Mikrocontroller.net - Benutzerbeiträge [de]

Fahrradcomputer

2005-07-28T07:19:15Z

84.157.242.231: /* Temperatur */

[[Category:AVR]]
[[Category:Projekte]]

= Features =

* Kilometerzähler
** Gesamtstrecke
** Tourstrecke
** Tagesstrecke
** Strecke seit der letzten Pause
* Geschwindigkeitsmessung
** Momentangeschwindigkeit
** Tourmittel
** Tagesmittel
** Mittel seit der letzten Pause
* Kurbeldrehzahl
* Temperatur
* Uhrzeit
* Akkuspannungsüberwachung
* Pulsfrequenzmessung
* Vertikalgeschwindigkeit
* Lesen des NMEA-Outputs von GPS-Empfängern
* Logging der Daten im ser.Flash des Butterfly oder einer MMC.
* Kommunikation mit PC zum Datenauslesen

Die Messung der Radumdrehung soll außer der Reedkontaktmethode auch über die Frequenz des [http://www.nabendynamo.de/detail.htm Schmidt-Nabendynamos] möglich sein.

= Offene Punkte/Fragen =

* Die Verwendung von printf aus der gcclib kostet 5k Flash und braucht manchmal etwas RAM. Dafür ist es bequem. Oder doch besser eine LowCost-Lösung?

= Target =

* [[AVR_Butterfly|Butterfly]]
* [[ATmega]]* mit externem Display
* ATtiny* ohne Display

= Funktionsdetails =

== System Timer ==

Der Timer2 erzeugt aus dem 38kHz-Oszillatortakt einen periodischen Interrupt im 1/4 Sekunden Abstand.

== Menu ==

Auswahl der Anzeige über Up/Down. Kurze Zeit wird die Funktion als Text angezeigt, danach der Zahlenwert.
Mit Left wird der Funktionstext erneut angezeigt.
Right führt zu einem ev. Submenü der Funktion.

== Entfernungsmessung ==
Der Radumfang wird in 1/256 Metern gespeichert. Dieser wird bei jeder Radumdrehung zum Gesamt(kilo)meterzähler addiert.

Der Reedkontakt am Rad löst einen Interrupt aus.

=== Verwendung des SON als Tachogeber ===

Frequenzbereich: 5 Hz - 200 Hz (geschätzt, muss noch gemessen werden).

Schaltungsvorschlag zur Frequenzmessung des Nabendynamos und damit auch zur Geschwindigkeitsmessung:

[[bild:son_diode.png|SON Frequenzmessung]]

[[Media:son_diode.sch|EAGLE-Schaltplan]]

== Geschwindigkeitsmessung ==

Bei jedem Radinterrupt wird der Timer2 und die Systime ausgelesen.
Mit Timer2prescaler 32 ergibt sich eine Auflösung von 1/1024 Sekunden.

Die maximale Geschwindigkeit wird mit 30 m/s festgelegt. Daraus folgt bei einem 20 Zoll Rad eine maximale Raddrehzahl von ca. 17 Hz (min. Peridendauer > 50ms). Die Körnigkeit der Messung liegt also bei der Maximalgeschwindigkeit so in der Gegend von 2%.

== Kurbeldrehzahl ==

Der Reedkontakt geht auch auf einen Interrupteingang.

== Temperatur ==

Der Butterfly hat einen NTC an einem Analogport.

== Uhrzeit ==

Die Uhrzeit wird nicht wie beim Butterfly-Demo in Sekunden-, Minuten- und Stundenvariablen sondern als 1/4-Sekundenzähler gespeichert. Soll die Uhzeit angezeigt werden, wird eine Umrechnungsfunktion aufgerufen.

== Vertikalgeschwindigkeit ==

Die absolute Höhe ist uninteressant.
Aus der Vertikalgeschwindigkeit kann die Steigung und die Steigleistung ermittelt werden.

Wie bei den Variometern der Segel- und Drachenflieger wird die Ausgangsspannung eines Drucksensors differenziert.

Alternativ könnte man auch die Steigung direkt messen. Bob Pease schreibt in der Electronic Design September 2004, daß er sowas für seine Nepaltour gebaut hatte. Bergauf hätte es aber wg. des Gewackels nicht funktioniert (vermutlich fährt er eine gefedertes Mountainbike). Schaltungsdetails hat er kein angegeben, nur, daß er ein Öl-Fett-Gemisch als Dämpfer verwendet.

Vielleicht kann man sowas auch nach dem Wasserwaagenprinzip bauen.

== Logging ==
Alle Daten werden in einer Reihe gespeichert.
Die Art des Eintrags wird anhand einer 4-bit ID bestimmt.
Dannach folgen 12 Bit Daten.
Die kleinste Zeiteinheit im Logging, die Logging Unit, ist 2 Sekunden.

=== Timestamp ===
Die Timestamp enthält die Zeit in Vielfachen von 256 Logging Units.

| ID | Timestamp |

=== Deltatimestamp ===
Das ist kein eigener Loggingeintrag, sondern Teil der sich unregelmäßig ändernden Loggingeinträge, wie Temperatur oder Puls. Es werden die letzten 8 bit der Zeit in Logging Units gespeichert.

=== Entfernung ===
Die Entfernungsdaten werden in einem festen Zeitintervall, der Logging Unit, gespeichert.
Sollte es zu Aussetzern kommen (z.B. weil das Fahrzeug steht), wird vor dem neuen Eintrag ein Timestamp geschrieben.

| ID | Entfernungsdifferenz |

=== Trittfrequenz ===
Die Trittfrequenz wird, wie die Temperatur, als Änderung gegenüber dem vorhergehenden Wert gespeichert. Gelegentlich wird der tatsächliche Wert geschrieben.

| ID | Delta Frequenz | Delta Timestamp |

=== Temperatur ===
Die Temperatur wird normalerweise als Änderung gegenüber der vorhergehenden Temperatureintrag gespeichert. Gelegentlich wird die tatsächliche Temperatur ohne Deltatimestamp geschrieben.

| ID | Delta Temperature | Delta Timestamp |

| ID | Temperatur |

=== Puls ===
Der Puls wird, wie die Temperatur, als Änderung gegenüber dem vorhergehenden Wert gespeichert. Gelegentlich wird der tatsächliche Puls geschrieben.

| ID | Delta Puls | Delta Timestamp |

== GPS-Connection ==

Über RS232 werden die NMEA-Daten eingelesen. Damit kann die Uhr gestellt werden und Position und Höhe mitgeloggt werden.

== PC-Kommunikation ==

Über RS232 werden die geloggten Daten auf den PC übertragen.

= Software =

'''Warnung:''' Das ist kein fertiger Radcomputer, sondern eine Diskussionsgrundlage für die Entwicklung.

[[Media:Radcomputer-0.0.tar.gz]]

== In Arbeit ==
* Logging
* Xmodem Protoll zur Datenübertragung

== TODO ==
* Sensordatenfilterung
* NMEA-Auswertung
* Stromverbrauch senken

= Links =
*[http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-79785.html Thread im Forum zur Seite]
*[[Pulsuhrempfänger_mit_AVR_Butterfly]]
*[http://homepages.compuserve.de/SIGIBORST/ Fahrradcomputer mit Pulsmesser]
*[http://www.avrfreaks.net/Freaks/freakshow.php?keyword_is_id=1&keywords=10 Variometer] bei avrfreaks.net
*[http://www.circuitcellar.com/avr2004/DA1300.html Variometer-Altimeter for Free Flying] bei www.circuitcellar.com
*[[AVR Butterfly]]

Ultra low power

2005-07-28T07:14:10Z

84.157.242.231: /* Einfluss von Software auf Stromverbrauch */

'''Ultra low power''' Anwendungen auf Mikrokontrollern.
Zunehmend spielt der Stromverbrauch bei der Entwicklung von µC Hardware eine Rolle. Moderne Prozessoren sind immer besser in der Lage von Batterien über lange Zeit versorgt zu werden, da es gelingen kann den über eine lange Zeit gemittelten Stromverbrauch unter 1 mA zu halten bis hin zu einem Verbrauch unter 1 µA. Bei Strömen im Umfeld von 1 µA tauchen spezielle Probleme auf, die gesondert betrachtet werden müssen.

=== Hardware-Tipps für die Entwicklung ===

* Den Prozessor finden der einerseits den Anforderungen genügt, aber andererseits im Vergleich den geringsten Stromverbrauch hat. Hier ist zu beobachten daß es einen Trend gibt hin zu immer geringerem Stromverbrauch, daher lohnt es sich ständig auf dem Laufenden zu bleiben.
* niedrigst-mögliche Betriebsspannung wählen.
* möglichst niedrigsten Prozessortakt wählen und beispielsweise bei zeitkritischen Programmteilen dann nur vorübergehend den Takt hochfahren und nach der Berechnung wieder herabsetzen.
* periphere Hardware (externe AD-Wandler, Speicher) vom Prozessor aus entweder direkt oder über Schalttransistoren nur für den Moment des Zugriffs einschalten.
* manche Kondensatoren die zur Stützung der Betriebsspannung oder aus EMV Gründen zwischen Betriebsspannung und Minus geschaltet sind, können ärgerliche kleine Ströme bewirken, insbesondere Elektrolytkondensatoren, hier manchmal erst nach einer Weile (Alterung).
* Bei nicht batteriebetriebenen Geräten ist es manchmal so daß die Spannungsregelung alleine 90% des Stromverbrauchs verursacht. In den letzten Jahren gibt es jedoch ein immer größer werdendes Potential an stromsparenden Reglern.

=== Einfluss von Software auf Stromverbrauch ===

* Den Prozessor möglichst lange in einen sleep - Zustand versetzen und jeweils nur kurz aufwecken.
* unnötige "NOP" Warteschleifen oder "delay" Routinen vermeiden
* Look-up Tabelle statt höherer Mathematik. Beispiel Cosinus und Sinus bei DFT/FFT.
* integrierte zusätzliche Hardware wie AD-Wandler, UART usw nur für den Zeitraum einschalten in dem sie benötigt werden. Möglicherweise kann Strom gespart werden wenn man bei einer AD-Wandlung den Prozessor in einen sleep Zustand versetzt und ihn über den Interrupt der ausgelöst wird wenn die Wandlung beendet ist, aufwachen lässt.
* Statt Schalterzustände zu "pollen" lieber einen Interrupt auslösen lassen.
* kurze Macros werden schneller als entsprechende Unterprogramme abgearbeitet
* manche Mikroprozessoren (z.B. Atmel) bieten die Möglichkeit interne pull-up Widerstände zu schalten, diese können auch in einem sleep-Zustand zu einem unerwartet hohen Stromverbrauch führen.

=== Probleme ===

* Das Abschalten von UARTs kann zu einem "break" auf dem Empfangsseite führen. Hier ggf. die Leitung auf hi-Pegel hochziehen und den UART-Ausgang als input konfigurieren bis zur nächsten Benutzung. Es kann auch vorkommen, daß der UART abgeschaltet wird während noch ein Zeichen gerade übertragen wird. Bei niedriger Baudrate dauert das Senden eines Zeichens ja recht lange. Daher sollte vor dem Abschalten geprüft werden ob die Übertragung noch läuft.
* Zur Kontrolle des Stromverbrauchs ist es manchmal schwierig direkt den Strom zu messen. Der Innenwiderstand gängiger Multimeter kann bei kleinen Strommessbereichen so hoch werden, daß die Schaltung Fehlfunktionen zeigt. Dies gilt insbesondere für die kritischen Einschaltmomente. Daher sollte man zunächst im Einschaltmoment das Amperemeter kurzschliessen. Oder man fügt einen 100 Ohm Widerstand (oder 1 KOhm) in die Verbrauchsleitung ein uns schliesst diesen Widerstand in den ersten Sekunden kurz. Es kann auch vorkommen daß eine Schaltung beispielsweise 2µA verbraucht, jede Sekunde 1 ms lang der Verbrauch 1 A beträgt. Die Summe wäre dann aber 2µA + 1000µA = 1002 µA (1mA). Die Entladung der Batterie folgt aber nun in diesem Fall nicht der normalen 1 mA - Entladekurve, sondern erfolgt viel früher (siehe Peukert'sche Regel). Hier kann man nur in tagelangen Versuchen die Entladung schätzen indem man mit mehreren gleichartigen Batterien und verschiedenen Lastwiderständen einen "äquivalenten" Strom findet, der dem Stromverbrauch dieser Schaltung in etwa entspricht.
* Manche Hersteller empfehlen im Schlafzustand Leitungen als output zu definieren, dies kann aber zu einem höheren Stromverbrauch führen. Ausprobieren geht über studieren.
* Das An- und Abschalten von externen Bauteilen, die zur Stützung einen eigenen Kondensator haben führt zu kurzen Blindströmen die nicht genutzt werden können.
* Manche externen Bauteile funktionieren paradoxerweise auch ohne eigene Stromversorgung, es reicht ein hi - Pegel an einer der Inputs dieser Chip um sie am Laufen zu halten, was zu einem erheblichen Stromverbrauch führen kann. Beispiel: serieller Eingang des FT232BM von FTDI.
* Oft ist die maximale Betriebsdauer fast nur durch die Selbstentladung der versorgenden Batterie bestimmt, dann war allerdings die Entwicklung (bis vielleicht auf die Batteriewahl) perfekt.

=== spezielle Probleme im Bereich 1µA oder darunter ===

Die Schaltung kann hier merkwürdige Effekte zeigen:
* geladene Kondensatoren lassen die Schaltung auch ohne Versorgung noch eine Weile funktionieren.
* Stützkondensatoren verbrauchen mitunter mehr Strom als die Schaltung
* Z-Dioden sind mit Vorsicht zu gebrauchen! In Sperrichtung geschaltete Dioden können auch den Stromverbrauch erhöhen.
* Signalpegel von aussen können die gesamte Schaltung zum Laufen bringen.
* starke EMF (Handy) oder Rundfunksender (eingekoppelte HF durch lange Anschlussleitung) schalten die Schaltung ein, können sogar zu einer Überspannung und Zerstörung führen.
* Batterie- oder Akkuspannung steigt nach dem Einschalten (vorübergehend) an.
* die Schaltung wird empfindlich für elektrostatische Aufladungen, die dann gerne einen reset auslösen, allerdings gibt es bewährte Lösungen für diese Probleme.
* Selbstentladung von Batterien/Akkus beachten!

Die Frage des Schutzes einer Schaltung vor EMF und statischer Aufladung sollte in einem anderen Artikel ausführlich beleuchtet werden.

=== geeignete Stromquellen ===

* Li-Knopfzellen (z.B. 3V CR2032) haben eine sehr flache Entladekurve und hohe Energiedichte, gefürchtet bei Tauchern weil sie dann plötzlich bei Entladeschluss ausfallen.
* Alkali-Mangan Primärzellen sind besser als Zink-Kohle.
* NC Akkus (sollte man eigentlich inzwischen vergessen)
* Nickel-Metallhydrid Akkus. Leider niedrigere Spannung als Primärzellen.
* kleine Solarzellen gekoppelt an Goldcaps oder Akkuzellen.
* Stromerzeugung durch Bewegung der Schaltung.
* Goldcaps. Goldcaps haben leider oft hohe Innenwiderstände und die Entladekurve ist natürlich nicht flach.
* durch äusseres elektromagnetisches Wechselfeld, siehe RFID-chips.

Hinweis:
Mikro (AAA/(L)R03) Primärzellen haben etwa 500-1300 mAh.
Mignon (AA/(L)R06) Primärzellen haben etwa 900-3000 mAh.

Die Entladekurve von Primärzellen ist in etwa eine Gerade. Eine volle Zelle hat etwa mehr als 1,5 V und bei 0,8 bis 1,0 V ist Schluss.
Akkus haben dagegen eine Klemmenspannung, die zu Beginn deutlich abfällt, dann einigermaßen stabil bleibt um schliesslich recht plötzlich abzufallen.
Die Kapazität ist vom Strom selbst abhängig, siehe Peukert`sche Regel. Bei hohen Entladeströmen nimmt die zur Verfügung stehende Energiemenge ab.

=== Thema Selbstentladung von Batterien (Primärzellen) ===

Wir können in etwa von einer Selbstentladung von 2-5% der Kapazität pro Jahr ausgehen. Dabei ist noch zu beachten daß Batterien aber nicht ewig benutzbar sind und bei Bestellung schon eine gewisse Zeit gelagert waren. Daher ist es seriös davon auszugehen daß eine Batterie bei Betriebsbeginn nur noch die Hälfte der theoretischen Kapazität hat. Über diesen Wert und mit Hilfe von mittlerem Stromverbrauch + Selbstentladung kann man dann (bei Zimmertemperatur) in etwa die maximale Betriebsdauer abschätzen.
Beispiel: AAA/LR03/Micro Zelle mit 1000 mAh. Selbstentladung angenommen 5%/Jahr. Der "virtuelle" Entladestrom wäre dann circa 6µA.

=== Selbstentladung von Akkus ===

Sekundärzellen entladen sich sehr viel schneller als Primärzellen. Bei Bleisäurezellen liegt der Verlust bei ca 5% im Monat.
Nickelmetallhydridzellen können 10 bis 30 % pro Monat verlieren, am meisten innerhalb der ersten 24 Stunden. Nach 3 Monaten können 80% der Ladung nicht mehr zur Verfügung stehen. Fausformel: '''1% / Tag'''. Hohe Temperaturen erhöhen die Selbstentladung.

siehe auch: http://www.batteryuniversity.com/