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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Idee zu einer Leistungsmesskurbel fürs Fahrrad


Autor: Tobias Engelmann (onkeltobi)
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Hallo,

wir haben vor fürs Fahrrad eine Kurbel zu bauen bzw. auszustatten um 
damit die Leistung zu bestimmen, mit der der Fahrer gerade tritt.

Kommerzielle Lösungen kosten leider >1000€.
Also haben wir uns überlegt, ob wir das nicht selber hinbekommen...


Entwurf
Wir sehen 2 Komponenten vor:
1. Messeinheit direkt an der Kurbel (dreht sich also mit)
2. Auswerteeinheit (Laptop/ PDA) am Rahmen.

Zu 1.)
* Messung an der linken Kurbel
* 4 Dehnungsmessstreifen (von HBM, in Vollbrücke) zur Bestimmung der 
Dehnung auf Ober- und Unterseite, in Nähe der Achse
* µC soll ein Tiny44 o.ä. sein
* 10 bit ADC des Tiny + Differenzverstärker (muss insgesamt auf ca. 300x 
kommen)
* Zeit für eine Umdrehung bestimmen wir über einen Hallsensor (Magnet an 
der Kettenstrebe)
* Betrieb mittels 3V Knopfzelle

Zu 2.)
* Empfang der Signale von 1.)
* Weiterleitung über RS232 an Laptop/ PDA
* evtl. Datenaufzeichnung

Probleme
* Klappt die AD-Umwandlung? Reicht die Auflösung? Reicht ein OPV als 
Differenzverstärker für eine 300-fache Verstärkung? Wie stark rauscht 
das dann? Die erwartete Spannung an der Vollbrücke beträgt rund 
100µV-5mV.
* Und: Wie übertragen wir das Signal von der drehenden Kurbel?
 Sind für die Übertragung die 433Mhz-Sender/Empfänger von Pollin (z.b. 
RFM12) geeignet?

Was meint ihr - würde das so klappen?

Viele Grüße Tobias

Autor: 6639 (Gast)
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Die Kurbeln sind etwas vom Robustesten am ganzen Fahrrad. Die halten 
fuer Jahrhunderte. Sind massiv ueberdimensioniert und haben fuer die 
gewaehlte Anwendung zuwenig Verformung. Nehmen wir mal an, Ihr macht 
eure eigenen Kurbeln aus einem Minimum an Material um eine maximale 
Verformung im linearen (elastischen) Bereich zu erhalten. Der Kraftfluss 
ist unguenstig, da die Pedale auf Torsion belastet wird. Dh man muesste 
die Pedale gezielt so konstruieren, dass die Torsion minimal bleibt. Und 
dann nur die linke Pedale... erscheint unguenstig.
Bei den Pedalen selbst ? Den Auflagedruckmessen ?

Autor: 6639 (Gast)
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Wollt eigentlich sagen, der elektrische Teil ist der Einfachere.

Autor: Tobias Engelmann (onkeltobi)
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Wir haben eine Kurbel in Ansys modelliert und bekommen auswertbare 
Dehnungen im Bereich von 100µm/m bei einer Belastung von 100N.

Die Torsions der Kurbel unter Last ist uns bewusst.
Ob sie messtechnisch relevant ist, werden wir sehen.

Auflagedrucksensoren haben wir ebenso überlegt, allerdings sollen die 
Pedale auswechselbar sein, da wir unterschiedliche Klickpedale fahren.


Bei der Messung an nur einer Kurbel wird bei uns zwar auch nur ein Bein 
in Betracht gezogen. Wir gehen der Einfachheit davon aus, dass beide 
Beine gleich stark sind.

Die Firma SRM wird ihre DMS nicht ohne Grund an einer speziellen 
Kettenblattaufnahme befestigt haben.
Wenn das mit der Kurbel nicht klappt, wäre ein spezieller Spider auch 
eine Option, allerdings kostet sowas. Und wir wollen erstmal sehen obs 
auch so geht.

Mit dem Maschinenbau-Teil kenn ich mich persönlich nicht wirklich aus.
Mein Teil soll die Elektronik werden, und die entsprechende Software.

Ich habe gesagt bekommen, dass das mit der Dehnung klappen sollte, also 
muss ich zusehen, wie ich die Messwerte bestimmen kann.

Achso, noch was dazu "Kurbeln halten Jahrhunderte"
Nicht wirklich, ich selber habe am Bahnrad schon 3, am MTB 2 abgebrochen 
;)

Autor: E. B. (roquema) Benutzerseite
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Was sind denn Kurbeln? Bei uns heißt das Pedal...
Die DMS Vollbrücke braucht einiges an Strom, also ist eine Knopfzelle 
vielleicht etwas wenig, eher einen Akkupack verwenden.
500 Ohm DMS? Also dauerhaft 6mA an 3V nur für die DMS-Brücke.
Datenübertragung evtl. im Zentrum der Achse eine Infrarotsendediode, 
muss ja nicht stark senden, und dann direkt daneben, feststehend, einen 
Fototransistor.
Die Sendediode kann evtl. der Tiny direkt treiben...
Als OP auf jeden Fall einen speziell dafür geeigneten verwenden. Bei 
Burr Brown (TI) schon gesucht?
Die Forum-Suche bringt auch einiges...

Autor: Winfried J. (Firma: Nisch-Aufzüge) (winne)
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PN per Mail

Autor: Roland Bumm (rolandb)
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FES?

Autor: Roland Praml (pram)
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Evtl über eine Umlenkkonstruktion die Kettenspannung messen.

Autor: Tobias Engelmann (onkeltobi)
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@ Winfried J.
Danke für deine Nachricht.
Allerdings soll die Kurbel an unterschiedlichen Rädern (Rennrad, MTB, 
Bahnrad) Verwendung finden.

@Roland Bumm
Von Polar (Polar Kraft-Leistung-Messer) gibt es ein System zu kaufen, 
welches über das Schwingverhalten der Kette die anliegende Kraft 
ermittelt.
Die reine Messeiheit kostet rund 300€, der dazugehörige Fahrradcomputer 
sicher auch nochmal rund 100.
Das Verfahren finde ich recht unpraktikabel, da es im Gelände oder auf 
rauem Asphalt schlechte Ergebnisse liefern soll.
Für eine reine Messung der Kettenspannung müsste die Elektronik wissen, 
welcher Gang grade eingelegt ist.

@ Emanuel B.
Ich bezeichne nur das als Pedale, wo du deine Füße drauf stellst ;)

Die DMS haben 120 Ohm +- 0.2% - macht für die Messbrücke rund 25mA.
Wenn die 3V-Zelle nicht lang genug reicht (Reichelt: 40Cent 210mah) 
nehme ich  ein kleine LiPo z.b. aus einem Handy - die Ladetechnik habe 
ich da.

Die Idee mit der IR-Diode finde ich sehr interessant, wenn es 
funktioniert wäre es einfacher als Funk.

Bleibt die Auswahl des OPV. Zum rumprobieren habe ich noch ein paar 
Standardtypen da. Allerdings wird da wohl die minimale 
Eingangsspannungsdifferenz nicht ausreichen.
Da es bei uns in Dresden eine Conradfiliale gibt, würde ich sowas gerne 
Versandkostenfrei dort bestellen.
Auf die Schnelle habe ich den hier gefunden:
LT1097CN8, 3.50€, OffsetVolt. 50µV max.
Der wäre doch was!?

Gruß Tobias

Autor: 6639 (Gast)
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Aeh, 25mA die Bruecke runter ist eher viel fuer eine Batterie. Als OpAmp 
sollte man einen ZeroDrift Chopper OpAmp nehmen, zB den LT2054, mit 3uV 
Offset und 30nV/K. Allenfalls koennte man durch AC Anregung und einem 
Lock-in Strom sparen. Anstelle 3V und 25mA ueber der Bruecke waeren 
300mV und 2.5mA auch genug. Den Faktor 10 hat man schnell wieder.

Autor: Thomas B. (detritus)
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> Für eine reine Messung der Kettenspannung müsste die Elektronik wissen,
> welcher Gang grade eingelegt ist.

Oder man misst zusätzlich die Kettengeschwindigkeit mit nem optischen 
oder besser induktivem Sensor.
Wird aber bei Kettenschaltung beides mechanisch anspruchsvoll.

Autor: Gerard Choinka (gerardchoinka)
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Man könnte die Narbe worauf das pedal kommt etwas abschleifen und ein 
Pietzo dazwischen tuen wenn das mit den DMS nicht geht

Autor: Tobias Engelmann (onkeltobi)
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Zunächst mal Danke für die Hinweise zu dem OpAmp.

Vielleicht kann mir noch jemand was zu dem Schaltplan im Anhang sagen :)

Als OpAmp wählte ich einen LTC 1050.
Typ. Offsett=0.5µV (max. 5µV)
Drift 0.05µV/K
Single Supply ab 4.75V
Gibts bei Conrad für ~5€

Gruß Tobias

Autor: Uwe Nagel (ulegan)
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Anschluss 1 von R8 muss auf halbe Versorgungsspannung. Sonst bekommst du 
theoretisch negative Ausgangsspannungen aus dem OpAmp heraus, die er 
aber wegen der einfachen Versorgung nicht liefern kann.
Die Versorgungsspannung vom OpAmp an Pin 4 und 7 fehlt. Pin 1 und 8 auf 
Masse ist falsch, die sind n.c. also nicht angeschlossen.

Gruß Uwe

Autor: Tobias Engelmann (onkeltobi)
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@Uwe
Die Versorgungspins hatte ich berücksichtigt, der obige Plan zeigte 
allerdings nur einen Auschnitt.
Im Anhang ist diesmal der komplette Plan.

Auf die Idee mit Vcc/2 wäre ich gar nicht gekommen.
Ich hatte vergessen zu berücksichtigen, dass ja positive und negative 
Differenzen auftreten können.

In der Simulation mit PSpice siehts es so aus als ob es funktionieren 
würde.

Als nächstes werde ich die Teile besorgen, dann wird sich zeigen obs 
funktioniert.

Bleibt dann noch das Problem der Übertragung von der Kurbel zum Rad und 
der Stromverbrauch der Messbrücke.
Aber das lösen wir dann, wenn es soweit ist...

Autor: Kamilo (Gast)
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Hallo,

mein Interesse ist groß da wollte ich fragen was aus dem Projekt 
geworden ist?

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