Drehzahlsteuerung- / regelung
FB Mechatronik: O.Scharnefski


Projekt der HGS, Klassen E1Me1 und E1Me2 (2005/06)

Drehzahlsteuerung, -regelung und -beeinflußung



Hier lernst Du, den PC zum Dateneingabe- und ausgabegerät zu erweitern. Unterstützend wird diskret aufgebaute Elektronik verwendet. Als gemeinsames Projektobjekt wird ein Trimmrad genutzt.

Inhalte der Seite:

(1) Aufträge

(2) Blockschaltbild

(3) Verlauf, Aufgaben und Lösungen

(4) Schaltpläne, Programme

(5) Verdrahtung

(6) Stückliste

(7) Projektplan

(8) Lernziele

(9) Gruppenbildung

(10) Datenblätter

(11) Erweiterungen

(12) Programme

(13) Presse

Bild in Vorbereitung

Projektobjekt: Trimmrad, Rohzustand


(1) Aufträge:

    Die zwei Klassen werden jeweils geteilt, um vier Gruppen zu erhalten. Jede Gruppe bearbeitet einen Auftrag. Die Entwicklungsschritte werden dokumentiert und zu geeigneten Zeitpunkten den restlichen Gruppen verständlich präsentiert. Am Projektende erfolgt eine Präsentation der Ergebnisse mit den Ausbildern.

    1. Gruppe (A): Wirbelstrombremse, PC-gesteuert

    2. Gruppe (B): Drehzahlerfassung und -anzeige mit PC

    3. Gruppe (C): Pulsfrequenzerfassung und Anzeige am PC

    4. Gruppe (D): Drehzahlerfassung und -anzeige diskret mit 7-Segmentanzeige






(2) Blockschaltbild:



Blockschaltbild Drehzahlsteuerung /-regelung

(3) Verlauf, Aufgaben und Lösungen:

    1. Gruppe (A): Wirbelstrombremse, PC-gesteuert

    Erarbeitung des Prinzips der Wirbelstrombremse durch die "Linke-Hand-Regel": Ablenkung von Elektronen, entstehende Lorentzkraft im Magnetfeld und resultierende, überlagerte Wirbelströme, die eine Kraftwirkung entgegengesetzt der ursprünglichen Bewegung bewirken.

    Linke-Hand-Regel
    Linke-Hand-Regel, gedreht

    Die "Linke-Hand-Regel" schematisiert:


    Nach der Erarbeitung des Prinzips der Wirbelstrombremse erkannten die Schüler, dass eine erhebliche elektrische Leistung (250W) notwendig ist, um das Schwungrad zu bremsen.

    Diese Leistung zu steuern wäre eine große Herausforderung, die jedoch im Rahmen dieses Projekts nicht realisierbar ist:

    Die Gründe liegen in der Bereitstellung von hoher Gleichleistung (P = U * I) und im steuern dieser Gleichleistung (Verlustwärme bei hohen Strömen, Sicherheit bei hohen Spannungen, finanzieller Aufwand Bauteile).

    Alternative: Bandbremse!

    Das Bremsband wird dazu von einem Festpunkt über einen Teil des Schwungrads, Überdeckung 130 Grad, und durch Umlenkung an einer losen Rolle zu einem Elektromagneten geleitet. Mit weiteren Angaben können Berechnungen zum Reibmoment folgen.

    Messungen der Schüler mit Federkraftmessern ergaben eine Zugkraft von 25N auf das Bandende für eine subjektive körperliche Anstrengung von 75%, "steady state":

    Kraftmessung
    Federkraftmesser
    Der bereitgestellte E-Magnet weist bei 24V DC und 1,5A eine Zugkraft von 25N auf, die jedoch vom Ausfahrweg des Ankers abhängt.



    2. Gruppe (B): Drehzahlerfassung und -anzeige mit PC

    Grundlagen zur Drehzahlmessung wurden zunächst theoretisch erarbeitet:

    Ein Zähler erhält vom Sensor Impulse beim Drehen des Schwungrads. Eine bestimmte Zeit, "Refresh-time" - gewählt: 2s, wird dieser Zählerstand in einem Speicher abgelegt und angezeigt. Nach Rücksetzen des Zählerstands wird der Zähler erneut mit Impulsen bedient.

    Frage:

    Wie viele Markierungen müssen auf dem Schwungrad angebracht werden, um die korrekte Drehzahl des Pedals bei einer Refreshzeit von 2s anzuzeigen? Typische Pedaldrehzahl ist 120 min-1. Die Pedaldrehzahl wird über ein Planetengetriebe 1:6 auf das Schwungrad übersetzt.

    Realisierung:

    Die parallele Schnittstelle erfasst die angepassten Sensorsignale über ein Programm. Durch einen Softwaretimer als Zeitbasis wird die Drehzahl mit einer Refreshzeit von 2s berechnet und angezeigt.



    3. Gruppe (C): Pulsfrequenzerfassung und Anzeige am PC

    Die Pulsfrequenz des Probanden wird erfasst und am PC angezeigt. Dazu erarbeiten die Schüler verschiedene Möglichkeiten, zunächst für die Sensorik:

    Bei jedem Herzschlag wird Blut in die Gefäße gepumpt, so dass der Transmissionsgrad für in die Haut eintretendes Licht verschiedene Werte annehmen kann. Das Licht wird also im zeitlichen Verlauf verschieden absorbiert, reflektiert und transmittiert.

    Positionierung der Sensorik:


    Der Vergleich mit Lichtschranken liegt nahe, einmal nach dem Durchlichtprinzip, des andere mal noch dem Reflexionsprinzip. Beide Arten sind für die Sensorik möglich.




    4. Gruppe (D): Drehzahlerfassung und -anzeige diskret mit 7-Segmentanzeige

    Es gelten zunächst die gleichen Grundüberlegungn wie bei Gruppe 2:
    Ein Zähler erhält vom Sensor Impulse beim Drehen des Schwungrads. Eine bestimmte Zeit, "Refresh-time" - gewählt: 2s, wird dieser Zählerstand in einem Speicher abgelegt und angezeigt. Nach Rücksetzen des Zählerstands wird der Zähler erneut mit Impulsen bedient.

    Realisierung:

    Die Anzeige wird über drei 7-Segmentanzeigen und Codewandler realisiert. Die Sensorimpulse werden in einem BCD-Zähler gezählt. Refreshzeit ist 2 s. Nach dieser Zeit muss der Zählerstand gespeichert und angezeigt werden. Während der Anzeigezeit wird der Zähler zunächst gelöscht und mit neuen Sensorimpulsen bedient.

    Ein Dezimalzähler übernimmt die Ablaufsteuerung, er wird von einem Taktgeber (T = 250ms) angesteuert.


(4) Schaltpläne und Programme:

    1. Gruppe (A): Wirbelstrombremse / Bandbremse, PC-gesteuert

    Bei der Bremse wurde das Wirbelstromprinzip verworfen und das Bandbremsenprinzip favorisiert. Das Band wird von einem Elektromagneten (24V/1,7A Dauerstrom) gezogen.
    Die Bandkraft ist nahezu proportional dem durch die Spule des E-Magneten fliessenden Stroms. Die Steuerung des Stroms kann auf zwei Arten durchgeführt werden:

    Erstens durch einen lineargeregelten Längstransistor, der entsprechend angesteuert wird und die Collector-Emitterstrecke als veränderlicher Widerstand wirkt. So entsteht eine Reihenschaltung aus Transistorstrecke und Spule.
    Der Nachteil bei diesem Prinzip ist, dass der Transistor eine hohe Verlustleistung abführen muss, z.B. ist bei halber E-Magnetkraft die Spannung an der Spule gleich der abfallenden Spannung an der Collector-Emitterstrecke des Transistors, also jeweils 12V. Bei einem Strom, von 0.88A, der der Hälfte des Maximums entspricht, wäre die Verlustleistung PV = 12V * 0,88A = 10,6W.
    Diese Verlustleistung muss abgeführt werden, damit die maximal zulässige Sperrschichttemperatur des Transistors nicht überschritten wird. Es bedeutet aber einen Aufwand, den entsprechenden Kühlkörper bereit zu stellen.

    Deshalb wird auf das zweite Prinzip zurück gegriffen:

    Die Anordnung der Bauteile ist gleich wie im ersten Fall, jedoch wird der Transistor, in unserem Fall ein N-Kanal IG-MOS-FET (BUZ11, s.Datenblätter) durch Pulse angesteuert. Der Transistor öffnet sich also im Durchlassfall maximal und hat einen sehr kleinen Durchgangswiderstand RDSon. Im stromsperrenden Zustand, wenn das Gate auf 0V liegt, ist der Transistor hochohmig und es fliesst kein Strom. Der N-Kanal IG-MOS-FET verhält sich also wie ein NPN-Transistor.

    Durch PWM, Pulsweitenmodulation, wird demnach für die Spannung und den sich daraus einstellenden Strom jeweils ein Mittelwert aus Impuls ti und Pulspause tp gebildet. Ist der Tastgrad g = ti / T groß, so überwiegen die Impulse und es bildet sich ein großer Stromfluss.

    Das Gate des MOS-FET wird über eine Anpassschaltung, die an die parallele Schnittstelle des PCs angeschlossen ist, angesteuert. Ein VBA-Programm unter Excel (s. Programme unten) steuert die PWM.




    Bei Inbetriebnahme hat sich gezeigt, dass das über den FET verstärkte PWM-Signal zwar eine Bremswirkung hervorruft, der E-Magnet jedoch sehr stark rattert.
    Dies kommt von der sehr kleinen Magnetstromfrequenz von 10Hz (T=100ms). In Versuchen hat sich gezeigt, dass Frequenzen von (2...5)kHz gute Ergebnisse liefern.

    Durch folgende, teilweise im Prinzip gezeigte, Schaltung wird diese Erweiterung gezeigt:


    Download des Schaltplans als WORD-Doc-file: PWM-Erweiterung



    Bild in High-Quality



    Beschreibung

    An Pin 2 bis 5 der parallelen Schnittstelle liegt das binär codierte Ausgangssignal des Befehls "Out32" (Programm s.u.) an. Der Driver-IC (Treiber ULN2803, s.Datenblätter) verstärkt den Strom und indirekt über die Pullup-Widerstände (10kOhm) die Spannung. Der Logikpegel wird im IC umgekehrt.
    In der nachfolgenden Stufe (IC 4028, s.Datenblätter) wird der BCD-Wert in dezimaler Form ausgegeben, d.h. je nach Eingangswert an A, B, C und D zeigt einer der Ausgangspins (Q0 bis Q9) Highpegel.
    Über einen Spannungsteiler wird die an einem Pin anliegende Spannung einem Operationsverstärker, der als Komparator geschaltet ist, zugeführt und als Referenzspannung URef verwertet.

    Je nach spannungsführendem Pin des ICs 4028, liegt mehr oder weniger URef an.

    Der untere Teil der Schaltung, die beiden OPs, bilden zusammen einen Generator für dreieckförmige Spannung mit konstanter Frequenz und bestimmter Amplitude.

    Übersteigt nun URef den momentanen Dreieckspannungswert, so "überwiegt" der nichtinvertierende Eingang des Komparators (Pin 10) und an dessen Ausgang zeigt sich 24V (Pin 8). Im umgekehrten Fall zeigt sich 0V am Ausgang. Es kann nun also durch Variation von URef die Länge der Pulszeit am Ausgang des Komparators beeinflusst werden.

    Die positiven Signale gelangen auf das Gate des IG-MOST-FETs und steuern ihn durch, s.o., wodurch der E-Magnet anzieht. Durch die hohe Taktfrequenz erscheint der E-Magnet als still.



    2. Gruppe (B): Drehzahlerfassung und -anzeige mit PC

    Der gewählte induktive Sensor (IG5938, s.Datenblätter) liefert im Erkennungszustand mit einer Betriebsspannung Ub=10V ein Ausgangssignal von 9,2V bei RLast= 10kOhm.
    Die maximale Erkennungsrate des Sensors liegt bei 300Hz. Im Falle der hohen Pedaldrehzahl von ca. 120 Umdr./min und einer Übersetzung von 1:6, d.h. Schwungraddrehzahl= 720 Umdr./min, folgt eine Drehfrequenz von 12Hz für das Schwungrad. Durch die rechnerisch ermittelten Anpassungen der Übersetzung des Planetengetriebes und der Anzeigenrefreshzeit von 2s sind 5 Markierungen notwendig, um die korrekte Pedaldrehzahl an zu zeigen.
    Aus den 5 Markierungen folgt wiederum eine zu erkennende Schwungraddrehzahl von maximal 60Hz für den Sensor.

    Zu beachten ist, dass die Markierungen in ihrer Größe bei diesem dynamischen Vorgang mindestens einmal dem Sensordurchmesser entsprechen.

    Schaltungstechnisch ist die Sensorausgangsspannung an die Spannungspegel der parallelen Schnittstelle, d.h. 5V, anzupassen:



    Die Zener-Diode (ZPD4.7, s.Datenblätter) hat eine Sperrspannung von 4,7V. Die Halbleiterdiodeneffekte, die zu dieser Spannung führen vollziehen sich bei ca.10% des maximal zulässigen Stroms der Z-Diode. Dieser Z-Strom wird durch den Vorwiderstand 4,7kOhm gewährleistet. Der Widerstandswert berechnet sich aus der an ihm abfallenden Spannung und dem minimalen Z-Strom zu:

    (USensorOut-UZ) / IZmin => (9,2V-4,7V)/9mA = 4,7kOhm

    An der parallelen Schnitstelle stehen diese 4,7V (=HIGH) bzw. 0V (=LOW) an. Die Aufgabe des PC-VBA-Programms unter Excel ist den Wechsel der Pegel zu registrieren und anzuzeigen.


    Bei verschiedenen, vor allem neueren PCs bzw. Laptops muss für die Erkennung eines Pegels an der parallelen Schnittstelle der abgefragte Pin auf GND gezogen werden, damit eine Pegeländerung erkannt wird. Ein Transistor in "open collector"-Schaltung leistet hier wertvolle Dienste:

    Bei Ansteuerung der Basis des Transistors durch ein Sensorsignal wird der Transistor, der als Schalter eingesetzt ist, geschlossen, so dass ein High-Pegel, der an Pin 2 der parallelen Schnittstelle anliegt auf GND gezogen wird.

    Folgende Schaltung erfüllt diese Anforderung und wird deshalb bei uns bevorzugt eingesetzt:


    Download des Schaltplans als WORD-Doc-file: Drehzahlerfassung Interface




    Dazu folgender Programmablaufplan (PAP):



    Folgende Oberfläche zeigt das entsprechende VBA-Programm (s. Programme unten):




    3. Gruppe (C): Pulsfrequenzerfassung und Anzeige am PC


    Download des Schaltplans als WORD-Doc-file: Pulsmesser

    Baugruppe
    Funktionsanalyse
    3.1 u. 3.2
    Der Strom (1uA ... 85mA) durch die IR-LED (LD242, s.Datenblätter) wird über den Widerstand der Collector-Emitterstrecke des Transistors (BD139, Leistungstyp, s.Datenblätter) gesteuert. Dieser Collectorstrom IC wird durch das Gleichstromverhältnis B zwischen Collectorstrom und Basisstrom B=IC/IB bestimmt. Dazu wird ein gewünschter IB durch den Spannungsteiler bzw. dem Poti an der Basis eingestellt.
    Je nachdem, wo der Puls gemessen wird, am Finger oder Ohrläppchen, zeigen sich verschiedene Transmissionscharakteristiken für das IR-Licht, die eine solche Steuerung notwendig machen.
    3.3
    Das IR-Licht gelangt über Transmission durch oder Reflexion an den Blutgefäßen zur helligkeitsgesteuerten Basis des Phototransistors (BP103-3, s.Datenblätter). Die IR-LED strahlt mit ca. 950nm Wellenlänge, der Transistor ist um diese Wellenlänge hinreichend empfindlich, um einen photostromgesteuerten Collectorstrom fließen zu lassen.
    Der Transistor ist in Emitterschaltung für hohe Spannungsverstärkung und trägt einen Gleichspannungsanteil. Dieser Offset wäre für die weiter folgende Verstärkung störend, so dass nun Stufe 3.3 aktiv wird.
    3.4
    Zur Gleichspannungsentkopplung sind zwei gepolte Kondensatoren (Tantal-C) in Reihe geschalten, die mit ihrer Kapazität von zusammen 5uF den Offset abblocken und nur die reine Wechselspannung, die aus der Helligkeitsänderung des Phototransistors entsteht, passieren lassen. Die reine Wechselspannung hat hier einen Wert von 150mV.
    3.5
    Über den Eingangswiderstand 10kOhm gelangt das Signal zum Operationsverstärker (LM324, s.Datenblätter). Der OP ist bestrebt, eine Spannungsdifferenz an seinen Eingängen auf 0V auszuregeln. Da das Potenzial am nichtinvertierenden (+) Eingang fest auf 5V, halbe Betriebsspannung, liegt, erscheinen zunächst 5V am Ausgang, Pin 1, des OPs.
    Diese Spannung kann zur Ausregelung aber nur durch den 100kOhm Rückkoppelwiderstand "erschwert" an den invertierenden Eingang gelangen, so dass der OP versucht, seine Ausgangsspannung so hoch zu treiben, dass das "100kOhm-Hindernis" überwunden wird und 5V am (-)Eingang anliegen.
    Dies ist das Wesen der Spannungsverstärkung eines OPs, dessen Verstärkungsfaktor sich zu -V=RRückkopplung/REingang berechnet.
    3.6
    Bedingt durch den OP mit seiner unsymmetrischen Versorgungsspannung (5V/GND) trägt das um den Faktor -10 (Praxis: -5,5) verstärkte Signal wiederum einen Offset, der vom Auskoppelkondensator 10uF eliminiert wird.
    Die reine Wechselspannung von ca. 800mV gelangt nun in die zweite OP-Verstärkerstufe.
    3.7
    Die zweite OP-Stufe ist auch als invertierender Verstärker geschaltet, dessen (-)Eingang wiederum fest auf 5V liegt. In dieser Widerstandsbeschaltung verstärkt der OP theoretisch um den Faktor V=-22.
    Der zweite Effekt ist, dass die ursprüngliche Signalform, die am Eingang der ersten OP-Stufe anlag, wieder erreicht ist.

    3.8
    Der dritte der vier OPs im IC LM324 ist als Komparator geschaltet, d.h. ein eintreffendes Signal an Pin10, (+)Eingang, wird mit der Referenzspannung am (-)Eingang verglichen. Ist die Spannung am (+)Eingang höher als die am (-)Eingang, so schaltet der OP-Ausgang auf maximale Ausgangsspannung, d.h. Versorgungsspannung.
    Dies ist auch wieder ein Regelereffekt, in dem der OP versucht, seine Eingangsspannungsdifferenz auf 0V auszuregeln. Da das "Hindernis" der Ausgangsspannung für die Rückkopplung an den Eingang jedoch unendlich groß ist (keine Leitung bzw. R zwischen Ausgang und Eingang) treibt der OP seine Ausgangsspannung in maximale Höhe.
    Die Referenzspannung am (-)Eingang kann über das Poti zwischen (5,1...7,0)V eingestellt werden. Der typisch eingestellte Wert ist 6,5V.

    3.9
    (3.8)
    Die folgende Baugruppe bereitet das sehr kurze Signal auf, damit ein angeschlossener PC zur Datenaufnahme das Signal auch korrekt erfassen kann. Sie besteht aus einem Monoflop mit nachgeschaltetem Spannungsbegrenzer.
    Das Monoflop-IC (4538, s.Datenblätter) ist als nicht-retriggerbares Zeitglied mit einer Impulszeit von t=280ms beschaltet.
    Die Impulszeit lässt sich in Näherung aus den angeschlossenen Bauteilen berechnen: t=(100kOhm+47kOhm)x(2x1uF)=294ms.
    Am Ausgang Pin 6 steht dieser Impuls mit 10V an.
    Zu beachten ist, dass nicht verwendete Pins des ICs auf definierte Zustände nach Datenblatt gelegt werden.

    Damit der Eingangspegel für die parallele Schnittstelle von max.5V eingehalten wird, ist eine Z-Diode 4,7V eingesetzt. Der Vorwiderstand berechnet sich aus dem minimalen Z-Strom (=10% IZmax, s.Datenblatt) und der am Widerstand abfallenden Spannung.

    (3.8) Dies funktioniert aber nur bei älteren parallelen Schnittstellen, bei neuen muss, obwohl die Pins auf Eingang geschaltet sind, der anstehende Highpegel auf GND gezogen werden. Eine einfache und geschickte Schaltung dazu ist der Transistor in "open collector"-Schaltung, dessen Basis über den Vorwiderstand 4,7kOhm angesteuert und die Strecke Collector-Emitter niederohmig wird. Die parallele Schnittstelle reagiert also auf einen Wechsel von High nach Low.

    Ein Programm zur Pulsfrequenzanzeige mit Refreshzeit 4s (Anzeigenaktualisierung) ist unter "12. Programme s.u.".

    Der 220nF-Kondensator dient dazu, im Schaltaugenblick genügend Strom für die korrekte IC-Funktion zu liefern. Lange Stromzuleitungen vom Netztgerät haben bei steilen Signalflanken, wie sie beim Schalten des ICs entstehen, einen merklichen induktiven Charakter, der Strom nur allmählich ansteigen lässt.




    Bild in High-Quality




    4. Gruppe (D): Drehzahlerfassung und -anzeige diskret mit 7-Segmentanzeige


    Blockschaltbild


    Nach diesem Prinzip funktionieren alle digitalen Frequenz- und Drehzahlmesser. Die Varianten liegen in der Zeitbasis für das Refresh der Anzeige.





    Download des Schaltplans als WORD-Doc-file: Drehzahlmesser_diskret

    Baugruppe
    Funktionsanalyse
    4.1
    Das 2-Input-NAND-Gatter des Quad-two-input-NAND IC (4093, s.Datenblätter) liegt mit dem Eingang Pin 2 auf +10V, d.h. HIGH. Im Einschaltmoment ist Pin 1 auf LOW, da der Kondensator ungeladen ist und einen Kurzschluss darstellt. Am Ausgang Pin 3 folgt daher nach der NAND-Funktion ein HIGH. Über die Widerstandsschaltung mit dem Poti kann sich der Kondensator laden. Ab einem bestimmten Pegel, der Schaltschwelle des integrierten Schmitt-Triggers für EIN, erkennt das NAND-Gatter an Pin 1 ein HIGH. Daraufhin schaltet der Ausgang nach der Wahrheitstabelle für NAND auf LOW.
    Im nächsten Schritt entlädt sich der Kondensator über die Widerstände zum Ausgangspin, da dieser 0V zeigt. Die Folge ist nach Unterschreiten der unteren Schaltschwelle ein LOW am Eingangspin 1 des NAND, was wiederum ein HIGH am Ausgang zur Folge hat.
    Der Zyklus beginnt nun vorn vorne und es entsteht ein Rechtecksignal am Ausgang Pin 3 mit einer Periodendauer von 250ms bei 10V Amplitude, weshalb dieser Schaltungsteil auch als Rechteckgenerator bezeichnet wird.

    4.2
    Der Dezimalzähler (4017, s.Datenblätter) schaltet nach jedem an Pin 14, Clock, einkommenden Impuls ein HIGH-Pegel an seinen Ausgängen Q0 bis Q9 jeweils weiter. Die Steuereingänge Reset (RST, Pin 15) und Clockenable (CEN, Pin 13) sind entsprechend fest verschaltet.
    Um die geforderte Zählzeit von 2 Sekunden für Sensorimpulse der nachfolgenden Stufe zu schaffen wurde hier eine Diodenmatrix aus acht Dioden eingesetzt. Diese wirken zusammen als ODER-Verknüpfung, d.h. egal, welcher der Pins 2, 3, 4, 7, 10, 1, 5 oder 6 (Q0...Q7) HIGH- Signal zeigt, der zusammengeschlossene Kathodenanschluss der Dioden weist über dem 100kOhm-Widerstand HIGH auf.
    Aus der Generatorstufe 4.1 wird also die Periodenzeit von 250ms mit 8 mulitpliziert und ergibt die Zählzeit von 2 Sekunden der nächstfolgenden Stufen. An Pin 9 (Ausgang Q8) entsteht beim neunten eingehenden CLK-Signal ein HIGH, welches verwendet wird, um den in Stufe 4.4 erreichten Zählerstand zu speichern.
    Der IC 4017 hat hier also eine Doppelfunktion, einmal die Erzeugung der TOR-Zeit für die folgende Sensorimpulszählstufe 4.4, und zum zweiten die Funktion einer Ablaufsteuerung der Zählstufe 4.4.

    4.3
    Die zwei eingesetzten NAND-Gatter (2) und (3) des ICs 4093 fungieren durch die zusammengeschlossenen Eingänge jeweils als NICHT-Glied und dienen somit der Signalanpassung, d.h. Invertierung, für die korrekte Funktion der nachfolgenden Stufe 4.4.
    Die Eingänge des NAND-Gatters (4) sind für die ordnungsgemäße Funktion des ICs 4093 auf definierte Pegel gesetzt, was ein Schwingen des ICs verhindert.

    4.4
    Der BCD (binary coded decimal) Zähler IC (4553, s.Datenblätter) erfüllt zwei Funktionen:
    Erstens zählt er in drei Dekaden (1'er, 10'er und 100'er) kaskadenweise, d.h. nacheinander von einer Dekade zur nächsten, so dass die Ergebnisse der Zählvorgänge als 1'er, 10'er und 100'er abgegriffen werden können.
    Zweitens hat der IC eine Speicherfunktion für Ergebnisse, d.h. während ein Ergebnis 'gelatched', d.h. gespeichert, wird, kann ein zweiter, neuer Zählvorgang im Hintergrund vollzogen werden.
    Die Übernahme des gewünschten neuen Zählerstandes wird durch ein HIGH an Pin 10 (LE - latch enable) hervorgerufen. Dies erklärt die Verwendung des NICHT-Gliedes in Baugruppe 4.3: Solange Q8 (IC 4017) auf LOW ist (für 2,25s), wird durch das NICHT-Glied ein HIGH daraus und somit der Zählerstand über Pin 10 (LE) des 4553 gespeichert.
    Eintreffende Sensorsignale (Pin 12, CLK) werden solange für Zählvorgänge verarbeitet, wie Pin 11 (DIS - disable clock) auf LOW-Pegel liegt, da es sich um hier um einen lowaktiven Eingang handelt. In diesem Fall wird für zwei Sekunden gezählt.
    Die Ergebnisse der Zählvorgänge liegen an den Pins 9, 7, 6 und 5 (Q0...Q3) in folgender Weise: Für kurze Zeit liegen die 1'er SIgnale, dann kurz die 10'er und nachfolgend die 100'er Zählergebnisse an. Der Wechsel von 1'er - 10'er - 100'er vollzieht sich laufend, so dass bei der späteren Visualisierung durch die Trägheit des menschlichen Auges der Eindruck entsteht, dass alle Ziffern gleichzeitig leuchten.
    4.5
    Bei dem IC (4511, s.Datenblätter) handelt es sich um einen BCD-/7-Segment Decoder, der über seine interne Logik die anliegenden BCD-Zählersignale (A,B,C und D) in nutzbare Signale zur Visualisierung über sieben Segmente a,b,c,d,e,f und g (Zehnerzahlensystem) wandelt.

    4.6
    Die nacheinander folgende Umschaltung der Siebensegmentanzeigen wird durch die drei Transistoren (BC560, PNP-Typen, s.Datenblätter) erreicht. Sobald die Basis eines Transistors LOW-Signal erhält wird die Emitter-Collectorstrecke niederohmig und die zugehörige Siebensegmentanzeige aktiv geschaltet.
    Die Steuersignale für die Transistoren stammen aus dem IC 4511 Pin 2, 1 und 15 (DS1, DS2 und DS3). Diese drei Ausgänge sind mit dem Anliegen des entsprechenden Zählerergebnisses für 1'er - 10'er und 100'er synchronisiert, so dass z.B. der Transistor für die 100'er Anzeige mit DS3 angesteuert wird, wenn auch das Ergebnis der 100'er-Zählziffer an Q0 bis Q3 anliegt.
    Die Segmente einer einzelnen Anzeige (SC08-11, s.Datenblätter) haben einen gemeinsamen Kathodenanschluss, der diese einfache Art der Aktivierung zulässt.
    Alle drei 2,2kOhm Widerstände begrenzen den maximal fliessenden Transistor-Basisstrom auf ca. 2mA.




    Bild in High-Quality







(5) Verdrahtung:

    Die Verdrahtungselemente der Sensorik, der Platinen sowie der PCs sind Standardklemmen und Lötverbindungen.


(6) Stückliste:

    Auf eine explizite Auflistung der Bauteile wurde verzichtet. Nach Wunsch können die Bauteile direkt aus den Schaltplänen entnommen werden.


(7) Projektplan:



(8) Lernziele:


    a) Programmiertechnik Drehzahlanzeige (=zeitgesteuerte Zähler)

    b) Zähler aus diskreten ICs / Codewandlung BCD - 7-Segment

    c) Interfacetechnik Sensor - Auswerteelektronik bzw. PC

    d) IC-Technik: Datenblätterrecherche, Funktion und Anschlussbelegung siehe unten (9)

    e) Leistungselektronik

    f) Wirbelstrombremse: Erzeugen der Kraftwirkung

    g) Unterschied Steuerung / Regelung

    h) Präsentationstechnik

    i) Teamarbeit: Absprachen, Zusammenarbeit und Arbeitsteilung

    j) u.a.


(9) Gruppenbildung:



(10) Datenblätter:

Bauteile und Komponenten, die für das Projekt zur Realisierung oder für Tests benötigt werden als pdf-files:

Komponente Datenblatt
Phototransistor BP103
IG-MOS-FET BUZ11
Leistungstransistor BD139
IR-LED LD242
Driver ULN2803
OP - Quad operational amplifier LM324
Counter, decimal 4017
Coder BCD/decimal 4028
Quad-NAND with Schmitt-Trigger 4093
BCD-to-7-segment Latch/Decoder/Driver 4511
Monoflop 4538
BCD-Counter, 3-digit 4553
Zener-diode 4,7V ZPD4,7
Transistor (NPN) BC550
Transistor (PNP) BC560
inductive proximity switch IG5938
Seven-segment display, common cathode SC08-11




(11) Erweiterungen:

    Denkbar und äußerst interessant wäre das im Gesamtblockschaltbild gezeichnete 'Biofeedback', bei dem die Herzfrequenz auf das steuerbare Bremsmoment rückgekoppelt wird. In der Funktion wäre dies so, dass bei sinkender Herzfrequenz im Belastungsfall, d.h. besserem Trainingszustand, das Bremsmoment erhöht wird.

    Als zweites ist die Untersuchung der Wirbelstrombremse von Interesse: Wie kann deren Wirkungsgrad erhöht werden? - Evtl. durch einen anderen Werkstoff des Schwungrades?


(12) Programme

    Programme zum Download:

    Die DLL inpout32.dll wird in allen Programmen benötigt und muss sich im gleichen Verzeichnis wie das jeweilige Excel-VBA Programm befinden.

    Innerhalb der Programme sind die Pfade zur DLL an zu passen. Um die Programme laufen lassen zu können muss der User als Administrator eingeloggt sein.

    Die zentralen Befehle sind je nach Programm "Out32" zum ausgeben von Werten und "Inp32" zum Einlesen von Werten über die parallele Schnittstelle.

    Befehlsaufbau: Out32 Adresse, Wert

    Befehlsbeispiel: Out32 888,12

    Out32
    888
    12
    Steuerbus
    Adressbus
    Datenbus
    Schnittstelle als Ausgang
    konfigurieren
    Parallele Schnittstelle 1 (LPT1)
    LPT2: 632
    LPT3: 956
    Wert 12 ausgeben:
    (LSB) 0011 (MSB)





    Befehlsaufbau: Wert = Inp32 (Adresse)

    Befehlsbeispiel: Pegel = Inp32 (888)

    Wert
    Inp32
    888
    Datenbus
    Steuerbus
    Adressbus
    Anstehende Spannungspegel
    an Portpins zuordnen
    Schnittstelle als Eingang
    konfigurieren
    Parallele Schnittstelle 1 (LPT1)
    LPT2: 632
    LPT3: 956



    (1) PWM-Drehzahlsteuerung_10Hz (10Hz-Version, mit "Rattern"), Verbesserung: PWM-Drehzahlsteuerung

    (2) Drehzahlmessung

    (3) Pulsmessung_4s (Refreshzeit 4 Sekunden), Verbesserung: Refreshzeit entspricht Herzfrequenz Pulsmessung_Puls

    In den Programmen wird teilweise die VBA-Funktion "Timer" genutzt. Wird sie aufgerufen, so gibt Excel die Anzahl vergangener Sekunden seit Mitternacht aus. Und das in einer Auflösung von 0,01s = 10ms.

    Soll nun also z.B. eine Schleife nach genau vier Sekunden abgebrochen werden, so kann die aktuelle Systemzeit mit "Timer" eingeholt und "+ 4" dazu gezählt werden, um damit die Abbruchbedingung zu definieren.

(13) Presse

Presseartikel aus Südkurier-Singen und Wochenblatt-Singen:











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Weiterhin viel Spaß mit der hardwarenahen VBA-Programmierung!
O.Scharnefski
last update: 08.07.2006


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