Sensor Exoten

Exoten

Sensorauge

Firma Sharp liefert einen interessanten optischen Entfernungsmesser mit Analogausgang (Typenbezeichnung GP2D12 --- Bezugsquelle: Conrad Elektronik, Best.Nr. 18 53 09) den man direkt an die Sensorbox anschließen kann.

Die Ausgangsspannung beträgt annähernd 0 Volt bei einer Entfernung von 80 cm oder größer, bei Annäherung bis 10 cm steigt sie auf etwa 2,5 Volt. Achtung: wenn man sich noch weiter annähert, dann sinkt die Ausgangsspannung wieder! Der Erfassungswinkel ist sehr klein, etwa 10 Grad. Bei seitlicher Abweichung wird die Messung zunehmend unpräzise. Durch Konbination mehrerer dieser Sensoren (leider nicht extrem preiswert) kann man auch ein einfaches 2- oder 3- dimensionales "Computerauge" aufbauen. Wegen der nicht idealen Charakteristik der Sensoren ist die programmtechnische Unterscheidung, welcher der Sensoren gerade "sieht", allerdings recht schwer zu programmieren.

Wenn man die Ausgangsspannung des Sensors auf dem Oszilloskop betrachtet, dann sieht man deutlich, wie die Ausgangsspannung stufenweise steigt oder fällt. Dieser Sensor ist ein typisches Beispiel für den Trend der technischen Entwicklung: In der ersten Phase der Digitaltechnologie war die primäre Funktion der meisten Sensoren analog, wurde dann mittels Analog-Digitalwandler zur digitalen Verarbeitung aufbereitet. Dieser Sensor arbeitet primär digital (vermutlich mittels eindimensionalem Zeilen-Bildsensor), wird jedoch für Low-Tech Anwendungen nachträglich in ein analoges Ausgangssignal verwandelt.

Video-Theremin

Die Idee dieses Web-Beitrags geht davon aus, bei einem Videosignal die Zeit zwischen dem Bildsynchronimpuls und dem ersten Bildinhalt, der eine gewisse Helligkeitsschwelle überschreitet, zu messen. Vom Erfinder der Idee wurde die Schaltung ursprünglich als gestisches Steuermedium propagiert. Ebenso lässt sie sich als Näherungssensor einsetzen. Mittels schwarzem Kasch vor der Kamera können unwesentliche Bereiche des Gesichtsfeldes ausgeblendet werden.

Hier ist eine relativ einfache Elektronik in Entwicklung, die zusammen mit der Sensorbox diese Zeitspanne als MIDI-Datenpaket an den Steuer-PC übermitteln kann.

Zur Funktion der Schaltung: Eingespeist wird ein Composite Farb- oder Schwarzweiss Videosignal. Im oberen Teil der Schaltung wird der Synchronimpuls herausgetastet und daraus der Bildsynchronimpuls herausgefiltert. Er setzt das darunter befindliche Flipflop zurück. Im unteren Teil der Schaltung kann mit Hilfe einer "Klemmstufe" das gesamte Videosignal in seinem Spannungswert gegenüber Masse verschoben werden. Die RC-Kombination 1 Kiloohm/220 Picofarad filtert den Farbträger sowie feinste Bilddetails heraus. Das so bearbeitete Videosignal wird auf den Setzeingang des Flipflops gegeben: übersteigt der momentane Spannungswert des Videosignals die Schaltschwelle des Flipflops (helle Bilddetails werden als höhere Video-Spannung übertragen), so schaltet es um, bis es vom nächsten Vertikal-Synchronimpuls wieder zurückgesetzt wird. Mit Hilfe des Potentiometers der Klemmstufe kann der minimale Helligkeitswert justiert werden, bei dem die Schaltung anspricht.
Über einen Inverter/ Puffer wird das so erzeugte, durch den Bildinhalt längenmodulierte Schaltsignal auf den digitalen Eingang #1 der Sensorbox gegeben.Die Dauer dieses Signals kann per Befehl abgefragt werden.
Diese Schaltung wurde so einfach wie möglich gehalten. Mit höherem Schaltungsaufwand liesse sich die Präzision verbessern, mehrere unabhängige Bildfelder auswerten, ein elektronischer Kasch einführen.

Tasten- und Schaltermatrix

Die Sensorbox kann mit wenigen externen Bauteilen eine Matrix von max. 55 unabhängigen Tastern oder Schaltern auswerten. Auch Mehrfachbetätigungen der Schalter werden korrekt erkannt. Mit zusätzlichen De-Multiplexern könnte die Anzahl der Tasten auf 32 x 11 = 352 erhöht werden. Ein Vorläufertyp mit 49 Busch-Jaeger Lichtschaltern wurde bei der Installation von Anne Niemetz an der HfG Karlsruhe eingesetzt.

Nach oben hin kann das Schaltbild für die Analogeingänge Ain 4 bis Ain 10 erweitert werden. Von den digitalen I/O wird zyklisch umlaufend immer genau einer als Ausgang Hard Low geschaltet, alle anderen Soft High. Entkoppelt durch die Dioden werden genau die Eingänge vom Schaltimpuls "heruntergezogen", deren mit der gerade "heruntergezogenen" Digitalleitung verbundener Schalter geschlossen ist.
Die analogen Eingangsspannungen schwanken je nach Schaltzustand:
Selektierter Schalter offen: Ain = knapp 5 Volt (2. MIDI Datenbyte etwa $70 = dez. 112 oder grösser).
Selektierter Schalter geschlossen: abhängig von der Anzahl der in dieser Spalte geschlossenen Schalter: Ain etwa 1 bis 2 Volt (2.MIDI Datenbyte etwa $19 bis $32 (dez. 25 bis 50).

Vor allem bei vielen analogen Eingängen ist die digitale Auswertung der analogen Eingänge nicht sicher. Es müssen die Analogzustände ausgewertet werden. Schwellenkriterium: 2.MIDI Datenbyte etwa grösser oder kleiner $4C (=dez. 76, entspricht etwa 3 Volt).

Elektrisch reichen die kleinen Entkopplungsdioden 1N4148 aus. Wenn die Matrix in freier Verdrahtung aufgebaut werden soll, kann mit den Typen 1N4004 die mechanische Stabililtät verbessert werden.

Lichtsensor mit Frequenzausgang

Digital I/O #1 der Sensorbox misst (unabhängig von der sonstigen ausgeführten Aufgabe) die Periodendauer der anliegenden Spannung. Der Messbereich liegt etwa zwischen 128 Mikrosekunden und 32 Millisekunden. Umgekehrt ausgedrückt können also Frequenzen zwischen ca. 31 Hz und 8 kHz ausgewertet werden.

Die Schaltung TSL230A von Texas Instruments (Conrad Elektronik Best.Nr. 16 39 53- 11, siehe Anmerkung unten) kann einen hohen Umfang der Lichtintensität in einen Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 1 MHz umsetzen, davon kann die Sensorbox nur ein kleines Fenster auswerten.

Zur Umrechnung in die übliche Eichung von Foto- Belichtungsmessern ist zu beachten:
Die Einheit uW/cm² beschreibt die objektiv auf den Sensor fallende Bestrahlungsstärke. Das menschliche Auge nimmt aber nur einen bestimmten Wellenlängenbereich hiervon wahr, und dies mit unterschiedlicher Empfindlichkeit. Die Einheit Lux (lx), mit der Belichtungsmesser geeicht sind, berŸcksichtigt dies und beschreibt die von der menschlichen Empfindung wahrgenommene Bestrahlungsstärke, die in diesem Kontext Beleuchtungsstärke genannt wird. Sehr grob gemittelt kann man umrechnen: 1 uW/cm² entspricht etwa 2,5 Lux. Zum Vergleich: die Beleuchtungsstärke in einer U-Bahn Station beträgt etwa 50 bis 100 Lux, durchschnittliche Beleuchtungsstärke eines Wohnraums etwa 100 bis 500 Lux, gute Arbeitsplatzbeleuchtung 2000 Lux, draussen bei hellem bedecktem Himmel etwa 5000 Lux bis zu 100.000 Lux bei direktem Sonnenschein.

Mit Hilfe der Steuereingänge S0 bis S3 kann die Ausgangsfrequenz des Sensors verringert und so an die Sensorbox angepasst werden. Hierzu eignen sich die digitalen I/O# 0 und 2, 3, 4. Im Prinzip kann eine selbst abgleichende Schaltung programmiert werden. Dazu wird in regelmässigen Abständen die Periode an I/O#1 abgefragt. Ist sie zu klein oder zu gross, wird die Skalierung per Software neu angepasst. Hoch- und Herunterschalten der Empfindlichkeit darf allerdings nicht bei der gleichen Schwelle erfolgen, sonst springt die Empfindlichkeit permanent hin und her. Die verschiedenen Empfindlichkeitsbereiche müssen sich hinreichend überlappen.

Steuerleitungen des TSL230A
S1 S0 Sensitivity S3 S2 f0 divider

L L Power down L L 1

L H 1 x L H 2

H L 10 x H L 10

H H 100 x H H 100

Es ist bemerkenswert, dass die Schaltung TSL230A ohne weiteren Abgleich laut Herstellerangaben eine absolute Genauigkeit von 10% aufweist, was etwa der Toleranz professioneller analoger Belichtungsmesser entspricht. Von Conrad Elektronik geliefert wird aber TSL230 (ohne A), diese IC-Variante ist nur mit 20% Toleranz spezifiziert.

* Informationsstand Okt '2000. Alle Angaben nach bestem Wissen.
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