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Post on 05-Apr-2015
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WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein/ WeberTEAM – Sensoren bei LEGO 1
Sensoren bei LEGO
1. Der Lichtsensor
Beim LEGO - Lichtsensor handelt es sich um einen Reflexionssensor.
Hin
de
rnis
Die Intensität der reflektierten Strahlung ist abhängig von
• der Entfernung,
• der Farbe des Hindernisses und
Die LED strahlt rotes Licht aus.
Der Fototransistor empfängt reflektiertes rotes Licht und Strahlung aus der Umgebung.
Sender
LED
EmpfängerFT • Störstrahlung aus der Umgebung.
Schaltungsaufbau: Sender
Vorwiderstand begrenzt den Flussstrom der LED
RV
LED
Empfänger
Signal zum NXT
RA Arbeitswiderstand zur Signalerzeugung
UA Ausgangsspannung
Betriebsspannung + UB
Im Empfänger ändert sich je nach Intensität der Strahlung eine Gleichspannung
WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein/ WeberTEAM – Sensoren bei LEGO 2
3. Der Schallsensor
Der Schallsensor wandelt akustische Signale in elektrische Signale um.
Schaltungsaufbau:
Arbeitswiderstand zur Signal-erzeugung
RA
Signal zum NXT
RA
UA Ausgangsspannung
Betriebsspannung + UB
Mikrofon als veränderlicher Widerstand
Verstärker
Der NXT empfängt eine der Schallschwingung entsprechende Spannung.
WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein/ WeberTEAM – Sensoren bei LEGO 3
3. Ultraschall- Abstandsmessung
Ultraschall- Abstandsmessung ist auch als Echolot oder Sonar bekannt.
Prinzip:
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen ist von der Temperatur des Ausbreitungsmediums abhängig.Luft: = 0°C v = 331,5 ms-1
= 15°C v = 340 ms-1
Glas: v > 5500 ms-1
Wasser: v 1460 ms-1
Echolot für Wassertiefen bis 500 m benötigt eine Impulsleistung von 500 W bis 2,4 kW.
Der zu entwickelnde Ultraschallsensor hat eine Impulsfrequenz von 66 Hz.
Die Frequenz der Impulsschwingungen beträgt 40 kHz.
Ein Ultraschallsender strahlt akustische Impulse aus.
S Ein Hindernis reflektiert einen Teil der Impulse.
E
Ein Empfänger nimmt die Reflektierten Wellen auf.
AE
Die Auswerteelektronik (AE) steuert den Prozess und berechnet aus der Laufzeit der Impulse den Abstand zum Hindernis.
Die Kompensation von Dopplereffekten bei hohen Geschwindigkeiten werden vernachlässigt.
WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein/ WeberTEAM – Sensoren bei LEGO 4
Entwicklung des Blockschaltbildes
Kompa-
rator
Zähler
Reset
CLK
Q4
Q
3
Q
2
Q
1
A4
A
3
A
2
A
1
Decoder
Q9Q
8Q7Q
6Q5Q
4 Q
3 Q
2 Q
1Q0
Speicher
Q4
Q
3
Q2
Q
1
CLK
D4
D
3
D2
D
1
&
IC1
Res
et
Os
zill
ato
r 50
0 kH
z
Bin
ärt
eil
er
Q14
Q8
Q7
Q6
Q
5Takt-generator
Oszillator 40 kHz
US - Oszillator
Impuls-verstärkerU
S-L
au
tsp
rech
erU
S-M
ikro
fon
Impuls-verstärker
S T Q
R Q
RS-FFMP1
&
Die Stromversorgung der einzelnen Baugruppen wurde nicht mit dargestellt.
Zum Schaltplan:
Nicht Bestandteil des LEGO-Sensors
WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein/ WeberTEAM – Sensoren bei LEGO 5
Speicher
Q4
Q
3
Q2
Q
1
CLK
D4
D
3
D2
D
1
Zwischenspeicherung des Zählerstandes
Der Zählerstand wird periodisch in den Speicher eingeschrieben.
Die Übernahme der Daten erfolgt durch einen Impuls am CLK-Eingang.
Diesen Impuls liefert Q des FFs dann, wenn der Laufzeitimpuls das FF zurücksetzt.
D.h., dass nach jeder einzelnen Messung der Zählerstand neu in den Speicher eingeschrieben wird.
zurück
Decodieren des BCD - Codes
A4
A
3
A
2
A
1
Decoder
Q9Q
8Q7Q
6Q5Q
4 Q
3 Q
2 Q
1Q0
Im Decoder erfolgt die BCD – Dezimal – Decodierung.
Die 10 Ausgänge werden mit LEDs beschaltet.
zurück
WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein/ WeberTEAM – Sensoren bei LEGO 6
Dimensionierung des Zählers
Zähler
Reset
CLK
CI
Q4
Q
2
Q
2
Q
1
Mit dem Zähler wird die Laufzeit tL ausgewertet.
Die Entfernung des Gegenstandes wird in 10 Stufen angezeigt, d.h. sie wird mit 10 LEDs abgebildet.
Damit ist ein binärer 4-Bit-Zähler ausreichend.
Mit dem Startimpuls wird der Zähler zurückgesetzt.
Vom Oszillator gelangen vom Ausgang Q5 die Zählimpulse in den CLK-Eingang des Zählers.
Q5 des Oszillators liefert Zählimpulse mit der Frequenz 15,635 kHz und einer Periodendauer von 0,064 ms.Der Zählerstand hat bei 9 seinen Endstand erreicht. Das entspricht der maximalen Reichweite s.
mmmss
mtvs 217064,010340 Dieser Wert gilt für den Hin- und Rücklauf des Signals.
Die maximale Entfernung des Gegenstandes liegt dann bei ca. 10,575 cm. Der Fehler der Messung liegt bei etwa 5%. Die Schrittweite der Messung beträgt dann ca. 1 cm.
Legt man Q6 des Oszillators auf den Eingang des Zählers, erhält man die doppelte Entfernung, weil die Frequenz halbiert und die Periodendauer verdoppelt wurde. Der Messbereich ist dann 20 cm.
Für die Oszillatorausgänge Q7 und Q8 verdoppelt sich die Reichweite jedes mal in gleicher Weise, also auf 40 bzw. 80 cm.Der Zählumfang des Zählers wird mit einem UND-Glied auf 10 festgelegt. Es setzt den Zähler bei Erreichen der 9 auf 0 zurück.
&
zurück
WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein/ WeberTEAM – Sensoren bei LEGO 7
Zusammenhang zwischen der Speicherzeit des FF und der Laufzeit des US-Signals
S T Q
R Q
RS-FFMP1
Setzimpuls Zeitgleich mit dem Aussenden des US-Impulses wird das FF gesetzt.
t
S
R
Q
Das Echo des US-Impulses setzt das FF zurück.
Rücksetz-impuls
Usw., usf.
tL tL
Die an MP1 messbare Zeit tL ist die Laufzeit des US-Impulses für den Hin- und Rücklauf. Sie ist der Entfernung des Gegenstandes proportional.
Für einen Gegenstand, der 0,2 m entfernt steht, lässt sich die Laufzeit wie folgt berechnen.
v = 340 ms-1
s = 2 ·0,2 m = 0,4 m
mss
smm
v
st
t
sv
L 12,000117,0340
4,0
Beispiel:
Die weitere Aufgabe besteht darin, die Laufzeit so auszuwerten, dass sie angezeigt werden kann.
zurück
WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein/ WeberTEAM – Sensoren bei LEGO 8
&
&Q
QS
R
RS - Flipflop
Die Funktion des RS-FF besteht darin, die Zeit zwischen der Ausstrahlung des Impulses und dem Empfang der Reflektion festzuhalten.
Impuls von Q14 (0,25 ms)
Q geht in den H – Zustand über.
Nach der Laufzeit tL des US- Impulses vom Lautsprecher zum Hindernis und dem Echo vom Hindernis zum Mikrofon gelangt der Impuls vom Komparator an R und setzt das FF zurück.Die gesetzte Zeit des FF ist der Laufzeit des Impulses und damit der Strecke proportional.
Dieser Vorgang wiederholt sich aller 16 ms, also mit einer Frequenz von etwa 62 Hz.
zurück
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-
+
-
+
10k180k
10p
10 100n
10k33k
10n
10p
-
+
US-Mikrofon-Impulsverstärker
Die 10p – Kondensatoren begrenzen die obere Grenzfrequenz der Verstärker.
100n
47
k4
7k
22
0Komparator
10
Der Spannungsteiler 47k, 220, 47k legt die Arbeitspunkte für die OPs fest.
Die nach Masse geschalteten Kondensatoren sind Siebkondensatoren.
Der Komparator schaltet seinen Ausgang beim 1. verstärkten 40 kHz-Impuls nach H um.
Die OPs arbeiten im invertierten Betrieb.
zurück
Ein OP ohne Rückkopplung wirkt wegen seiner hohen Verstärkung als Komparator.
Im Ruhezustand liegt der Ausgang des Komparators auf L.
zurück
WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein/ WeberTEAM – Sensoren bei LEGO 10
& &
C1
C2
R1 R2G1 G2
ua
CRf
2,2
1
Für die Frequenz f der Ausgangsspannung Ua gilt:
US – Oszillator: f = 40 kHz
kA
V
AsVsCfR 3,11
88
10
10110402,2
1
2,2
1 6
1913
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Es wird ein Kondensator mit C = 1 nF ausgewählt.
Das Tastverhältnis der Impulse soll 1 : 1 sein.
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IC1: CMOS 4060
14-stufiger Binärzähler mit internem Oszillator Die Oszillatorfrequenz ist auf f = 500 kHz festgelegt.
Die Frequenz f = 500 kHz wird heruntergeteilt und liegt an den Ausgängen Q1 bis Q14 an.
&
Q14 besitzt den Teilerfaktor 214 = 16384.
Die Frequenz f an Q14 beträgt:131
16384
500000 ss
f
Für die Periodendauer T gilt somit:
mssf
T 3231
111
Die Periodendauer beträgt 0,51 ms. Der Impuls hat dann eine Länge von etwa 0,25 ms.
Damit ergibt sich beim Tastverhältnis 1:1 eine Impulsdauer von etwa 16 ms.
Ein UND-Glied realisiert, dass bei H an Q14 und an Q8 Zähler auf 0 gesetzt wird.
Das Impulsdiagramm von Q14 zeigt den Verlauf der Spannung.
t
UQ14 ca. 16 ms
0,25 ms
Os
zill
ato
r 50
0 kH
z
Bin
ärt
eil
er
Q14
Q8
Q7
Q6
Q
5
Reset
Der Ausgang Q8 liefert Impulse mit f = 1,953 kHz.
Funktion: Taktgenerator für den Arbeitsrhythmus des Ultraschall-Abstandsmessers
Danach dauert es ca. 16 ms, bis Q14 wieder für 0,25 ms H-Pegel führt,
Berechnung der Frequenzen
zurück
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CD 4060
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
Q9
Q10
Q11
Q12
Q13
Q14
FYO
FY1
FYO
RESET
21
22
23
24
25
26
27
28
29
210
211
212
213
214
Potenzen, durch die die Oszillatorfre-quenz geteilt werden muss
2
4
8
16
32
64
128
256
512
1024
2048
4096
8192
16384
Teiler
Frequenzen an den Ausgängen
in kHz
250
125
62,5
31,25
15,635
7,813
3,906
1,953
0,977
0,488
0,244
0,122
0,061
0,031
3. Dezimalstelle gerundet
500 kHz
10 M
22
k
22 p 22 p
Oszillator
Periodendauer in ms
32
0,51
zurück
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