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Hochschule Ostwestfalen-Lippe Fachbereich Elektrotechnik und Technische Informatik Schriftlicher Bericht über das Praxisprojekt des Herrn Daniel Klose Matr.-Nr.: 1522 2039 gemäß Bachelorprüfungsordnung für den Studiengang Elektrotechnik in der Fassung der Bekanntmachung vom 30. September 2008 (Verkündungsblatt der Hochschule 2008/Nr. 16). Thema: Hardwareerweiterung für einen mobilen Roboter Prüfer/-in: Prof. Dr.-Ing. Rolf Hausdörfer Der Bericht umfasst 27 Seiten.

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Hochschule Ostwestfalen-Lippe

Fachbereich Elektrotechnik und Technische Informatik

Schriftlicher Bericht über das Praxisprojekt

des Herrn

Daniel Klose

Matr.-Nr.: 1522 2039

gemäß Bachelorprüfungsordnung für den Studiengang Elektrotechnik

in der Fassung der Bekanntmachung

vom 30. September 2008

(Verkündungsblatt der Hochschule 2008/Nr. 16).

Thema: Hardwareerweiterung für einen mobilen Roboter

Prüfer/-in: Prof. Dr.-Ing. Rolf Hausdörfer

Der Bericht umfasst 27 Seiten.

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Erklärung II

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

Ich erkläre, dass ich das vorliegende Praxisprojekt selbstständig angefertigt habe. Zur

Anfertigung des Praxisprojektes benutzte ich keine anderen als die angegebenen

Quellen und Hilfsmittel.

Die Ausfertigung als CD-ROM liegt bei.

Lemgo, den 26.07.2012 ___________________________________

(Unterschrift des Autors)

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Inhaltsverzeichnis III

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis ................................................................................................... V

Abbildungsverzeichnis ............................................................................................. VI

Abkürzungsverzeichnis .......................................................................................... VII

1 Einleitung .................................................................................................................. 1

2 Sensoren .................................................................................................................... 2

2.1 Distanzsensoren ................................................................................................... 2

2.2 Positionssensor .................................................................................................... 5

2.3 Kanten-/Liniensensoren ...................................................................................... 8

2.4 Klappensensor ..................................................................................................... 9

2.5 Lichtschranke ...................................................................................................... 9

2.6 Radencoder .......................................................................................................... 9

2.7 Lichtsensoren .................................................................................................... 10

3 Hardwareerweiterungen ....................................................................................... 11

3.1 Schaltungsänderungen und Funktionen ............................................................ 11

3.1.1 Integration des 68HCS12 Controllers ........................................................ 11

3.1.2 Servo-Antrieb ............................................................................................. 13

3.1.3 Betriebsspannung der Schaltung ................................................................ 15

3.1.4 Empfänger der Fernbedienung ................................................................... 16

3.1.5 Sonstige Änderungen ................................................................................ 18

3.2 Platinenmodellierung und Realisierung ............................................................ 20

3.2.1 Hauptplatine ............................................................................................... 20

3.2.2 Linien-/Positionssensor Platine .................................................................. 21

4 Mechanik ................................................................................................................ 23

4.1 Akkuhalterung ................................................................................................... 23

4.2 Transportklappe ................................................................................................. 24

5 Zusammenfassung ................................................................................................. 26

6 Ausblick .................................................................................................................. 27

7 Danksagung ............................................................................................................ 28

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Inhaltsverzeichnis IV

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

8 Anhang .................................................................................................................... 29

A Register des ACX-1001 .................................................................................. 29

B Portbelegung 68HCS12................................................................................... 31

C Schaltplan Hauptplatine .................................................................................. 33

D Schaltplan Linien-/Positionssensorplatine ...................................................... 34

E Stückliste Hautplatine ..................................................................................... 35

F Stückliste Linien-/Positionssensorplatine ....................................................... 36

G Layout und Bestückung der Hautplatine ......................................................... 37

H Layout und Bestückung der Linien-/Positionssensorplatine ........................... 40

I Zeichnung der Transportklappe ...................................................................... 42

J Zeichnung der Akkuhalterung ........................................................................ 44

K E-Mail Schriftverkehr mit der Firma PixArt ................................................... 45

Literaturverzeichnis ................................................................................................. 46

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Tabellenverzeichnis V

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Vergleich der zur Auswahl stehenden Lasermäuse ..................................... 5

Tabelle 2: Pinbelegung des ACX-1001 ........................................................................ 6

Tabelle 3: Vergleich des 68HCS12 mit dem Atmel Controller .................................. 11

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Abbildungsverzeichnis VI

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Übersicht der Sensoren auf dem Roboter der c’t .................................... 2

Abbildung 2: Distanz/Ausgangsspannung Kennlinie des GP2Y0A21YK ................... 3

Abbildung 3: Ausgang eines Distanzsensors im Vergleich .......................................... 4

Abbildung 4: Übertragungsprotokoll ............................................................................ 7

Abbildung 5: Ausschnitt einer Übertragung ................................................................. 7

Abbildung 6: Sensorplatinen ........................................................................................ 8

Abbildung 7: Schaltplanverbindungen zum 68HCS12 ............................................... 12

Abbildung 8: Fehlersignalerzeugung für den Servo-Antrieb im Originalschaltplan .. 13

Abbildung 9: Fehlersignalerzeugung für den Servo-Antrieb im neuen Schaltplan .... 14

Abbildung 10: Pulsdiagramm einer Servo-Ansteuerung ............................................ 15

Abbildung 11: Beschaltung des TSOP34836 mit RC-Tiefpass .................................. 16

Abbildung 12: Signaldemodulation des Empfängers (TSOP34836) .......................... 17

Abbildung 13: Beschaltung der roten LED ................................................................ 19

Abbildung 14: Neu erstellte Hauptplatine .................................................................. 21

Abbildung 15: Ober- und Unteransicht der neuen Positionssensorplatine ................. 22

Abbildung 16: ACX-1001 Positionssensor im Roboter ............................................. 22

Abbildung 17: Vorgesehene Befestigung der Akkufächer ......................................... 23

Abbildung 18: Neue Befestigung der Akkufächer ..................................................... 23

Abbildung 19: Transportklappe aus dem Erweiterungspaket ..................................... 24

Abbildung 20: Neue Transportklappe ......................................................................... 25

Abbildung 21: Überarbeiteter c’t-Bot mit 68HCS12 Controller ................................ 26

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Abkürzungsverzeichnis VII

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Abkürzungsverzeichnis

A Amper

B Byte

CAN Controller Area Network

dpi dots per inch

F Farad

FET Feldeffekttransistor

GND Ground

h hour

Hz Hertz

IC Integrated Circuit

IIC Inter-Integrated Circuit

IR Infrarot

LED Light Emitting Diode

m Meter

mil milli-inch

MSB Most Significant Bit

PWM Pulsweitenmodulation

SCLK Serial Clock

SD Secure Digital

SDIO Serial Data Input Output

SMD Surface Mounted Device

SPI Serial Peripheral Interface

TWI Two-Wire Interface

USART Universal Asynchronous Receiver Transmitter

V Volt

Vcc Versorgungsspannung

WLAN Wireless Local Area Network

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1 Einleitung 1

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

1 Einleitung

Roboter übernehmen immer mehr Aufgaben für den Menschen. Arbeiten können

meist nicht nur präziser ausgeführt werden, sondern auch in erheblich kürzerer Zeit.

Damit ein Roboter das überhaupt leisten kann, muss er seine Umwelt kennen und

sich orientieren können. Ein Mensch hat dafür seine Sinnesorgane und nutzt vor-

zugsweise seine Augen dafür. Um dem Roboter ähnliches zu ermöglichen, werden

heute oft schon Kameras verwendet. Verschiedene Sensoren reichen aber auch schon

aus, damit sich ein Roboter zurechtfindet.

Die Zeitschrift c’t stellt in einem offenem Projekt einen Bausatz für einen kleinen

Roboter zur Verfügung, der durch seine verschiedenen Sensoren unterschiedliche

kleine Aufgaben bewältigen kann. Das „Gehirn“ des Roboters bildet ein Atmel Mik-

rocontroller, der durch seine Ports mit den Sensoren und Aktoren des Roboters ver-

bunden ist. Der Roboter, der auch c’t-Bot genannt wird, kann durch weitere Bausätze

erweitert werden und erhält dadurch zusätzliche Funktionen.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Hardware des mobilen Roboters der Zeitschrift

c’t, die auf einen Mikrocontroller des Typs 68HCS12 abgestimmt werden soll. Wei-

terhin soll die vorhandene Hardware der c’t untersucht und verbessert werden. Dabei

ist die Funktion der Sensoren zu prüfen, die bisher teilweise nur eingeschränkt nutz-

bar sind. Insbesondere der Positionssensor einer optischen Maus, der unterhalb des

Roboters sitzt, soll durch eine Alternative ersetzt werden. Die Hardware soll dafür

geändert und durch die Herstellung einer geeigneten Leiterplatte realisiert werden.

Dabei soll auch die noch nicht implementierte Hardware für eine Fernbedienung und

für einen Betrieb mit Akkus bzw. Batterien integriert werden.

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2 Sensoren 2

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2 Sensoren

Abbildung 1: Übersicht der Sensoren auf dem Roboter der c’t [1]

2.1 Distanzsensoren

Zur Erkennung von Hindernissen hat der Roboter der Zeitschrift c’t zwei nach vorn

gerichtete Sharp GP2Y0A21YK Sensoren, die durch ein gepulstes Infrarotsignal (IR-

Signal) den Abstand zum Hindernis ermitteln können. Die Sensoren haben einen

Messbereich von 10 cm bis 80 cm und einen Blickwinkel von ca. drei Grad. Für die

Weiterverarbeitung liefert der Sensor eine analoge Ausgangsspannung bis maximal

3,2 V. Dabei verhalten sich Ausgangsspannung und Distanz nicht proportional zuei-

nander (siehe Abbildung 2). [2]

Liniensensoren Positionssensor

Radencoder

Klappensensor (unterhalb der Platine)

Lichtschranke

Kantensensor

Distanzsensor

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2 Sensoren 3

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Abbildung 2: Distanz/Ausgangsspannung Kennlinie des GP2Y0A21YK [2]

Für einen reibungslosen Betrieb müssen die Sensoren vom Träger und anderen lei-

tenden Teilen isoliert sein. Eine Messung mit dem Multimeter bestätigt die Aussage

von [1] und [3], dass das Gehäuse des Sensors niederohmig (ca. 200 Ω) leitend ist.

Durch den direkten Kontakt mit dem Träger erreicht die Ausgangsspannung maximal

1,9 V und keinen stabilen Wert. Die Isolierung durch Polyamid-Schrauben und Poly-

amid-Unterlegscheiben unterbindet den Kontakt, so dass der Sensor brauchbare Wer-

te liefert.

Um die Messwerte noch weiter zu verbessern und zu stabilisieren, ist es erforderlich

direkt am Sensor einen 100 nF Kondensator zwischen Vcc und GND zu schalten. Der

Kondensator verhindert große Spannungsspitzen am Ausgang, die durch das gepulste

IR-Signal verursacht werden. Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, gibt es mit einem

100 nF Kondensator nur noch kleine Spannungsspitzen, die nur noch bei einer gro-

ßen Auflösung auf dem Oszilloskop sichtbar sind.

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2 Sensoren 4

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Abbildung 3: Ausgang eines Distanzsensors im Vergleich (Quelle: Autor)

oben: ohne Kondensatoren; unten: mit Kondensatoren

(15 cm Abstand zu einer weißen Fläche, mit 10:1 Tastkopf)

Die Sensoren können durch einen Feldeffekttransistor (FET) zu- und abgeschaltet

werden, um den Stromverbrauch zu senken, wenn die Sensoren nicht gebraucht wer-

den. Da das IR-Signal der Sensoren gepulst ist, verursacht der Restwiderstand des

FETs (RDS) im durchgeschalteten Zustand bei jedem Puls einen kurzen Einbruch in

der Versorgungsspannung der Sensoren, was ebenfalls die Messwerte beeinflusst.

Ein 100µF Kondensator (C8 im Schaltplan) kompensiert diese Einbrüche und ver-

bessert dadurch die Messwerte. [3]

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2 Sensoren 5

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2.2 Positionssensor

Unterhalb des Roboters befindet sich ein Positionssensor von einer optischen Com-

puter-Maus. Über eine Serial Data Input Output (SDIO) Leitung gelangen die vom

Sensor erfassten X- und Y-Koordinaten zum Mikrocontroller, der diese zur Positi-

onsbestimmung heranziehen kann. Die vorgesehene Montage des Sensors führt zu

fehlerhaften Messdaten, da der Abstand zwischen Sensor und Boden zu groß ist.

Laut Datenblatt des Sensors sollen maximal 2,5 mm zwischen Boden und der Linse

des Sensors liegen. Um in die Nähe dieses Wertes zu kommen und dadurch brauch-

bare Messwerte zu bekommen, empfiehlt die Zeitschrift c’t ein Tieferlegen des Sen-

sors [4].

Eine Alternative zum Tieferlegen ist der Austausch des vorhandenen Sensors gegen

einen Sensor einer Lasermaus, der mit größeren Abständen besser zurechtkommt.

Der Kauf in kleinen Stückzahlen der Sensoren solcher Mäuse gestaltet sich schwie-

rig, so dass der Ausbau eines Sensors aus einer Lasermaus eine naheliegende Lösung

ist. Zur Auswahl standen die zwei in Tabelle 1 gelisteten Modelle.

Logitech LS1 Laser Mouse Verbatim 49031 Laser Mouse

Preis ca. 13 € ca. 5 € Sensor S7550 von Avago ACX-1001 von PixArt

Auflösung 400 / 800 / 1200 / 1600 dpi1 800 / 1200 / 1600 dpi

Laser on Chip ja nein

Tabelle 1: Vergleich der zur Auswahl stehenden Lasermäuse

Der S7550 Sensor der Logitech Maus scheint baugleich zu dem ADNS-7550 Naviga-

tionssensor von Avago zu sein. Eine genauere Analyse des S7550 ist aufgrund der

komplizierten Integration auf der Platine der Logitech Maus nicht gemacht worden.

Zudem reagiert die Logitech Maus nicht spürbar besser auf eine Erhöhung des Ab-

standes zur Oberfläche als eine normale optische Maus. In einem Test wird die Auf-

lösung der Logitech Maus auf 800 dpi geschätzt [5], denn eine Veränderung der Auf-

lösung ist nicht möglich und Logitech macht auch keine Angaben zur Auflösung der

Maus. Der ADNS-7550 Sensor hat sehr viele Einstellmöglichkeiten; u.a. kann neben

1 Angaben aus dem Datenblatt des ADNS-7550 von Avago

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2 Sensoren 6

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der Auflösung auch z.B. die Laserleistung gesteuert werden. Es ist daher davon Aus-

zugehen, dass Logitech den S7550 nur begrenzt ausnutzt.

In der Verbatim Maus steckt ein kundenspezifischer Sensor der Firma PixArt Ima-

ging Inc. aus Taiwan. Das Verhalten bei größeren Abständen zur Oberfläche ist bei

der Maus sehr positiv, jedoch ist zu diesem Sensor kein Datenblatt zu finden. Die

Anfrage nach einem Datenblatt des Sensors bei PixArt blieb erfolglos (siehe E-Mail

im Anhang), aber durch die Datenblätter der frei verkäuflichen Sensoren von PixArt

[6] und durch die überschaubare Platine in der Maus ist es möglich die Beschaltung

und Ansteuerung zu rekonstruieren (Tabelle 2).

Pin-Nr. Name Belegung2 Beschreibung 1 VSS_LD GND Laser Diode Masse 2 LD Laser Diode Laser Diode Steuerung 3 OSCOUT Quarz Ausgang Quarz Ausgang 4 OSCIN Quarz Eingang Quarz Eingang 5 VDDD keine Verbindung - 6 VSSD GND Digitale Masse 7 VSSA GND Analoge Masse 8 VDD VCC = 5 V 5 V Versorgungsspannung 9 VDDA Kondensator 3,3 V Versorgungsspannung 10 VREF Kondensator Analoge Spannungsreferenz 11 YA keine Verbindung YA Quadratur Ausgang 12 YB keine Verbindung YB Quadratur Ausgang 13 XA keine Verbindung XA Quadratur Ausgang 14 XB keine Verbindung XB Quadratur Ausgang 15 NC keine Verbindung - 16 NC keine Verbindung - 17 NC keine Verbindung - 18 SCLK Controller Takt für serielle Schnittstelle 19 SDIO Controller Serielle Schnittstelle, bidirektional 20 PD Controller Power Down Pin, aktiv High

Tabelle 2: Pinbelegung des ACX-1001

Neben der einfachen Beschaltung (siehe Schaltplan im Anhang) ist die Ansteuerung

der bidirektionalen Schnittstelle sehr ähnlich wie bei dem von der c’t vorgesehenen

Sensor. Durch Zugriff auf verschiedene Register3 kann die veränderte Position der

X- und Y-Achse ausgelesen werden und auch Einstellungen wie die Auflösung ver-

2 Anschluss auf der Platine in der Verbatim Maus 3 Register des ACX-1001 können im Anhang eingesehen werden

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2 Sensoren 7

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ändert werden. Daher gibt es bei der Nutzung der Schnittstelle zwei Möglichkeiten

der Übertragung:

• „Schreib-Operation“

• „Lese-Operation“

Der Sensor erkennt den Unterschied zwischen „Schreiben“ und „Lesen“ durch das

Most Significant Bit (MSB), also dem höchstwertigen Bit, des ersten Bytes der Über-

tragung. Für eine „Schreib-Operation“ ist das MSB „1“ und für eine „Lese-

Operation“ ist das MSB „0“ zu setzen. Die restlichen sieben Bits enthalten die Ad-

resse des Registers auf welches zugegegriffen werden soll. Das zweite Byte der

Übertragung enthält die entsprechenden Daten des Registers. Das erste Byte wird

also bei jeder Übertragung immer vom Controller zum Sensor geschickt. [6]

Abbildung 4: Übertragungsprotokoll [6]

Die Übertragung der einzelnen Bits erfolgt synchron zum Takt (SCLK). Bei fallen-

der Flanke des Takts wird das Datenbit geändert und bei steigender Flanke wird das

Datenbit übernommen. Das High-Signal des Takts muss für eine fehlerfreie Bitüber-

tragung mindestens 3 µs bestehen (siehe Abbildung 5).

Abbildung 5: Ausschnitt einer Übertragung [6]

Neben der seriellen Schnittstelle des ACX-1001 können die Positionswerte auch aus

den vier Quadratur-Pins ermittelt werden. Jedoch sind die vier nötigen Leitungen

zum Mikrocontroller und das Auslesen der Werte weitaus aufwändiger als das Nut-

zen der seriellen Schnittstelle. Eine dritte Leitung, neben denen für SDIO und SCLK,

ist dennoch nötig, da die externe Laser-LED eine 3,3 V Spannungsquelle benötigt.

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Der Spannungsregler LM2937/3,3V, der der Laser-LED mit bis zu 0,5 A genügend

Strom liefert, sitzt auf der Hauptplatine, weil kein Platz auf der kleinen Platine unter-

halb des Roboters ist. Diese Platine muss für den Positionssensor neu gestaltet wer-

den, da der ACX-1001 völlig anders beschaltet wird und ein spezielles Rastermaß

von 1,778 mm (70 mil) hat, wodurch er auf keine europäisch genormte Platine passt

(siehe 3.2.2).

2.3 Kanten-/Liniensensoren

Zur Abtastung des Bodens besitzt der Roboter Reflexionskoppler des Typs CNY70

von Vishay. Zwei dieser Sensoren sitzen an vorderster Front rechts und links auf

kleinen Sensorplatinen (Abbildung 6) und sollen verhindern, dass der Roboter über

einen Abgrund fährt. Zwei Weitere sitzen mittig nebeneinander auf der kleinen Plati-

ne unter dem Roboter und sollen die Linienfahrt ermöglichen. Der CNY70 Sensor

sendet ähnlich wie der Distanzsensor ein IR-Signal und fängt die Reflexion durch

einen Fototransistor wieder ein. Die Stärke der Reflexion entscheidet über die

Collector-Spannung am Ausgang. Die Reichweite des CNY70 ist sehr gering, so dass

der Abstand der Kantensensoren zum Untergrund mit 12 mm schon sehr groß ist,

aber noch ausreicht, um die Aufgabe des Sensors zu erfüllen. Da der CNY70 nur die

Reflexion seines IR-Signals erfasst, sind die Reflexionseigenschaften des Untergrun-

des ausschlaggebend für die analoge Ausgangsspannung und nicht der wirkliche Ab-

stand. Dadurch kann dieser Sensor auch genutzt werden, um das Folgen einer Linie

des Roboters zu ermöglichen. [7]

Abbildung 6: Sensorplatinen [1]

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2.4 Klappensensor

Für die Transportklappe des Roboters existiert ein weiterer CNY70 Reflexionskopp-

ler, der erkennt, ob die Transportklappe geschlossen oder geöffnet ist. Im Gegensatz

zu den anderen CNY70 Sensoren fungiert der Klappensensor als digitaler Schalter.

Auf der von der c’t bereitgestellten Hauptplatine sitzt der Sensor nach unten gerich-

tet, um den „D“-förmigen Träger der Klappe zu erkennen. Durch die Neugestaltung

der Klappe (siehe 4.2) sitzt der Sensor nicht mehr unter der Hauptplatine, sondern ist

am vorderen rechten Träger montiert. Bei geöffneter Klappe liegt Low-Pegel am

entsprechenden Port des Mikrocontrollers und bei geschlossener Klappe ein High-

Signal.

2.5 Lichtschranke

In der vorderen Aussparung des Roboters, die als Transportfach dient, sitzt im hinte-

ren Bereich eine Lichtschranke, die unterbrochen wird, sobald sich ein Gegenstand in

dem Fach befindet. Die Lichtschranke besteht aus einer IR-Diode des Typs LD274-3,

die einen geringen Abstrahlwinkel besitzt, und dem Empfänger IS471F, die sich ge-

genüber liegend jeweils auf einer Sensorplatine an den vorderen beiden Trägern be-

finden (siehe Abbildung 6). Bei einem ersten Test des Roboters ist kein Signal beim

Mikrocontroller angekommen, da der Empfänger falsch herum aufgelötet war. Der

IS471F steuert das IR-Signal (Wellenlänge 950 nm) der Diode und empfängt es mit

der leicht gespiegelten Fläche.

2.6 Radencoder

Ebenfalls auf den kleinen Sensorplatinen (Abbildung 6) sitzen weitere CNY70 Ref-

lexionskoppler, die die Räder des Roboters beobachten. Auf der Räderinnenseite ist

eine Scheibe mit gleichgroßen Aussparungen am Rand geklebt, die der CNY70 er-

kennt und in ein elektrisches Signal umwandelt. Durch einen Schmitt-Trigger wird

ein digitales Signal daraus, welches der Mikrocontroller durch eine Flankenerken-

nung auswerten kann. Dadurch kann die Geschwindigkeit beider Räder ermittelt

werden und diese miteinander abgeglichen werden. Wichtig ist, dass die Sensoren

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2 Sensoren 10

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passend auf die Aussparung zeigen. Aus diesem Grund ist eine Nachjustierung der

Sensoren notwendig gewesen, ohne die es oft zu fehlerhaften Daten gekommen ist.

2.7 Lichtsensoren

Direkt vorne auf der Platine befinden sich zwei Fotowiderstände, die durch einen

Spannungsteiler analoge Werte entsprechend der Helligkeit dem Mikrocontroller zur

Verfügung stellen. Die Fotowiderstände vom Typ MPY54C569 haben ihr Empfind-

lichkeitsmaximum bei einer Wellenlänge von 550 nm und ihre Werte bewegen sich

zwischen ca. 500 Ω (hell) und ca. 50 kΩ (dunkel).

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3 Hardwareerweiterung 11

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3 Hardwareerweiterungen

Im Zuge der Überarbeitung der Sensoren sowie der Steuerung durch einen 68HCS12

Controller ist eine neue Schaltung für die Hauptplatine und die Platine für die Li-

niensensoren und den Positionssensor unterhalb des Roboters entstanden. Außerdem

fallen einige Schaltungsteile, wie die Ansteuerung von verschiedenen LEDs und die

für ein Display, weg, da diese Funktionen keine Verwendung finden. Desweiteren

hat die Originalschaltung der c’t einige Mängel und bedarf einer Überarbeitung. Im

Folgenden werden die Schaltungsänderungen, die vorgenommen werden, erklärt und

deren Umsetzung in ein neues Platinenlayout beschrieben.

3.1 Schaltungsänderungen und Funktionen

3.1.1 Integration des 68HCS12 Controllers

Für die Steuerung des mobilen Roboters der Zeitschrift c’t ist ein 8-Bit Controller

von Atmel vorgesehen. Dieser sehr kompakte Controller wird bei diesem Projekt

durch den leistungsstärkeren 68HCS12 ersetzt, der sich auf einem sogenannten

CardS12 Modul befindet und durch einfaches Aufstecken in eine Schaltung integriert

werden kann.

Atmel AVR Freescale 68HCS12

Typ ATmega32 MCU MC9S12DP512 Prozessoren 8-Bit 16-Bit

Flashspeicher 32 kB 512 kB

EEPROM 1 kB 4 kB

Takt 16 MHz 16 MHz (bis zu 25 MHz über PLL)

RAM 2 kB 14 kB

I/O Anschlüsse 32 87

Peripherie - 2×8-Bit Timer - 1×16-Bit Timer - 4×PWM - 8-Kanal 10-Bit A/D U. - 1×SPI - 1×TWI - 1×USART

- 8×16-Bit Timer - 8×PWM - 16-Kanal 10-Bit A/D Umsetzer - 3×SPI - 1×IIC - 2×SCI - 5×msCAN-Module

Tabelle 3: Vergleich des 68HCS12 mit dem Atmel Controller [8][9]

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3 Hardwareerweiterung 12

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Die Leistungssteigerung durch den 68HCS12 hat zur Folge, dass der Stromverbrauch

steigt und die Laufzeit des Roboters mit Akkus/Batterien, die bei Nutzung von

2300 mAh Akkus/Batterien und dem Atmel Mikrocontroller mit 9 Stunden von der

c’t angegeben wird [10], verkürzt wird. In einem Test der neuen Schaltung mit dem

68HCS12 ist mit 2500 mAh Akkus eine Laufzeit von über 3 Stunden erreicht wor-

den. Dabei ist die Schaltung jedoch auch dauerhaft einer großen Belastung ausgesetzt

worden, so dass in einem ruhigeren Betrieb von einer längeren Laufzeit ausgegangen

werden kann. Auch wenn der Stromverbrauch gegen den 68HCS12 spricht, hat der

Controller sonst viele Vorteile gegenüber dem Atmel Controller. Während der Atmel

Controller mit vier Ports begrenzte Möglichkeiten hat und sich dadurch mittels drei

Schieberegister in der Schaltung behelfen muss, kommt der 68HCS12 auf dem

CardS12 Modul ohne Schieberegister aus und kann dank seiner 12 Ports die unter-

schiedlichsten Aufgaben übernehmen. Neben digitalen Ein- und Ausgängen benötigt

die Steuerung für den mobilen Roboter auch analoge Eingänge und

Pulsweitenmodulationen (PWM). Die Ports sind nach ihrer Funktion ausgewählt

worden. Alle FETs werden beispielsweise über Port A geschaltet und Port B agiert

nur als digitaler Eingang. Eine Auflistung aller Portzuweisungen befindet sich im

Anhang oder kann im Schaltplan durch die Verbinder J2 und J3 (siehe Abbildung 7)

entnommen werden, auf die das CardS12 Modul gesteckt wird.

Abbildung 7: Schaltplanverbindungen zum 68HCS12

(siehe Schaltplan im Anhang)

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3 Hardwareerweiterung 13

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3.1.2 Servo-Antrieb

In einem Erweiterungspacket der Zeitschrift c’t kann dem mobilen Roboter ein

Servo-Antrieb (Robbe-Futaba S3107) hinzugefügt werden, der eine Transportklappe

betätigen soll. Ein Servo-Antrieb soll nicht mit der gleichen Versorgungsspannung

wie der Mikrocontroller betrieben werden, da es sonst durch verursachte Störungen

zum Absturz des Mikrocontrollers kommen kann [11]. Daher wird der Antrieb direkt

von der Betriebsspannung des Netzteils oder der Batterien/Akkus versorgt. Um ein

Festsitzen der Transportklappe zu verhindern, ist ein 6,8 Ω Widerstand vorgeschaltet,

der die Stromaufnahme des Antriebs überwacht und über eine Komperatorschaltung

eine Fehlermeldung bei zu hoher Stromaufnahme an den Mikrocontroller gibt. Die

Fehlermeldung wird jedoch mit einem Fehlersignal für eine zu niedrige Betriebs-

spannung, die durch Entladung der Batterien/Akkus verursacht wird, durch eine Dis-

junktion verbunden, wodurch der Mikrocontroller keine genaue Aussage über den

Fehler erhält. Des Weiteren ist die Fehlermeldung für die Stromaufnahme des Servo-

Antriebs stark von der Betriebsspannung abhängig, so dass mit der zeitlichen Entla-

dung der Batterien/Akkus das Fehlersignal bei immer geringeren Strömen anliegt.

Abbildung 8: Fehlersignalerzeugung für den Servo-Antrieb

im Originalschaltplan [12]

Für die Betriebsspannung sind nach [10] nicht viel mehr als 6 V vorgesehen und es

wird deshalb empfohlen ein 6 V-Netzteil zu verwenden bzw. fünf Akkus (5×1,2 V)

oder nur vier Batterien (4×1,5 V), um die Motoren und auch den Servo-Antrieb nicht

zu überlasten. Um das zu umgehen, gibt es bei der neuen Schaltung einen eigenen

Spannungsregler (LM2940) für den Servo-Antrieb, dessen Nennspannung bei 4,8 V

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3 Hardwareerweiterung 14

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

liegt. Mit bis zu 1 A stellt der Spannungsregler mehr als ausreichend Strom zur Ver-

fügung und liefert wie der Spannungsregler der Versorgungsspannung stabile 5 V bis

etwa 5,3 V Eingangsspannung.

Der Servo-Antrieb bekommt durch den eigenen Spannungsregler konstant 5 V und

der Strom des Servo-Antriebs wird über einen sogenannten Shunt-Widerstand (R27

in Abbildung 9) gemessen. Durch die neue Beschaltung wird das Fehlersignal immer

bei einem Strom von etwa 200 mA ausgelöst und ist nicht mehr von der Betriebs-

spannung abhängig. Zusätzlich wird das Fehlersignal des Servo-Antriebs getrennt

von dem Fehlersignal der Batterie-/Akkuspannung ausgewertet und ist nicht mehr

durch eine Disjunktion mit dem Fehlersignal der Batterie-/Akkuspannung verbunden.

Des Weiteren ist die Belegung des Steckers angepasst worden, da die Pins für Masse

und Versorgungsspannung des Servo-Antriebs im Schaltplan der c’t vertauscht sind

[4].

Abbildung 9: Fehlersignalauswertung für den Servo-Antrieb im neuen Schaltplan

(siehe Schaltplan im Anhang)

Die Ansteuerung des Servo-Antriebs erfolgt mit einem PWM-Signal von 50 Hz, das

heißt, dass die Periode T des Signals 20 ms beträgt. Der Antrieb ist durch zwei End-

anschläge begrenzt, wodurch der Antrieb einen Bewegungsradius von 180° hat.

Durch die Pulsdauer thigh bewegt sich der Servo-Antrieb in einem bestimmten Winkel

innerhalb dieser 180°, wobei thigh zwischen 1 und 2 ms liegt. Für den linken Anschlag

beträgt die Pulsdauer 1 ms, für den rechten Anschlag 2 ms und die Mittelstellung des

Antriebs ergibt sich folglich aus 1,5 ms.

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3 Hardwareerweiterung 15

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

Abbildung 10: Pulsdiagramm einer Servo-Ansteuerung [11]

3.1.3 Betriebsspannung der Schaltung

Durch die Neuerungen aus 3.1.2 ist eine höhere Betriebsspannung als 6 V, wie sie

bei fünf Batterien entstehen würde, für den Servo-Antrieb kein Problem mehr. Neben

dem Servo-Antrieb sind noch weitere Schaltungsteile direkt mit der Betriebsspan-

nung verbunden und müssen auf ihre Spannungsfestigkeit überprüft werden, bevor

die Betriebsspannung auf bis zu 7,5 V erhöht werden kann. Mit einer größeren Be-

triebsspannung als 6 V hat der Motortreiber L293D keine Probleme und kann laut

seinem Datenblatt mit bis zu 36 V betrieben werden.

Die Getriebemotoren (Faulhaber 2619 006 SR) des Roboters haben eine Nennspan-

nung von 6 V und werden mit einer größeren Spannung sehr belastet. Die Motoren

arbeiten mit dem Mittelwert eines PWM-Signals wie in (1) ersichtlich. [10][11] Da-

mit die Motoren nicht überlastet werden, sollte das Tastverhältnis der PWM An-

steuerung auf 85% begrenzt werden, wenn der Roboter mit fünf Batterien (7,5 V)

oder anderen größeren Spannungsquellen betrieben wird.

∙ ä , (1)

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3 Hardwareerweiterung 16

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

3.1.4 Empfänger der Fernbedienung

Der Roboter wird erst so richtig mobil, wenn er auch kabellos gesteuert und bedient

werden kann. Damit der Roboter nicht immer ein Kabel hinter sich herziehen muss,

hat die Zeitschrift c’t einen Infrarot Empfänger (TSOP34836) vorgesehen, der Signa-

le einer Fernbedienung aufnehmen kann, die auch Fernseher oder andere Geräte

steuern kann. Der TSOP34836 Empfänger empfängt Infrarot Signale (950 nm) der

Frequenz 36 kHz und demoduliert diese in elektrische Signale, die dann von dem

Mikrocontroller ausgewertet werden können. Die Frequenz resultiert aus der Taktung

der meisten Fernbedienungen, die im Medienbereich zum Einsatz kommen. Die Be-

schaltung des Empfängerbausteins ist bei der neuen Schaltung um einen RC-Tiefpass

ergänzt worden, um hochfrequente Störungen in der Versorgungsspannung zu unter-

drücken [13].

Abbildung 11: Beschaltung des TSOP34836 mit RC-Tiefpass

(siehe Schaltplan im Anhng)

Viele Fernbedienungen arbeiten mit dem RC5-Code, um Befehle zu verschlüsseln.

Der RC5-Code setzt sich aus 14 Bits zusammen und ist ursprünglich von der Firma

Philips entwickelt worden. Wenn eine Universalfernbedienung verwendet wird, sind

deswegen die Programmiercodes der Firma Philips meist die Richtigen. Bei der Uni-

versalfernbedienung „RC Univers29“ kann z.B. der Code „0026“ benutzt werden.

Die Entschlüsselung der einzelnen Bits erfolgt nach dem Prinzip der Manchester-

Codierung, das bedeutet, dass die Flanken des Signals zur Bitbestimmung herange-

zogen werden.

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3 Hardwareerweiterung 17

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

Der RC5-Code besteht aus:

• 2 Startbits4

• 1 Togglebit

• 5 Adressbits

• 6 Kommandobits

Die Modulation für den RC5-Code von der Fernbedienung erfolgt mit einem Signal

von 36 kHz. Dieses Signal muss der Empfänger wieder demodulieren, denn diese

Infrarot-Pulse sind nicht die einzelnen Bits des RC5-Codes. Das Senden von modu-

lierten Pulsen garantiert eine höhere Übertragungssicherheit und das Unterdrücken

von Störungen.

Ü !"!#$% &'()*+,*-(

./01'0+,

23

245556 789 888,9µs (2)

Für ein Halb-Bit werden 32 Pulse an den Empfänger geschickt, die dieser dann ent-

sprechend in ein Low-Signal demoduliert. Für ein High-Signal kommen in dieser

Zeit (2) keine Pulse. Die Auswertung erfolgt wie erwähnt flankengesteuert, weswe-

gen sich jedes Bit zur Hälfte aus einem High- und zur Hälfte aus einem Low-Signal

zusammensetzt. (siehe Abbildung 12) [14][15]

Abbildung 12: Signaldemodulation des Empfängers (TSOP34836) [14]

4 Das zweite Startbit entwickelte sich mit der Zeit zum 7ten Kommandobit, um die Befehlsanzahl von 64 auf 128 zu erhöhen.

Infrarotpulse von der Fernbedienung

Elektrisches Signal vom Empfänger

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3 Hardwareerweiterung 18

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

3.1.5 Sonstige Änderungen

Die Schaltung der Zeitschrift c’t kann an einigen Stellen verbessert werden. Ein ge-

naueres Betrachten des Schaltplans lässt erahnen, dass die Schaltung sehr störemp-

findlich reagieren könnte. Bei normalem Betrieb des Roboters ist es öfters dazu ge-

kommen, dass ohne Fremdeinwirkung Resets ausgelöst wurden. Der Grund für die

Resets liegt in Schwankungen in der Versorgungsspannung, die von ICs ausgelöst

werden. Aus diesem Grund sind einige Abblockkondensatoren in die Schaltung inte-

griert worden, die die Versorgungsspannung stabil halten. Die 100 nF Kondensatoren

direkt am Spannungsregler L4940V5 verhindern die eigenständigen Resets der

Schaltung, aber auch vor jedem anderen IC ist jeweils ein Kondensator zwischen der

Versorgungsspannung (Vcc) und Masse (GND) eingefügt worden. Da in der Schal-

tung keine größeren Frequenzen vorkommen, ist die Kapazität dieser Kondensatoren

mit 100 nF erfahrungsgemäß ausreichend. [15][4]

Auch die nächste Änderung beschreibt die c’t in ihren nachträglichen Modifikationen

[4] und verhindert, dass sich die Antriebsmotoren bei jedem Reset oder auch beim

Überspielen des Programms in den Flashspeicher drehen. Die Motoren werden durch

ein PWM-Signal über den Motortreiberbaustein L293D angesteuert. Dieses Signal

wird direkt vom Mikrocontroller auf den Motortreiberbaustein gelegt. Bei einem

Reset oder auch beim Beschreiben des Flashspeichers wird der Port des Mikrocon-

trollers als Eingang geschaltet und der Motortreiberbaustein interpretiert dies als

wenn ein „High“-Signal anliegen würde. Die Folge ist das Drehen der Antriebsmoto-

ren mit voller Geschwindigkeit. Damit die Motoren sich nicht drehen, müssen die

Eingänge des Motortreiberbausteins in dieser Zeit auf Masse gezogen werden. Diese

Aufgabe übernehmen Pull-Down Widerstände, die zwischen den Eingängen des Mo-

tortreiberbausteins und Masse liegen (R1 und R2 im Schaltplan). [4]

Die Schaltung enthält einen Komperator, der die Betriebsspannung überwacht und

bei zu niedriger Betriebsspannung eine Fehlermeldung an den Mikrocontroller wei-

tergibt. Eine Zener-Diode sorgt dafür, dass an dem einen Eingang des Komperators

konstante 2,4 V liegen, während der andere Eingang über einen Spannungsteiler die

Betriebsspannung abgreift. Durch die Beschaltung wird der Ausgang des

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3 Hardwareerweiterung 19

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Komperators bei etwa 5,6 V5 Betriebsspannung auf „Low“ geschaltet, so dass der

Mikrocontroller ebenfalls ein „Low“-Signal anliegen hat. Bisher ist das Signal mit

dem Fehlersignal des Servo-Antriebs durch eine Disjunktion verknüpft gewesen,

wodurch der Mikrocontroller die Signale nicht unterscheiden konnte. In dem geän-

derten Schaltplan werden beide Signale getrennt behandelt. Außerdem ist der Wider-

stand vor der Zener-Diode von 1 kΩ auf 620 Ω gesenkt worden, da sie mit dem 1 kΩ

Widerstand nicht ausreichend Strom für die Zener-Spannung erhält, wodurch die

Spannung bei lediglich 2,2 V liegt und nicht bei den geforderten 2,4 V. Das Fehler-

signal ist in einem Test der neuen Hardware mit 2500 mAh Akkus 30 Minuten vor

dem Erschöpfen der Akkus ausgelöst worden. Um der Umgebung mitteilen zu kön-

nen, dass die Akkus/Batterien erschöpft sind, ist eine rote LED im Schaltplan hinzu-

gefügt worden, die über einen weiteren P-Kanal FET (BS250) geschaltet werden

kann.

Abbildung 13: Beschaltung der roten LED (siehe Schaltplan im Anhang)

Die Beschaltung des Klappensensors und der Lichtschranke des Transportfachs sind

in der Originalschaltung miteinander verflochten. Durch das Schalten des FETs für

die Aktivierung des Klappensensors wird auch die Infrarot-LED des Transportfachs

beschaltet. Auch wenn die LED erst durch die Beschaltung des Empfängers IS471F

aktiviert wird, weil der die LED steuert, ist es verwirrend und undurchschaubar. In

der überarbeiteten Version der Schaltung ist dies modifiziert worden, so dass durch

das Schalten des FETs der Klappe nur der Klappensensor aktiviert wird und durch

das Schalten des FETs der Lichtschranke die beiden Elemente der Lichtschranke

(Empfänger und IR-LED) aktiviert werden. Die Beschaltung des Empfängers der

5 Inklusive dem Spannungsabfall der Schottky-Diode SB140, die als Schutzdiode vorgeschaltet ist.

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3 Hardwareerweiterung 20

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

Lichtschranke ist um einen Kondensator ergänzt worden, der die Spannungsversor-

gung für den Empfänger stabilisieren soll [16].

3.2 Platinenmodellierung und Realisierung

3.2.1 Hauptplatine

Die neue und geänderte Schaltung der Hauptplatine ist durch ein neues

Platinenlayout realisiert worden, welches mit der Software OrCAD der Firma

Cadence erstellt worden ist. Bei der Umsetzung ist die Position einiger Bauelemente

wichtig gewesen. Die Fotowiderstände, durch die eine Lichtquelle ausgemacht wer-

den kann, sind wie schon bei der Originalplatine an deren Front zu finden. Die Stift-

leisten sind an ähnlicher Stelle symmetrisch angeordnet, damit die untere Ebene

durch die gleichen Kabel mit der Hauptplatine verbunden werden kann. Der Emp-

fänger für die Fernsteuerung ist im hinteren Bereich platziert, wo ihn die Signale

erreichen können. Des Weiteren ist die Höhe unter dem CardS12 Modul einge-

schränkt, so dass manche Bauelemente wie zum Beispiel Elektrolytkondensatoren

keinen Platz an dieser Stelle haben. Hinzu kommen noch Ausschnitte für den Servo-

Antrieb und die Transportklappe, die es zu beachten gibt. Letzterer Ausschnitt ist im

Vergleich zum Vorgänger kleiner geworden, was aber kein Problem im Bezug auf

die Transportklappe ist.

Das neue Layout ist mittels des Ätzverfahrens erstellt worden, welches die Leiter-

bahnbreite bereits auf ein Minimum von 0,4 bis 0,5 mm beschränkt. Aus diesem

Grund sind alle Leiterbahnen der Platine 0,5 mm breit, welche bei einer Kupfer-

schicht von 35 µm bei normalen Bedingungen Stromstärken bis 2 A bewältigen kön-

nen [11][15]. Durch die große Leiterbahndichte ist ein Auskommen mit einer Seite

der Platine unmöglich, wodurch einige Bahnen auf der oberen Seite geführt werden

müssen. Da für ein zweiseitiges Platinenlayout eine Verbindung zwischen der Ober-

seite und der Unterseite mittels Durchkontaktierungen erforderlich ist, aber kein Ver-

fahren dafür zur Verfügung steht, sind die Verbindungen auf der oberen Seite durch

Drahtbrücken realisiert worden.

Die Form der Hauptplatine hat sich von einer runden Platine mit 120 mm Durchmes-

ser zu einem Achteck geändert und ist etwas größer als sein Vorgänger. Für die Mon-

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3 Hardwareerweiterung 21

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

tage auf den Trägern des mobilen Roboters sind zwei Polyamid-Unterlegscheiben

vorgesehen, die einen Kontakt zu den Trägern verhindern.

Abbildung 14: Neu erstellte Hauptplatine (Quelle: Autor)

3.2.2 Linien-/Positionssensor Platine

Der neue Positionssensor und die dafür erforderliche neue Schaltung erhalten eben-

falls eine neue Platine und ein neues Design. Anders als bei der originalen Platine

des Projekts, sind die Bauelemente bis auf einen Widerstand und die beiden Linien-

sensoren auf der oberen Seite bestückt. Letzt genannte Liniensensoren sind der

Grund für die Verwendung einer zweiseitigen Platine, bei der die Problematik der

fehlenden Möglichkeit für Durchkontaktierungen gelöst werden muss. Die Beschal-

tung der Liniensensoren löst dieses Problem jedoch schon fast selbst, indem vier der

sechs Stellen, an denen eine Durchkontaktierung erforderlich ist, mit Widerständen

bestückt werden, dessen Drähte die Verbindung zwischen den beiden Ebenen herstel-

len. Auch an den restlichen zwei Stellen ist das Problem ähnlich gelöst worden, so

dass der Kontakt zwischen den Leiterbahnen auf der Ober- und Unterseite sicherge-

stellt ist. Wie bei der Hauptplatine sind auch hier, aufgrund des Ätzverfahrens, alle

Leiterbahnen 0,5 mm breit und können unter normalen Bedingungen bis zu 2 A aus-

halten [11][15].

Damit die Bauelemente auf der Oberseite bestückt werden können und die Platine

dennoch so nah wie möglich an der Grundplatte montiert werden kann, sind die Bau-

elemente der Schaltung so angeordnet worden, dass sie in die Aussparung der

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3 Hardwareerweiterung 22

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

Grundplatt passen (siehe Abbildung 15). Nur der Widerstand R4 befindet sich außer-

halb dieser Aussparung und ist deswegen von unten auf die Platine bestückt worden.

Dadurch kann die Platine höher montiert werden und ist nur von zwei Polyamid-

Unterlegscheiben von der Grundplatte entfernt (1 mm). Die neue Bodenfreiheit von

2,5 mm kann durch Montierung der Platine mittels Senkkopfschrauben noch auf bis

zu 3,5-4 mm erhöht werden, wodurch die Liniensensoren der dem Boden am nächst

gelegene Teil des Roboters werden.

Abbildung 15: Ober- und Unteransicht der neuen Positionssensorplatine

(Quelle: Autor)

Der Positionssensor sitzt wie bei dem Vorgänger nicht in der Mitte des Roboters,

sondern auch etwas im hinteren Teil, so dass auch Rotationsbewegungen erkannt

werden können. Wie in Abbildung 16 zu erkennen ist, liefert der Positionssensor bei

dieser Bestückung bei Vorwärtsfahrt des Roboters negative Werte und in Rückwärts-

richtung positive Werte. Auch die Werte für Rechts und Links sind entgegengesetzt

eines normalen Koordinatensystems. Dies kann später durch eine Inversion der Wer-

te in der Software angepasst werden.

Abbildung 16: ACX-1001 Positionssensor im Roboter (Ansicht von oben) [6]

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4 Mechanik 23

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

4 Mechanik

4.1 Akkuhalterung

Die Akkus oder auch Batterien werden in ein dreier und ein zweier Fach eingelegt

und in Reihe miteinander verbunden. Die beiden Fächer, die bisher noch nicht in den

Roboter integriert sind, sollen zwischen den Getriebemotoren mit zwei Klettver-

schlüssen befestigt werden (siehe Abbildung 17).

Abbildung 17: Vorgesehene Befestigung der Akkufächer [17]

Ohne die Akkus/Batterien kippt der Roboter sehr leicht nach vorne, da er das Ge-

wicht der Akkus/Batterien für einen sicheren Stand braucht. Für die Integrierung der

Akkufächer in den überarbeiteten Roboter ist eine Halterung aus Aluminium kon-

struiert worden, die am hinteren Träger befestigt wird (siehe Abbildung 18). Dadurch

steht der Roboter auch ohne eingelegte Akkus/Batterien sicher und hat auch optisch

einen größeren Reiz. Die Akkufächer werden von beiden Seiten mit Senkkopf-

schrauben befestigt und sind damit fest mit dem Roboter verbunden. (Zeichnung der

Halterung befindet sich im Anhang)

Abbildung 18: Neue Befestigung der Akkufächer (Quelle: Autor)

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4 Mechanik 24

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

4.2 Transportklappe

In einem Erweiterungspaket der Zeitschrift c’t ist eine Transportklappe für den Ro-

boter erhältlich, mit der die Aussparung verschlossen werden kann, so dass Sachen

wie z.B. einen Tischtennisball darin ohne Verlust transportiert werden können. Die

vorgesehene Transportklappe, die bisher nicht montiert ist, besteht aus einer Art „D“-

förmigen Träger, an dem ein rechteckiges Metallstück angebracht wird (siehe Abbil-

dung 19). Der Sensor für die Transportklappe sitzt unterhalb der Hauptplatine und

wird beim Öffnen und Schließen vom „D“-förmigen Träger verdeckt bzw. nicht ver-

deckt. Ein Nachteil an dieser Konstruktion ist, dass der Stecker des rechten Ab-

standssensors entfernt werden muss und die Kabel direkt eingelötet werden müssen,

damit die Klappe daran vorbeikommt.

Abbildung 19: Transportklappe aus dem Erweiterungspacket [12]

Durch die Neugestaltung der Hauptplatine ist das Anbringen des Sensors schwierig,

da ein Auflöten auf der Unterseite der Platine durch das einseitige Layout nicht vor-

gesehen ist. Des Weiteren sitzt der Servo-Antrieb, durch den die Klappe betätigt

wird, tiefer als bei der Originalplatine, da unterhalb des CardS12 Moduls nur wenig

Platz ist. Aus diesem Grund ist eine neue Transportklappe aus Aluminium entwickelt

worden, die damit keine Probleme hat und wodurch der Stecker des Abstandssensors

nicht entfernt werden muss.

Die neue Klappe wird durch zwei Winkel hinter den vorderen Trägern gehalten und

wird mit einer vertikalen Bewegung geöffnet oder geschlossen. Die Kraft des Servo-

Antriebs wird mittels einer Stange und eines Hebels auf die Transportklappe übertra-

gen. Der Sensor, der erkennt ob die Transportklappe geöffnet oder geschlossen ist,

sitzt nun seitlich auf einem Stück Lochrasterplatine und wird über Kabel mit der

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4 Mechanik 25

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

Hauptplatine verbunden. Da die neue Transportklappe nur ein geringes Gewicht hat,

entsteht keine Kippgefahr beim Roboter. (Zeichnung im Anhang)

Abbildung 20: Neue Transportklappe (Quelle: Autor)

Sensor

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5 Zusammenfassung 26

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

5 Zusammenfassung

Ziel dieses Projektes war die Funktion aller Sensoren des Roboters der c’t zu über-

prüfen und gegebenenfalls zu verbessern oder diese zu ersetzen. Besonders der Posi-

tionssensor einer optischen Maus sollte durch eine Alternative ersetzt werden. Au-

ßerdem sollte der Mikrocontroller des Roboters durch den leistungsstärkeren Mikro-

controller des Typs 68HCS12 ersetzt werden und die Hardware dafür verändert wer-

den. Dabei sollte auch die bis dahin noch nicht implementierte Hardware für eine

Fernsteuerung und den Akku-Betrieb berücksichtigt und getestet werden.

Die Werte der Distanzsensoren wurden durch Isolierung des Gehäuses und durch

Kondensatoren stabilisiert und wurden deswegen auch präziser. Der Positionssensor

wurde durch einen Sensor einer Lasermaus ersetzt, wodurch der Roboter nun seine

zurückgelegte Strecke berechnen kann und seine Position kennt. Die restlichen Sen-

soren mussten teilweise nur besser justiert oder versetzt werden, aber hatten keine

weiteren Änderungen nötig. Der neue Mikrocontroller (68HCS12) ist durch das

CardS12 Modul und eine neue Leiterplatte integriert worden. Dabei wurde die alte

Schaltung an einigen Stellen verbessert und geändert, wodurch einige kleine Proble-

me beseitigt wurden und der Betrieb des Roboters mit einer Spannungsbreite von 6-

7,5 V ermöglicht wurde. Bei der Herstellung der neuen Leiterplatte wurde auch die

Hardware der Fernbedienung berücksichtigt und zudem der Servo-Antrieb für die

Transportklappe integriert. Die Transportklappe wurde zusätzlich neu gestaltet und

auch der Akku-Betrieb durch eine Halterung sichergestellt. Da die Low Drop Span-

nungsregler auch noch bei einer niedrigen Spannung von bis zu 5,2 V6 ausreichend

Versorgungsspannung liefern, ist eine Akkulaufzeit von über 3 Stunden möglich.

Abbildung 21: Überarbeiteter c’t-Bot mit 68HCS12 Controller 6 Da an der Schottky-Diode (D1) etwa 0,3 V abfallen, liegt die Betriebsspannung der Akkus dann bei etwa 5,5 V.

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6 Ausblick 27

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

6 Ausblick

Für den mobilen Roboter der c’t sind noch Erweiterungspakete erhältlich, die z.B.

das Abspeichern von Daten auf einer SD-Karte oder die drahtlose Kommunikation

über einen WLAN-Port ermöglichen. Es ist auch denkbar, den Roboter mit einer

Kamera auszustatten, durch die er seine Umgebung besser wahrnehmen kann und

Objekte erkennen kann. Eine integrierte Ladeeinrichtung für die Akkus wäre prak-

tisch und könnte so gebaut werden, dass der Roboter bei Bedarf selbst den Kontakt

der Ladestation findet. Weiter wäre eine Kommunikation unter mehreren c’t-Bots

denkbar, die über eine Bluetooth-Verbindung kommunizieren. Mit einer passenden

Mechanik für eine Schussvorrichtung könnte dann eine Art Fußball gespielt werden.

Dazu wäre es aber notwendig, die Hardware der Hauptplatine zu ändern, denn diese

Funktionen sind in diesem Projekt vernachlässigt worden. Zudem wäre dazu eine

Leiterplatte herzustellen, die nicht mit dem Ätzverfahren erstellt wird, denn auch

schon bei diesem Projekt waren die Möglichkeiten dadurch eingeschränkt. Denkbar

wäre auch, dass durch die Bestückung von SMD Bauelementen mehr Platz auf der

Hauptplatine geschaffen wird und auch der Mikrocontroller 68HCS12 direkt inte-

griert wird und nicht über ein Modul.

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7 Danksagung 28

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

7 Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei der Firma Jacob Schaltschränke GmbH & Co.

KG bedanken, insbesondere bei Alexander Golz und Gerhard Klose, die die Realisie-

rung der Akkuhalterung und Transportklappe ermöglichten.

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8 Anhang 29

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

Register des ACX-1001

Address Name R/W Default Data Type

0x00 Product_ID R 0x30 Eight bits [11:4] number with the product identifier

0x01 Product_ID R 0x00 Four bits [3:0] number with the product identifier Reserved[3:0] number is reserved for further

0x02 Motion_Status R - Bit field 0x03 Delta_X R - Eight bits 2’s complement num-

ber 0x04 Delta_Y R - Eight bits 2’s complement num-

ber 0x057 Operation_Mode R/W 0xD0 Bit field 0x067 Configuration R/W 0x01 Bit field

Nutzung der Register, um einen Bewegungswert auszulesen:

Die Register „Delta_X“ und „Delta_Y“ enthalten die Positionsveränderung seit dem

letzten Auslesen. Um die beiden Register auszulesen, wird zunächst im Register

„Motion_Status“ das „Motion Bit“ (7te Bit) abgefragt. Erst wenn dieses „1“ ist, hat

eine Bewegung stattgefunden und „Delta_X“ und „Delta_Y“ können ausgelesen

werden. Es folgen die Erklärungen zu den Registern, die zum Auslesen nötig sind.

Register Erklärung [6]:

0x00 Product_ID1 Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 Field PID[11:4] Usage The value in this register can’t change. It can be used to verify that the

serial communications link is OK.

0x01 Product_ID2 Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 Field PID[3:0] Reserved[3:0] Usage The value in this register can’t change. PID[3:0] can be used to verify that

the serial communications link is OK. Reserved[3:0] is a value between 0x0 and 0xF, it can’t be used to verify that the serial communication.

7 Die Register „Operation_Mode“ und „Configuration“ wurden nicht getestet und werden mit den „Default“-Werten betrieben, die für den Mausbetrieb implementiert wurden.

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8 Anhang 30

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

0x02 Motion_Status Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 Field Motion Reserved[3:2] DYOVF DXOVF Reserved[1:0] RES Usage Register 0x02 allows the user to determine if motion has occurred since the

last time it was read. If so, then the user should read registers 0x03 and 0x04 to get the accumulated motion. It also tells if the motion buffers have overflowed since the last reading. The current resolution is also shown. Reading this register freezes the Delta_X and Delta_Y register values. Read this register before reading the Delta_X and Delta_Y registers. If Delta_X and Delta_Y are not read before the motion register is read a second time, the data in Delta_X and Delta_Y will be lost.

Notes Field Name Description Motion Motion since last report or PD

0 = No motion (Default) 1 = Motion occurred, data ready for reading in Delta_X and Delta_Y registers

Reserved[3:2] Reserved for future use DYOVF Motion Delta Y overflow, ∆Y buffer has overflowed

since last report

0 = No overflow (Default) 1 = Overflow has occurred

DXOVF Motion Delta X overflow, ∆X buffer has overflowed since last report

0 = No overflow (Default) 1 = Overflow has occurred

Reserved[1:0] Reserved for future use RES Resolution in counts per inch

0 = 1600 1 = 800

0x03 Delta_X Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 Field X7 X6 X5 X4 X3 X2 X1 X0 Usage X movement is counts since last report. Absolute value is determined by

resolution. Reading clears the register. Report range –128 ~ +127.

0x04 Delta_Y Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 Field Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 Usage Y movement is counts since last report. Absolute value is determined by

resolution. Reading clears the register. Report range –128 ~ +127.

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8 Anhang 31

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

Portbelegung 68HCS12

Port A (Digital Out) PA0 Enable Radencoder PA1 Enable Abstandssensoren PA2 Enable Liniensensoren PA3 Enable Kantensensoren PA4 Enable Lichtschranke Transportfach PA5 Enable Klappensensor Transportfach PA6 Enable Rote LED PA7

Port B (Digital In) PB0 Akku Low PB1 Fehler Transportklappe PB2 Lichtschranke Transportfach PB3 Klappensensor Transportfach PB4 PB5 PB6 PB7

Port H (Digital Out) PH0 Motor links (Richtung) PH1 Motor rechts (Richtung) PH2 PH3 PH4 PH5 PH6 PH7 Indikator LED CardS12 (blau)

Port K (SDIO Interface) PK0 Positionssensor SDIO DATA PK1 Positionssensor SCLK PK2 PK3 PK4 PK5 PK6 PK7

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8 Anhang 32

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

Port T (Timer) PT0 Radencoder links PT1 Radencoder rechts PT2 Infrarot-Receiver (Fernsteuerung) PT3 PT4 PT5 PT6 PT7

Port P (PWM) PP0 Motor links (Geschwindigkeit) PP1 Motor rechts (Geschwindigkeit) PP2 PP3 PP4 Servo-Antrieb Klappe Transportfach PP5 PP6 PP7

Port ATD0 (Analog-Digital) PAD00 Abstandssensor links PAD01 Abstandssensor rechts PAD02 Liniensensor links PAD03 Liniensensor rechts PAD04 Kantensensor links PAD05 Kantensensor rechts PAD06 Helligkeitssensor links PAD07 Helligkeitssensor rechts

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8 Anhang 33

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

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8 Anhang 34

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

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8 Anhang 35

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

Stückliste Hauptplatine

Item Quantity Reference Part Footprint 1 3 C1,C8,C10 100uF cap196 2 8 C2,C3,C4,C5,C7,C11,C12,C13 100nF capck05 3 1 C6 4,7uF cap196 4 1 C9 0,33uF cap196 5 1 C14 10uF cap196 6 1 D1 SB140 dio400 7 1 D2 ZD 2,4V dio400 8 1 D3 LED led 9 2 D4,D5 1N4148 dio400 10 1 J1 Servo1 jumper3 11 1 J2 CARD12 X6 conn50 12 1 J3 CARD12 X5 conn50 13 2 LDR1,LDR2 MPY54C569 ldr 14 1 P1 LUM NEB 1R lumneb1r 15 7 Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7 BS250P/TO to92 16 2 R1,R2 10k res400 17 4 R3,R12,R13,R18 47k res400 18 3 R4,R15,R17 39k res400 19 1 R5 620R res400 20 2 R6,R25 4k7 res400 21 2 R7,R22 100R res400 22 5 R8,R9,R10,R11,R19 180R res400 23 2 R14,R16 6k2 res400 24 2 R20,R21 470k res400 25 1 R23 3k3 res400 26 1 R24 75k res400 27 1 R26 160R res400 28 1 R27 1R res400 29 1 ST1 Akkupack st2 30 1 ST2 MotorL st2 31 1 ST3 MotorR st2 32 1 ST4 Sensoren links st10 33 1 ST5 Sensoren rechts st10 34 1 ST6 Sensoren Boden st10 35 1 SW1 SW SPDT switch 36 1 U1 L293D dip16_3 37 1 U2 74HC14 dip14_3 38 1 U3 L4940V5/TO to126v 39 2 U4,U7 LM311 dip8_3 40 1 U5 TSOP34836 to126 41 1 U6 CNY70 cny70 42 1 U8 LM2940/5V to126v 43 1 U9 LM2937/3,3V to126v

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8 Anhang 36

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

Stückliste Linien-/Positionssensorplatine

Item Quantity Reference Part Footprint 1 2 C1,C2 10pF capck05 2 2 C3,C6 100nF capck05 3 1 C4 10uF cap196 4 1 C5 1uF cap196 5 1 D1 LASER DIODE jumper2 6 1 J1 CON10 con10 7 1 R1 150R res400 8 2 R2,R3 47k res400 9 2 R4,R5 180R res400 10 1 U1 ACX-1001 acx-1001 11 2 U2,U3 CNY70 cny70 12 1 Y1 27MHz quarz1

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8 Anhang

Praxisprojekt

Bestückungsplan der Hauptplatine

SS12

Bestückungsplan der Hauptplatine

37

Daniel Klose

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8 Anhang

Praxisprojekt

Layout der Hauptplatine (Bestückungsseite)

SS12

Layout der Hauptplatine (Bestückungsseite)

38

Daniel Klose

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8 Anhang

Praxisprojekt

Layout der Hauptplatine (Lötseite)

SS12

Layout der Hauptplatine (Lötseite)

39

Daniel Klose

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8 Anhang

Praxisprojekt

Bestückungsplan der

Layout der Linien(Bestückungsseite)

SS12

Bestückungsplan der Linien- /Positionssensorplatine

Linien-/Positionssensorplatine (Bestückungsseite)

40

Daniel Klose

/Positionssensorplatine

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8 Anhang

Praxisprojekt

Layout der Linien

SS12

Layout der Linien-/Positionssensorplatine (Lötseite)

41

Daniel Klose

/Positionssensorplatine (Lötseite)

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8 Anhang

Praxisprojekt

Zeichnung der Transportklappe

SS12

Transportklappe

42

Daniel Klose

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8 Anhang

Praxisprojekt

SS12

43

Daniel Klose

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8 Anhang

Praxisprojekt

Zeichnung der Akkuhalterung

SS12

Zeichnung der Akkuhalterung

44

Daniel Klose

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8 Anhang 45

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

E-Mail Schriftverkehr mit der Firma PixArt

Re: [**轉自原相網頁**] Datasheet of ACX-1001(20120503151525) [email protected]

An: Daniel Klose

Dear Sir:

ACX-1001 is a customizing product ,we can't offer the datasheet to you. Sorry.

============================================== || FAE & Sales Contact || PixArt Imaging Inc. || http://www.pixart.com.tw || 5F,No.5, Innovation Road I, Hsin-Chu Science Park, || Hsin-Chu, Taiwan, R.O.C. ============================================== <[email protected]> 2012/05/03 03:15 PM

To: <[email protected]> cc: Subject: [**轉自原相網頁**] Datasheet of ACX-1001(20120503151525)

聯聯聯聯 絡絡絡絡 我我我我 們們們們

主旨: [** 轉自原相網頁**] Datasheet of ACX-1001(20120503151525)

姓名: Daniel Klose

e-mail: [email protected]

收件部門: 客戶服務

訊息內容:

Good afternoon, I am student of a University of Applied Science in Germany and working on my thesis in electrical engineering. In my project I want to use the ACX-1001 device of you, but I can not find any datasheet of the device. Is it possible to get a datasheet of the ACX-1001 from you? I would be happy about an answer of you. Kind regards, Daniel Klose [email protected] Hochschule Ostwestfalen-Lippe University of Applied Science Liebigstr. 87 32657 Lemgo Germany http://www.hs-owl.de

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Literaturverzeichnis 46

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

Literaturverzeichnis

[1] http://www.wiki.ctbot.de, [Stand: 03.07.2012]

[2] SHARP: Datenblatt GP2Y0A21YK, Sharp Corporation, 2005

[3] Thorsten Thiele, „Untersuchung zum Abstandssensor GP2D12“, 06.02.2006. http://www.segor.de/L1Bausaetze/gp2d12.shtml [Stand: 17.05.2012]

[4] Heise Zeitschriften Verlag, „Hardware Modifikationen“, 07.03. – 10.06.2006. http://www.heise.de/ct/projekte/machmit/ctbot/wiki/ct-Bot-Modifikationen [Stand: 31.05.2012]

[5] Testberichte.de Redaktion, „Logitech LS1 Laser Mouse“, 13.08.2010. http://www.testberichte.de/p/logitech-tests/ls1-laser-mouse-testbericht.html [Stand: 14.05.2012]

[6] PixArt: Datenblätter Maussensoren „PAW3601DH“, PAW3602DH“, „PAW3603DH“, PixArt Imaging Inc., Taiwan, 03.2010. http://www.pixart.com.tw/product_data.asp?ToPage=1&productclassify_id=1&productclassify2_id=5 [Stand: 07.05.2012]

[7] Fabian Greif, „Liniensensor mit CNY70“, 13.01.2007. http://www.kreatives-chaos.com/artikel/liniensensor-mit-cny70 [Stand: 30.05.2012]

[8] Atmel: Datenblatt ATmega32, Atmel Corporation, San Jose, 02.2011

[9] CardS12: Benutzerhandbuch CardS12 V1.1, ELMICRO Computer GmbH & Co. KG, Leipzig, 09.08.2007

[10] Benjamin Benz, „Spielgefährten”, c’t Magazin 2/2006, S.130, Heise Zeit-schriften Verlag, 2006

[11] http://www.mikrocontroller.net, [Stand: 01.06.2012]

[12] Heise Zeitschriften Verlag, Projektseite „c’t-Bot und c’t-Sim“, http://www.heise.de/ct/projekte/c-t-Bot-und-c-t-Sim-284119.html [Stand: 04.07.2012]

[13] Vishay: Datenblatt TSOP34836, Vishay Semiconductor GmbH, Heilbronn, 23.06.2003

[14] Sprut.de, „IR-Fernbedienung –der RC-5 Code“, 16.07.2009. http://www.sprut.de/electronic/ir/rc5.htm [Stand: 13.06.2012]

[15] http://www.rn-wissen.de, [Stand: 15.06.2012]

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Literaturverzeichnis 47

Praxisprojekt SS12 Daniel Klose

[16] SHARP: Datenblatt IS471F, Sharp Corporation

[17] Holger Thiele, „c’t-Bot“, 2010. http://www.hthiele.de/ctbot6.html [Stand: 15.07.2012]

[18] Kraig Mitzner, „Complete PCB Design Using OrCAD® Capture and PCB Editor“, Elsevier Inc., 2009