadurch, dass der Zeitreisende durch den Tod seines Großvaters auch nie einen existierenden Vater gehabt hätte und somit selbst auch nicht existiert hätte, folglich auch nicht in die Zeit zurückreisen hätte können um seinen Großvater zu töten. Dieses Paradoxon zeigt, dass vergangenheitsverändernde Zeitreisen zwangsläufig zu einem Paradoxon führen müssen. Andere Theorien versuchen diese Möglichkeit zu belegen, dabei wird davon ausgegangen, dass die Vergangenheit in welche man reist, eine Parallelwelt ist und dass der Eingriff in die Vergangenheit den ursprünglichen Ablauf weiterführt, aber auch einen veränderten Ablauf der Dinge erschafft. Dies würde es für den Zeitreisenden allerdings auch wieder unmöglich machen in die Gegenwart zurückzukehren, er könne lediglich in eine Version der Gegenwart einer Parallelwelt gelangen welche die Gegenwart aber nahezu identisch ist. Eine andere Hypothese welche für Zeitreisen spricht ist die Vorstellung des selbstkonsistenten Universums, demnach ist es zwar möglich ist den Zeit zu reisen, allerdings besteht keine Möglichkeit die Vergangenheit zu verändern. Um beim genannten Großvaterparadoxon zu bleiben: Der Zeitreisende kann seinen Großvater nicht töten, egal was er versucht, da dieser in der Vergangenheit nicht starb. Denkt man diese Hypothese weiter, kommt man zum Ergebnis, dass die Vergangenheit nur geringfügig veränderbar, keine Veränderung darf dazu führen, dass die Zeitreise aufgrund einer Veränderung nicht stattfindet.

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Die Wahrnehmung der Zeit Der Mensch kann die Abfolge zeitlichen Geschehens bis in den Bereich von Millisekunden wahrnehmen, dabei hat der Zeitabschnitt der Gegenwart eine Wahrnehmungsdauer von ca. drei Sekunden, nach diesen 3 Sekunden beginnt bereits für die Wahrnehmung die Vergangenheit. Als Gleichzeitig gelten für die optische Wahrnehmung Geschehnisse welche weniger als 20 bis 30 Millisekunden auseinander liegen, die akustische Wahrnehmung jedoch kann schon bei 3 Millisekunden Unterschied das gehörte zeitlich trennen und als nicht gleichzeitig definieren.

Das Zeitgefühl Menschen und Tiere besitzen ein Zeitgefühl, dieses erlaubt es die Dauer bestimmter Vorgänge abzuschätzen, beim Menschen wird dieses Zeitgefühl auch als „innere Uhr“ bezeichnet. Durch Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass das keine Region des Gehirns speziell zur Messung der vergangen Zeit verwendet wird. Vielmehr wird die Einschätzungsgabe des Hirns verwendet, dabei bezieht es sich auf den in dieser Zeit getätigten Denkprozess, sowie der Abbildung 13 emotionalen Empfindung. Besonders positiv empfundene Momente vergehen sehr schnell, hingegen werden negativ wahrgenommene Situationen als langwierig beurteilt, das gleiche gilt auch für monotone Arbeit sowie der Unterforderung des Gehirns. So empfindet man das fünfminütige Warten auf den Bus im Winter wie eine halbe Ewigkeit, hingegen ein Abend im warmen Restaurant im Vergleich sehr schnell vergeht. Zwar vergeht die gefühlte Zeit bei negativen Empfinden langsamer, wird aber als kurzer Abschnitt in Erinnerung behalten, wobei es bei positiven Erlebnissen genau umgekehrt der Fall ist. So bleibt ein schöner Urlaub als längerer Zeitabschnitt im Gedächtnis als beispielsweise ein Arbeitstag ohne nennenswerte Ereignisse. Mit Emotionen verbundene Situationen nimmt das Gehirn stärker wahr, ist man zum Beispiel eine Gefahr ausgesetzt so fühlt sich dieses Zeitintervall im Vergleich viel länger an. Man vermutet, dass der Grund hierfür auf die erhöhte Aktivität des Hirns rückzuführen ist, so arbeitet es in diesem Moment viel aktiver und nimmt die Zeit bewusster wahr. Abhängig vom Lebensalter kann auch festgestellt werden, dass mit dem Alter verbunden auch die Zeit gefühlt schneller vergeht, da das Hirn sich nicht mit neuen Eindrücken beschäftigen muss. In einer Studie wurden Probanden zwischen 14 und 94 Jahren nach ihrer Wahrnehmung der Zeit befragt. Es stellte sich dabei heraus, dass die Älteren Probanden die Zeit als schneller empfinden als die Jüngeren. Die Erklärung hierfür hängt mit der Wahrnehmung unseres Gehirns zusammen, es setzt eine bestimmte Zeitspanne in Relation zum bisher gelebten. Ein dreijähriges Kind nimmt zum Beispiel ein Jahr als ein Drittel des bisher gelebten wahr und empfindet es somit als lang, wobei eine Person mit 80 Jahren ein Jahr als ein Achtzigstel wahrnimmt seiner bisher gelebten Zeit wahrnimmt. Durch diese im Gehirn stattfindende Relation wird deutlich wie unser Gehirn die Zeit mit zunehmendem Alter als „schneller“ empfindet. Jedoch sind sich nicht alle Forscher mit der Begründung durch die Relation einig, es scheint ihnen zu mathematisch, so auch Marc Wittmann vom Institut für Grenzgebiete der Psychologie und Psychohygiene in Freiburg, er ist der Auffassung, dass diese Erklärungsweise zu mathematisch ist. Dabei verweist er auf das Phänomen bei 65-Jährigen welche in ihrem Ruhestand das Ticken der inneren Uhr als langsamer beschreiben, da sie die Welt für sich neu entdecken.

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Die Zeit in der Philosophie Die Zeit ist eines der wohl geheimnisvollsten Phänomene, schon vor zweieinhalb Jahrtausenden beschäftigten sich die großen Philosophen der Hochkulturen mit ihr. Die Ergebnisse vielen schwach aus, die Zeit war zwar messbar und war in ihren Eigenschaften beschreibbar, jedoch ließ sie sich nicht erklären. Die Philosophie beschäftigte sich lange Zeit als einzige Wissenschaft mit der Frage der Zeit insofern, dass sie danach fragt ob die Zeit erst durch das menschliche Bewusstsein „geschaffen“ wird oder unabhängig davon existiert. Mittlerweile wird diese Frage auch von der Physik, Astronomie sowie anderen Wissenschaften behandelt. Auch die Frage ob Zeit überhaupt existiert erweist sich als sehr schwierig, da der Existenzbegriff in Bezug auf die Zeit unklar erscheint.

Schon Platon befasste sich mit der Zeit, er stellte jedoch nicht die Frage nach der Existenz der Zeit sondern nach der des Seins.

Für Aristoteles war die Zeit mit Veränderungen verbunden, Veränderungen geschehen in der Zeit, jedoch unterliegt die Zeit nicht dieser Gesetzmäßigkeit, so seine Ansicht.

Isaac Newton verband in seiner Vorstellung Zeit und Raum, demnach bilden diese zusammen eine Art Behälter für Ereignisse. Newton definierte die Zeit mit folgenden Worten: „Zeit ist, und sie tickt gleichmäßig von Moment zu Moment.“ Der Philosoph und Mathematiker Gottfried Wilhelm Leibniz behauptet hingegen, dass Zeit und Raum nur gedankliche Konstruktionen sind um die Beziehung zwischen Ereignissen zu beschreiben. Laut Leibniz’ Auffassung gab es demnach auch keine keinen Fluss, sowie kein „Wesen“ der Zeit. In der Wissenschaft setzt sich Newtons Auffassung der Zeit durch.

Abbildung 14

Für Immanuel Kant sind Zeit und Raum abhängig vom Betrachter welcher diese auffasst und somit reine Anschauungsform. Zeit ist der Zugang zur Welt und wird durch das menschliche Bewusstsein bedient. Die Zeit zählt für ihn als ein weiterer Wahrnehmungssinn welcher nicht mehr wegzudenken ist, da Zeit dazu genutzt wird Ereignisse welche getrennt voneinander stattfanden zu betrachten.

In der heutigen Philosophie geht man inzwischen von einer Unterscheidung zwischen den absoluten Zeitbestimmung und den relativen Zeitbestimmungen aus. Diese Zeitbestimmungen sind uns bekannt als die Vergangenheit, Gegenwart sowie die Zukunft, zu den relativen Zeitbestimmungen zählen „früher“, „gleichzeitig“ und „später“. Auf diese Unterscheidung baut der Philosoph John McTaggart auf, welcher die Unwirklichkeit der Zeit lehrte. Seine Auffassung war, dass jede Veränderung im Grunde nur eine Bewegung von Ereignissen aus der Zukunft hin zur Gegenwart in die Vergangenheit ist. McTaggart kommt dabei zum Schluss, dass die genannten Zeitreihen in welchen die Veränderungen stattfinden, nicht existent sind.

Schwertpunktthema: Zeit

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Maturaprojekt „LED-Uhr“ Zu Beginn des Schuljahrs 2014/15 wählte ich als mein Maturaprojekt die „LED-Uhr“. Die Wahl fiel darauf, weil mich LED’s begeistern und dieses Projekt auch noch nach Abschluss der Oberschule verwenden kann.

Das Projekt nahm insgesamt 250 Stunden Arbeit in Anspruch und wurde über zwei Semester hinweg bearbeitet. Es folgt nun eine etwas gekürzte Form des Projektberichts welcher in der Originalfassung 63 Seiten betrug.

Schwertpunktthema: Zeit

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Projektbeschreibung Das Projekt besteht aus drei großen Gesamtplatinen, wobei sich eine der drei Platinen aus mehreren kleinen zusammensetzt. Die Uhr wird durch LEDs realisiert und hat eine Runde Form, in der Mitte befinden sich jeweils vier Paare von 28 LEDs, diese sind in einer „8“ Form angeordnet und können dadurch jede Ziffer darstellen, sprich ein 7-Segment. Diese vier 7-Segmente Stellen die Stunden und Minuten dar und werden von zwei LEDs in der Mitte zur besseren Unterscheiden getrennt. Darunter befindet sich ein Display welches die derzeitige Zeitzone zeigt und die dazugehörige Zeitverschiebung. Um die Sekunden anzuzeigen wird die Hauptplatine mit den 7-Segmenten und dem Display, von 59 LEDs umrahmt, welche sich in einer Kreisform befinden. Bei jeder vergangenen wird dann jeweils eine neue LED dazu geschalten, bei vollem Kreise vergeht dann eine Minute. Um die Uhr einzustellen wird eine Bedienung benutzt welche die dritte Platine darstellt. Mit ihr wird die Uhr beim Einschalten auf die aktuelle Zeit eingestellt, auch die Zeitzone kann festgelegt werden.

Anlagenschema Das Anlagenschema gibt einen Überblick über die wichtigsten elektronischen Komponenten des Projekts, die detailliertere Beschreibung jeder einzelnen Komponente findet sich im weiteren Verlauf dieses Dokuments.

1

Spannungsregler

2

Bedienplatine

3

LCD Display

4

Schieberegister

5

Zeitausgabe durch LED‘s

Schwertpunktthema: Zeit

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Planung Die Planung des Projektes läuft nicht nur vor dem Beginn an, sondern zieht sich wie ein roter Faden durch das gesamte Projekt, weswegen auch in GANTT-Diagramm immer wieder Zeit für Planung genutzt wird.

Zur Planung dieses Projekt musste zunächst einmal die genaue Funktion definiert werden, das heißt: Was kann es machen und was soll es nicht machen. Diese Punkte wurden allerdings schon in der Projektbeschreibung festgelegt.

Danach musste festgelegt werden wie denn die Uhr aussehen soll, die Entscheidung fiel auf eine klassische Kreisform, auch wenn die Platine aus Platzgründen sehr abstrakt wirkt! Bis zu diesem Modell des Projektes gingen viele unterschiedliche Skizzen voran, bis schließlich die endgültige Form festlag. Neben der Form war natürlich auch die Anzeige der Uhrzeit ein Thema, wie soll es von statten gehen?

Die Lösung hierbei war ein 7-Segment welches durch mich selbst geplant wurden, wie die Zeichnungen belegen. Zur Bestimmung der idealen Zifferformwurden viele verschiedene Skizzen des 7-Segments angefertigt, ausschlaggebend bei der Zifferform waren die Größe des 7-Segmentes und dessen Neigungswinkel. Diese ideale Form stellte sich mir als um 10° nach rechts geneigtes und aus 28 LEDs bestehendes 7-Segment heraus, welches eine Höhe von 8cm und eine Breite 5cm aufweist. Insgesamt ergibt sich eine Gesamtanzahl von 173 LEDs, für die 60 Sekundenanzeige werden 59 LED’s benutzt, da die 60. Sekunde als „alle LED’s ausgeschalten“ symbolisiert wird, zudem viel die Wahl hierbei auf blaue diffuse LED’s mit dem Durchmesser von 10mm. Für das 7-Segment hingegen wurden die gleichen LED’s verwendet, nur mit dem Unterschied, dass der Durchmesser hier 5mm betrug. Für das gesamte Projekt mussten dann also 173 LED’s gesucht und bestellt werden.

Auch der Einkauf der Materialien stellte sich als Herausforderung dar, neben der Frage: Gibt es denn schon das Bauteil was ich brauche?“, muss man Faktoren wie Preis, Lieferzeit, Versandkosten, Stückzahl- und Stückzahlbonus mit ein beziehen. Zu Beginn gibt es bestimmt kein Problem mit den Lieferzeiten, da man noch nicht einmal die Platine hat, allerdings fallen einen mit der Zeichnung und Planung immer neue benötigte Bausteine ein. Auch sollte man einen kleinen Überschuss an Bauteilen, abhängig von deren Gesamtstückzahl, kaufen.

Dadurch, dass so viele LEDs verwendet wurden, musste eine Programmierung überlegt werden welche durch den µC realisierbar ist, da der µC nicht so viele Ausgänge zur Steuerung jeder einzelnen LED hat. Die Lösung war hierbei ein Schieberegister, durch welches abhängig der Zeit, mehr zu der Funktion Programmierung des Schieberegisters im unteren Teil des Projektberichtes.

Auch die Stromversorgung musste geplant werden, neben Berechnungen war ein Netzteil mit einer vergleichsweise hohen Stromzufuhr nötig, nach welchem relativ lange gesucht werden musste. Auch die Dazugehörige Drossel von 12V, 5A auf 5V, 3A musste geplant und bestellt werden, näheres dazu unter den Punkt Elektronik und Bauteile.

Das Display hingegen bedurfte keiner allzu großen Planung, da ich jenes von dem „Demo-Board“ samt µC Verknüpfung übernahm und somit nur den Platz auf der Platine festlegen musste.

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Elektronik LEDs Zur Realisierung der Zeitanzeige wurden blaue diffuse LEDs verwendet, diese unterscheiden sich von gewöhnlichen LED’s dadurch, dass sie ein „weicheres“ Licht werfen. Dieses Licht hat die Eigenschaft eine Kontrast- und schattenarme beleuchtete Fläche zu erzeugen.

Die Spannungsquelle liefert 5V und 3A, deswegen darf der maximale Stromverbrauch den Wert von 3A nicht überschreiten.

Das folgende Bild zeigt den Helligkeitsvergleich zwischen den 5mm und 10mm diffuse LED’s. Das Ziel war den passenden Widerstand herauszufinden, damit erstens der Stromverbrauch von 173 LED’s den Stromverbrauch von 3A nicht überschreiten und die beiden LED’s auch in ähnlicher Helligkeit leuchten.

An beiden LED’s wurde eine Spannung von 5V angelegt, jeweils einem Potenziometer an den beiden LED’s wurde dann nach dem entsprechenden Widerstand gesucht. Als Ergebnis stellte sich ein Widerstand von 100Ω für beide LED’s heraus, da andere Widerstände entweder nicht in SMD-Form auf dem Markt sind oder höhere Widerstände eine schwächere Leuchtstärke bedeutet hätten. Zudem liegt man mit 100Ω sehr gut im Stromverbrauchsbereich und hat noch Sicherheit.

Mit dem Strommessgerät wurde der Stromverbrauch jeweils gemessen und dann auf die gesamte Schaltung hochgerechnet, dazu wurde immer der „worst case“ hergenommen, also der Status in welchem alle LED’s eingeschalten sind, im Normalbetrieb tritt dieser nie ein, jedoch ist es sicherer.

Abbildung 15 Messung des Stromverbrauchs der LED's

Schwertpunktthema: Zeit

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Patrik Gumpold 5AEL 2014/15 Zur Berechnung des maximal verbrauchten Stromes wurden die Messwerte der beiden LED’s hergenommen, diese betrugen bei Versorgungsspanung 5V und Vorwiderstand 100ℌ, 15mA an der 5mm LED und 17mA an der 10mm LED. Als Nennwert fßr den Verbrauch des ¾C wurden 30mA angenommen, welche hoch geschätzt sind. Fßr das Display werden ca. 150mA benÜtigt.

Berechnung:

đ?‘†đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘œđ?‘šđ?‘Łđ?‘’đ?‘&#x;đ?‘?đ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘˘đ?‘?â„Ž(5đ?‘šđ?‘š) = 15đ?‘šđ??´ ∗ 114 = 1,71đ??´ đ?‘†đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘œđ?‘šđ?‘Łđ?‘’đ?‘&#x;đ?‘?đ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘˘đ?‘?â„Ž(10đ?‘šđ?‘š) = 17đ?‘šđ??´ ∗ 59 = 1,003đ??´ Âľđ??ś đ?‘‰đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘?đ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘˘đ?‘?â„Ž = 30đ?‘šđ??´ đ??ˇđ?‘–đ?‘ đ?‘?đ?‘™đ?‘Žđ?‘Ś = 150đ?‘šđ??´ đ?‘€đ?‘Žđ?‘Ľ. đ?‘†đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘œđ?‘šđ?‘Łđ?‘’đ?‘&#x;đ?‘?đ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘˘đ?‘?â„Ž = 1,71đ??´ + 1,003đ??´ + 0,03đ??´ + 0,15đ??´ = 2,893đ??´ Der maximale Stromverbrauch liegt knapp unter 3A, diese 2,893A kommen allerdings im normalen Betrieb nie zu Stande, da es keine Uhrzeit gibt bei welcher der alle vier 7-Segmente eingeschalten sind.

5mm LED Im ganzen Projekt sind 114 LED’s dieser Art verbaut.

Ihr Betriebsstrom liegt laut Datenblatt bei 20mA, allerdings beträgt er beim Projekt ca. 15mA, damit wird das volle Potential der LED zwar nicht ausgeschÜpft, allerdings leuchtet sie dennoch sehr hell. Der Vorwiderstand beträgt 100ℌ, genauso wie es auch bei der 10mm LED der Fall ist. Die gewÜhnliche Betriebsspannung liegt bei 3,2V – 3,4V allerdings ohne Vorwiderstand.

Abbildung 16 Geworfenes Licht einer 5mm LED

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10mm LED Von dieser Art LED sind 59 im gesamten Projekt vorhanden, der Betriebsstrom liegt bei 30mA, im Projekt jedoch liegt er bei 17mA, ca. die Hälfte ihrer Leuchtkraft wird nicht genutzt. Die Leuchtstärke liegt der der 5mm LED nahe, jedoch ist eine entsprechende Schwäche der Leuchtkraft zu erkennen. Da die beiden LED’s allerdings von verschiedenen Herstellern sind, sind ihre Leuchtfarben von Grund auf schon abweichend, das erkennt man auch an den Abbildungen (16) und (17). Diese Abweichungen stören das Projekt jedoch nicht.

Abbildung 17 Geworfenes Licht einer 10mm LED

Schieberegister Im gesamten Projekt werden 11 Schieberegister vom Modell 74HC595 verwendet, jedes Schieberegister steuert 8Bit, Insgesamt müssen 87 Bit bewegt werden, das eine überschüssige wird einfach als „0“ mitgeschrieben und hat somit keinen Einfluss auf die Gesamtfunktion. Die Anzahl dieser 87 Bit ergibt sich aus den 59 Sekunden-LED’s und den 7-Segmenten welche jeweils 7 Bit benötigen,7 ∗ 4 = 28. Die Aufgabe des Schieberegisters ist es, die Bit so zu setzen, dass eine Uhrzeit mit laufenden Sekunden erkennbar ist. Durch das setzen eine Ausgangs leuchtet die LED.

Abbildung 18 Das Schieberegister 74HC595

Alle Schieberegister sind in der Reihe verbunden, sobald ein Schieberegister alle 8 Bit voll hat, wird bei einem neuen Bit das allererste Bit auf das hintere Schieberegister übertragen, so setzt sich das dann bei jedem weiteren kommenden Bit fort. Nur das allererste Schieberegister ist mit dem µC verbunden und zwar besteht diese Verbindung über Port B. Zur Steuerung der Schieberegister bedarf es lediglich dreier Pins des µC, weshalb es auch so gut für dieses Projekt eignet. Diese drei Pins sind der Datenleiter Data (Pin 14 DS) mit dem Wert des Bits 0 oder 1. Der Clock (Pin 11 SHCP) welcher ein Bit vom Wert 0 oder 1 in das Schieberegister schiebt, dieser Wert ist abhängig von Data. Und die Ausgabe / Übernahme (Pin 12 STCP).

Funktion Der µC gibt auf dem PortB0 den Wert des Bits vor, entweder 0 oder 1. Sobald nun Programmintern ein Clock auf das PB2 kommt wird der Wert von Data in das Schieberegister geschoben, allerdings noch nicht sichtbar, also nicht gesetzt. Gesetzt wird das Schieberegister durch das PB1 das die Ausgabe der Bit steuert, durch eine positive Flanke an ihm werden alle Bit-Werte sozusagen aktiviert. Eine 1 im Register bedeutet hierbei, dass an jenem Pin des Schieberegisters nun +5V anliegen.

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Spannungsregler Da der ¾C und die LED’s nur eine Spannungsversorgung von +5V benÜtigen, aber einen Gesamtstrom von 3A wird ein Netzteil verwendet, welches 12V und 5A liefert, diese werden dann vom Spannungsregler auf 5V und 3A herunter geregelt.

Der verwendete Spannungswandler ist hierbei der LM2576-ADJ. Dier Spannungswandler kann unterschiedliche Ausgangsspannungen erzeugen, abhängig sind diese hierbei vom Verhältnis zwischen R1 und R2. Damit eine Ausgangsspannung von 5V am Ausgang anliegen, mussten die Widerstände entsprechend dimensioniert werden.

Abbildung 19 Spannungsregler LM2576

Im Datenblatt liegt hierfĂźr bereits eine Formel vor, welche allerdings falsch ist, anstatt dem „*“ steht dort ein „+“.

Die richtig notierte Formel lautet: đ?‘‰đ?‘œđ?‘˘đ?‘Ą = đ?‘‰đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘“ ∗ ( 1.0 +

đ?‘…2 ) đ?‘…1

đ?‘‰đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘“ = 1,23đ?‘‰

Das ideale Verhältnis der Widerstände musste nun bestimmt werden, sodass đ?‘‰đ?‘œđ?‘˘đ?‘Ą = 5đ?‘‰ entspricht. Durch das umstellen der Formel auf đ?‘…2 konnte mit Excel eine Tabelle erstellt werden in welche man die Widerstandswerte fĂźr đ?‘…1 eingab, damit wurde dann der Widerstandswert fĂźr đ?‘…2 berechnet, als Werte fĂźr đ?‘…1 wurden allerdings nur jene Widerstandswerte verwendet welche schon im Abbildung 20 Pinout des LM2576 Schulinventar vorhanden waren um einer eventuellen Bestellung und damit VerzĂśgerung des Zeitplanes zu entgehen. Vom Datenblatt ging zudem noch die Bedingung fĂźr đ?‘…1 hervor, dass der Wert zwischen 1kâ„Ś und 5kâ„Ś liegen muss. Die erhaltenen Widerstandswerte fĂźr đ?‘…2 wurden dann auch mit dem Schulinventar verglichen und die RĂźckrechnung nach đ?‘‰đ?‘œđ?‘˘đ?‘Ą durchgefĂźhrt um zu sehen wie viel die Ausgangsspannung vom Wert 5V abweicht.

Umstellung der Formel auf đ?‘šđ?&#x;?

đ?‘‰đ?‘œđ?‘˘đ?‘Ą = đ?‘‰đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘“ ∗ ( 1.0 + => đ?‘…2 = đ?‘…1 ∗ (

đ?‘…2 ) đ?‘…1

đ?‘‰đ?‘œđ?‘˘đ?‘Ą ) đ?‘‰đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘“ − 1

Diese Formel fĂźr đ?‘…2 wurde anschlieĂ&#x;end in Excel eingefĂźgt, folgendes Ergebnis kam hierbei heraus: Schwertpunktthema: Zeit

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R1 (â„Ś) 1000 1200 1500 1800 2200 4700

R2 (â„Ś) 3065,041 3678,049 4597,561 5517,073 6743,089 14405,691 R1 R2 R2 (gerundet) Vout

R2 (gerundet) 3300 3300 4700 5600 6800 15000

Vout (ideal 5V) 5,289 4,613 5,084 5,057 5,032 5,156

Verwendet!

Gewählter Widerstand um Bereich von 1kℌ bis 5kℌ Berechneter Wert aus der Formel Der berechnete Wert auf den am nahe liebendsten Wert der EReihe gerundet Rßckgerechneter Wert fßr den Ausgansstrom

Das Widerstandsverhältnis welches Oben gelb markiert ist, wurde verwendet, da beide Widerstände im Schulinventar vorhanden waren und der entstehende Ausgansstrom ideal ist.

Mikrocontroller Der Micro Controller (¾C) MC9S08AW60 stellt das Herzstßck der gesamten elektronischen Schaltung dar. Neben der Steuerung des Schieberegisters, ist er auch fßr das Einlesen der Bedienplatine von Port D zuständig, des Weiteren gibt er Informationen auf das Display aus. Versorgt wird er mit +5V. Der Quarz des ¾C besitzt einen Busclock von 19,6608 MHz, zur Berechnung des Realtimes 1

wird die Formel đ?‘Ą = đ?‘“ verwendet, berechnet man nun diese Zeit kommt fĂźr đ?‘Ą als Ergebnis: đ?‘Ą=

1 19,6608 đ?‘€đ??ťđ?‘§

= 50,863 đ?‘›đ?‘ đ?‘’đ?‘?

Abbildung 21 Beispielbild des verwendeten Mikrocontrollers

Da dieses Projekt eine Uhr ist, ist der Realtime besonders wichtig, dieser ergibt sich programmintern dadurch, dass man zuerst diese 50,863 đ?‘›đ?‘ đ?‘’đ?‘? zu 10đ?‘šđ?‘ đ?‘’đ?‘? macht. Davor mĂźssen die 50,863 đ?‘›đ?‘ đ?‘’đ?‘? allerdings noch mit 4 multipliziert werden um die darauffolgenden Multiplikationen zu vereinfachen, das Ergebnis ist hierbei nun 50,863 đ?‘›đ?‘ đ?‘’đ?‘? ∗ 4 = 203,451 đ?‘›đ?‘ đ?‘’đ?‘? . Diese 203,451 đ?‘›đ?‘ đ?‘’đ?‘? werden nun verwendet um die 10msec zu berechnen, diese werden nach 49.152 đ?‘?đ?‘Śđ?‘˜đ?‘™đ?‘’đ?‘› erreicht, da 203,451 đ?‘›đ?‘ đ?‘’đ?‘? ∗ 49.152 đ?‘?đ?‘Śđ?‘˜đ?‘™đ?‘’đ?‘› = 10đ?‘šđ?‘ đ?‘’đ?‘?. Um nun auf eine Sekunde zu kommen erhĂśht der ÂľC alle 10đ?‘šđ?‘ đ?‘’đ?‘? eine Variable um eins, bis diese den Wert 100 erreicht. Mit dem Erreichen des Wertes weiĂ&#x; der ÂľC nun, dass eine Sekunde vergangen ist, was das Programm dann genauer macht ist unter dem Punkt „Software“ festgehalten.

In dieser Tabelle sind die Pinbelegungen der Bedienplatine und dessen jeweiliger Befehl aufgelistet.

Schwertpunktthema: Zeit

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Port D (Eingänge) Pin

Nutzen

PD0

H+ (Stunde +1)

PD1

H- (Stunde -1)

PD2

M+ (Minute +1)

PD3

M- (Minute -1)

PD4

EINGABE

PD5

ZZ- (Zeitzone +1)

PD6

ZZ+ (Zeitzone -1)

Die gesamte Pinbelegung des ÂľC ist unter dem Punkt „Datenblätter“, auf der Seite 24 des offiziellen Datenblatts von Freescale.

Transistor Zur Ansteuerung der LED’s werden NPN Transistoren des Typs BC337 verwendet. Eine kurze Erklärung wie ein Transistor dieses Typs arbeitet: zwischen Kollektor und Emitter besteht eine Sperrschicht, welche erst durch eine positive Spannung an Base aufgelÜst wird und somit die beiden miteinander verbunden werden, deswegen ist ein Transistor ein Spannungsgesteuertes Schaltungselement.

Konzept der Schaltung Die Base ist jeweils mit einem 1đ?‘˜â„Ś Widerstand und einem Ausgang Abbildung 22 BC337 Transistor des Schieberegisters verbunden. Am Collector befinden sich ein 100â„Ś Widerstand und eine LED, der Emitter ist mit Masse verbunden. Dadurch, dass Kollektor und Emitter von Beginn an nicht miteinander verbunden sind, kann man an alle LED’s +5V anlegen ohne dass sie leuchten.

Wird nun in ein Schieberegister eine „1“ geschrieben, schaltet ein Ausgang des Registers +5V in die Base des Transistors, die Sperrschicht zwischen Kollektor und Emitter lĂśst sich auf und sie sind verbunden, die LED leuchtet nun, da sie mit Masse verbunden ist.

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7-Segment Für die Anzeige des Stunden und Minuten werden insgesamt vier 7-Segmente verwendet, jedes besteht aus sieben Segmenten welche in der Abbildung 1 des rechten Bildes mit ihrer jeweiligen Bezeichnung versehen sind. Da jedes der Teilsegmente aus vier LED’s besteht, ergibt sich pro 7-Segment eine Gesamtzahl von 28 LED’s. Alle vier LED’s eines Teilsegments sind mit demselben Schieberegisterausgang verbunden, weshalb sie auch zugleich geschalten werden, dadurch werden Ausgänge gespart und es muss nicht jede LED einzeln geschalten werden um eine Zahl darzustellen.

Zur Feststellung welcher der Teilsegmente aktiv sein müssen, damit die Zahlen „0 – 9“ dargestellt werden, wurde eine Wahrheitstabelle entworfen.

Abbildung 23 Aufbau eines 7-Segments

1

=

bʌc

2

=

aʌbʌdʌeʌg

3

=

aʌbʌcʌdʌg

4

=

bʌcʌfʌg

5

=

aʌcʌdʌfʌg

6

=

aʌcʌdʌeʌfʌg

7

=

aʌbʌc

8

=

aʌbʌcʌdʌeʌfʌg

9

=

aʌbʌcʌdʌfʌg

0

=

aʌbʌcʌdʌeʌf

Abbildung 24 Wahrheitstabelle eines 7-Segments

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Schematic Im Shematic (Schaltplan) des Projektes werden alle elektronischen Komponenten, welche das Projekt braucht, aufgezeigt und miteinander in Verbindung gebracht. Da der Schieberegisterblock eine interne Datenleitung hat, um den Übertrag von 8Bit in das jeweils dahinter liegende Schieberegister zu schieben, ist der Großteil des Schematics dem Schieberegister gewidmet, zudem passen auch nur zwei Bausteine des Schieberegisters (Schieberegister-IC) auf ein Blatt des Schematics.

Für dieses Projekt wurde zudem eine eigene Libary gezeichnet welche sich auf Abmessungen der Bauteile stützt. Insgesamt wurden mehr als zehn Bauteile dieser Libary hinzugefügt.

Die Schaltplanbilder (insgesamt 13) sind jeweils beschriftet und klären somit um welchen Teil der Gesamtschaltung es sich handelt. Die Bilder wurden mit der EAGLE-Funktion „Export“ im „.png-Format„ exportiert.

Der Schaltplan ist unter den Anhängen mitgeführt.

Board Routing Die Platinen wurden innerhalb von acht Tagen geroutet, dies beanspruchte insgesamt 40 ½ Stunden.

Beim Routen wurden zuerst die einzelnen Bauteilgruppen aussortiert um eine Übersicht zu schaffen. Allein das beanspruchte schon sehr viel Zeit, da im gesamten Projekt über 550 Bauteile verwendet werden. Der Großteil dieser Zahl liegt hierbei in Widerständen, LED’s und Transistoren. Nach dem Sortieren wurde der Kreis für die Sekundenanzeige gezeichnet, als Vorlage dienten hierfür die Maße aus zuvor angefertigten Entwurfszeichnungen. Da EAGLE die nötigen Tools zur Erstellung von geometrischen Formen bereitstellt, war dieser schnell gezeichnet und musste nun in die entsprechenden Abschnitte unterteilt werden. Da die Sekundenanzeige aus sieben schaltungsidentischen Platinen besteht, musste diese nur einmal gezeichnet werden und konnte anschließend vervielfältigt werden. Die Bedienplatine wurde im Anschluss geroutet und beanspruchte keinen Zeitaufwand.

Der nächste Schritt war nun das Routen der Hauptplatine, auf dieser waren µC, LCD Display, Schieberegister und die vier 7-Segmente vorhanden. Als Ausgangspunkt wurden die Maße der vier 7Segmente aufgezeichnet, als Vorlage diente die Skizze der 7-Segmente welche die Maße mit sich führte.

Mit dem Abschluss der Anordnung der LED’s für das 7-Segment wurde der µC und die Spannungsversorgung geroutet, danach folgten das Display, die Schieberegister und zum Schluss die Transistoren und deren Pinheads. Nachdem der Routprozess abgeschlossen war, wurden um die Schaltungen noch Wires(Striche) des Typs „Milling“ gezogen, diese wurden beim Herstellungsprozess als Fräßlinien verwendet.

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Abbildung 25 Das Board zu Beginn, insgesamt gilt es Ăźber 550 Bauteile anzuordnen!

Abbildung 26 Die MaĂ&#x;e der 7-Segmente wurden aufgezeichnet, die Bedien- und Sekundenanzeigeplatinen sind bereits fertig

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Abbildung 27 Die 7-Segmente wurden mit den LED’s versehen, der µC, die Spannungsversorgung, das Display und der Großteil der Transistoren sind geroutet

Abbildung 28 Das Board kurz vor Abschluss des Routprozesses

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Abbildung 29 Die fertige Hauptplatine welche auch so hergestellt und f端r das Projekt verwendet wurde

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Abbildung 30 Board der Bedienplatine und der Sekundenanzeige, die Platine der Sekundenanzeige wurde sieben Mal kopiert und eingef端gt

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Löten Vor dem Beginn des Lötprozesses mussten die einzelnen Platinen mit dem Seitenschneider aus der großen Gesamtplatine befreit werden. Die Abbildung 31, wie die Platine zu Beginn aussah, sie war noch in der Fassung der Gesamtplatinen. Auf der Abbildung 32 sieht man die Platine wie sie mit dem Seitenschneider aus der Fassung befreit wird, dies ist nur ein Beispielbild um zu demonstrieren wie dieser Prozess von Statten ging, nach der Hauptplatine folgten die neun weiteren kleinen. Alle Platinen sieht man auf Abbildung 33. Das Bild Abbildung 34 zeigt die Platine im Programm EAGLE, darunter zum Vergleich die gefertigte Platine.

Nachdem die Platine auf mögliche Fertigungsfehler untersucht worden war, konnte mit dem Lötprozess begonnen werden, der erste Schritt war hierbei das Auflöten des Mikrocontrollers (µC) und dessen Bestandteile, zu denen der Taktbaustein (Quarz, Kondensatoren, Widerstände) gehört. Der Lötprozess folgte der Regel „Kleine Bauteile zuerst“. Nachdem die Funktion des µC sichergestellt war, wurde der Lötprozess mit dem auflöten der weiteren Bauteile auf der Hauptplatine fortgesetzt. Zuerst wurden die Widerstände dabei aufgelötet, im Anschluss folgten die 5mm LEDs der 7-Segmente, welche dann in jeweils einer Viererreihe auf ihre Funktion getestet wurden (Abbildung 35). Auf den folgenden Bildern sieht man das Fortschreiten des Lötprozesses. Abbildung 36 zeigt schon die fertig gelöteten 7-Segmente und auch einige Transistoren welche aufgelötet wurden. Auf der Abbildung 37 ist die fertig gelötete Hauptplatine zu sehen, die Stromversorgungsschaltung wurde bereits aufgelötet und konnte getestet werden. Als Indikator für eine funktionierende Stromversorgung wurden die beiden 5mm LEDs in der Mitte (Doppelpunkt LED’s) der Platine verwendet. Auf der Abbildung 38 wurde auf dem µC ein Programm gespielt, bei welchem in jedes Schieberegister eine „1“ geschrieben wird und somit alle LED‘s leuchten lässt. Zur vollständigen Uhr fehlten allerdings noch die Platinen der Sekundenanzeige welche außen um die Hauptplatine angeschlossen wurden. In der Abbildung 39 wurden diese Platinen angeschlossen dann angeschlossen.

Durch das Setzen aller Schieberegister konnte die Funktion des µC, als auch die aller LED’s bestätigt werden.

Die Platinen der Sekundenanzeige wurden nach dem Löten sofort auf ihre Funktion getestet, hier gab es keine Fehler, lediglich ein Problem mit der Befestigung einer LED, dieses Problem ist allerdings unter dem Punkt „Fehlersuche“ eingebracht. Als weiteres Problem stellte sich die Dicke der Dioden Füße des Spannungsreglers heraus. Die Bauteile für diesen bestellte ich bei einem Klassenkameraden, ich ging dabei von den gleichen Bauteilmaßen wie jene der im Labor verwendeten Dioden aus. Allerdings stellte sich dieser Vorstellung als falsch heraus und die Dioden Füße waren unerwartet deutlich breiter, somit passten sie nicht sofort in die Pads der Platine, die einzige Lösung stellte das abschmirgeln mit einem Schleifpapier heraus.

Die Verkabelung der sekundenanzeige Platinen mit der Hauptplatine fand durch Flachbandkabel statt. Die Flachbandkabel wurden mit den Pinheads auf den Unterseiten beider Platinen gesteckt. Die Pinheads sind auf den Unterseiten befestigt, da dies mehrere Vorteile bietet, neben der optischen Wirkung wird so auch die Montur eines Gehäuses erleichtert.

Die Bedienplatine der LED-Uhr wurde sehr schnell gelötet. Da es dort nicht viele Bauteile zum Auflöten gab, allerdings waren die Pads der Taster auf der Platine zu klein um die Füßchen dieser durchstecken zu können, weshalb sie im SMD-Stil aufgelötet wurden. Das bedeutet, dass die Füßchen nicht durchgesteckt und verlötet sind, sondern nur auf den Pads lagen und anschließend verlötet wurden.

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Abbildung 31

Abbildung 32

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Abbildung 33

Abbildung 34

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Abbildung 35

Abbildung 36

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Abbildung 37

Abbildung 38

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Abbildung 39

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Software Die Software dieses Projekts wurde mit dem Freescale Codewarrior in der Programmiersprache Assembler geschrieben. Das Programm hat die Aufgabe die aktuelle Uhrzeit auszugeben, zudem soll diese durch die Bedienplatine verstellbar sein. Bis zu diesem Zeitpunkt wurde das Starten der Uhr ab einem im Programm festgelegten Zeitpunkt realisiert, es noch Probleme mit dem Schieberegister, da sich manche Bits verschieben, was sie nicht sollten, beim Schreiben des Programmes erhielt ich Unterstützung vom Mitschüler Markus Müller. Soweit zum Stand des Programmes.

Mit dem Start des Programmes wird eine Startzeit initialisiert, diese lässt sich im Programm ändern.

Während eine Variable nun den Realtime zählt, werden in die Schieberegister die Bits der Buffer mit den Werten 0 oder 1 getaktet, abhängig von der entsprechenden Uhrzeit bedient sich das Programm an den jeweils vordefinierten Bitmuster für die 7-Segmente. Die Sekundenanzeige wird über einen Look up table (LUT) vorgenommen, in welcher die Bitmuster für alle 60 Sekundenstatus vorhanden sind. Sobald eine Sekunde vergeht, springt der Pointer für den LUT eine Position weiter. Der Fall, dass 60 Sekunden erreicht sind wird auch immer verglichen, falls eine Minute vergeht, wird dann ein anderes Bitmuster für die Minute angesprungen, zudem wird verglichen ob bereits 10 Minute erreicht sind, denn das hätte zu Folge, dass die Zehnerstelle erhöht wird, also das Bitmuster geändert wird. Sobald es 24:00 Uhr ist, startet die Zeitzählung von neuem, indem die Zähler zurückgesetzt werden.

Da für jedes 7-Segment nur 7Bits benötigt werden, aber ein Bit aus acht Zeichen besteht, musste eine Include geschrieben werden um dieses Problem zu lösen. Durch diese Include wird das erste Bit der Bitanordnung jeder Ziffer ignoriert und somit nur die verbleibenden 7 Bit verwendet und in die Schieberegister geschrieben.

Abbildung 40 Variablen für die Berechnung der Zeit und deren Range

Abbildung 41 Bitmuster für die Ziffer im 7-Segment

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Fehlersuche In diesem Abschnitt sind alle Fehler festgehalten welche während des Projekts aufgetreten sind, zudem wird erklärt wie diese Fehler gelöst wurden.

Die Spannungsversorgung mit einer anderen aber ähnlichen Schaltung geplant, welche allerdings nicht 5V und 3A ausgeben konnte, dieser Fehler wurde vor dem Anschließen an das Netzteil bemerkt. Dieses Problem konnte jedoch mit zwei Widerständen und dem Auftrennen einer Leiterbahn behoben werden.

Abbildung 42 Vorgenommene Fehlerbehebung des Spannungsreglers in EAGLE eingezeichnet

Durch einen Kurzschluss wurde der µC zerstört, weshalb ein neuer aufgelötet werden musste. Dieser jedoch hatte das Problem, dass die zwei Quarzpins nicht richtig auf die Pads gelötet waren und diese somit locker waren. Unter dem Lichtmikroskop konnte festgestellt werden, dass die zwei Pins des Quarzes sich berühren. Beim Versuch einer Lehrperson diese zu trennen, geschah ein Fehler, sodass ein Pin unter den µC geriet und nicht mehr zu retten war. Es musste ein dritter µC aufgelötet werden, dieser gab zu Beginn den Fehler des Abbilds 43 aus, weshalb ich den Quarz wechselte, dies änderte jedoch nichts am Ergebnis.

Nach einem Austausch über dieses Problem mit Herr Professor Seiwald, welcher mir riet die Kondensatoren der µC Beschaltung zu wechseln, funktionierte der µC einwandfrei nachdem diese ausgetauscht wurden. Anscheinend wurden diese beim ersten Kurzschluss beschädigt.

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Abbildung 43 µC hat keinen Takt, da die Beschaltung aufgrund eines Kurzschlusses defekt war

Während dem Testen der Schieberegister leuchteten 2 LED’s immer zugleich, die Kontrolle der Software schloss einen Softwarefehler aus, auf der Platine der Sekundenanzeige der jeweiligen LED’s waren zwei Pads der Pinheads ungewollt beim Lötprozess mit Lötzinn verbunden worden.

Beim Abbildung 44 Die Pads sind miteinander verbunden und verursachen somit den Fehler

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Patrik Gumpold 5AEL 2014/15 Testen des Schieberegisters leuchtete eine LED der Sekundenanzeige nicht, nachdem im Programm keine Fehler f체r dieses Problem zu finden waren, wurde die Suche auf der Platine fortgesetzt, zuerst wurde das f체r diese LED zust채ndige Schieberegister kontrolliert, welches allerdings wie gefordert die +5V ausgab, vor dem Transistor stellte sich ein Widerstand als defekt heraus, er war in der Mitte gebrochen.

Abbildung 45 SMD Widerstand welcher in der Mitte auseinander gebrochen ist

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Kostenrechnung Auflistung aller Bauteilkosten

In das gesamte Projekt flossen an die 250 Stunden Arbeit. Wäre ich ein Angestellter einer Firma und bekäme ich für jede Arbeitsstunde 20€, hätte ich der Firma 5.000€ gekostet.

Zudem kommen noch die Arbeitsstunden welche ich von anderen in Anspruch nahm, Markus Müller half mir insgesamt 10 Stunden bei diesem Projekt, das entspricht bei gleichem Lohn den Kosten von 200€

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Anh채nge Pinbelegung Schieberegister

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Patrik Gumpold 5AEL 2014/15 Beschaltung des Spannungsreglers

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Patrik Gumpold 5AEL 2014/15 Schematic

Folgende Komponenten der Schaltung sind auf der ersten Seiten des Schaltplanes: Spannungsversorgung, Beschaltung des µC, die Ein- und Ausgänge des µC, LCD Display, BDM Modul, „Doppelpunkt“ – LED‘s

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Schieberegister Sekundenanzeige von 1 – 16

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Schieberegister Sekundenanzeige von 16 - 32

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Schieberegister Sekundenanzeige von 32 - 48

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Schieberegister Sekundenanzeige von 48 – 60 und 4 Bits des ersten Segments

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Schieberegister der 7-Segmente Z1, Z2 und Z3 (Zn steht hier „Ziffer“, n ist die jeweilige Nummer, beginnend von links mit 1 bis hin zum 4. 7Segment)

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Schieberegister der 4. Ziffer

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Beschaltung des Sekundenkreises, die linke Schaltung wird im Board-Men端 von EAGLE 7-mal kopiert und muss deswegen nicht so oft gezeichnet werden.

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Darstellung der Ziffer 1 der insgesamt vier 7-Segmente, das Ziehen der Wires wurde 端ber die Verkn端pfung der Wire-Namen vorgenommen.

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Ziffer 2 der 7-Segmente

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Ziffer 3 der 7-Segmente

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Ziffer 4 von 4

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Beschaltung der Bedienplatine

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Patrik Gumpold 5AEL 2014/15 GANTT-Diagramm

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Quellen

Informationsquelle: http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/genaueste-uhr-der-welt-neuer-weltrekord-in-derzeitmessung-a-540064.html http://www.spektrum.de/news/quecksilber-atomuhr-ist-die-weltweit-genaueste-uhr/845447 http://de.wikipedia.org/wiki/Geschichte_der_Zeitmessger%C3%A4te http://de.wikipedia.org/wiki/Zeitwahrnehmung http://de.wikipedia.org/wiki/Philosophie_der_Zeit http://de.wikipedia.org/wiki/Zeit http://de.wikipedia.org/wiki/Raumzeit http://de.wikipedia.org/wiki/Gro%C3%9Fvaterparadoxon https://www.dasgehirn.info/aktuell/frage-an-das-gehirn/mal-vergeht-die-zeit-wie-im-fluge-mal-langsam2013-warum http://de.wikipedia.org/wiki/Schwingquarz http://www.spiegel.de/gesundheit/psychologie/warum-die-zeit-immer-schneller-vergeht-jahr-schonwieder-vorbei-a-931905.html http://de.wikipedia.org/wiki/Schwingquarz http://de.wikipedia.org/wiki/DCF77

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Bildquellen: http://4.bp.blogspot.com/91lI0YuZZgs/UZd3JBjnbaI/AAAAAAAAOFY/N4GjKZDYwd4/s1600/Seiko%20Quartz%20Astron%201969%20fi rst%20quartz%20watch%20%282%29.jpg http://www.michael-schoefer.de/pics/g0155.png http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/69/Dcf77.jpg/220px-Dcf77.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b4/Dcf_weite.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ca/Atomuhr-CS2.jpg http://www.spektrum.de/fm/912/thumbnails/ZeitWahrnehmung_iStock25858755_AndrewOstrovsky.jpg.

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