Unterrichts- und Lernmaterial für Mikrocontroller
Unterrichts- und Lernmaterial fürMikrocontroller

1 - Pulsweitenmodulation und Infrarot (IR)

Was passiert eigentlich, wenn man mit einer Fernbedienung den Fernseher oder eine Audioanlage ein- bzw. ausschaltet und wieso gelingt es, die Lautstärke oder einen neuen Sender einzustellen, wenn man auf einen anderen Knopf der Fernbedienung drückt? Das werden wir hier ein wenig genauer untersuchen und das Oszilloskop wird uns auch hier wieder mal die Augen öffnen.

IR Detektoren sind auf spezielle Frequenzen geeicht. Die Detektoren, die wir hier und in der Robotik einsetzen, sind mit einem sogenannten Bandpassfilter auf 38,5 kHz abgestimmt. Der Detektor wird nur antworten, wenn er ein Signal mit dieser Frequenz erhält, sonst bleibt er stumm.

Die Datenübermittlung erfolgt mit einem modulierten 38,5 kHz Signal, das man dadurch erreicht, dass man die Impulslängen des Signals verändert. Es ähnelt stark der asynchronen Datenübertragung, die HIGH und LOW Signale zu bestimmten Zeiten überträgt. Der einzige Unterschied im IR Protokoll ist, dass ein IR-Signal nicht mit HIGH- sondern mit 38,5 kHz Signalen arbeitet. Einzelne Bits werden nicht durch Nullen und Einsen festgelegt, sondern durch unterschiedliche Pulslängen.

Der Ausgang des IR-Detektors ist active-low, was soviel heißt, dass, wenn er ein 38,5 kHz IR-Signal empfängt, auf LOW geht. Umgekehrt, empfängt er kein Signal, ist er auf HIGH (Ruhezustand). In der folgenden Abbildung ist ein möglicher Datenstrom einer SONY IR-Fernbedienung dargestellt. Der Empfänger ermittelt, wie lange das Signal auf LOW ist. Eine Zeitspanne von 0,6ms steht für eine logische 0, während 1,2ms für eine logische 1 steht.

Abbildung 1 - Beispiel für eine IR Signal-Impulsfolge

Mit IR lassen sich Objekte erfassen; dabei wird der ausgesandte IR Strahl vom Objekt reflektiert. Befindet sich das Objekt nah genug zur Lichtquelle, wird das Licht reflektiert, der IR Detektor fängt es auf und setzt seinen Ausgang auf LOW.

Abbildung 2 - IR Objekterkennung durch Reflexion der Strahlung am Objekt

2 - Infrarotsignale zur Objekterkennung

In dieser Übung erzeugt die BASIC Stamp ein 38,5 kHz Signal, mit dem der Ausgang eines IR Detektors auf 0 gezogen wird.

Material

1x  220 Ohm Widerstand (rot-rot-braun)

1x  IR Detektor

1x  IR LED

8x  Steckdraht

Zusammenbau eines IR-Senders

Zum Aufbau werden drei Teile benötigt

  1. IR LED
    
  2. ein langer einseitig geschlossener Plastikzylinder mit Durchführungsöffnungen für die LED Anschlüsse
    
  3. ein kurzer beidseitig offener Plastikzylinder
    

Die drei Teile werden  - wie in der Abbildung dargestellt - zusammengesetzt.

3 - Aufbau einer IR Detektorschaltung

Beim Aufbau muss darauf geachtet werden, dass Sender und Empfänger in die gleiche Richtung weisen. 

Aufgaben
  • Baue die Schaltung nach Schaltskizze bzw. Verdrahtungsplan auf.
  • Verbinde Tastkopf Kanal A mit dem Steckdraht zwischen LED und Widerstand.
  • Verbinde Tastkopf Kanal B mit einem Steckdraht zwischen P8 und IR-Detektor.
  • Verbinde den Masseanschluss der Tastköpfe mit einem Steckdraht in Vss.

Schaltskizze und Verdrahtungsplan

Abbildung 3 - Schaltung zur IR Objekterkennung
Abbildung 4 - Verdrahtungsplan zur Schaltskizze mit Darstellung der Tastköpfe eines Oszilloskops

4 - Testprogramm zum IR-Detektor

Testprogramm zum Infrarot-Detektro
Aufgaben
  • Übertrage das Programm 38kHzIR.bs2 in den Editor und speichere es ab.
  • Starte das Programm.
  • Übernehme die in Tabelle 1 genannten Einstellungswerte für das Oszilloskop.
  • Trenne die beiden Kanäle im Oszillogramm. Kanal B liegt in der oberen Hälfte.
  • Ziehe den Triggerpunkt (gelbe Raute) mit der Maus nach links, bis das vollständige Signal sichtbar wird.
  • Stelle ein Objekt vor den IR Detektor.
  • Friere das Bild ein (über Stopp - Aufzeichnung stoppen), sobald die Darstellung zufriedenstellend ist.

Das Programm IR38kHz.bs2

Abbildung 5 - Objekterkennung mit IR-Detektor; sobald ein Objekt erkannt ist, geht der Ausgang von HIGH auf LOW.

Erläuterungen zum Oszillogramm

Kanal A (blau, Sender) zeigt eine Pulsfolge von ca. 1ms Länge, wie sie vom Befehl

  • FREQOUT 7, 1, 38500
    

erzeugt wurde. Kanal B (rot, Detektor) ist über einen Zeitraum von 1ms auf LOW, weil er das Objekt, das vor dem Detektor steht, erkannt hat. Das Signal ist zeitversetzt; der IR Detektor benötigt selbst etwas Zeit, um sich auf das reflektierte Signal einzustellen. Die Zeitverschiebung liegt bei ca. 200µs.

Wenn sich das Objekt vor dem Detektor bewegt und nur kurzzeitig erfasst wird, sollte sich der Kurvenverlauf rot verändern. Dies zeigt das folgende Bild, bei dem ich meine Hand vor dem Detektor schnell hin- und herbewegt habe.

Abbildung 6 - Ein Objekt wird schnell an einem IR-Detektor vorbeibewegt. Die Erfassungszeit beträgt im Beispiel 242µs.
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© Reinhard Rahner - Gettorf