HSR
 
 

Funktionsprinzip

Die Bauteile des Surrlis im Überblick

Wie funktioniert der Surrli?

Der Surrli nutzt das Erdmagnetfeld als Referenz, um sich auszurichten und Umdrehungen zu detektieren. Dank dieser Referenz kann der Kreisel die Leuchtdioden während den einzelnen Runden stets am genau gleichen Ort ein- beziehungsweise ausschalten. Dabei ensteht für das menschliche Auge die Illusion eines still stehenden Schriftzuges, vorausgesetzt der Kreisel dreht sich schnell genug.

Wie funktioniert das Erdmagnetfeld?

Das Erdmagnetfeld wird unter anderem durch den Geodynamo-Effekt erzeugt. Man kann sich das Innere der Erde vereinfacht als einen riesigen Magneten mit Nord- und Südpol vorstellen.

 

 

Wie nutzen wir das Magnetfeld für unseren Surrli?

Der Kreisel nutzt das Magnetfeld als Referenz für die Orientierung. Dabei wird der Effekt der magnetischen Induktion ausgenutzt: Durch die Rotation des Kreisels ändert die Richtung des Magnetfeldes in der Spule. Dadurch wird in den Windungen der Spule eine elektrische Spannung induziert. Diese Spannung ist sinusförmig und deren Phase ist vom Winkel zwischen der Spule und dem Magnetfeld abhängig.

Wie messen wir die Spannung, die induziert wird?

Der Analog/Digital-Wandler im Mikrocontroller (MSP430AFE253) hat eine effektive Genauigkeit von zirka 2 Mikrovolt/Bit (14 Bit auf 37.5 mV). Mit dieser Auflösung und der Tatsache, dass die Induktionsspannung - je nach Drehzahl -  zirka 10 bis 1000 Mikrovolt beträgt, kann problemlos ohne ein zusätzlicher Verstärker gearbeitet werden. Dadurch kann die Spule direkt am A/D-Wandler angeschlossen werden und man erspart sich eine aufwendige Verstärkerschaltung.

Wie kommt die Schrift zustande?

Der Schriftzug ist in einzelne Buchstaben aufgeteilt. Jeder Buchstabe hat 5x7 Pixel (1 Pixel = Grösse der Leuchtdiode) zur Verfügung. Zwischen den Buchstaben werden - je nach Länge des Schriftzuges - ein, zwei oder drei Pixel Abstand eingefügt. Bei 256 Spalten pro Runde finden so maximal 42 Zeichen Platz.

 

 

Das menschliche Auge ist träge, es ist nicht in der Lage schnell bewegende Objekte zu differenzieren.

Ein Beispiel: Man fährt mit dem Auto auf einer Strasse und die Fahrbahnmarkierungen erscheinen nur noch als einzig langer Strich, da die Zwischenräume der Striche nicht mehr lange genug sichtbar sind, als dass unser Auge sie wahrnehmen könnte.

Dieses Prinzip wird beim Surrli ausgenutzt. Die Leuchtdioden werden sehr schnell ein - und ausgeschaltet. Da sie sich zusammen mit dem Surrli mitdrehen und sie immer am selben Ort ein- bzw. wieder ausgeschaltet werden, sieht das Auge einen konstanten Schriftzug. Hier können Sie beobachten, wie der drehende Surrli für eine Hochgeschwindigkeitskamera aussieht.

Wie schaffen wir es aber, dass die Leuchtdioden immer am gleichen Ort (oder Winkel) des Surrlis ein- bzw. ausgeschaltet werden? Das funktioniert folgendermassen:

Jedes Mal, wenn die Spulenspannung durch den positiven Nulldurchgang geht, definieren wir, dass dort unser Referenzpunkt (Winkel 0°) ist. Somit können wir von diesem Punkt aus nach einer bestimmten Zeit (= bestimmter Winkel) die Leuchtdioden entsprechend der Liste der Buchstaben ein- bzw. ausschalten. Da sich der Kreisel sehr schnell dreht (~30 Hz), wirkt es für das Auge, dass die Schrift immer vorhanden sei.

Was passiert jedoch, wenn der Surrli langsamer wird? Damit wir die Schrift an Ort und Stelle behalten können, müssen wir wissen, wie schnell sich der Kreisel dreht. Wird die Drehfrequenz kleiner, müssen wir die Leuchtzeit der einzelnen Pixel verlängern. Wieviel Zeit das effektiv ist, ermitteln wir dadurch, dass wir die Differenz zwischen zwei Drehungen des Kreisels zeitlich mitteln. Somit können wir feststellen, wie viel langsamer der Kreisel pro Runde wird und können die Leuchtdauer entsprechend anpassen.

Stabilisierung des Surrlis

Zur Auswuchtung des Surrlis muss das Gewicht der einzelnen Bauteile berücksichtigt werden. Je nachdem wo sich die Bauteile auf der Leiterplatte befinden, haben sie einen anderen Einfluss auf die Stabilisierung des Kreisels. Wir mussten die einzelnen Teile wägen und dann so platzieren, dass das Gewicht im Radius und in der Höhe so verteilt ist, dass der Schwerpunkt auf der Drehachse des Kreisels liegt.

Wer hat's erfunden?

Die Idee zur Entwicklung des Surrlis entstand an der HSR am Institut für Kommunikationssysteme (ICOM). Das Hauptziel war es damals, ein Projekt für den vom ICOM angebotenen Elektronikkurs für Jugendliche electronics4you zu entwickeln. Der Surrli kam damals bei den Teilnehmern des Kurses sehr gut an und war später auch das Give-Away am 40 Jahre Jubiläum der HSR.

Seither wird der Surrli als Werbegeschenk (nicht nur der HSR, sondern auch anderer Firmen), als Projekt im electronics4you sowie auch in den vom ICOM angebotenen Ferienpass-Events verwendet.