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Sensoren bei LEGO - PowerPoint PPT Presentation


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Sender. LED. Empfänger. FT. Signal zum NXT. R A. R V. LED. U A Ausgangsspannung. Sensoren bei LEGO. 1. Der Lichtsensor. Beim LEGO - Lichtsensor handelt es sich um einen Reflexionssensor. Die LED strahlt rotes Licht aus. . Die Intensität der reflektierten Strahlung ist abhängig von.

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

Sender

LED

Empfänger

FT

Signal zum NXT

RA

RV

LED

UA Ausgangsspannung

Sensoren bei LEGO

1. Der Lichtsensor

Beim LEGO - Lichtsensor handelt es sich um einen Reflexionssensor.

Die LED strahlt rotes Licht aus.

Die Intensität der reflektierten Strahlung ist abhängig von

  • der Entfernung,

Hindernis

  • der Farbe des Hindernisses und
  • Störstrahlung aus der Umgebung.

Der Fototransistor empfängt reflektiertes rotes Licht und Strahlung aus der Umgebung.

Im Empfänger ändert sich je nach Intensität der Strahlung eine Gleichspannung

Empfänger

Schaltungsaufbau:

Sender

Betriebsspannung + UB

Vorwiderstand begrenzt den Flussstrom der LED

Arbeitswiderstand zur Signalerzeugung

WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein/ Weber

TEAM – Sensoren bei LEGO

slide2

RA

RA

Signal zum NXT

UA Ausgangsspannung

3. Der Schallsensor

Der Schallsensor wandelt akustische Signale in elektrische Signale um.

Schaltungsaufbau:

Betriebsspannung + UB

Verstärker

Arbeitswiderstand zur Signal-erzeugung

Mikrofon als veränderlicher Widerstand

Der NXT empfängt eine der Schallschwingung entsprechende Spannung.

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slide3

Ein Ultraschallsender strahlt akustische Impulse aus.

Die Auswerteelektronik (AE) steuert den Prozess und berechnet aus der Laufzeit der Impulse den Abstand zum Hindernis.

S

Ein Hindernis reflektiert einen Teil der Impulse.

AE

E

Ein Empfänger nimmt die Reflektierten Wellen auf.

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.

Die Kompensation von Dopplereffekten bei hohen Geschwindigkeiten werden vernachlässigt.

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Takt-generator

Zähler

Binärteiler

Q14 Q8 Q7 Q6 Q5

Reset Oszillator 500 kHz

CLK

Q4 Q3 Q2 Q1

&

&

Reset

Speicher

Oszillator 40 kHz

US-Lautsprecher

Decoder

D4 D3 D2 D1

Q4 Q3 Q2 Q1

Impuls-verstärker

Q9Q8Q7Q6Q5Q4 Q3 Q2 Q1Q0

A4 A3 A2 A1

CLK

S T Q

R Q

US-Mikrofon

MP1

Impuls-verstärker

Entwicklung des Blockschaltbildes

IC1

Nicht Bestandteil des LEGO-Sensors

US - Oszillator

Die Stromversorgung der einzelnen Baugruppen wurde nicht mit dargestellt.

Zum Schaltplan:

Kompa-rator

RS-FF

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Speicher

D4 D3 D2 D1

Q4 Q3 Q2 Q1

CLK

Diesen Impuls liefert Q des FFs dann, wenn der Laufzeitimpuls das FF zurücksetzt.

Decoder

Q9Q8Q7Q6Q5Q4 Q3 Q2 Q1Q0

A4 A3 A2 A1

Zwischenspeicherung des Zählerstandes

Der Zählerstand wird periodisch in den Speicher eingeschrieben.

Die Übernahme der Daten erfolgt durch einen Impuls am CLK-Eingang.

D.h., dass nach jeder einzelnen Messung der Zählerstand neu in den Speicher eingeschrieben wird.

zurück

Decodieren des BCD - Codes

Im Decoder erfolgt die BCD – Dezimal – Decodierung.

Die 10 Ausgänge werden mit LEDs beschaltet.

zurück

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Zähler

CLK

Q4 Q2 Q2 Q1

CI

&

Reset

Dimensionierung des Zählers

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.

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

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Setzimpuls

Rücksetz-impuls

S

R

Q

S T Q

R Q

t

MP1

tL

tL

Zusammenhang zwischen der Speicherzeit des FF und der Laufzeit des US-Signals

Zeitgleich mit dem Aussenden des US-Impulses wird das FF gesetzt.

Das Echo des US-Impulses setzt das FF zurück.

Usw., usf.

Die an MP1 messbare Zeit tL ist die Laufzeit des US-Impulses für den Hin- und Rücklauf. Sie ist der Entfernung des Gegenstandes proportional.

RS-FF

Beispiel:

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

Die weitere Aufgabe besteht darin, die Laufzeit so auszuwerten, dass sie angezeigt werden kann.

zurück

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S

&

Impuls von Q14 (0,25 ms)

Q

&

Q

R

Q geht in den H – Zustand über.

zurück

RS - Flipflop

Die Funktion des RS-FF besteht darin, die Zeit zwischen der Ausstrahlung des Impulses und dem Empfang der Reflektion festzuhalten.

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.

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10p

10p

47k

33k

10k

-

+

-

+

-

+

100n

10n

220

47k

10

10

100n

zurück

zurück

US-Mikrofon-Impulsverstärker

Komparator

Ein OP ohne Rückkopplung wirkt wegen seiner hohen Verstärkung als Komparator.

180k

10k

Der Komparator schaltet seinen Ausgang beim 1. verstärkten 40 kHz-Impuls nach H um.

Im Ruhezustand liegt der Ausgang des Komparators auf L.

Der Spannungsteiler 47k, 220, 47k legt die Arbeitspunkte für die OPs fest.

Die nach Masse geschalteten Kondensatoren sind Siebkondensatoren.

Die OPs arbeiten im invertierten Betrieb.

Die 10p – Kondensatoren begrenzen die obere Grenzfrequenz der Verstärker.

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C1

C2

&

&

ua

R1

R2

G1

G2

US – Oszillator: f = 40 kHz

Für die Frequenz f der Ausgangsspannung Ua gilt:

Das Tastverhältnis der Impulse soll 1 : 1 sein.

Es wird ein Kondensator mit C = 1 nF ausgewählt.

zurück

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Binärteiler

Q14 Q8 Q7 Q6 Q5

Oszillator 500 kHz

&

Reset

UQ14

ca. 16 ms

Das Impulsdiagramm von Q14 zeigt den Verlauf der Spannung.

0,25 ms

t

IC1: CMOS 4060

14-stufiger Binärzähler mit internem Oszillator

Die Oszillatorfrequenz ist auf f = 500 kHz festgelegt.

Funktion: Taktgenerator für den Arbeitsrhythmus des Ultraschall-Abstandsmessers

Die Frequenz f = 500 kHz wird heruntergeteilt und liegt an den Ausgängen Q1 bis Q14 an.

Berechnung der Frequenzen

Q14 besitzt den Teilerfaktor 214 = 16384.

Die Frequenz f an Q14 beträgt:

Für die Periodendauer T gilt somit:

Damit ergibt sich beim Tastverhältnis 1:1 eine Impulsdauer von etwa 16 ms.

Der Ausgang Q8 liefert Impulse mit f = 1,953 kHz.

Die Periodendauer beträgt 0,51 ms. Der Impuls hat dann eine Länge von etwa 0,25 ms.

Ein UND-Glied realisiert, dass bei H an Q14und an Q8 Zähler auf 0 gesetzt wird.

Danach dauert es ca. 16 ms, bis Q14 wieder für 0,25 ms H-Pegel führt,

zurück

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slide12

Potenzen, durch die die Oszillatorfre-quenz geteilt werden muss

Periodendauer in ms

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

Q7

Q8

Q9

Q10

Q11

Q12

Q13

Q14

FYO

FYO

10 M

FY1

22 k

0,51

500 kHz

22 p

22 p

RESET

32

Frequenzen an den Ausgängen in kHz

CD 4060

Teiler

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

21

22

23

24

25

26

27

28

29

210

211

212

213

214

2

4

8

16

32

64

128

256

512

1024

2048

4096

8192

16384

Oszillator

3. Dezimalstelle gerundet

zurück

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