Fachbeiträge

Biosensorik und Bioelektronik sind vergleichsweise junge Fachgebiete der Elektrotechnik. Aufgrund bahnbrechender Entwicklungen in der allgemeinen Messtechnik konnten auch im biomedizinischen Bereich enorme Fortschritte erzielt werden. In den folgenden Ausgaben des ELVjournals soll die Bioelektronik daher etwas genauer betrachtet werden. Im ersten Beitrag stehen die Themen Gehör und Akustik im Fokus. Neben der Ton- oder Klangerzeugung und Audioverstärkern wird auch ein Do-it-yourself-Hörtestgerät zur Bestimmung des Hörfrequenzgangs vorgestellt. Dieses erlaubt insbesondere den Nachweis für die Abnahme der Hörfähigkeit mit zunehmendem Alter.

Nachdem im vorhergehenden Beitrag zu dieser Reihe Gehör und Akustik im Vordergrund standen, sollen in diesem Artikel verschiedene physiologische Parameter genauer betrachtet und elektronisch erfasst werden. Insbesondere die folgenden Werte können bereits mit vergleichsweise einfachen elektronischen Mitteln gemessen werden: Hautleitfähigkeit, Hauttemperatur und Herzfrequenz.

Mit dieser Lochrasterplatine ist es möglich, Schaltungen direkt von einem Steckboard auf eine Platine zu übertragen. Aus einer Versuchs- oder Experimentierschaltung wird dann ein stabiler, verlöteter Aufbau. Die Lochrasterplatine PAD5 hat identische Abmessungen und Bohrungen wie viele Steckboards (Breadboards) mit 830 Kontakten (siehe Anwendungsmöglichkeiten). Als besonderes Feature ist das PAD5 mit einer Spannungsversorgungseinheit ausgestattet, die auch separat betrieben werden kann.

Beim Entwurf elektronischer Schaltungen ohne deren Simulation ist der Entwickler auf einen aufwendigen, mehrfach zu durchlaufenden Zyklus angewiesen. Dieser besteht aus Entwurf, Aufbau, Analyse und daraus gewonnenen Modifikationen der Schaltung, bis das Analyseergebnis deren gewünschte Funktion bestätigt. Mit der Unterstützung durch Computer und modellierte elektronische Bauelemente lässt sich das Verhalten einer Schaltung simulieren und die daraus gewonnenen Erkenntnisse können zeitsparend in das Zielergebnis umgesetzt werden.

In der modernen Elektronik wird zur Stromversorgung der unterschiedlichsten Funktionsbaugruppen eine Vielzahl von Gleichspannungen in einem breiten Leistungsspektrum benötigt. Sie leiten sich zumeist von einer Eingangsgleichspannung ab, die möglichst verlustarm in die gewünschte Zielgleichspannung konvertiert wird, woraus sich die Bezeichnung DC-DC-Converter (DDC) herleitet.

Sensoren sind die Sinnesorgane der Elektronik – im Zusammenspiel mit Mikrocontrollern und heute relativ einfach nutzbaren Programm-Entwicklungsumgebungen eröffnen sich dem Anwender faszinierende Möglichkeiten. In unserem Sonderteil betrachten wir, ohne einen Anspruch auf Vollständigkeit, eine Reihe interessanter Sensoren, ihre Daten, Technik, Aufbau und praktische Anwendungsmöglichkeiten. Damit weisen wir Mikrocontroller-Einsteigern den Weg hin zu eigenen Lösungen und erfahrene Anwender erhalten eine kompakte Zusammenfassung inklusive umfangreicher Quellenhinweise als konzentriertes Nachschlagewerk. Zu allen besprochenen Sensoren zeigen wir verschiedene, für jeden zugängliche Softwarelösungen für die verbreitetsten Mikrocontrollerumgebungen, also Arduino/AVR, ESPxx, Raspberry Pi und zum Teil weitere wie STM32. Aufgrund der einfachen Handhabbarkeit, vor allem auf Steckboards, stellen wir, wo möglich, Breakout- Boards mit kompletten, einsatzfähigen Sensorschaltungen vor, die schnell per Stiftleiste einsetzbar sind. Das Anlöten einer Stiftleiste bleibt dann auch nahezu die einzige Lötarbeit, wenn man Steckboards benutzt. Die notwendigen peripheren Teile können aus der Prototypenadapter- und Experimentierboard-Reihe (siehe Anhang) entnommen bzw. die Schaltungen mit diesen realisiert werden.

BBC micro:bit und Calliope mini sind kleine, recht komplett ausgestattete Mikrocomputer-Plattformen, die, ergänzt durch auch für jüngere Schüler leicht beherrschbare-Code-Editoren, speziell für den Einsatz im Bildungsbereich konzipiert sind. Sie erlauben den ad-hoc-Einstieg in die Computerprogrammierung, machen es Lehrkräften einfach, Schülern das Programmieren nahezubringen. Eine umfangreiche Unterstützung renommierter Organisationen liefert dabei reichlich Rückenwind. Inzwischen sind die Plattformen wegen der reichhaltigen Ausstattung auch für den programmierenden Elektroniker interessant ‒ wir betrachten Technik, Programmier- und Erweiterungsmöglichkeiten.

Im vorangegangenen Beitrag dieser Serie waren Lautsprecher das zentrale Thema. Der folgende Beitrag befasst sich mit dem praktischen Einsatz von Lautsprechern, nämlich zu Beschallungszwecken, und zwar sowohl im Freien als auch in geschlossenen Räumen. Beide Fälle unterscheiden sich durch verschiedene Ausbreitungsgesetze und Effekte.

Akustische Aspekte und der Wunsch nach Wohlfühlen in Räumen – halb offenen oder geschlossenen – haben das Bauwesen von Anbeginn geprägt, und zwar angefangen bei den Amphitheatern im alten Rom bis hin zu unseren heutigen, modernen Gebäuden mit ihrem Komfort, in denen wir leben, arbeiten und unsere Freizeit verbringen.

Für viele mobile Anwendungen sind Primärzellen (umgangssprachlich „Batterien“) die am besten geeignete Energiequelle. Doch worauf muss man bei der Auswahl dieser Energiespender achten? Ist jeder Typ für jede Anwendung gleich gut geeignet? Wir beleuchten in unserem Grundlagenbeitrag die Eigenschaften dieser Energiespeicher, vergleichen die Entladecharakteristiken der unterschiedlichen Batterietypen in Bezug auf Chemie, Strombelastung und Umgebungstemperatur und gehen auf die Problematik von Leckagen ein.

Der übliche Weg, Arduino & Co zu programmieren, führt meistens über die Verbindung des Entwicklungsboards per USB-Kabel direkt an den Rechner. Doch was, wenn man für sein Projekt einen Mikrocontroller nutzen möchte, auf dem beispielsweise noch kein Bootloader aufgespielt ist? Miguel Köhnlein und Michael Gaus nutzen dafür einen Arduino Nano als ISP-Programmer (ISP = In-System-Programming) und werfen zudem noch einen Blick auf das Programmiertool BitBurner.

Der kompakte Schaltaktor für die Hutschiene ist ein vielseitiger Ersatz für herkömmliche Treppenlicht-Zeitschalter oder Stromstoßschalter und kann per Funk mit einer Fülle von Homematic IP Sendern angesteuert werden. Über eine Zentrale lässt sich der Aktor ebenfalls bedarfsgerecht steuern und die mit Sendern erstellten Verknüpfungen gewohnt vielfältig konfigurieren. Der potentialfreie Relaiskontakt des nur 1 TE breiten Geräts sorgt ebenfalls für einen sehr breiten Anwendungsbereich.

In der Haustechnik-Praxis gibt es immer wieder die Aufgabe, die Lage und Bewegung von Gegenständen zu erfassen und zu melden. Dies kann das Garagentor genauso sein wie die Briefkastenklappe oder die Überwachung einer gegen Einbruch angebrachten Kellerschachtabdeckung. Der Neigungs- und Erschütterungssensor HmIP-STV ist genau für diese und andere Meldeaufgaben konzipiert. Er ist durch Batteriebetrieb an beliebigen Orten einsetzbar, mit stromsparender Sensorik ausgestattet und kann vielfältig an seine konkrete Aufgabe angepasst werden.

In dieser Folge zeigen wir ein Beispiel für eine Grafik mit „eingebauten“ Visualisierungen von Zuständen sowie Auswahlmöglichkeiten für Geräte oder Seiten aus der Grafik heraus.

In dieser und der nächsten Folge zeigen wir, wie man in Kombination mit mediola AIO CREATOR NEO und der Smart Home Zentrale CCU2/ CCU3 mit Scriptprogrammierung ein System für ein variables Szenenhandling auf die Beine stellt.

Unser neuer Bausatz MMind ist ein Spieleklassiker aus den 1970er-Jahren ‒ umgesetzt mit aktueller digitaler Elektronik ‒, der für herausfordernden Knobelspaß sorgt. Er verspricht nicht nur spannende Unterhaltung für 1 bis 2 Spieler, sondern ist mit seinen insgesamt 84 LEDs auch eine gute Lötübung, die für den fortgeschrittenen Löter kein Problem darstellt. Schaffen Sie es, in zehn Zügen die vom Mitspieler oder Mikrocontroller vorbestimmten Farben auf vier Positionen zu erraten?

Der PID-Regler ist gewissermaßen die hohe Schule der Regelungstechnik. Statt nur wie ein einfacher Regler einen Prozess mit einer einzigen Regelgröße nachzuregeln, kann ein PID-Regler die Vorzüge mehrerer Einzelregelungen in sich vereinigen und so genau auf die anfallenden Anforderungen eingestellt werden bzw. schnell auf Störungsgrößen reagieren. Wir stellen sein Arbeitsprinzip vor und zeigen anhand zahlreicher nachvollziehbarer Projekte auf, wie man eine PID-Regelung in Mikrocontroller-Umgebungen realisieren kann.

Im ersten Teil dieser Serie über geschaltete Spannungswandler haben wir uns ausführlich mit dem Buck-Convertertyp beschäftigt. Sein ideales Umsetzverhältnis M(D) = Vout/Vin ist gleich dem Tastverhältnis D = Ton/ (Ton+Toff) (Duty-Cycle). Weil D nur Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann, ist die Ausgangsspannung Vout des Buck-Converters stets ein Bruchteil der Eingangsspannung Vin (Vout = M(D) · Vin, 0 < M(D) = D < 1).

Unser Gehör ist eines unserer wichtigsten Sinnesorgane. Kinder, die ohne oder mit eingeschränktem Hörvermögen geboren werden, haben Schwierigkeiten, sprechen zu lernen. Mit dem verminderten Gehörsinn gehen Verständnis- und Verständigungsschwierigkeiten einher. Nicht umsonst leitet sich der Begriff „doof" von dem Wort „taub" ab. Im Vergleich zu unserem Auge, das sichtbares Licht mit Wellenlängen zwischen etwa 380 nm und 780 nm wahrnimmt, was nur einer Oktave entspricht, ist unser Ohr in der Lage, Frequenzen zwischen etwa 20 Hz und bis zu 20 kHz wahrzunehmen. Das entspricht einem Frequenzumfang von etwas mehr als 10 Oktaven. Man spricht hier auch vom Hörfrequenzbereich."

In diesem Beitrag zum Thema Bioelektronik geht es um die Erfassung der vom menschlichen Körper erzeugten elektrischen Potentiale. Die Messung und Analyse biologischer Signale liefert Informationen über Vitalfunktionen, die sowohl in der medizinischen Diagnostik, zur Kontrolle von Therapien, aber auch im technischen Bereich verwendet werden können. Die Einsatzgebiete reichen vom Herzschrittmacher über die Mensch-Maschine-Kommunikation bis hin zur Entwicklung moderner funktioneller Prothesen.

Die Kombination eines Mikrocontrollers mit einer Kamera, die mit der Etablierung des Raspberry Pi in die Selbstbau-Szene eingezogen ist, erfreut sich ungebrochener Beliebtheit. Und spätestens mit dem Erscheinen der auf der leistungsstarken 32-Bit-Plattform ESP32 von Espressif basierenden, äußerst preiswerten Mini-Kameramodule ist diese Technik für jeden interessant, der sich mit Mikrocontroller-Anwendungen beschäftigt. Wir stellen die Plattform ESP32-CAM vor.

Im ersten Teil des Beitrags zu Node-RED haben wir uns mit der Installation und den Grundlagen des praktischen Prototyping- Tools beschäftigt. Diesmal wollen wir uns die Möglichkeiten anschauen, elektronische Bauteile in Node-RED zu integrieren. Zum einen schließen wir dabei direkt Bauteile an den Raspberry Pi, auf dem unser Node-RED läuft, an. Zum anderen nutzen wir einen Arduino-Mikrocontroller, den wir seriell verbinden, und zeigen schließlich mit einem ESP32 eine über Funk verbundene Internet-of-Things-Variante.

In jeder Minute holt ein erwachsener Mensch etwa 12 bis 18 Mal Luft ‒ pro Atemzug atmen wir dabei einen halben Liter Luft ein und aus, das sind rund 10.000 Liter pro Tag. Je nach Belastung beispielsweise bei Sport oder schwerer Arbeit liegt dieser Wert noch deutlich darüber. Wir sollten daher genau darauf achten, wie es um die Qualität dieses lebensnotwendigen Mediums in unserer Umgebung bestellt ist. Mit unserem neuen Homematic IP Feinstaubsensor-Bausatz können wir eine der wichtigsten Schadstoffarten in der Luft genau analysieren und diese Messwerte in unserem Smart Home System auswerten.

In dieser letzten Folge der Reihe wird das Szenehandling mithilfe der Homematic CCU Scriptprogrammierung so erweitert, dass Szenen ohne Eingriff in die Programmierung verändert und gespeichert werden können.

Der neue ELV Mikrofonverstärker SMV5-2 ist eine Weiterentwicklung des SMV5 aus dem ELVjournal 5/2006 und durch die zahlreichen Einstellmöglichkeiten für den Amateurfunkbereich optimiert. Mittels Trimmer können jetzt zusätzlich Kompressionsfaktor und Ausgangspegel eingestellt und so bestens an die angeschlossenen Komponenten bzw. Umgebungsbedingungen angepasst werden.

Dass das Führen von Fahrzeugen im Straßenverkehr unter Alkohol oder Drogen verboten ist, dürfte den meisten Menschen bekannt sein. Neben diesen Faktoren gibt es jedoch viele weitere Einflüsse, welche die Wahrnehmungs- und Reaktionsfähigkeit einschränken. Diese Faktoren werden häufig unterschätzt. Aber nicht nur im Verkehr, auch bei anspruchsvollen Tätigkeiten im beruflichen Umfeld ist ein gutes Reaktionsvermögen unabdingbar. In diesem Artikel zur Serie Bioelektronik sollen daher Geräte und Methoden vorgestellt werden, die es erlauben die Reaktionsgeschwindigkeit zu messen. Natürlich können die hier verwendeten Verfahren keine absolut zuverlässigen Aussagen über die Arbeitsfähigkeit oder die Verkehrstauglichkeit einer bestimmten Person zu einem gegebenen Zeitpunkt liefern. Vielmehr zeigen die Methoden einige quantitative Anhaltspunkte auf, die auf stressbedingte Erschöpfung oder allgemeine Müdigkeitserscheinungen hindeuten.

Mit der Arduino IDE steht eine Programmierplattform für die Arduino-Entwicklungsboards, die hauptsächlich auf Microchip-Prozessoren (ehemals Atmel-Prozessoren) basieren, zur Verfügung. Mit der Zeit sind auch andere Mikrocontroller wie ESP8266/ESP32 von Espressif in diese Entwicklungsumgebung integriert worden. Wir zeigen in unserem praktischen Beispiel anhand der Programmierung des kostengünstig erhältlichen Einsteiger-Oszilloskops DSO138, wie man auch mit STM32-/STM8-Controllern von STMicroelectronics diese Plattform nutzen kann. Dabei lernen wir nicht nur mehr über die notwendige Toolchain, sondern verbessern auch noch die Funktionen des DSO138 mit einer Open-Source-Firmware.

Wenn man von Schallschutz spricht, meint man meist den Schutz vor „Lärm“, ein Begriff, der wiederum etwas zu tun hat mit dem Schutz vor lästigem oder im Extremfall sogar „ohrenbetäubendem Krach“, wie er früher oft in Verbindung gebracht wurde mit Kriegsgeschrei. Das Wort selbst hat nämlich seine Wurzeln im italienischen „all’arme“ (zu den Waffen, Alarm!). Gemäß unserer heute gängigen Definition wird Lärm als unerwünschter Schall (oder Geräusch) bezeichnet, der „Nachbarn oder Dritte stören, gefährden, erheblich benachteiligen oder erheblich belästigen kann“.

In den ersten beiden Beiträgen zu Node-RED haben wir uns mit der Installation und den Grundlagen des praktischen Prototyping- Tools vertraut gemacht sowie Möglichkeiten angeschaut, elektronische Bauteile in Node-RED zu integrieren. Im letzten Teil werfen wir einen Blick unter die Haube und schauen uns Beispiele für praktische Anwendungen und Automatisierungen an.

Das Fernauslesen des Stromzählers ist die bequeme und komfortable Variante, den Überblick über den Stromverbrauch im Haus zu erhalten. Die aufbereiteten Daten kann man dann einfach an einer zentralen Stelle anzeigen lassen, über Software-Programme beispielsweise grafisch visualisieren und analysieren. Unser USB-IEC-Interface erfasst die über eine optische Schnittstelle ausgegebenen Daten und gibt sie über eine USB-Schnittstelle aus. Mit zum Teil als Freeware erhältlicher Software eröffnen sich Möglichkeiten der Kommunikation über dieses Interface und der Datenverarbeitung z. B. auf einem PC oder Raspberry Pi.

Für mobile und verbrauchsarme elektronische Geräte bietet sich deren Versorgung mit Betriebsenergie aus Batterien oder Akkus an. Häufig ist jedoch der zum einwandfreien Funktionieren des Verbrauchers erforderliche Spannungsbereich der Quelle sehr klein, sodass schon bei deren unvollständiger Entladung der Verbraucher seinen Betrieb einstellt. Besser wäre es, wenn ein batteriebetriebenes Gerät seine Energiequelle gründlich „auslutschen“ könnte.

Vor etwa zehn Jahren haben wir das erste Mal über Technik und Einsatz von Multicoptern, allgemein als Drohnen bezeichnet, ausführlich berichtet. Seitdem hat sich auf diesem Gebiet eine Menge getan. Heute kann dank modernster Technik an Bord jeder quasi ad hoc eine Drohne fliegen und dabei Bilder und Videos in höchster Qualität produzieren lassen. Wir werfen einen Blick auf die aktuelle Technik, die Flugmöglichkeiten, die Gesetzeslage und die Einordnung der verschiedenen Fluggeräteklassen.

Der Homematic IP 2-fach-Temperatursensor HmIP-STE2-PCB nimmt nicht nur synchronisiert zwei Temperaturen an abgesetzten Fühlern auf, sondern er kann gleichzeitig intern die Differenz dieser beiden Sensoren ermitteln. Daher eignet sich dieses universelle Gerät nicht nur zur Ermittlung von Temperaturen an zwei unterschiedlichen Orten, es kann auch für Mess- und Steuerungsaufgaben genutzt werden, für die die Temperaturdifferenz entscheidend ist, beispielsweise für die Lüftersteuerung, Beschattungsaufgaben, Heizungssysteme (Vor-/Rücklauf), Garten-/Gewächshäuser oder die Poolsteuerung.

Ein Gehörschutz, der mehr kann als nur laute Umgebungsgeräusche dämpfen. Der akkubetriebene Gehörschutz-Kopfhörer verfügt über ein integriertes UKW-Radio mit 20 Senderspeicherplätzen und automatischem Suchlauf, empfängt drahtlos Musik-Streamings vom Smartphone und kann als Freisprecheinrichtung für das Smartphone agieren. Seine Hauptaufgabe, die Dämpfung lauter Arbeits- und Umgebungsgeräusche, erledigt der Kapselgehörschutz-Kopfhörer mit bis zu 27 dB NRR Dämpfungsleistung. Fünf Leser haben sich um den Test des Gerätes beworben, vier haben uns geantwortet.

Der leistungsstarke LED-Fluter ist überall da ein willkommener Lichtspender, wo es keinen Netzstromanschluss gibt – vom Camping bis zum Gartenschuppen, in der Garage oder als Pannenhelfer im Auto. Ein Klappmechanismus macht die universelle Aufstellung/Aufhängung einfach. Zudem kann der Fluter als Powerbank für USB-versorgte Geräte wie das Smartphone dienen. Wir baten zehn Leser zum Test, alle haben uns geantwortet.

Das Thema CO2 ist aktueller denn je. Nicht nur als Gefahr für das Klima, sondern auch als wichtiger Indikator für die Luftgüte in Innenräumen wird diese chemische Verbindung immer bedeutender. Mit der Corona-Pandemie hat diese Kennzahl zudem eine weitere wichtige Rolle erhalten. Der neue Homematic IP CO2-Sensor mit zusätzlicher Messung der Temperatur und Luftfeuchte dient zur Ermittlung dieses wichtigen Luftqualitätswerts. Neben der Integration in das Smart Home, bei der die Messwerte per Funk versendet werden, kann das Gerät auch stand alone genutzt werden. Dabei signalisieren fünf LEDs die CO2-Konzentration in der Luft. Der HmIP-SCTH230 verwendet einen CO2-Sensor des schwedischen Sensorspezialisten Senseair und ist zur Installation in eine Unterputzeinheit vorgesehen. Er kann so nahtlos in Büros, Schulen und im Smart Home in die vorhandene Infrastruktur integriert werden.