Laptimer

In diesen Artikel stelle ich vor, wie ein einfacher Laptimer realisiert werden kann. Ich habe ihn Primär eingesetzt um die Rundenzeit meines Karts zu erfassen. Für diesen Einsatzbereich gibt es schon einige fertige Lösungen (MyChron, Alfano, etc..), diese sind aber recht teuer. Außerdem ist bei einem Selbstbau der Lerneffekt um einiges größer.

Hardware

Die Grundlage bildet der 8-Bit Mikrocontroller ATmega8 der Firma ATMEL. Dieser übernimmt alle Aufgaben die so anfallen. Das sind im großen und ganzen die Erfassung von:

• Drehzahl
• Geschwindigkeit
• Rundenzeit

sowie die Steuerung der

• LCD-Anzeige
• Hintergrundbeleuchtung
• Bestzeit-LED

Zur Anzeige wird ein alphanummerisches 4x20 Zeilen LCD verwendet (HD44780 kompatibel). Die Stromversorgung wird noch über einen 9V-Block realisiert der über einen Schaltregler die 5V erzeugt. Im Schaltplan ist noch die Möglichkeit vorgesehen über eine Z-Diode die für den Mikroconroller notwendigen 5V zu erzeugen. Davon sollte aber in der Praxis abgesehen werden. In Zukunft gedenke ich den 9V Block durch einen alten Handy-Akku zu ersetzen. Mittels eines NPN-Transistors besteht die Möglichkeit die Hintergrundbeleuchtung des LCD's über den Mikrocontroller einzuschalten. Das sollte beim Batteriebetrieb aber nur für kurze Zeit, z.B. beim beenden einer Runde geschehen. Weiterhin wird über eine LED angezeigt ob eine neue Bestzeit gefahren wurde.

Software

Kommt hoffentlich bald!

Funktionsweise

In den nachfolgenden Kapiteln wird ausführlich auf einzelnen Komponenten des Laptimers eingegangen.

Magnetstreifen

In die Kartbahn sind in der Regel an bestimmten stellen Magnetstreifen eingelassen. Dazu werden einfache Permanent-Magneten genutzt (siehe Quelle Patenschrift). Ein Magnetstreifen sollte sich auf jedenfall auf der Start-/Ziellinie befinden. Je nach Kartbahn gibt es aber auch mehrere Magnetstreifen auf der Strecke die es ermöglichen Zwischenzeiten zu erfassen. Die Magnetstreifen sind i.d.R. ca. 1,8cm breit und umfassen die ganze Länge der Kartbahn. Ein Reed-Kontakt schaltet in ca. 2cm abstand, wobei dieser Wert stark von der Empfindlichkeit des Reed-Kontaktes abhängt.

Rundenzeit erfassen

Um die Rundenzeit zu erfassen, muss zunächst einmal das Magnetfeld des Magnetstreifens beim überfahren erfasst werden. Dazu kann man einen Hallsensor oder Hallschalter einsetzen. Es sollte aber auch eine Reed-Kontakt reichen. Beim überfahren des Magnetstreifens wird der Reed-Kontakt für kurze Zeit geschlossen. Der dadurch entstehende Pegelwechsel kann über den Mikrocontroller einfach über den ICP-Pin (Input Capture) erfasst werden.

Drehzahl erfassen

Die Drehzahl wird Potentialfrei gemessen was kapazitiv über einen Draht geschieht der um das Zündkabel (Verbindung Zündkerze <> Zündspule) gewickelt wird.

Geschwindigkeit erfassen

Bei der Erfassung der Geschwindigkeit gibt es zwei möglichkeiten. Die Drehzahl der hinteren Achse kann direkt erfasst werden, was z.B. ebendfalls mittels eines Reed-Kontaktes und Magnet (wie beim Fahrrad) geschehen kann. Es besteht aber auch die Option die Geschwindigkeit aus der Drehzahl und dem Übersetzungsverhältnis (Ritzel <> Kettenrad) zu berechnen.

Berechnungen

Rundenzeit

Zunächst berechne ich wielange der Reed-Kontakt Zeit hat um im "Worst-Case" zu schließen. Dazu nehme ich eine Geschwindigkeit von $100~km/h\rightarrow 27.78~m/s$ an beim überfahren der Magnetschleife.

$s=v\cdot t\rightarrow t=\left({\frac {s}{v}}\right)=\left({\frac {1.8\cdot 10^{-}2~m}{27.78~m/s}}\right)=0.65~ms$

Der Reed-Kontakt hat also ca. 0.65 ms Zeit um zu schließen. Bei 50 km/h dementsprechend doppelt so viel (1,3 ms).

Drehzahl / Geschwindigkeit

Das ermitteln der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit gestaltet sich ähnlich. Es wird bei beiden zu messenden Größen die Zeitdifferenz die zwischen zwei Impulsen gemessen und daraus dann die entsprechende Geschwindkeit bzw. Drehzahl berechnet. Da sich Drehzahl und Geschwindigkeit grob nur in dem Übersetzungsverhältnis zwischen Ritzel und Kettenrad unterscheiden, kann mitunter von einer expliziten zusätzlichen Erfassung der Geschwindigkeit oder Drehzahl abgesehen werden.

Berechnungen die ich dazu angestellt habe befinden sich im nachfolgenden Bild oder in dem dazugehörigen PDF im Anhang.

Bilder

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Schaltplan

Laptimer_Rev_E.pdf

Quelltext

Kommt sobald ich den Code noch ein wenig schön gemacht habe.

Quellen

Die Quellen aus denen ich abgekupfert habe. Folgende Quelle müsste nach der Optik aus einem AppNote von Linear Technology sein. Vllt. weiß jemand wie das heißt und lässt es mich wissen.

Schaltplan Drehzahlteil
Patentschrift Alfano E.P.0632350
File:Laptimer Drehzahl Geschwindigkeit.pdf