Hall-antureista

2kpl TLE4905L hall-anturia.

Sähkövaihdeprojekti on jo melko pitkällä. Koska käyttämäni osat eivät välttämättä ole aina niitä kaikkein kestävintä laatua (~50e kokonaisbudjetti), systeemin olisi hyvä tunnistaa edes joitakin käyttäjän virheitä, selvitä niistä ja estää osien ennenaikainen rikkoutuminen. Eräs tällainen tunnistin / anturisysteemi on pyörintätunnistin, jonka palauttamien arvojen perusteella päätellään pyöriikö ketju ja voidaanko vaihteita siten vaihtaa. Tällaisen tunnistuksen saisi aikaiseksi jo yhdelläkin tunnistimella, mutta toisaalta, määrä korvaa laadun...

Koko juttu kertoo, kuinka kahteen Hall-anturiin ja muutamaan magneettiin perustuva pyörimisen/pyörintäsuunnan tunnistin rakennetaan ja kuinka sellaista ei kannata kiinnittää.

Suunnitelma

Hall-anturipaketin kytkentäkaavio ja osasijoittelu-suunnitelma.

Tämän projektin osaprojekti perustuu kahteen TLE4905L -tyyppiseen hall-anturiin. Aloitin piirtämällä anturin datalehden[1] esimerkkikytkentää mukailevan oman versioni aiheesta ja pohtimalla, kuinka anturipaketin saisi mahdollisimman kompaktiksi. Taustalla tässä oli se ajatus, että pieneen tilaan paketoitu anturipaketti olisi helpompaa kiinnittää polkupyörään tarkalleen haluttuun kohtaan.

Datalehti, sivu 2.

Anturin datalehti kertoo kytkentöjen lisäksi kaikenlaista muutakin. Tunnistusalue ei anturin pienestä koosta johtuen ole kovinkaan suuri, mikä korostaa oikean sijoittelun tärkeyttä. Testieni perusteella anturi tunnistaa käyttämäni magneetin noin sentin etäisyydeltä, mutta tällöin anturin ja magneetin tulee olla täsmälleen päällekkäin kohdistettuina.

Anturin datalehti, sivu 8 (korostus lisätty)

Datalehdeltä löytyy myös tarkempi tieto anturin kytkeytymiseen tarvittavan magneettikentän voimakkuudesta. Koska minulla ei ole a) aihetta käsittelevän wikipedia-artikkelin lukemisenkaan jälkeen mitään käsitystä, mitä käytetty yksikkö oikeasti tarkoittaa eikä b) tarkkaa tietoa käyttämäni magneetin voimakkuudesta, oletan että Bilteman edullisimman magneettipaketin yksittäisen magneetin voimakkuus on jossakin 10mT ja 1T (T = Tesla) välillä. Ihan vain siksi, että anturi reagoi magneetteihin.

Suunnitelman realisointi - anturi

Työpiste.

Osat toimivat, joten kolvia kuumaksi. Ensimmäinen epäonnistuminen tapahtui lähes heti ensikosketuksella anturiin, sillä onnistuin katkaisemaan yhden anturin jaloista. Tämä ei kuitenkaan ollut paha ongelma, koska minulla oli varaosia tyrimisen varalle ja anturi oli vielä pelastettavissa.

Anturin uusi jalka - vastusta hyödyntäen.

Anturin jalka katkesi sen verran läheltä anturia, ettei jalka ylettänyt enää kytkennän pohjana toimineen piirilevyn läpi. Ratkaisuksi kolvasin katkenneen jalan kiinni vastukseen ja käytin vastuksen jalkaa piirilevyn läpivientiin.

Valmis osasijoittelu poikkeaa hieman suunnitelmasta.

Pienen hienomotorisen harjoitteen lopputuloksena minulla oli kaksi lähes identtistä anturi-vastus-pakettia valmiina piirilevylle kytkettäväksi. Alkuperäisestä suunnitelmasta poiketen sijoitin vastukset antureiden alle, mikä toisaalta lisäsi anturipaketin kokonaiskorkeutta, mutta vastaavasti pienensi piirilevyn kokonaispinta-alaa.

Testausvaihe.

Ennen anturin lopullista paketointia kirjoitin lyhyen testiohjelman, jonka avulla testasin toimiiko kytkentä. Testiohjelma lukee molempien antureiden tilatietoa ja tulostaa sen sarjaporttiin.

Anturit ja niiden tila magneetin liikkuessa. Kuva: hacks.ayars.org [2]

Lisäsin samaan testiohjelmaan vielä keskeytykseen perustuvan pyörintäsuunnan tunnistuksen (idea täältä). Ylläolevassa kuvassa kytkentäkaavioni HALL1-anturi vastaa A-signaalia. Mikäli magneetti liikkuu oikealle, kuvaa tulee lukea vasemmalta oikealle. Mikäli magneetti liikkuu vasemmalle, kuvaa tulee lukea oikealta vasemmalle.

Keskeytys on asetettu laukeamaan HALL1-anturin signaalin laskevalla reunalla eli toisin sanoen silloin, kun magneetti poistuu anturin havaitsemisalueelta. Keskeytyksen seurauksena suoritettava metodi lukee HALL2 -anturin tilatiedon ja päättelee siitä, kumpaan suuntaan magneetti liikkuu. (HALL2 ylhäällä = oikealle, HALL2 alhaalla = vasemmalle).

Kestävämpi versio anturista.

Kytkentä toimi, joten kuumaliimasin komponentit hieman enemmän suojaan ja pysyvästi paikoilleen.

Suunnitelman realisointi - magneetit

Biltema taulumagneetit, 12kpl pakkaus

Anturi perustuu magneettikentän havaitsemiseen, joten magneetteja täytyy olla. Edullisin molempiin ajattelemiini sijoituspaikkoihin sopiva magneetti löytyi Bilteman 12kpl magneettipakkauksesta.

Magneetin irrotus alkuperäisestä koteloinnista.

Jatkoin magneettien kanssa samalla linjalla kuin anturinkin kanssa - pienempi on parempi. Hieman raakaa voimaa ja suojalaseja käyttämällä sain magneetin irti alkuperäisestä koteloinnistaan. Tekniikkana ei ollut järjetön poskitärinä-räjähdys-sirpalepommi-puristus, vaan kotelon särkeminen muutamalla hieman kevyemmällä puristuksella.

Pohdin ensin magneettien sijoittamista takavaihtajan ohjurirattaisiin, mutta tässä oli mielestäni pari ongelmaa. Ensimmäinen ongelma oli antureiden sijoittelun vaikeus (liian pienet tilat ensikertalaiselle) ja toisena ongelmana olisi ollut tarve muuttaa jo aiemmin suunnittelemaani johtosarjaa (lisää johtimia takavaihtajalle).

Magneetti-rattaanpultti -testisovitus.

Toinen toteutustapa varmistui viimeistään sillä hetkellä, kun totesin magneettien olevan täydellisen kokoiset rattaanpultteihin sijoittamista ajatellen.

2-komponenttiepoksia, rattaanpultti ja magneetti (polarisaatio merkittynä).

Huippuvinkki: magneetin polarisaatio kannattaa merkitä ennen liimausta, mikäli anturi reagoi vain tietyn suuntaiseen magneettikenttään. Tässä meinasi ensin käydä ajatusvirhe, mutta (onnekas) tarkistusmittaus pelasti tilanteen.

Magneetti + rattaanpultti + epoksi = instant win!

Sivelin rattaanpulttiin reilusti epoksia, sovittelin magneetin paikoilleen ja viimeistelin magneetin ulkokehän ja pultin välisen sauman toisella kerroksella epoksia.

Magneettipultti asennettuna.

Lopputulos oli mielestäni hyvinkin onnistunut.

Anturin kiinnitys

Keskiyön kötöstys.

Yöllä olohuoneessa työskentelyssä (muun perheen nukkuessa) on se haittapuoli, ettei kovasti metelöinti ole kovinkaan suotavaa. Tämä johtaa monesti kaikenlaisiin improvisaatioihin. Kuvassa näkyvä anturipaketin kiinnike on malliesimerkki siitä, mitä kahdella abico-liittimellä ja pienellä pätkällä alumiiniputkea saa aikaan.

Hall-anturi kiinni pyörässä.

Samalla kyseinen kiinnike on hyvä esimerkki siitä, kuinka anturipakettia ei kannata kiinnittää. Improvisaatio-kiinnike oli helppo kohdistaa, mutta kiinnike ei valitettavasti vain pysynyt kovin hyvin eikä kovin kauaa paikoillaan - ei edes olohuoneen lattialla paikoillaan seisovan pyörän kyydissä.

Uudistettu kiinnike on jo mietintämyssyssä, mutta se täytyisi vielä rakentaa. Kiinnitysongelmien myötä pohtimani takavaihtajaan integroitu hall-anturi ei ole myöskään täysin poissuljettu vaihtoehto.

Linkit

[1] TLE4905L Datalehti - http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-TLE49X5L-DS-v01_05-en%5B1%5D.pdf?folderId=5546d4694909da4801490a07012f053b&fileId=db3a304316f66ee801173f11d5a23c96
[2] Using a quadrature encoder (rotary switch) with Arduino - http://hacks.ayars.org/2009/12/using-quadrature-encoder-rotary-switch.html