Modellauto: Strecken- und Geschwindigkeitserkennung

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1 Modellauto: Strecken- und Geschwindigkeitserkennung Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe 2011

2 Beteiligte Institute: das IFHT Institut für Hochspannungstechnik Forschungsabteilungen Netztechnik Nachhaltige Energiesysteme Isoliersysteme und Diagnostik Ca. 30 wissenschaftliche Mitarbeiter Ca Diplom- /Bachelor- /Masterarbeiten pro Jahr Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

3 Gliederung Strecke Sensorik Bauteile und Verschaltung Sicherheit Entwurf und Aufbau Geschwindigkeit Sensorik Bauteile und Verschaltung Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe 2011

4 Strecke Stromdurchflossener Leiter Strom: 1A, 10 khz, Rechteck I t Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

5 Sensorik Induktionsprinzip Spule Induktion eines Signals in Streckennähe Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

6 Bauteile Sensor: Spule 10 mh Kondensator (Resonanzkreis auf 10 khz abstimmen) Verstärkung: OP: LM 324 N Verstärkungsfaktor über Außenverschaltung einstellen (beachten: OP liefert am Ausgang maximal 10 ma) Aufbereitung: Glättung des DC-Signals Was passiert wenn Eingangssignal auf Null geht? (τ bestimmen) Signalverarbeitung: Softwaremäßig über MicroController Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

7 Verschaltung (Schritt 1) Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

8 Verschaltung (Schritt 1) Funktionalität: Erkennt ob Wagen über Strecke oder nicht Keine Rückmeldung in welcher Richtung Strecke liegt Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

9 Verschaltung (Schritt 2) MC Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

10 Verschaltung (Schritt 2) Funktionalität: Erkennt ob Wagen über Strecke oder nicht Durch Vergleich der beiden Ausgangssignale für rechts und links kann Lenkrichtung bestimmt werden Bei Verdrahtung der Spule Magnetfeld des Leiters und Richtung der induzierten Spannung beachten Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

11 Sicherheit Erkennung ob das Auto auf der Strecke ist oder nicht Schwelle für ein (oder beide) Signal(e) definiert, ab wann das Auto losfahren kann Wird Schwelle unterschritten, soll Auto anhalten, um Beschädigung zu vermeiden Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

12 Entwurf und Aufbau Schwingkreis abstimmen Verstärkungsfaktor bestimmen und OP- Schaltung auslegen Glättungskondensator dimensionieren und Antwortzeit (τ) festlegen Platine entwerfen und Bauteile besorgen Schaltung aufbauen und testen Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

13 Gliederung Strecke Sensorik Bauteile und Verschaltung Sicherheit Entwurf und Aufbau Geschwindigkeit Sensorik Bauteile und Verschaltung Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe 2011

14 Geschwindigkeit Nutzung des Sensors zur Verbesserung der Performance des Autos (z.b. schnellere Rundenzeit; Geschwindigkeit unabhängig von Ladestand der Batterie) Sensorik besteht aus 2 Blöcken: Fototransistor und Frequenz- Spannungs-Wandler Fototransistor Frequenz- Spannungs- Wandler Microcontroller Geschwindigkeitssensor Wie abgebildet kann das Gleichspannungssignal als Eingang für den Microcontroller benutzt werden Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

15 Fototransistor (1/2) Ein Fototransistor ist ein lichtempfindlicher Schalter, der lichtgesteuert seinen Widerstand verändert Die Gesamtschaltung besteht aus einer Fotodiode (Emitter) und einem Transistor (Detektor) Die Fotodiode dient als Lichtquelle für den Transistor Das einfallende Licht öffnet die Basis des Transistors der Transistor öffnet In diesem Beispiel: Ohne einfallendes Licht funktioniert der Transistor wie ein geöffneter Schalter = 5V Wenn genügend Licht auf den Transistor fällt, fließt mit einem geringerem Spannungsfall (V CE ) Strom vom Kollektor zum Emitter = 0V im Idealfall (tatsächlich ca. 0,8 V) + 5V k C B E Vout Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

16 Fototransistor (2/2) Möglichkeiten Geschwindigkeit des Autos zu messen: Einfärben der Welle in Weiß/Schwarze Blöcke Sensor auf die Welle richten Alternativen: eigene Kreativität??? Weiße Blöcke reflektieren das Licht der Diode, schwarze nicht rechteckiges Signal mit zur Geschwindigkeit proportionaler Frequenz 5V 0V t 5V 0V Langsame Fahrt Schnelle Fahrt Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

17 Frequenz-Spannungs-Wandler Gerät, das die Frequenz einer Wechselspannung in einer zur Frequenz proportionalen Amplitude einer Ausgangs-Gleichspannung umwandelt In diesem Projekt wird als Frequenz-Spannungs-Wandler der integrierte Schaltkreises LM2907 genutzt Operationsverstärker in Sättigungs- Betrieb Charge Pump Operationsverstärker Frequenz- Spannungs- Konverter: Charge Pump Output Transistor Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

18 f-u-wandler Schaltung des LM2907 zur Frequenz-Spannung-Umwandlung + 5V Vcc = 5V k LM2907 C B E Fototransistor C1 C2 R1 R2 V Ripple f IN (RPM) t ist eine Gleichspannung mit = V CC f IN C 1 R 1 K Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

19 f-u-wandler Umwandlung kann in 3 Teile unterteilt werden: Operationsverstärker V cc = 5V Charge Pump Komparator mit angebundenem Output-Transistor Charge Pump C 1 R 1 C 2 R 2 V Ripple f IN (RPM) Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

20 f-u-wandler: Außenbeschaltung Dimensionierung: Wahl von R 1 und C 1 und C 2 eingeschränkt: V VCC fin C1 R1 K, out K V cc = 5V V R1 I 3max, 3min I 3min 150 A R 1 darf nicht zu groß sein (Verlust der Linearität) Charge Pump Referenzerde muss zw Schaltzuständen liegen C 1 R 1 C 2 R 2 C 2 hat auch einen Einfluss auf die Reaktionszeit f Max I2 C V 1 CC Kompromiss zwischen Ripple, Reaktionszeit und Linearität! Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

21 Ziel Geschwindigkeit des Autos wird in eine Gleichspannung umgewandelt: - Licht wird im Fototransistor empfangen und in Wechselstrom umgewandelt - Schaltung des LM2907 wandelt Wechselstrom in Gleichspannung Langsame Fahrt 5V 0V t f IN (RPM) Schnelle Fahrt 5V 0V f IN (RPM) Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe

22 Zusammenfassung: Viel Erfolg Viertsemesterprojekt der energietechnischen Institute SoSe