7.4.1 Dokumentation und Arbeitsentwicklung
Das Grundkonzept des M¨unzeinwurfes wurde eigenst¨andig erstellt und in dem folgenden Block-schaltbild (siehe Abb. 49) festgehalten.
Abbildung 57: Blockschaltbild des M¨unzeinwurfs [5]
Es gibt zwei Ein- und Ausg¨ange, sodass beide Spieler eine M¨unze einwerfen m¨ussen, damit das Spiel gestartet werden kann. Der Gewinner bekommt am Ende des Spieles beide M¨unzen ausgegeben.
N¨aheres zum Sortiermechanismus der M¨unzen im n¨achsten Abschnitt.
Nach Ende des Spiels wird die bewegliche Bodenklappe der Box so ge¨offnet, dass der Spieler, der gewonnen hat, den Spieleinsatz beider Spieler erh¨alt. Die Ansteuerung der Bodenklappe erfolgt mit einem Servomotor. Der Servomotor soll dabei mit einer Pulsweitenmodulation (PWM) ange-steuert werden. Eine PWM ist ein geange-steuertes Rechecksignal, welches durch den Vergleich eines Dreieckssignals mit einer Referenzspannung entsteht (siehe Abb. 58).
Abbildung 58: Beispiel einer PWM [8]
Dabei ist das Ausgangssignal immer auf High gesetzt, solange das Dreieckssignal kleiner als das Re-ferenzsignal ist; sobald das Dreieckssignal gr¨oßer als das Referenzsignal ist, wird das Ausgangssignal auf Low gesetzt. Durch eine geschickte Wahl der Referenzspannung kann somit das High/Low-Verh¨altnis den Anforderungen angepasst werden. Die Periodendauer des PWM-Signals ist dabei durch die Periodendauer des Dreieckssignals gegeben.
Die erste Umsetzungsidee war, die PWM mit OPVs zu realisieren, jedoch haben wir diese Idee dann verworfen, da wir das gleiche auch mit den bereits vorhandenen NE555 erreichen konnten, somit konnten wir unsere Schaltung bereits dimensionieren, aufbauen und testen.
Vivien Kosow
Dem M¨unzeinwurf liegt ein aufwendiges, mechanisches Konzept zu Grunde. Die M¨unze wird durch einen Einwurfschlitz eingeworfen. Dieser Schlitz ist gerade so groß, dass nur M¨unzen der richtigen Gr¨oße oder kleinere M¨unzen hineinpassen, gr¨oßere M¨unzen m¨ussen deshalb bei der folgenden Sortie-rung gar nicht betrachtet werden. Danach rollt die M¨unze eine geneigte Ebene hinab, um kinetische Energie aufzubauen. Diese geneigte Ebene ist nochmals leicht zur Seite geneigt, sodass die M¨unze sicher an einer sich dort befindlichen Wand entlangrollt und nicht umkippt. Sobald die M¨unze gen¨ugend kinetische Energie aufgebaut hat kann der Sortiermechanismus arbeiten. Dabei rollt die M¨unze der richtigen Gr¨oße gegen eine Blockade, welche daf¨ur sorgt, dass die M¨unze umkippt und in dem daf¨ur vorgesehenen Schacht landet. M¨unzen, die zu klein sind, rollen unter dieser Blockade einfach hindurch und landen in einem anderen Schacht. Die beiden Sch¨achte sind so konzipiert, dass sie sich auf eine Dicke von maximal 5 mm verengen. Damit wird erreicht, dass die M¨unzen senkrecht nach unten fallen. Danach neigt sich der Schacht zur Seite, sodass die M¨unze wieder
ent-lang einer geneigten Ebene mit einer Breite von 5 mm rollt. Dabei passiert sie die Lichtschranke, die das entsprechende Signal an die anzusteuernde LED und den Microcontroller weiterleitet. Bei einer falschen M¨unze leuchtet die rote LED, bei der richtigen M¨unze die gr¨une LED. Danach fallen die falschen M¨unzen direkt zum Ausgang, die richtige M¨unze hingegen landet in der M¨unzsammelbox.
Ein Prototyp des M¨unzeinwurfs mit mechanischer M¨unzsortierung ist in den Abbildungen 59 und 60 dargestellt.
Abbildung 59: Foto des ersten Teils des M¨unzeinwurfs (Eigene Abbildung)
Abbildung 60: Foto des zweiten Teils des M¨unzeinwurfs (Eigene Abbildung)
Thomas Neumann
7.4.2 Schaltplan
F¨ur den M¨unzeinwurf werden vier Lichtschranken ben¨otigt. Davon sind zwei Lichtschranken mit einer gr¨unen LED verbunden und 2 Lichtschranken mit einer roten LED. Lediglich, wenn die Licht-schranken mit der gr¨unen LED die M¨unze erkennen wird ein Signal an den STM weitergeleitet, sodass das Spiel gestartet werden kann.
Beim Testen der Lichtschranke wurde deutlich, dass bei einer schnell durchfallenden M¨unze die LED zu kurz aufleuchtet. Daher wurde die untere Schaltung der Lichtschranke so entworfen, dass das Signal der Lichtschranke so verz¨ogert wird, damit die LED lang genug leuchtet.
In der unteren Schaltung befindet sich lediglich der Schaltplan einer Lichtschranke, f¨ur die anderen 3 Lichtschranken ist der Aufbau identisch.
Abbildung 61: Schaltplan einer Lichtschranke [7]
Die Widerst¨ande wurden passend zum Datenblatt ausgew¨ahlt, damit die maximal zugelassenen Str¨ome, f¨ur die Bauteile, nicht ¨uberschritten werden. Mit Hilfe des Kondensators und des Transis-tors wird das Signal der Lichtschranke verz¨ogert, indem sich der Kondensator schnell aufl¨adt und langsam entl¨adt. Aufgrund der aufgebauten Schaltung wurde unser Signal zuerst invertiert ausge-geben, das heißt die LED leuchtete konstant, bis die M¨unze durch f¨allt und der Strom unterbrochen wurde. Mit Hilfe des Operationsverst¨arkers konnte das Signal invertiert werden. Somit leuchtet die LED f¨ur ein kurze Zeit auf, nachdem die M¨unze durchgefallen ist.
Dadurch das vier Operationsverst¨arker f¨ur die vier Lichtschranken ben¨otigt werden, verwenden wir einen Komparator in dem sich 4 OPV’s befinden. Somit konnten wir Bauteile einsparen und den platzsparender unsere Platine gestalten.
Vivien Kosow
Abbildung 62: Schaltplan einer Pulsweitenmodulaton PWM [7]
Der Servomotor wird mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation gesteuert (siehe Abb. 62). Wie viele PWM Signale ben¨otigt werden ist vom jeweiligen Servomotor abh¨angig. Da Anfangs nicht sicher war, welcher Servomotor verwendt wird, befinden sich drei erzeugbare PWM-Signale auf der Platine, da dies die maximal ben¨otigte Anzahl an verschiedenen PWM-Signalen ist.
Die unterschiedlichen PWM Signale sorgen daf¨ur, das sich der Servo im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn dreht. Dabei ist die Drehrichtung abh¨angig von dem High/Low-Verh¨altnis des PWM-Signals.
In Abbildung 62 ist die Schaltung f¨ur ein PWM-Signal dargestellt. An dem NE555 werden 2 Po-tentiometer und 2 Kodensatoren wie dargestellt angeschlossen. ¨Uber die Potentiometer kann im Folgenden das High/Low-Verh¨altnis des PWM-Signals eingestellt werden. Dieses Signal wird ¨uber Pin 3 des NE555 ausgegeben. Die beiden Potentiometer R1 und R2 sowie der Kondensator C1 dienen dabei alleine f¨ur die Erstellung des PWM-Signals, der KondensatorC5 an Pin 8 fungiert als Abblockkondensator.
Abbildung 63: Schaltplan des Servomotors [7]
In Abbildung 63 ist der komplette Schaltplan der Steuerung des Servomotors dargestellt. Diese besteht aus 3 Schaltungen zur Erstellung eines PWM-Signals wie in Abb. 62 sowie einem Mul-tiplexer. Ein Multiplexer ist ein Bauteil, welches mehrere Eingangssignal erh¨alt und davon immer nur eines ausgibt. Welches Signal ausgegeben werden soll wird dabei elektronisch gesteuert. Die unterschiedlichen PWM-Signale werden an die Pins 11, 14 und 15 des Multiplexers angeschlossen.
Der Multiplexer wird ¨uber ein 2-Bit-Signal (Pin 9 und 10) vom Mikrocontroller gesteuert, sodass an dem Pin 13 das gew¨unschte Signal anliegt und von dort zum Servomotor geleitet wird.
Thomas Neumann
7.4.3 Layout
Abbildung 64: Layout der Lichtschranken [7]
Bei der Gestaltung des Eagle Layout’s war das Ziel, platzsparend die einzelnen Bauteile anzuord-nen. Daf¨ur w¨ahlten wir stehende Steckverbindungen f¨ur die Lichtschranken und die LEDS anstatt liegende Steckverbindungen.
Vivien Kosow
Abbildung 65: Layout der Servomotor-Steuerung [7]
Bei der Entwicklung dieses Layouts gab es mehrere Punkte zu beachten. Zum einen sollte die Leiterbahn der Versorgungsspannung (5V) m¨oglichst kurz sein und zum anderen soll bei jedem Chip (die drei NE555 und der Multiplexer) m¨oglichst nah an dem Pin mit Versorgungsspannung ein Abblockkondensator verbaut werden. Die L¨ange der anderen Leiterbahnen ist nicht besonders zu beachten, da bei der niedrigen Betriebsfrequenz (50Hz) es nicht zu unerw¨unschten Nebenwirkungen in Form von z.B. Schwingkreisen kommen kann. Zudem ist es vorteilhaft, wenn das Layout m¨oglichst platzsparend ist.
Thomas Neumann
7.4.4 Platine
Nach der Erstellung der Layouts der Platinen wurden diese ge¨atzt, gebohrt und die Bauteile wur-den angel¨otet. Bei dem folgenden Testen wurden einige Fehler entdeckt, die jedoch alle behoben werden konnten. Bei der Platine mit den Lichtschranken wurde der Vorwiederstand der LEDs falsch dimensioniert. Dieser war urspr¨unglich mit 220Ω veranschlagt worden, jedoch stellte sich schnell heraus, dass dieser Wert viel zu groß ist und somit die LEDs nicht leuchten. Deshalb wurden besagte Vorwiederst¨ande ausgetauscht, bei den gr¨unen LEDs betr¨agt dieser nun 120Ω und bei den roten LEDs 150Ω.
Abbildung 66: Platine der Lichtschranken [9]
Vivien Kosow
Bei der Platine der Servomotor-Steuerung sind 2 Fehler aufgetreten. Zum Einen sind die Potentio-meter auf der Platine nicht mit der Versorgungsspannung (5 V) verbunden, obwohl das im Schaltplan so vorgesehen war. Um dies zu l¨osen wurden zus¨atzliche Kabel angel¨otet, die die entsprechenden Pins der Potentiometer mit einer 5 V-Leistung verbinden. Zum Anderen wird durch einen Fehler in der Entwicklung von der Schaltung eine PWM ausgegeben, die f¨ur den Servomotor nicht nutzbar ist, da sie ein falsches High/Low-Verh¨altnis hat. Um dies zu korrigieren wurde die Schaltung dahin-gehend modifiziert, dass 2 zus¨atzliche Dioden (6 f¨ur die ganze Platine) angel¨otet wurden, wodurch nun das korrekte High/Low-Verh¨altnis erreicht werden konnte (siehe Abb. 67).
Abbildung 67: Korrektes Layout der Servomotor-Steuerung [9]
Thomas Neumann
7.4.5 Zusammenfassung
Die Platine mit den Lichtschranken funktioniert erfolgreich, somit kann der M¨unzeinwurf visu-ell anzeigen, ob er eine richtige M¨unze erkannt hat. Auf der Platine mussten keine weiteren
Ver¨anderungen vorgenommen werden. Unsere entwickelte Schaltung sorgt daf¨ur, dass das Signal der Lichtschranke so verz¨ogert wird, das ein sichtbar langes aufleuchten der LEDs wahrzunehmen ist.
Beim Servomotor hingehen muss die Platine so angepasst werden werden, dass das PWM Signal seine Low und High Zeiten so anpasst, das der Servo sich nach links und rechts dreht. Sollte der Servo-Motor am Ende des Projekts nicht funktionieren wird es sich um eine refinanzierende Spielekonsole handeln.