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FS20-Erschütterungs-Sensor FS20 ES1

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Aus ELVjournal 06/2007     0 Kommentare
FS20-Erschütterungs-Sensor FS20 ES1
Bausatzinformationen
ungefähr Bauzeit(Std.)Verwendung von SMD-Bauteilen.
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Inhalt des Fachbeitrags

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Technische Daten

Spannungsversorgung3-V-Lithiumzelle
Ruhestromca. 3 μA
Sendefrequenz868,35 MHz
Reichweitebis 100 m Freifeld
Abmessungen (Gehäuse)90 x 40 x 24 mm

Diese Schaltung reagiert, ausgelöst durch einen empfindlichen mechanischen Sensor, auf Erschütterung bzw. Neigung. Durch den Batteriebetrieb ist z. B. eine Diebstahlsicherung von beweglichen Gegenständen (Fahrrad, Motorrad usw.) möglich. Auch bei der Gebäudesicherung eröffnen sich hier Möglichkeiten. Im Alarmfall wird ein Funksignal im FS20-Format ausgesandt, das dann z. B. von einem FS20-Funk-Gong oder einer PC-Steuerung zur weiteren Signalisierung empfangen wird.

Mimosenhafter Sensor

Die tropische „Mimosa pudica” reagiert mit schlagartigem Einklappen ihrer Laubblätter, wenn die Pflanze berührt wird, sich die Umgebung schnell abkühlt oder die Pflanze erschüttert wird, etwa durch Windbewegungen. Im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich der Begriff „Mimose” für alles etabliert, das auf äußere Einflüsse empfindlich reagiert. Will man geringste Bewegungen eines Objekts registrieren, so sind moderne Erschütterungs- und Neigungs-Sensoren als technische Mimosen die geeignete Wahl – keine andere Sensorart reagiert so empfindlich auf selbst kleinste Bewegungen. Der in unserem neuesten FS20-Projekt eingesetzte Sensor ist ein millionenfach bewährter mechanischer Sensor, dessen Arbeitsweise wir zunächst betrachten wollen, bevor wir zu seiner Anwendung kommen.
Bild 1: Die Funktionsweise des Sensors
Bild 1: Die Funktionsweise des Sensors
Anhand Abbildung 1 lässt sich der mechanische Aufbau und somit auch die Funktionsweise des Sensors erkennen. Wie man sieht, ist der Aufbau recht einfach. Zwischen zwei kleinen Kontaktplättchen befindet sich eine Metallkugel, die sich innerhalb der kreisförmigen Aussparung im oberen Kontaktplättchen bewegen kann. Solange sich die Kugel genau in der Mitte befindet, herrscht keine Verbindung zwischen den beiden Kontakten. Sobald der Sensor geneigt wird, verbindet die Metallkugel die beiden Kontakte. Der Sensor ist sehr empfindlich, d. h. bei jeder kleinsten Bewegung (Neigung) wird der Kontakt geschlossen bzw. geöffnet. Diese Funktionsweise erlaubt eine Anwendung als Neigungs-, Bewegungsoder Schock-Sensor.
Dass sich damit zahlreiche Sicherungs- und Überwachungsaufgaben lösen lassen, liegt auf der Hand – überall, wo nur die geringste mechanische Bewegung zu registrieren ist! Da fällt uns natürlich sofort die Diebstahlsicherung für Fahrrad, Bike und Auto ein. Sobald diese bewegt werden oder versucht wird, etwas abzubauen, kann der Erschütterungs- Sensor einen Alarm abgeben.
Aber auch in allen anderen Bereichen, bei denen unbefugtes „Betreten” durch mechanische Bewegungen begleitet wird, ist ein solcher Sensor nützlich eingesetzt, ob dies der Versuch ist, Rollläden anzuheben, Fensterflügel aufzubrechen, Gartenmöbel oder teure Solarleuchten abzubauen und abzutransportieren, Räume mit schwingendem (Holz-)Boden zu betreten usw.
Damit kann ein solcher Sensor z. B. Alarm auslösen, lange bevor ein Einbrecher oder Dieb Schaden, etwa einen aufgebrochenen Fensterflügel, anrichten kann. Bereits mit dem ersten Ansetzen eines Werkzeugs hat der Erschütterungs-Sensor Alarm ausgelöst, was bei jedem Einbrecher wohl mehr als einen Adrenalinstoß auslösen wird … Damit aber nicht jeder Windstoß zu einem Alarm führt, enthält die Auswerteelektronik eine Empfindlichkeitseinstellung für das Auslösen des Alarms. Auch die Lage des Sensors in der Ruhestellung ist entscheidend für den Einsatz. Dazu später mehr. Die Sensorschaltung gibt, einmal aktiviert, ein Funksignal im FS20-Format ab, womit sich das Gerät nahtlos in das FS20- Haussteuerungs-System einreiht. Damit sind dann alle FS20- Aktoren ansteuerbar, die für den jeweiligen Einsatzzweck nützlich sein können – vom Schalten der Außenbeleuchtung oder einer Video-Aufzeichnung über die akustischen Alarmmelder des Systems bis hin zu den FS20-kompatiblen Zentralen, die sogar E-Mails oder Meldungen über das Telefonnetz absetzen können. Auch auf Reisen ist der Sensor einsetzbar – z. B. hat ja bei weitem nicht jedes Hotel einen gut bewachten Parkplatz, und wenn es schlimm kommt, steht Ihr Wagen am Morgen ohne Räder da … Erschütterungs-Sensor im Wagen platzieren und z. B. den Sound-Recorder FS20 SIG in die Steckdose im Hotelzimmer stecken, schon hat man verdächtige Erschütterungen über eine Entfernung von bis zu 100 m unter Kontrolle – ideal auch für Biker unterwegs!

Einstellung und Programmierung

Der Sensor erlaubt, wie alle FS20-Sender, zunächst einmal die Einordnung in das FS20-Adress-System über die Definition eines Hauscodes und von FS20-Adressen. Damit ist, wie bereits erwähnt, das Ansprechen aller FS20-Empfänger und der dazu kompatiblen Zentralen möglich. Kernstück der Funk-Datenübermittlung sind jedoch Befehle, die das Verhalten der angesprochenen FS20-Empfänger bestimmen.
Im Auslieferungszustand sind die Einstellungen so gesetzt, wie in Tabelle 1 dargestellt. Die Programmierung erfolgt mit den Tasten TA 1 bis TA 4, die im Betriebszustand durch den Gehäusedeckel verdeckt sind. Die LED dient im Programmier-Modus als optische Rückmeldung. Die einzelnen Aktionen werden durch Blinken oder Dauerleuchten der LED angezeigt. Es ist möglich, Schaltbefehle auf zwei verschiedenen Kanälen gleichzeitig auszusenden, die dann an verschiedenen Empfängern unterschiedliches Schaltverhalten auslösen.

In der Tabelle 2 sind die Funktionen dargestellt, die mit den Tasten aufrufbar sind. Manuelles Schalten ist durch kurzes Betätigen der Tasten möglich. Durch längeres Betätigen (1 s bis 5 s ) werden die verschiedenen Programmier-Modi aufgerufen, die wir im Folgenden genauer betrachten wollen.

Sendebefehl festlegen/ Kanal (de)aktivieren

Der Sendebefehl legt fest, welches Schaltverhalten der Empfänger ausführen soll. Zudem lassen sich die Kanäle aktivieren bzw. deaktivieren. Wird ein Dimmer als Empfänger genutzt, kann man z. B. festlegen, mit welcher Helligkeit die angeschlossene Lampe eingeschaltet werden soll. Die folgenden Einstellungen sind getrennt für Kanal 1 und Kanal 2 vornehmbar.
Der Aufruf für die einzelnen Kanäle er folgt gemäß Tabelle 2, anschließend blinkt die LED. Danach sucht man einen Sendebefehl aus Tabelle 3 aus und gibt die beiden Ziffern nacheinander mit den zugehörigen Tasten (TA 1 für Ziffer 1 usw.) ein. Als Quittie rung für eine ordnungsgemäße Eingabe verlischt die LED.

Die Einschaltdauer wird für die Sendebefehle 33 bis 43 benötigt. Wiederum ist die Programmierung für den entsprechenden Kanal gemäß Tabelle 2 aufzurufen, die LED blinkt. Nun ist die Einschaltdauer gemäß Tabelle 4 über die vier Tasten ein zugeben. Die ersten beiden Ziffern geben dabei den Zahlenwert und die folgenden beiden Ziffern den Multiplikator mit der entsprechenden Zeiteinheit an. Beispiel (Werkseinstellung): Einschaltdauer 1 Minute, Eingabe 44 21 = 15 * 4 s = 60 s Nach ordnungsgemäßer Eingabe der vier Ziffern verlischt die LED.


Bei der Adressierung ist zu beachten, dass der Hauscode als einzige Einstellung für beide Kanäle gleich ist, während die Adres sierung auch hier für beide Kanäle getrennt erfolgt. Näheres zur Adressierung und ihrer Systematik ist in der mit dem FS20 ES1 ge lieferten Bedienungsanleitung ausgeführt. Die entsprechende Codierungsfunktion wird gemäß Tabelle 2 aufgerufen, und wenn die LED blinkt, sind die gewünschten Ziffern mit den entsprechenden Tasten nacheinander ein zugeben. Nach Eingabe der letzten Ziffer verlischt die LED.Bei der Adressierung ist zu beachten, dass der Hauscode als einzige Einstellung für beide Kanäle gleich ist, während die Adres sierung auch hier für beide Kanäle getrennt erfolgt. Näheres zur Adressierung und ihrer Systematik ist in der mit dem FS20 ES1 ge lieferten Bedienungsanleitung ausgeführt. Die entsprechende Codierungsfunktion wird gemäß Tabelle 2 aufgerufen, und wenn die LED blinkt, sind die gewünschten Ziffern mit den entsprechenden Tasten nacheinander ein zugeben. Nach Eingabe der letzten Ziffer verlischt die LED.

Sendeabstand

Der Sendeabstand verhindert unnötiges Auslösen in zu kurzen zeitlichen Abständen. Ein langer Sendeabstand kann die Batterielebensdauer entscheidend erhöhen, da insgesamt weniger oft gesendet wird. Die Einstellung ist wieder nach Tabelle 2 für den gewünschten Kanal aufzu rufen. Als Bestätigung beginnt die LED zu blinken. Jetzt sucht man den gewünschten Sendeabstand aus Tabelle 5 aus und gibt die Ziffer mit der entsprechenden Taste ein. Anschließend verlischt die LED.

Hinweis: Der Sendeabstand von 8 Se kunden darf nicht in Umgebungen einge stellt werden, in denen permanent auslö sende Bewegungen stattfinden, da sonst der zugelassene Duty-Cycle der Funkübertragung u. U. nicht eingehal ten wird (die Konventionen des genutzten ISM-Frequenzbandes legen ein maximales Puls-Pause-Verhältnis je Stunde auf dem belegten Kanal fest, um gegenseitige Stö rungen von Systemen zu verringern).

Empfindlichkeit

Es können vier verschiedene Empfindlichkeitsstufen eingestellt werden. Wie man in Tabelle 2 erkennt, ist die Empfindlichkeitsschwelle für beide Sendekanäle getrennt einstellbar. Als Bestätigung beginnt die LED zu blinken. Jetzt sucht man die Empfindlichkeitsstufe aus Tabelle 6 aus und gibt die Ziffer mit der entsprechenden Taste ein. Anschließend verlischt die LED.

Hinweis: Nicht nur durch diese Einstellung kann die Empfindlichkeit verändert werden, sondern auch durch die mechanische Position des Sensors (siehe „Hinweise zur Installation“).

Timeset

Soll der vom FS20 ES1 angesteuerte Empfänger auch von anderen Sendern (z. B. Handfernbedienungen des FS20-Funk- Schaltsystems) unter Nutzung des internen Timers bedient werden, so ist der interne Timer des Empfängers wie folgend beschrieben zu programmieren: Das Tastenpaar des Kanals, der dem zu programmierenden Empfänger zugeordnet ist, wird für mindestens 1 Sekunde (kürzer als 5 Sekunden) gleichzeitig gedrückt. Hierüber wird die Timerzeit-Messung zunächst gestartet und nach Ablauf der gewünschten Zeit auch wieder beendet. Während der Zeitmessung blinkt die LED des Empfängers. Für die eigentliche Programmierung der Timer gelten die Hinweise in den jeweils zugehörigen Bedienungsanleitungen der Empfänger. Die programmierbare Einschaltdauer der Sendebefehle 33 bis 43 hat Vorrang vor der internen Timereinstellung des Empfängers. Um mit dem FS20 ES1 die interne Timerzeit des Empfängers zu nutzen, ist ein Sendebefehl zwischen 11 und 32 zu wählen.

Schaltung

Bild 2: Das Schaltbild des FS20 ES1
Bild 2: Das Schaltbild des FS20 ES1
Das Schaltbild des Erschütterungs-Sensors ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Controller IC 1 vom Typ ATmega48 übernimmt die Auswertung der vom Sensor BS 1 kommenden Sig nale. Der Controller befindet sich im Ruhezustand in einem Energiesparmodus (Sleep-Modus), in dem nur wenige Microampere fließen. Hierdurch ist es möglich, die Schaltung über einen längeren Zeitraum mit einer Batterie zu versorgen. Sobald sich der Schaltzustand des Sensors verändert (offen <-> geschlossen), löst dies am Controllereingang PD 0 (Pin 30) einen Software-Interrupt aus. Der Controller „wacht“ jetzt auf und wechselt in den aktiven Modus.
Je nach programmierter Empfindlichkeit wird nun die Anzahl der vom Sensor kommenden Impulse in einem bestimmten Zeitraum gezählt. In der empfindlichsten Stufe reicht ein Impuls aus, um einen Alarm auszulösen. Mit Hilfe des Sendemoduls HFS 1 werden die vom Controller generierten FS20-Signale gesendet. Zum Programmieren der Einstellungen dienen die vier Taster TA 1 bis TA 4. Als optische Kontrolle für den Programmier-Modus und im Alarmfall ist die Leuchtdiode (D 1) vorgesehen.

Nachbau

Die Bestückung der Platine erfolgt gemischt mit SMD- und bedrahteten Bauteilen. Die SMD-Bauteile sind schon vorbestückt, so dass hier lediglich eine abschließende Kontrolle der bestückten Platine auf Bestückungsfehler, eventuelle Lötzinnbrücken, vergessene Lötstellen usw. notwendig ist. Die zu bestückenden Bauteile sind: Elko C 6, LED D 1 und Batteriehalter BAT 1. Die Bauteile werden von oben in die dafür vorgesehenen Bohrungen gesteckt und anschließend auf der Platinenunterseite verlötet. Bei dem Elko und der LED muss auf die richtige Polarität geachtet werden. Beim Elko ist der Minuspol am Gehäuse gekennzeichnet. Die Anode (+) ist bei der LED durch den etwas längeren Anschlussdraht erkennbar. Die Einbauhöhe der LED muss genau 17 mm (gemessen zwischen Oberkante und Platine) betragen. Der Batteriehalter für die Lithium-Bat terie ist an der gekennzeichneten Stelle einzulöten. Auf dem Batteriehalter wird ein kleiner Aufkleber angebracht, der die Polung der Batterie anzeigt. Nun erfolgt der Einbau in das Gehäuse. Zuvor ist die Batterie einzusetzen, wobei die folgenden Hinweise unbedingt zu beachten sind. Nachdem die Batterie ordnungsgemäß eingelegt ist, wird die Platine in die Gehäuseunterschale gelegt und mit vier Schrauben befestigt. Danach sind beide Gehäusehälften miteinander zu verschrauben.
Achtung! Bei unsachgemäßem Einsetzen bzw. Aus tausch der Batterie besteht Explosions gefahr! Die verwendete Lithium- Batterie muss kurzschlussfest sein. Ein Einsetzen der Batterie mit einem metallischen Gegenstand, wie z. B. einer Zange oder einer Pinzette, ist nicht erlaubt, da die Batterie hierdurch kurzgeschlossen wird. Zudem ist beim Einsetzen unbedingt auf die richtige Polarität zu achten (Pluspol nach oben!).

Hinweise zur Installation

Wie beschrieben, lässt sich die Empfindlichkeit per Software in vier Stufen einstellen. Wesentlich für die Empfindlichkeit ist aber auch die mechanische Einbauposition und somit die Lage des eigentlichen Sensors. Legt man das Gehäuse waagerecht ab, so dass die LED nach oben zeigt, ist der Sensor sehr empfindlich. Hierbei werden kleinste Erschütterungen und geringfügiges Neigen der Platine registriert. Sollen z. B. nur starke Stöße erfasst werden, ist das Gehäuse kopfüber (LED zeigt nach unten) zu montieren. Zur Befestigung werden rückseitig auf dem Gehäuse zwei Klebestreifen angebracht, die zur Befestigung auf glatten Oberflächen geeignet sind.
Achtung: Die hier vorgestellte Schaltung hat keine Zulassung entsprechend der StVZO und darf somit nicht innerhalb des öffentlichen Straßenverkehrs eingesetzt werden.

Ansicht der fertig bestückten Platine des Erschütterungs-Sensors ES1 mit zugehörigem Bestückungsplan, oben von der Bestückungsseite, unten von der Lötseite
Ansicht der fertig bestückten Platine des Erschütterungs-Sensors ES1 mit zugehörigem Bestückungsplan, oben von der Bestückungsseite, unten von der Lötseite


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