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M.I.S.T.

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Aktuell sieht der Schaltplan so aus. Einiges fehlt noch!



Mikrocontroller

Zentrales Bauteil ist der Mikrocontroller vom Typ Atmel ATMega8. Dieser stellt genug Pins für unsere Anwendung zur Verfügung, hat einen vergleichsweise großen Programmspeicher(Flash) von 8kb und ist günstig verfügbar. Der Mikrocontroller benötigt einen Takt. Dieser wird hier durch einen Quarz(Q1) extern erzeugt. Der interne Oszillator des ATMega8 reicht nicht aus, das Servo fängt damit an zu zittern(ausprobiert!). Am Quarz werden laut Datenblatt noch 2 Kondensatoren, 22pF benötigt(C4, C5).
Außerdem verlangt der AVR mit seinen schnellen digitalen Flankenwechseln nach Abblockkondensatoren an seinen Spannungsversorgungs-Eingängen(C1, C2, C3). Der Reset-Pin ist R3 auf high gezogen, damit der Controller nicht von selbst resettet. Außerdem ist auch dieser Pin mit einem Abblockkondensator(C6) versehen.

Spannungsversorgung

Die Schaltung soll am Ende mit den Modellbau-typischen Spannungen von 4,8-6V zurecht kommen. Das Display-Modul sowie der Microcontroller laufen beide jeweils von 2,7-5,5V. Im Moment ist daher einfach eine Diode 1N4001 (D1) vorgeschaltet, die für den hier nötigen Spannungsabfall sorgt. Das Servo und der Operationsverstärker werden direkt versorgt.

Spannungsmessung

Die Betriebsspannung soll über den im Controller integrierten Analog/Digital-Konverter gemessen werden. Damit das funktioniert, sind 2 Dinge nötig:
  • Der ADC benötigt eine Referenzspannung. Im ATMega8 ist eine solche vorhanden, jedoch unterliegt diese einer hohen Serienstreuung und ist nicht sehr temperaturstabil. Daher kommt eine externe Spannungsreferenz zum Einsatz. Hier wird die LM385 mit 2,5V verwendet(D2). Über R9 wird der Strom auf ca. 1mA begrenzt. Diese Spannung wird an den AREF Pin des Controllers angeschlossen und über C1 entkoppelt.
  • Die Spannung am Eingang des ADC muss zwischen GND und der Referenzspannung liegen. dafür wird ein einfacher Spannungsteiler verwendet(R1, R2). Im Programm wird dieser berücksichtigt, so dass dann wieder die Betriebsspannung angezeigt werden kann.

Strommessung

Dies ist noch in der Entwicklung. Der Servostrom wird über einen in der Minus-Leitung eingebauten Messwiderstand(Shunt, R8) geleitet. Aus dem darüber entstehenden Spannungsabfall lässt sich der Strom berechnen. Hier muss man Kompromisse eingehen: Der Spannungsabfall soll natürlich möglichst gering sein, damit möglichst viel beim Servo ankommt. Also muss der Shunt klein gewählt werden. Dadurch verkleinert sich aber auch der Spannungsabfall über dem Widerstand. Damit wir diesen überhaupt noch mit unserem ADC messen können, benötigen wir einen Messverstärker. Dieser wird mit IC2 realisiert. Die Verstärkung wird über R6 und R7 eingestellt:



Der messbare Strom errechnet sich nun wie folgt:



Der Spannungsabfall errechnet sich aus dem ohmschen Gesetz (1. und 2. Zeile). Verstärkt darf dieser maximal die 2,5V unserer Referenzspannung ergeben (U2). Am ADC-Pin liegt also bei einem Strom von 2,27A eine Spannung von 2,5V an. Dieser Wert wird wieder mit dem ADC erfasst und im Programm umgerechnet.
C7 blockt wieder die Versorgungsspannung für das IC ab.
Leider erweist sich diese Methode als sehr ungenau. Außerdem wird bereits bei offenem Stromkreis ein Wert von 3mA angezeigt. Dies liegt an der sogenannten Offset-Spannung des Operationsverstärkers.

Display-Modul

Über eine 16-polige Stiftleiste wird das Display-Modul angeschlossen. R5 ist der Vorwiderstand für die Hintergrundbeleuchtung des Displays, auf meinem Exemplar ist jedoch schon einer vorhanden. Da M.I.S.T. aber auch nachgebaut werden soll und es in diesen Abmessungen einige Module mit und ohne Beleuchtung gibt, habe ich hier die Möglichkeit gelassen, einen Widerstand einzubauen.

Drehgeber

Der Drehgeber hat 2 Ausgänge, die ein Signal im Gray-Code ausgeben. Diese sind direkt an die INT0 und INT1 Pins des Controllers angeschlossen, da sie im Programm mittels Pinchange-Interrupt ausgewertet werden sollen. zusätzlich verfügt der Drehgeber noch über einen zusätzlichen Kontakt, der bei Herunterdrücken der Achse geschlossen wird. Um diesen auch für Eingaben nutzen zu können, wird er an einem einfachen Port-Pin angeschlossen.

ISP-Buchse

Darüber kann später auch am fertigen Gerät der Microcontroller programmiert werden. Somit bleibt M.I.S.T. updatefähig.