TPS steuert Fischertechnik-Karussell        

Video: https://youtu.be/zAw-DNWjlHI

Die nachfolgende Schaltung (TPS-Modul) basiert auf der TPS HT46F47 von Holtek und kann mit dem(n) unten stehenden Basisprogramm(en) z.B. das Modell „Karussell mit Lichtschranke“ aus dem Baukasten „Profi Electronics“ von Fischertechnik steuern. Die erweiterte TPS übernimmt dabei die Steuerungsaufgaben des electronics Modul aus dem Baukasten.
Hinweis: Die Schaltung und das Programm sind eine eigenständige Entwicklung, in Anlehnung an die Funktionalität des electronics-Moduls. Das Fischertechnik-Modell wird nur als Beispiel verwendet, um die Möglichkeiten einer TPS zu demonstrieren. Der Hardware-Aufbau und die Software des Fischertechnik-Moduls sind dem Autor unbekannt.

Allgemeine Funktionsweise: Das TPS-Modul verfügt über vier digitale Eingänge ID1-ID4, zwei analoge Eingänge IA1/IA2, ein Potentiometer und vier Ausgänge O1-O4, wobei O1/O2 zum Motorausgang M1, und O3/O4 zu M2 zusammengeschaltet sind. Alle Eingänge können mit 9V beschaltet werden, an allen Ausgängen steht 9V als Spannung zur Verfügung. Damit ist die Kompatibilität mit den Fischertechnik-Sensoren (Taster, Fototransistor, NTC-Widerstand etc.) und -Aktoren (Motor, LED etc.) gewährleistet.

Die Stellung der sechs Schiebeschalter (DIP-Schalter DIP1-6) bestimmt die Funktion der Schaltung. Mit diesen Schaltern wird auch das gewünschte Programm (zzt. das Basisprogramm als Default-Programm), welches z.B. ein Karussell steuern kann, beim Anlegen der Spannung oder nach einem Reset mit dem Taster S3 ausgewählt. Daher ist es wichtig, dass die programmspezifischen Schalterstellungen erst nach Start des Programms vorgenommen werden. Nach der Programmauswahl stehen alle sechs Schiebeschalter in der Grundstellung „OFF“. Ein (+)9V-Signal (z.B. durch Schließen eines Tasters) aktiviert den jeweiligen Eingang (Weiterleitung Signal an die Steuerung). Die DIP-Schalter DIP1-4 haben neben der Programmauswahl unabhängig vom Programm eine besondere Funktion: In der Stellung „ON“ kehren sie die Funktion des jeweiligen Eingangs um, d.h. die Unterbrechung eines ständig am Eingang stehenden Signals aktiviert ihn. Diese Funktion wird z.B. beim Einsatz einer Lichtschranke benötigt, der Eingang wird aktiviert, wenn die Lichtschranke unterbrochen wird.

Modell „Karussell mit Lichtschranke“ (https://youtu.be/zAw-DNWjlHI ): An den Eingängen ID1 und ID3 werden Taster als Schließer angeschlossen, ID2 wird mit einem Fototransistor verbunden, IA1 wird auf (+) 9V gelegt, ID4 und IA2 bleiben unbeschaltet. Die LED3 wird direkt mit der 9V-Spannungsversorgung verbunden, sie bildet mit dem Fototransistor zusammen eine Lichtschranke. Der Schiebeschalter DIP2 wird in Stellung „ON“ gebracht. Am Ausgang M1 wird der Motor, an M2 werden zwei parallel mit umgekehrter Polarität geschaltete LEDs LED1 und LED2 angeschlossen. Mit den Tastern (kurzer Impuls) wird die jeweilige Drehrichtung des Motors (und damit des Karussells) bestimmt, bei Unterbrechung der Lichtschranke stoppt das Karussell. Mit dem Potentiometer kann die Drehgeschwindigkeit des Karussells und die Blinkfrequenz der LED1 und LED2 synchron geregelt werden (DIP5 in Stellung „ON“). Ist DIP5 in Stellung „OFF“, ist die Drehgeschwindigkeit konstant maximal, mit dem Potentiometer wird nur die Blinkfrequenz geregelt.

Der nachfolgende Schaltplan zeigt den Anschluss der Sensoren und Aktoren an das TPS-Modul sowie die Stellung der DIP-Schalter:

Funktion der DIP-Schalter:

Hinweis: Die Einstellungen aller DIP-Schalter wird sofort übernommen, kein Neustart der Steuerung erforderlich; X: 0 oder 1 (ohne Einfluss)

Hardware

Die TPS-Grundschaltung wird wie in der Anleitung zum Lernpaket beschrieben aufgebaut, jedoch werden die beiden Schalter S1 und S2 nicht eingebaut. Stattdessen werden ihre Eingänge direkt mit den Kollektor-Ausgängen des Optokoppler LVT427 verbunden. Die anderen Eingänge E1-E4 werden an die Kollektor-Ausgänge des Optokopplers LVT827 angeschlossen. Alle Emitter-Ausgänge werden auf GND gelegt. Der PMW-Ausgang wird jeweils mit den Ausgängen A1 und A2 UND-verknüpft (2xNAND in Serie) und an die Eingänge IN1/IN2 des Motortreibers DRV8833 (2-Kanal-DC-Motortreibermodul, H-Brücke, 1,5A pro Kanal, 3-10V, z.B. bei roboter-bausatz.de für wenige € erhältlich) angeschlossen. Die Ausgänge A1/A2 funktionieren als Enable für die Weiterleitung des PMW-Signals an die Eingänge IN1/IN2 des Mototreibers und bestimmen die Drehrichtung des Motors. Die Ausgänge A3 und A4 werden direkt mit den Eingängen IN3/IN4 des Motortreibers verbunden. Entgegen der Beschreibung des Händlers muss der Anschluss ULT, nicht EEP, des Motortreibers auf VCC gelegt werden, damit Signale an den Ausgängen Out1-Out4 ausgegeben werden. Der Anschluss EEP bleibt unbeschaltet. Das Treibermodul wird mit 9V Gleichspannung versorgt, die bei entsprechender Schaltung der Eingänge an den Ausgängen Out1-4 anliegt. Zur Versorgung der TPS/Mikrocontrollers werden die 9V auf 5V mit einem Mini Step Down-Modul AMS1117 6,5-12V auf 5V (z.B. roboter-bausatz.de, ca. 1 €) transformiert. Beiden Analogeingängen AD1 und AD2 ist jeweils ein Spannungsteiler aus jeweils zwei 1,0 kΩ-Widerständen (bei AD1 ist ein Widerstand durch ein 1,0 kΩ-Potentiometer ersetzt) vorgeschaltet, um die an den Eingängen IA1 und IA2 angeschlossenen (+)9V auf 4,5 V zu halbieren. Der Analogeingang AD1 ist mit dem Schleifer des Potentiometers verbunden, um eine variable Eingangsspannung von 0-4,5V anlegen zu können.

Die sechs Optokoppler trennen den 5V-Teil vom 9V-Teil der Schaltung: Während die Kollektor-Eingänge der Optokoppler für die Eingänge S1 und S2 der TPS direkt über die Schalter DIP5 und DIP6 über einen Vorwiderstand an (+)9V gelegt werden können, werden die Eingänge ID1-ID4 zusammen mit den DIP-Schaltern DIP1-4 zunächst XOR verknüpft (IC CD4070, über Online-Plattformen erhältlich), bevor sie jeweils über einen Vorwiderstand mit dem Kollektor-Eingang des Optokopplers verbunden werden. Nur eine ungleiche Beschaltung der beiden XOR-Eingänge (also L/H oder H/L) führt zu einem H-Signal am Ausgang. Damit ist es einerseits möglich, bei Start der Steuerung (nach einem Reset oder Anlegen der Versorgungsspannung) das gewünschte Programm mit den DIP-Schaltern einzustellen (vorausgesetzt, alle Eingänge sind unbeschaltet), anderseits kann bei laufendem Programm die Funktion der Eingänge mit den DIP-Schaltern umgekehrt werden.

Software

Die Programme sind soweit kommentiert, so dass es nicht schwer fallen sollte, sie nachzuvollziehen, daher nachfolgend nur ein paar allgemeine konzeptionelle Anmerkungen. Sie verwenden beide die Einzel-Bit-Verarbeitung, um die Ausgänge getrennt voneinander ansteuern und die Eingänge einlesen zu können. Da die unteren PMW-Frequenzen nach meiner Erfahrung für einen Fischertechnik-Motor nicht sinnvoll nutzbar sind, wird die Zahl der PMW-Stufen auf acht halbiert, und die geringste Geschwindigkeit beträgt ebenfalls acht. Das Blinken wird durch periodischen Wechsel der Polarität an den Ausgängen A3/A4 erzeugt, wobei die Blinkfrequenz (gleich Wartedauer zwischen Polaritätswechsel) durch zwei Warteschleifen bestimmt wird, deren Zahl der Durchläufe umgekehrt proportional zum Signal am Analogeingang AD1 ist. Während die Warteschleifen bei Programm1 durchlaufen werden, können die Signale an den Eingängen E1 bis E4 des Mikrocontrollers nicht abgefragt werden, so dass es bei niedriger Blinkfrequenz zu einer deutlich verzögerten Reaktion des Programms kommt. Abhilfe könnte entweder eine Interrupt-Programmierung schaffen, die in der TPS derzeit nicht vorgesehen ist, oder aber eine periodische Abfrage der Eingänge, während die Warteschleifen durchlaufen werden (Programm2). Dazu werden Haupt- und Unterprogramm getauscht: Bei Programm1 fragt das Hauptprogramm die Eingänge ab und steuert den Motor, das Unterprogramm kümmert sich um das Blinken der LEDs. Bei Programm2 kümmert sich das Hauptprogramm um das Blinken der LEDs, das mehrfach aufgerufene Unterprogramm fragt die Eingänge ab und steuert den Motor. Programm2 ist dadurch fünf Zeilen länger als Programm1. Jeder möge für sich entscheiden, welche Variante ihm besser gefällt.

Programm1: SubBlinken

*entspricht Urzustand des Controllers

Programm2: SubMotor

*entspricht Urzustand des Controllers