mikrocontroller.net

Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik kapazitiver Näherungssensor geht nicht ohne Verbindung mit PC


Autor: Ralf (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hi,

ich hab mir mit nem 8051er und ner Alustange einen Näherungssensor 
gebastelt. Reichweite mehrere 10cm. Über eine PWM-gesteuerte LED gebe 
ich die "Stärke" der Annhäherung aus.
Allerdings funktioniert es nur, wenn der Debugadapter für den µC 
angeschlossen ist. Lasse ich die Sache batteriebetrieben laufen, ist die 
Reichweite nur noch einen Bruchteil so groß, die LEDs reagieren erst ein 
paar wenige cm vor dem Sensor, und blitzen auch ab und zu einfach mal so 
auf. Sieht so aus, als ob mir da u.a.der Erdbezug fehlt. "u.a." 
deswegen, weil die Verbindung mit dem Erdkontakt der Steckdose leider 
nur marginal geholfen hat.
Ich frag mich grad, wie ich das Problem lösen kann.
Auf die schnelle fallen mir zwei Möglichkeiten ein, die ich morgen mal 
versuchen will:

1. Ich bastel versuchsweise mal eine Metallplatte unter die Schaltung 
und verbinde diese mit GND.
2. Ich bau ein zweites Sensorelement neben das erste und schließe es an 
GND an.

Zweck beider Maßnahmen ist, eine große "Bezugsfläche" oder genauer 
gesagt, Bezugskondensatorplatte zu bilden.

Was meint ihr, könnte das was bringen? Für weitere Vorschläge und Ideen 
bin ich natürlich dankbar.

Ralf

Autor: lodder (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Dumme Antwort:

Warum verbindest Du nicht Deine Masse z.B. mit der Wasserleitung und 
schaust, was passiert. Das sollte der Erde der Steckdose entsprechen.

Autor: Ralf (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Dumme Antwort:
> Warum verbindest Du nicht Deine Masse z.B. mit der Wasserleitung und
> schaust, was passiert. Das sollte der Erde der Steckdose entsprechen.
So dumm ist die Antwort nicht :)
Ist ja im Prinzip das gleiche. Allerdings hat eine ordentlich Sammlung 
Metall schon ein bisschen geholfen, ohne Erdbezug. Mal sehen, wie weit 
ich komme, auf alle Fälle spielt die Position der Elektronik zur 
GND-Platte auch ne Rolle.

Ralf

Autor: Matze Niemand (hupe123)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
mal ne andere frage: wie haste das gebastelt. wie geht sowas?

gruß,
matze

Autor: Ralf (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hi Matze,

es gibt verschiedene Ansätze.

Eines der möglichen Grundprinzipien ist, eine Frequenz auszuwerten. Die 
Frequenz wird durch die Kapazität, die dein Körper einbringt, verändert. 
Anders ausgedrückt, ein Kondensator besteht (vereinfacht) aus zwei 
Platten, und dein Körper erhöht die Fläche der Platten, und somit die 
Kapazität, was wiederum eine Frequenzänderung zur Folge hat, wenn der 
Kondensator in einem Oszillator steckt :)

Die einfachste Form ist ein Inverter, Rückkopplung von Aus- zu Eingang 
über einen Widerstand, am Eingang ein Kondensator nach GND. Der 
Oszillator schwingt. Am Eingang hast du jetzt zusätzlich einfach mal 
eine Metallplatte.
Wenn dein Körper in die Nähe der Platte kommt, bildet sich ebenfalls ein 
Kondensator, der mit dem ursprünglichen Kondensator parallel geschaltet 
ist. Die Gesamtkapazität verändert sich und somit auch die Frequenz. 
Hinter den Ausgang schaltest du nochmal einen Inverter, um ein sauberes 
Rechtecksignal zu bekommen, und ein µC kann dann die Frequenz auswerten. 
Im Ruhezustand ist die Frequenz höher als bei Annäherung.
Das System hat drei Nachteile:
Erstens muss die Grundkapazität ausreichend klein sein, damit die durch 
den Platte/Körper-Kondensator gebildete Kapazität einen nennenswerten 
Einfluss auf die Frequenz hat, damit der µC die Frequenzänderung 
feststellen kann.
Zweitens funktioniert das System nur dann am besten, wenn das 
Bezugspotential gleich ist. Soll heissen, wenn die Schaltung 
Erdverbindung hat, weil über die Erdverbindung die kapazitive 
Einkopplung deines Körpers am größten ist, wenn die Schaltung ebenfalls 
mit Erde verbunden ist. Das lässt sich umgehen, wenn man das GND-Signal 
ebenfalls an eine Metallplatte anschließt. Zumindest hatte das bei mir 
schon eine Verbesserung gebracht, die Schaltung war ursprünglich über 
den PC mit Erde (=GND) verbunden, im Batteriebetrieb war die Reichweite 
reduziert und die Auswertung hatte große Sprünge in der Frequenz. Die 
zusätzliche Platte hat das z.T. ausgeglichen.
Drittens muss die Frequenz hoch genug sein, um einerseits eine für einen 
µC messbare Differenz zu erzeugen, andererseits darf sie nicht zu hoch 
sein, damit der µC den Unterschied bemerken kann. Ausserdem hat die 
Frequenz Auswirkung darauf, wie lange der µC messen muss, ein 10kHz 
Signal ist schneller ermittelt als ein 100Hz Signal.

Eine Möglichkeit, die Empfindlichkeit zu erhöhen, ist gegen eine 
Referenzfrequenz zu messen und die Differenz zu bilden. Also einen 
zweiten Oszillator verwenden. Der Messoszillator muss instabil sein (= 
die Frequenz muss sich leicht beeinflussen lassen), der 
Referenzoszillator muss sehr stabil laufen (=Quarz). Die Ruhefrequenz 
des Messoszillators ist gleich (oder nahezu) der Referenzfrequenz. Eine 
Änderung von wenigen Picofarad bewirkt eine Änderung der Messfrequenz 
von wenigen Hertz. Durch die Differenzbildung werden aber nur diese 
wenigen Hertz ausgegeben, was sich wiederum einfach messen lässt. Der 
Vorteil ist, dass das System auf wesentlich kleinere 
Kapazitätsänderungen reagiert.

Weitere Systeme messen "direkt" die Kapazität, wobei das soweit ich 
weiss intern immer auch wieder eine Frequenzmessung ist, bzw. einfach 
wie schnell sich die Kapazität auf einen bestimmten Spannungswert 
auflädt.

Wenn du mal im Web z.B. nach dem Begriff Theremin suchst, wirst du 
sowohl die "einfache" Variante als auch die mit Differenzermittlung 
finden.

Wenn du weitere Fragen dazu hast, ich hatte in letzter Zeit ausreichend 
Zeit mich damit zu beschäftigen und bastle gerade eine entsprechende mit 
einem µC.

Ralf

Autor: Sk Dx (skdx)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo, beschäftige mich seit geraumer Zeit mit diesem Thema in 
Zusammenhang mit der Messung der Annäherung an einen Zaun. Möchte ein 
Elektrozaungerät bauen, dass nur bei Annäherung "schiesst" und an 
sonsten Strom spart - bis auf die Messung. Nach Überlegungen in Richtung 
Wiederstandsmessung bin ich recht bald bei der kapazivien Methode und 
einem Oszillator mit nachfolgender Frequenzmessung gelandet. Nach 
einigen Versuchen mit einm 555 bin ich soweit, dass die Frequenzänderung 
sehr gering ist und ich nicht glaube, das diese überhaupt per 
Frequenzzählung erkannt werden kann. Meine jetzigen Überlegungen gehen 
dahin einen Frequenzzähler mit möflichst hoher Auflösung zu 
programmieren (ATMega8) und schaun ob ich die Änderung erfassen kann. 
Mein Vorteil ist natürlich das Erkennen einer relativen Änderung im 
Gegensatz zu einer Absoluten. Würde mich über Eure Meinung dazu freun 
und würde gern in Diskussion bleiben.

Klaus

Autor: Ralf (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Der Frequenzzähler ist ein Ansatz. Eine Alternative ist die Messung der 
Differenzfrequenz gegen eine Referenzfrequenz. Siehe mein Posting oben.
Vorteil ist, dass bereits kleine Änderungen der gemessenen Frequenz sehr 
gut erkannt werden können.

Ralf

Autor: gast (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
alternativ die zeiterfassung über die sensorkapazität

die sensorfläche bildet ja im bezug zur "erde" einen kondensator
dieser wird mit hilfe eines µC auf eine spannung gelegt
damit läd sich diese fläche auf

die zeit die dabei vergeht um die 1,6V  für den AVR zB  um den pin 
logisch 1 werden zu lasse kann man mit einem timer ermitteln

bewegt man nun einen finger an die fläche ändert sich die kapazität
es wird also mehr zeit für die aufladung gebraucht


diese methode klappt mtit einem portpin am µC

Autor: gast (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
wie wären denn ladepulse für eine Kapazität? Dann hast du direkt einen 
digitalen Wert für die Aufladung.

Wenn die Kapazität so gestrickt ist, dass die Massefläche extrem klein 
gehalten ist, jedoch eine große "positive" Fläche vorhanden ist, dann 
hast du die möglichkeit, die Kapazität durch Annäherung per Körper zu 
vergrößern. die Kondensatorflächen, dich ich gebastelt habe(Kupferfolie) 
haben bei Annäherung per Menschenhand Faktor 12 ausgemacht bei 
Zimmertemp.

Es ist noch ein Referenzwert zu schaffen, mit dem der aktuelle Messwert 
verglichen wird. zb. arithmetisches mittel der letzten x messungen.

Autor: Sk Dx (skdx)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Ralf, danke für deine Antwort. OK - was Du v orschlägst ist das 
Theremin - Prinzip. Ich hab jetzt mal durchgerechnet, mit einem 555 und 
10pf zu 2 mal 1MOhm komm ich auf 48khz. bei einer kapazitätsänderung von 
+-1pf (entspricht ca. der Handkapazität) habe ich eine Frequenzänderung 
von ca.+-5khz. Läüft der ATMega8 mit 10mhz bedeutet eine messung der 
mittleren Frequenz von 48khz eine Auflösung von +-500hz.
Im Umkehrschluss - ich erkenne eine Kapazitätsänderung von 0,1pf.

Soweit die Theorie - die Praxis wirds zeigen.

Autor: Ralf (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Soweit die Theorie - die Praxis wirds zeigen.
Nun, dann sei bitte so nett, und poste die Resultate, zusammen mit 
Schaltung/Bilder/etc.
So haben dann auch andere etwas davon. Ich suche z.B. eine gute 
Schaltung für ein Theremin. Die Schaltung von Moog fürs Etherwave wird 
ja in deren Doku beschrieben, vielleicht bau ich die mal nach :)

Ralf

Autor: Sk Dx (skdx)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Mach ich gern, werde allerdings erst zum nächsten WE dazu kommen.

Autor: neuling (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Wo bleiben die geforderten Resultate ?!? ;) Wäre sicherlich für alle 
ganz nett! Interessantes Projekt!

Autor: Sk Dx (skdx)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Sag mal "neuling", meinst nicht Du hast ein bissl einen komischen ton 
drauf?? Es gibt Leute die arbeiten so nebenbei und können nicht nur 
sitzen und basteln. Wenn ich soweit bin werde ich schon meinen Beitrag 
einstellen. Solange wirst Dich schon gedulden müssen.

Autor: neuling (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Mein Ton? also ich habe einerseits einen Smiley geschickt, andererseits 
habe ich betont, dass ich dein Projekt sehr interessant finde.

Der smiley sollte wohl das "wo bleiben..." entkräften...

würde mich einfach über die ergebnisse freuen.

Besten Gruß!

Autor: Sk Dx (skdx)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
So, hier einmal der Näherungssensor. Er erkennt eine Kapazitätsänderung 
von 0.1pf. Geht bis zu einer Kapazitätsänderung von 7pf. Dies alles laut 
LTSpice. Bin jetzt dabei baue und teste es aus. Dann melde ich mich 
wieder.

SKDX

ps. Die 30.1pf sind nur wegen dem Testen. Original gehören da 30pf 
hinein.

Autor: Ralf (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ist das die gleiche Schaltung aus dem Midi-Theremin mit nem FreeScale 
HCS12? Die hab ich aufgebaut, aber bei mir jittert die was das Zeug 
hält... :( Hab allerdings nicht probiert, wie sich das Zeug an nem µC 
verhält...

Ralf

Autor: Sk Dx (skdx)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Nein Ralf, kenn die Schaltung nicht. Hab üerall ein bissl geschaut und 
dann selbst zusammengestrickt. Bei der Simulation mit LTSpice kann ich 
kein Jittern erkennen. Warte jetzt auf die 555 und bau das dann mal auf. 
Das Scope wird's zeigen. Melde mich wieder -

SKDX

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.