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Elektromechanischer Drehgeber

Das Video zum Thema


Aufbau

Elektromechanischer Drehsensor
Abbildung 1:
Der Rotor dieses elektromechanischen Drehsensors besteht aus einer Unterlegscheibe an der drei Widerstände zu 560Ω, 1kΩ und 2.2kΩ verlötet sind. der rechte Schleifkontakt ist mit Masse einer Gleichspannungsquelle verbunden, der linke Schleifkontakt über einen 1kΩ Widerstand mit +5V.

Spannungsteiler

Elektromechanischer Drehsensor
Abbildung 2:
Ist der Schalter offen, so liegen an dem Messpunkt 5000mV, also 5V Spannung an.
Wird der Schalter über den 560 Ohm-Widerstand geschlossen, so entsteht ein Spannungsteiler aus einem 1 Kiloohm und einem 560 Ohm-Widerstand an 5V Gleichspannung. Rein rechnerisch ergibt sich ein Spannungsabfall über den 560 Ohm widerstand von 1.79V.

Elektromechanischer Drehsensor
Abbildung 3:
Es sind 2507mV zu messen, wenn der Schalter über den 1 Kiloohm Widerstand geschlossen wird. Der Spannungsteiler besteht nun aus zwei 1 Kiloohm-Widerständen, womit der rechnerische Wert 2.5V ergibt.

Elektromechanischer Drehsensor
Abbildung 4:
Sobald Kontakt zu dem 2.2 Kiloohm-Widerstand besteht, fällt die Spannung auf auf 3445mV. Der Spannungteiler aus einem 2.2 und einem 1 Kiloohm Widerstand ergibt rechnerisch an 5V eine Spannung von 3.44V.
Die Spannungswerte werden über einen Analog-Digital-Umsetzer von dem Mikrocontroller eingelesen. Wann immer der Schalter geschlossen wird, liegt am Analogeingang rein rechnerisch eine Spannung von entweder 1.79V, 2.5V oder 3.44V an. Dabei akzeptiert die Software Abweichungen an dem Analogeingang von Plus Minus 0.3V, um die Messabweichungen auszugleichen. Sobald sich der Schalter schließt, kann der Mikrocontroller feststellen, an welchem Widerstand der Vorgang stattgefunden hat. öffnet sich der Schalter und schließt sich erneut, so kann der Mikrocontroller feststellen, ob zwischen den Ereignissen eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn stattgefunden hat oder ob sich dieser wieder zurück zum ursprünglichen Widerstand gedreht hat.

Widerstandswerte

Elektromechanischer Drehsensor
Abbildung 5:
Es werden mindestens 3 unterschiedliche Widerstandstypen benötigt. Da sich die Spannungswerte der sich bildenden Spannungsteiler möglichst weit auseinander liegen sollten, sind mehr als 3 Widerstandswerte nicht sinnvoll.
Die sich ergebenden Ausgangsspannungen an 5V Eingangsspannung sollten rein rechnerisch 0V, 1.66V (5V / 3) und 3.33V (5V * 2 / 3) betragen.

Für die Ausgangsspannung an einem Spannungsteiler gilt:

UOut = UIn * R2 / (R1 + R2)

Mit gegebener Ein- und Ausgangsspannung ergibt sich für R2:

R2 = UOut * R1 / (UIn - UOut)

Dabei gilt:
UOut - Ausgangsspannung
UIn - Eingangsspannung
R1 - Widerstand am Schaltkontakt
R2 - Widerstand am Rotor

Für eine Ausgangsspannung von 1.66V an 5V Eingangsspannung mit 1kΩ für R1 erhalten wir für R2:

R2 = 1.66V * 1000Ω / (5V - 1.66V) = 459Ω

Für eine Ausgangsspannung von 3.33V ergibt sich:

R2 = 3.33V * 1000Ω / (5V - 3.33V) = 1996Ω

Prellen

Oszillogramm beim Schließen des Schalters
Abbildung 6:
Eine unangenehme Eigenschaft mechanischer Schalter ist das elastische Zurückprallen gegen die Federkraft der Kontakte. Gut zu sehen ist das in diesem Oszillogramm mit einer Zeitbasis von einer Millisekunde:
Beim Schließen des Drehschalters findet kein sauberer Übergang statt, sondern die Spannung springt mehrfach zwischen 5 und 0 Volt hin und her, um erst nach etwa 4 ms auf Null Volt Level zu bleiben.

Oszillogramm beim Öffnen des Schalters
Abbildung 7:
Umgekehrt ist dieses Hin- und Herspringen auch beim Öffnen des Schalters zu beobachten:
Die Spannung springt jetzt mehrfach von 0 auf 5 Volt, bis das 5V Signal konstant bleibt. Dieses Verhalten elektromechanischer Schalter bezeichnet man als Prellen.

Damit der Mikrocontroller nicht jeden der durch das Prellen ausgelösten Pulse irrtümlich als eine Umdrehung des Rotationssensors interpretiert, wird die Software angepasst:
Erst wenn ein HIGH- oder LOW-Signal für mindestens 50ms anliegt, was mehr als dem zehnfachen der gemessenen Zeitdauer für das Prellen entspricht, wird ein Übergang als Schaltpuls interpretiert. Damit beträgt die minimale Signallänge - bestehend aus einem HIGH- und einem LOW-Signal - 100ms, also 0.1 Sekunden. Die höchste Drehzahl, die von einem Sensor mit 3 Widerständen erfasst werden kann beträgt 1 / 0.3s = 3.33s-1. Unter Verwendeung von 8 Widerständen wird die Winkelauflösung auf 45° erhöht, die maximale Drehzahl aber auf 1 / 0.8s = 1.25s-1 verringert.

Schaltplan & Software

Schaltplan elektromechanischer Rotationssensor
Abbildung 8:
Software und Schaltplan gibt's in der Rubrik Download




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