Die Hardware

Eine Problematik war direkt zu Beginn die Spannungsversorgung des Fahrzeugs und der zusätzliche Hardware. Da wir zu Beginn ein handeslübliches RC-Auto erworben hatten, hatte dies eine Vorrichtung für Batterien oder Akkus angeboten, um die Fahrzeugelektronik zu versorgen. Die Grundlage waren hier 4 Batterien vom Typ Mignon AA mit 1,5 Volt pro Batterie.

WLAN-Modul

Die Spannungsversorgung des WLAN-Moduls, des Mikrokontrollers und der neuen Hardware wurde über ein 9,6 Volt Akkupack realisiert.

Das WLAN-Modul benötigt eine Spannung von 3,3 Volt. Laut Handbuch weißt das Modul im Betreib eine Stromaufnahme von etwa 300mA auf. In unseren Messungen war die Stromaufnahme selten größer als 200mA. Die Signalleitungen haben „low voltage TTL“ Pegel, sind jedoch auch 5V tolerant und können somit ohne größere Schwierigkeiten in 5 Volt Umgebungen integriert werden. Die Konfiguration des Moduls erfolgt über eine Website, die bei einer aktiven Verbindung über einen Browser erreichbar ist oder über das RS232 Interface mit Hilfe von AT-Befehlen.

Mikrokontroller

Eingesetzt wurde ein Mikrocontrollermodul C-Control, welches von dem Unternehmen Conrad Electronic produziert und vermarktet wird.

Die C-Control M-Unit ist mit einem Mikrocontroller vom Typ MC68HC05B6 des Herstellers MOTOROLA ausgerüstet.

Der Steuercomputer ist auf einer kleinen Platine aufgebaut. Darauf befinden sich neben dem Mikrocontroller ein Speicherchip, ein RESET-Baustein sowie einige wenige passive Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren, etc.). Der Speicherchip hat eine Kapazität von acht Kilobyte. Er dient zur Aufnahme Ihres Anwenderprogramms und kann auch zur Aufzeichnung von Daten benutzt werden. Durch die EEPROM-Technologie bleiben alle Informationen auch nach Abschalten der Betriebsspannung erhalten.

Die fünf Pins an der rechten Seite dienen zur Verbindung des Steuercomputers mit dem Programmieradapter. Der Programmieradapter besitzt eine Buchse, wo die Pinne der M-Unit eingesteckt werden können. In diesem Fall muss der Programmieradapter mit einer Spannung von 12V versorgt werden. Es wird keine zusätzliche Spannungsquelle benötigt.

c control programmieradapter

Microkontroller mit dem Programmieradapter

Der Programmieradapter führt die Pegelwandlung der Schnittstellensignale durch, um die serielle Schnittstelle des Steuercomputers an den USB-Standard anzupassen und eine Verbindung mit dem PC zu ermöglichen. Über sie werden neben den Befehlscodes zur Programmierung eines Anwenderprogramms auch einige Steuerbefehle übertragen. Während der Programmierung wird jedes übertragene Byte per Echo bestätigt. Prinzipiell ist eine Verbindung von PC und Steuercomputer nur zur Programmierung erforderlich.

Anschließend kann der Steuercomputer in die Zielapplikation eingesetzt werden und dort eigenständig arbeiten. Die Verbindung zum PC kann allerdings auch während der Arbeit in der Zielapplikation bestehen bleiben und z.B. zur Übertragung von Messdaten benutzt werden.

Die Fahrzeugelektronik

Für das Auto werden insgesamt 5 Spannungen benötigt:

  • + 3,7 Volt – Lenkung
  • - 3,7 Volt – Lenkung
  • + 5 Volt – M-Unit und vorwärts fahren
  • - 5 Volt – Rückwärts fahren
  • + 3,3 Volt – WLAN-Modul
  • ~12 Volt – Programmiermodul

Die Spannungen sollen über verschiedene Festspannungsregler erzeugt werden, wobei lediglich + 3,7 Volt; + 5 Volt und + 3,3 Volt benötigt werden. Die 12 Volt werden für das Programmiermodul benötigt. Da das Programmiermodul für den späteren Einsatz eigentlich nicht erforderlich ist, muss diese Komponenten auch nicht auf dem Fahrzeug angebracht und integriert werden.

Die M-Unit wird über einen 5 Volt Festspannungsregler versorgt, das WLAN-Modul über einen 3,3 Volt Festspannungsregler. Die 6 Volt von den Autobatterie sorgen für die Vorwärts-, Rückwärts und Lenkbewegungen.

Folgende Schaltung zeigt den 5 Volt Festspannungsregler:

schaltung 5 volt festspannungsregler

Schaltung für den 5 Volt Festspannungsregler

Die Diode D2 leitet einen Rückwärtsstrom, der evtl. auftritt, um den 7805 zurück und schützt ihn somit.
Die Kondensatoren C2 und C3 filtern Störungen und glätten die Spannung zusätzlich.
Die Kondensatoren C1 und C4 stabilisieren die Spannung. Der Kondensator C4 variiert mit steigender Stromentnahme.
Die Diode D1 im rot markierten Bereich bietet Schutz vor Verpolung. Da wir nur +5 Volt benötigen, ist eine Diode hier sinnvoll. Für die anderen Spannungen darf diese Diode nicht vorhanden sein, da sonst die negativen Spannungen nicht mehr möglich sind.

Die Spanunng von 3,3 Volt wurde mit einem L200C realisiert.

L200C

L200C

Eine einfache Formelumstellung führt zu dem passenden Ergebniss, um das Datenblatt des L200C nutzen zu können:




entspricht der gewünschten Ausgangsspannung. Die Referenzspannung kann aus dem Datenblatt gelesen werden und die Widerstände ergeben sich aus der Schaltskizze.
Es ergibt sich ein Minimalwert von 205 Ω, ein typischer Wert von 156,89Ω und ein Maximalwert von 126,15Ω.
Da die minimalen Werte und die maximalen Werte Worst-Case Zustände sind und sich der Widerstand nicht den jeweiligen Spannungen selbst anpasst, nehmen wir für die Kontrolle einen 156 Ω Widerstand und setzen die variablen Referenzspannungen für die Worst-Case Zustände ein:



Da die Spannung  für das WLAN-Modul benötigt wird, muss der Wert aufgrund der Herstellervorgaben (=3,3Volt +-0,1V) sehr genau sein. Der Minimale Wert kann daher die Funktionalität des Moduls beeinträchtigen.
Theoretisch sollte der Widerstand R2 also einen Wert von 156,89 Ω haben.
Bei unserer Umsetzung haben wir ein Potentiometer eingesetzt. Laut Voltmeter beträgt die Ausgangsspannung 3,312 Volt, was abzüglich von Messtoleranzen noch in einem akzeptablen Bereich liegt.
Dieser Werte wurde ohne eine Last gemessen.
Beim Anschließen einer Last viel auf, dass die Spannung stark schwankte und das WLAN-Modul andauern ausfiel und neu starten musste. Weitere Recherchen führten zu der Erkenntnis, dass der L200 sich öfter so verhalten kann. Dies war natürlich nicht zu akzeptieren.
Wir beschlossen schließlich einen 3,3 Volt Festspannungsregler zu benutzen. Unsere Entscheidung viel hier auf den LM1086.
Der Baustein ist ähnlich zu dem 7805, weshalb hier auf eine genauere Schaltungsangabe verzichtet wird.

Negative Spannungen

Die erste Frage die im Raum stand, befasste sich damit, wie wir einen Drehstrom mit den einfachsten Mitteln hinbekommen, da es keinen Platz für weitere Festspannungsregler gab, die die negativen Spannungen „erzeugen“. Dazu haben wir eine Lösung mit Hilfe von Relais gefunden.

Das Auto wird von vier 1,5 Volt Batterien betrieben, die in Reihe geschaltet sind. Das ergibt eine Versorgungsspannung von insgesamt 6 Volt. Die Relais haben bei einer Spannung von ca. 5 Volt einen idealen Schaltpunkt. Der Drehstrom wird durch eine Verpolung an zwei Relais erreicht. Die Polung hängt von dem Schaltzustand der Relais ab.

RelaisschaltungDie Relais sind so angeschlossen, dass sie im nicht geschalteten Zustand, also ohne dass ein High oder Low-Signal vom Mikrokontroller anliegt, eine Spannung an den Motor weitergeben. Durch ein Signal von dem Mikrokontroller, kann einer der Transistoren durch den nun anliegenden Basisstrom nach Ground durchschalten. Dadurch wird der Arbeitskontakt des Relais angezogen und ein 5 Volt Signal zu dem Motor durchgeschaltet. Sollte der Fall eintreten, dass zwei Relais zur selben Zeit durchschalten, entsteht ein Kurzschluss.
Um dies zu vermeiden, wird das Schalten der Relais über den Mikrokontrolle gesteuert und über die dort laufende Software verhindert.

relaisschaltung2Bei jedem Relais ist eine Schutzdiode zusätzlich verbaut, damit Querströme vermieden werden. Solche könnten ungewünschte Reaktionen auslösen, aber im Normalfall leitet die Diode D8 den Strom um das Relais herum, damit es nicht zerstört wird.

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