Бесконтактный тахометр на микроконтроллере AVR. Часть 1. Схема и принцип работы

Ibrahim Kamal (IKALOGIC)

Рассматриваемый бесконтактный тахометр – это компактное устройство на микроконтроллере ATMega48 производства компании Atmel, позволяющее измерять высокие скорости вращения бесконтактным способом. Для измерения используется ИК сенсор (оптопара, ИК светодиод и ИК фотодиод в одном корпусе). Вывод данных осуществляется на двухстрочный символьный ЖК дисплей на базе контроллера HD44780.

Бесконтактный тахометр на AVR

Принцип работы

ИК сенсор (оптопара), представляющий собой миниатюрный компонент с ИК светодиодом и фотодиодом в одном корпусе, посылает ИК излучение на вращающийся механизм (вал, ротор двигателя), на котором должна быть небольшая отражающая наклейка.

Принцип действия ИК оптопары в бесконтактном тахометре

Благодаря этой наклейке, каждый оборот вала вызывает появление отраженного импульса ИК излучения. Используемый сенсор производства компании Vishay Semiconductor имеет маркировку TCND-5000.

ИК Оптопара TCND-5000 VISHAY SEMICONDUCTOR

Данный сенсор был выбран после тестирования эквивалентных продуктов, так как его корпус обеспечивал оптическую изоляцию передающей и приемной части, а ИК светодиод выдерживает большие токи, что позволяет проводить измерения на больших расстояниях.

Таким образом, используя оптопару мы можем подсчитать время полного оборота вала, а далее, зная время (обозначим это время T в секундах), мы можем вычислит количество оборотов в минуту, используя простое выражение 60/T.

Получение данных от сенсора

Для снижения стоимости устройства и сложности сборки, а также для повышения гибкости системы, мы непосредственно подключим ИК сенсор к микроконтроллеру и программно реализуем всю обработку получаемого сигнала. Сразу стоит заметить, что это не так просто, так как получаемый с ИК фотодиода сигнал содержит шумы, а внешнее освещение постоянно оказывает на него влияние. Таким образом, проблема состоит в том, чтобы разработать устройство с автоматической адаптацией к внешней освещенности и расстоянию до объекта измерения.

На рисунке ниже изображена диаграмма аналогового сигнала от ИК сенсора (фотодиода)

Так как сигнал имеет шумы, при каждом определении наличия и отсутствия импульса (наличие импульса говорит о том, что вал вращается и сенсор «видит» отражающую наклейку), большое количество колебаний «вводит в заблуждение» микроконтроллер. Кроме того, эти факторы не позволяют использовать встроенный в микроконтроллер аналоговый компаратор, и нам необходимо ввести обработку аналогового сигнала перед каждой процедурой подсчета циклов.

Решение было найдено в оценке средней интенсивности, основанную на максимальном и минимальном значении интенсивности сигнала от сенсора, и включением гистерезиса в районе средней интенсивности. Гистерезис используется для предотвращения многократного счета циклов зашумленных импульсов. Рисунок ниже поясняет работу такого алгоритма.

Когда сигнал нарастает от низкого состояния (отсутствует отражение от наклейки на валу) к высокому (отражение ИК импульса), алгоритм возьмет в расчет этот импульс высокого уровня лишь после того, как он пересечет «возрастающий уровень» гистерезиса, и примет в расчет низкий уровень лишь после того, как сигнал пересечет «спадающий уровень» гистерезиса. Такой алгоритм позволяет избежать ошибок вычислений, вызываемых шумным сигналом.

Принципиальная схема устройства

Принципиальная схема: бесконтактный тахометр на AVR
Кликните для увеличения

Схемотехническое решение очень простое и компактное (благодаря использованию миниатюрного сенсора), не содержит дорогостоящих компонентов. Питание устройства осуществляется от трех батарей типа AAA.

Как вы, наверное, заметили, отсутствует потенциометр регулировки контрастности дисплея (что также позволяет уменьшить размер устройства). Это возможно благодаря программной реализации алгоритма автоматической подстройки контрастности в зависимости от уровня напряжения питания с применением ШИМ и фильтра низких частот на элементах R3, R4 и C2. Пользователи могут ознакомиться с текстом алгоритма в исходном коде ПО микроконтроллера во второй части статьи.

Разъем JP1 предназначен для внутрисхемного программирования микроконтроллера. Разъем JP2 предназначен для подключения дополнительного пользовательского датчика.

Список примененных компонентов

Обозначение
в схеме
Наименование, номинал
IC1 Микроконтроллер ATmega48
Q1, Q2 Транзистор BCW66G
C1, C2 10 нФ
C4, C5 33 пФ
X1 Кварцевый резонатор 20 МГц
R1, R2, R7 470 Ом
R3 1 кОм
R4 1.5 кОм
R5 1 МОм
R6 110 Ом
R8 70 Ом
LED3 Светодиод
IR1 Оптопара TCND-5000
B1 Кнопка
B2 Выключатель питания
JP1 Разъем внутрисхемного программирования
JP2 Разъем расширения

Демонстрация работы бесконтактного тахометра на микроконтроллере AVR

Во второй части статьи рассмотрим конструкцию прибора и основные моменты в программном обеспечении микроконтроллера, включая аналого-цифровое преобразование и организацию обмена данными с ЖК дисплеем.

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Contactless Tachometer on AVR. Part 1. Schematic

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • где взять прошивку для тахометра
  • Прошивка - во [URL="http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=77580"]второй части[/URL] статьи (в конце описания ссылка на архив с исходником и HEX)
  • большое спасибо
  • А разводка печатной платы есть?:confused:
  • К сожалению, рисунка печатной платы нет. Я думаю, что не составит много труда ее разработать. Компонентов не много и это несколько транзисторов, диодов, конденсаторов и резисторов.
  • Вы не думали сделать в месте с тахометром ещё и спидометр, что-бы использовать авто-мото технике. Схем отдельно тахометров и отдельно спидометров много, а вот сдвоенного аппарата нет ни одного. Если бы у вас получилось, то создали бы очень востребованую конструкцию! Как думаете?
  • Возможно, но это не много не тот тахометр. Соглашусь, что такая конструкция будет востребована. Сейчас я в сети встречал разработки по типу бортовых компьютеров, считывание данных по CAN/LIN с бортового компа и предоставление ее в наглядной форме в реальном времени на ЖК дисплеи в автомобиле. Что-то типа этого...
  • Печатка здесь [URL="http://radioparty.ru/forums/viewtopic.php?f=2&t=39"]http://radioparty.ru/forums/viewtopic.php?f=2&t=39[/URL]
  • хтонибудь пробовал собрать в протеусе
  • Чо там Протеусить , 3 детали...
Полный вариант обсуждения »