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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Schnelle Lichtschranke


Autor: Johannes (Gast)
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Hallo zusammen!

Vorab die Infos zu meiner "Entwicklungsumgebung":
AVR Atmega8 16MHz
WinAVR-GCC
PonyProg mit SI-Prog-Adapter

Ich versuche zur Zeit die Mündungsgeschwindigkeit von Softairs (Das
sind diese kleinen Luftpistolen mit Plastikprojektilen; 5-6mm Kaliber),
zu messen.

Dazu habe ich mir zwei IR-Lichtschranken aus einer alten Maus genommen,
diese in 5cm Abstand montiert und ein schwarzes Rohr zwischen IR-Diode
und Fototransistor gelegt, welches an den entsprechenden Stellen kleine
Löcher hat.

Das funktioniert auch prima - allerdings nur für relativ langsame
Kugeln: v < 20 m/s. Liegt die Geschwindigkeit zu hoch (ich schätze, die
Kugeln kommen mit etwa 50-60 m/s aus der Pistole), wir der Eingangspin
an meinem AVR gar nicht mehr auf HIGH gezogen.
Ich vermute, dass die trägen Fototransistoren die Ursache sind.

Jetzt habe ich mir Fotodioden besorgt, die angeblich schneller
reagieren sollen. Das Problem ist, die Signale der Fotodioden für den
AVR zu verstärken - Wenn ich einen Transistor nehme, habe ich das
gleiche Problem.

Naja, vielleicht weiß jemand von euch Rat...

Vielen Dank im Voraus!

Johannes

Autor: sven (Gast)
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Operationsverstärker !?!?!?!?!

Autor: tex (Gast)
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Na gut, dann gebe ich Dir mal einen Tip. Also wenn es bei 20m/s passt
und bei 60m/s nicht mehr, musst Du doch nur dafür sorgen, dass sich die
Kugel 3 mal länger zwischen Deinen Lichtschranken aufhält. man kann die
Kugel im 90°Winkel durch die Lchtschranke schießen, oder im 60° oder
45° oder 30° ... Je nach dem wie viel Zeit man eben braucht ;-)

Autor: Dunkelmann (Gast)
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Vielleicht hilft das weiter:

http://www.elecdesign.com/Articles/ArticleID/3597/3597.html


mfg
DKM
www.loetstelle.net

Autor: Markus_8051 (Gast)
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Das Problem ist die Trägheit der Photodioden. Sie reagieren wesentlich
schneller beim Einschalten der Lichtquelle, als beim abschalten.
Reflektieren die Projektile? Schau dir dazu mal ein Datenblatt an.

Jedenfalls sollte man sich klar machen, daß diese Sensoren einen Strom
erzeugen, keine Spannung. Das ist gerade wichtig, wenn Du das
Sensorsignal mit einem OP verstärken möchtest. Ich nutze zur Auswertung
des Signals einen Darlingtontransistor. Wenn es noch zu langsam ist,
könnte man versuchen, den Strom durch die Fotodiode mit einem
Basis-Emitter-Widerstand zu erhöhen.

Markus_8051

Autor: Benjamin Schmidt (Gast)
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Keine Ahnung ob du damit wirklich brauchbar messen kannst aber in Physik
haben wir die Mündungsgeschwindigkeit über ein Pendel bestimmt, in das
die Kugel hineingeschossen wird (Stichwort ballistisches Pendel)


Gruss

Benjamin

Autor: Olaf K. (Gast)
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Ich kann Dir leider keine fertige Schaltung anbieten, nur ein paar
Denkanstöße. Ich hatte nämlich auch mal vor, mir sowas zu bauen,
allerdings für 4.5mm LP/LG-Kugeln.

Prinzip: Jede Lichtschranke besteht aus einer Fotodiode, die auf eine
ca. 60mm langen LED-Zeile (24 rote LEDs im 2.54mm-Raster) im Abstand
von ca. 12 cm schaut, so daß eine dreieckförmige Sensorfläche
entsteht:

Anblick von vorn:

LEDs:      UUUUUUUUUUUUU
            \         /
             \       /
              \     /
               \   /
                \ /
Fotodiode:       O



Von der Seite:

       |__U__|                           |__U__|


           <---------  Meßstrecke  -------->

         | |<--Blende                      | |
         |O|                               |O|

Das ganze wird so aufgebaut, daß die Fotodiode möglichst kein
Fremdlicht sieht, d.h. die LED-Zeile wurde mit mattschwarz lackierten
Blechstreifen umrahmt, die Fotodiode mit mattschwarken Blenden
versehen.

Beim Durchflug des Geschosses irgendwo innerhalb der Sensorfläche wird
das Licht der LED-Zeile für einige 10 µs um ca. 10% abgeschattet,
proportional dazu vermindert sich der Stromfluß durch die Fotodiode.
Ein Fototransistor funktioniert prinzipell auch, ist dafür aber
tatsächlich zu träge (probiert habe ich BPW40). Eine Fotodiode wie die
BPW43 ist aber bei weitem ausreichend schnell dazu, die Anstiegs- und
Abfallszeiten bewegen sich im ns-Bereich.

Ich habe den Impuls der Fotodiode also über einen Kondensator
ausgekoppelt, mit einem schnellen hochohmigen OPV (CA3130,
Single-Supply) verstärkt, mit einem Komparator (LM393 oder LM319) den
Anstieg steiler gemacht und auf Logikpegel gebracht, und mit einem
nachgeschalteten Monoflop (74HCT221) den noch unsauberen Impuls
geglättet und verlängert. Mit meinem alten Luftgewehr (v0 = ca. 130m/s,
4.4mm Rundkugel) konnte ich die Lichtschranke einwandfrei triggern, und
das ganze reagierte erfreulicherweise auch nicht allzu sensibel auf
100Hz-Störlicht.
Ich hatte zum Testen allerdings nur eine Lichtschranke gebaut und mit
dem Monoflop lediglich eine Signal-LED aufleuchten lassen.

Die Probleme zeigten sich bei genauerer Untersuchung mit einem
Digitaloszi. Bei hoher OPV-Verstärkung gibt es zwar einen schönen
großen Impuls, aber mit nur mäßig schnellem Anstieg, d.h. der CA3130
ist bereits zu träge für eine genaue Messung. Bei niedriger Verstärkung
ist der Impulsanstieg zwar steil und schnell, aber der Impuls ist
entsprechend klein und der Abgleich des Komparators (besonders im Falle
des LM319) wird dann kritisch, er neigt bei zu knapper Einstellung in
den Umschaltpunkten leicht zum wilden Schwingen, was aber auch an dem
provisorischen Aufbau mittels Steckbrett gelegen haben kann.

Um nicht jedesmal rumballern zu müssen habe ich zum weiteren Abgleich
eine einzelne LED der LED-Zeile alle paar ms für einige µs abgeschaltet
und die Impulsantwort am Ausgang des Komparators gemessen, was soweit
auch gut funktioniert hat. Das Ziel wäre ein sauberer Impuls am Ausgang
des Komparators, mit einer minimalen Verzögerung (z.B. < 1µs) zwischen
Abschalten der LED und Impulsantwort, was durch eine geeignetere
Dimensionierung oder Verwendung anderer OPVs bzw. Kombination mehrerer
OPVs bestimmt auch zu erreichen gewesen wäre. Das war mein vorläufiger
Endstand, mir kamen andere Sachen dazwischen und ich mußte das Projekt
damals weglegen. Den Schaltplan hab ich leider "weggeschmissen" (bzw.
das Steckbrett abgeräumt, ohne die Schaltung zu dokumentieren), aber es
handelte sich ohnehin nur um ganz normale OPV-Grundschaltungen.

Nochwas: Für Digital- und Analogteil wäre eine getrennte
Stromversorgung anzuraten, ansonsten würde der empfindliche Analogteil
vermutlich zickig auf die durch die Digital-ICs verseuchte
Betriebsspannung reagieren. Auch die Versorgungsspannung für die beiden
LED-Zeilen muß einigermaßen sauber sein, denn dortige Schwankungen gehen
ja auch direkt auf die Fotodioden.

MfG Olaf

Autor: Johannes (Gast)
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Erst einmal vielen Dank für die zahlreichen Antworten.

@tex: die Idee ist gut, werde ich mal ausprobieren.

@Benjamin: ich habe auch Physik. ;) Aber diese Methode macht keinen
Spass. Ich möchte die Lichtschrankenversion. ;)

@Markus: die Kugeln müssten reflektieren. Werde ich auch ausprobieren.

@Olaf: Hui, das war ja ein großes Projekt... Ich hatte eigentlich nicht
vor, solchen Aufwand zu betreiben... Aber wenn alle Stricke reißen,
werde ich deine Version versuchen - Vielen Dank!

Johannes

Autor: Christoph D. (Gast)
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Hi,

wie kommst du voran mit deinem Projekt?
Zufällig tüftel ich gerade an dem selben Problem.
Hardware stammt aus einer alten PC-Maus, was wahrscheinlich auch die
Schwachstelle ist. Langsame Softballs werden ohne weiteres erkannt.
Aber im Feldversuch mit dem Marker bekomme ich die abenteuerlichsten
Werte. Die Lichtschranke reagiert sogar manchmal nur auf den
Luftdruck.
Die Verstärkerschaltung ist bei mir lediglich ein Transistor und kein
OP.
Hast du schon Fortschritte gemacht?

MfG

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