Безконтактний тахометр на мікроконтролері AVR

Ibrahim Kamal (IKALOGIC)

Безконтактний тахометр, що розглядається, - це компактний пристрій на мікроконтролері ATMega48 виробництва компанії Atmel, що дозволяє вимірювати високі швидкості обертання безконтактним способом. Для вимірювання використовується ІЧ сенсор (оптопара, ІЧ світлодіод та ІЧ фотодіод в одному корпусі). Виведення даних здійснюється на дворядковий символьний РК-дисплей на базі контролера HD44780.

Принцип роботи

ІЧ сенсор (оптопара), що являє собою мініатюрний компонент з ІЧ світлодіодом і фотодіодом в одному корпусі, посилає ІЧ випромінювання на обертовий механізм (вал, ротор двигуна), на якому повинна бути невелика наклейка, що відображає.

Завдяки цій наклейці, кожен оберт валу викликає появу відбитого імпульсу ІЧ випромінювання. Використовуваний сенсор виробництва Vishay Semiconductor має маркування TCND-5000.

Даний сенсор був обраний після тестування еквівалентних продуктів, так як його корпус забезпечував оптичну ізоляцію передавальної та приймальної частини, а ІЧ світлодіод витримує великі струми, що дозволяє проводити вимірювання на великих відстанях.

Таким чином, використовуючи оптопару ми можемо підрахувати час повного обороту валу, а далі, знаючи час (позначимо цей часT в секундах), ми можемо обчислити кількість обертів за хвилину, використовуючи простий вираз60/T.

Отримання даних від сенсора

Для зниження вартості пристрою та складності складання, а також для підвищення гнучкості системи, ми безпосередньо підключимо ІЧ сенсор до мікроконтролера і програмно реалізуємо всю обробку сигналу, що отримується. Відразу варто зауважити, щоце не так просто, тому що одержуваний з ІЧ фотодіода сигнал містить шуми, а зовнішнє освітлення постійно впливає на нього. Таким чином, проблема полягає в тому, щоб розробити пристрій з автоматичною адаптацією до зовнішнього освітлення та відстані до об'єкта вимірювання.

На малюнку нижче зображено діаграму аналогового сигналу від ІЧ сенсора (фотодіода)

Так як сигнал має шуми, при кожному визначенні наявності та відсутності імпульсу (наявність імпульсу говорить про те, що вал обертається і сенсор «бачить» наклейку, що відображає), велика кількість коливань «вводить в оману» мікроконтролер. Крім того, ці фактори не дозволяють використовувати вбудований в мікроконтролер аналоговий компаратор і нам необхідно ввести обробку аналогового сигналу перед кожною процедурою підрахунку циклів.

Рішення було знайдено в оцінці середньої інтенсивності, засновану на максимальному та мінімальному значенні інтенсивності сигналу від сенсора, та включенням гістерези в районі середньої інтенсивності. Гістерезис використовується для запобігання багаторазовому рахунку циклів зашумлених імпульсів. Малюнок нижче пояснює роботу такого алгоритму.

Коли сигнал наростає від низького стану (відсутня віддзеркалення від наклейки на валу) до високого (відображення ІЧ імпульсу), алгоритм візьме до уваги цей імпульс високого рівня лише після того, як він перетне «зростаючий рівень» гістерези, і враховує низький рівень лише після того, як сигнал перетне «знижуючий рівень» гістерези. Такий алгоритм дозволяє уникнути помилок обчислень, що викликаються гучним сигналом.

Принципова схема пристрою

Схемотехнічне рішення дуже просте та компактне (завдяки використанню мініатюрного сенсора), не міститьдорогих компонентів. Живлення пристрою здійснюється від трьох батарейок типу AAA.

Як ви, мабуть, помітили, відсутній потенціометр регулювання контрастності дисплея (що також дозволяє зменшити розмір пристрою). Це можливо завдяки програмній реалізації алгоритму автоматичного підстроювання контрастності в залежності від рівня напруги живлення із застосуванням ШІМ та фільтра низьких частот на елементах R3, R4 та C2. Користувачі можуть ознайомитися з текстом алгоритму у вихідному коді програмного забезпечення мікроконтролера в другій частині статті.

Роз'єм JP1 призначений для внутрішньосхемного програмування мікроконтролера. Роз'єм JP2 призначений для підключення додаткового користувача датчика.

Список застосованих компонентів

Позначення у схемі	Найменування, номінал
IC1	Мікроконтролер ATmega48
Q1, Q2	Транзистор BCW66G
C1, C2	10 нФ
C4, C5	33 пФ
X1	Кварцовий 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	Світлодіод
IR1	Оптопара TCND-5000
B1	Кнопка
B2	Вимикач живлення
JP1	Роз'єм внутрішньосхемного програмування
JP2	Роз'єм розширення

Демонстрація роботи безконтактного тахометра на мікроконтролері AVR

У другій частиністатті розглянемо конструкцію приладу та основні моменти у програмному забезпеченні мікроконтролера, включаючи аналого-цифрове перетворення та організацію обміну даними з РК дисплеєм.

Переклад: Vadim на замовлення РадіоЛоцман

---