Самодельный тахометр на микроконтроллере

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 20.09.2024

Добрый день.
Выношу на Ваше рассмотрение схему простенького цифрового тахометра на AVR ATtiny2313, КР514ИД2, и оптопаре спроектированного мною.
Сразу оговорюсь: аналогичных схем в интернете много. У каждой реализации свои плюсы и минусы. Возможно, кому-то мой вариант подойдет больше.

Начну, пожалуй, с тех. задания.
Задача: нужно сделать цифровой тахометр для контроля оборотов электрического двигателя станка.
Вводные условия: Есть готовый реперный диск на 20 отверстий от лазерного принтера. В наличии много оптопар от сломанных принтеров. Средние (рабочие) обороты 4 000-5 000 оборотов/минуту. Погрешность отображаемых результатов не должна превышать ± 100 оборотов.

Ограничение: питание для блока управление составляет 36В (тахометр будет установлен в один корпус с блоком управления – об этом ниже).

Маленькое лирическое отступление. Это станок моего друга. На станке установлен электромотор PIK-8, обороты которого контролируются согласно найденной в интернете и модифицированной схеме. По просьбе друга и был разработан простенький тахометр для станка.

Изначально в схеме планировалось применить ATMega16, но рассмотрев условия, решено было ограничиться ATtiny2313, работающего от внутреннего (RC) генератора на частоте 4 Мгц.

Общая схема выглядит следующим образом:

При необходимости внесения изменений в прошивку тахометра на плате предусмотрен разъем ISP.

На схеме подтягивающий резистор R12, номиналом 30 кОм, подобран опытным путём для конкретной оптопары. Как показывает практика – для разных оптопар он может отличаться, но среднее значение в 30 кОм должно обеспечить устойчивую работу для большинства принтерных оптопар. Согласно документации к ATtiny2313, величина внутреннего подтягивающего резистора составляет от 20 до 50 кОм в зависимости от реализации конкретной партии микроконтроллеров, (стр. 177 паспорта к ATtiny2313), что не совсем подходит. Если кто захочет повторить схему, может для начала включать внутренний подтягивающий резистор, возможно у Вас, для Вашей оптопары и вашего МК работать будет. У меня, для моего набора не заработало.

Так выглядит типичная оптопара от принтера.

Светодиод оптопары запитан через ограничивающий резистор на 1К, который я разместил непосредственно на плате с оптопарой.
Для фильтрации пульсаций напряжения на схеме два конденсатора, электролитический на 220 мкФ х 25В (что было под рукой) и керамический на 0,1 мкФ, (общая схема включения микроконтроллера взята из паспорта ATtiny2313).

Для защиты от пыли и грязи плата тахометра покрыта толстым слоем автомобильного лака.

Замена компонентов.
Можно применить любой светодиодный индикатор на четыре цифры, либо два сдвоенных, либо четыре поодиночных. На худой конец, собрать индикатор на отдельных светодиодах.

Вместо КР514ИД2 можно применить КР514ИД1 (которая содержит внутри токоограничивающие резисторы), либо 564ИД5, К155ПП5, К155ИД9 (при параллельном соединении между собой ножек одного сегмента), или любой другой преобразователь двоичного в семисегментный (при соответствующих изменениях подключения выводов микросхем).

Транзисторы VT1-VT4 – любые слаботочные, работающие в режиме ключа.

Принцип работы основан на подсчете количества импульсов полученных от оптопары за одну секунду и пересчет их для отображения количества оборотов в минуту. Для этого использован внутренний счетчик Timer/Counter1 работающий в режиме подсчета импульсов поступающих на вход Т1 (вывод PD5 ножка 9 МК). Для обеспечения стабильности работы, включен режим программного подавления дребезга. Отсчет секунд выполняет Timer/Counter0 плюс одна переменная.

Расчет оборотов, на чем хотелось бы остановиться, происходит по следующей формуле:
M = (N / 20) *60,
где M – расчетные обороты в минуту (60 секунд), N – количество импульсов от оптопары за одну секунду, 20 – число отверстий в реперном диске.
Итого, упростив формулу получаем:
M = N*3.
Но! В микроконтроллере ATtiny2313 отсутствует функция аппаратного умножения. Поэтому, было применено суммирование со смещением.
Для тех, кто не знает суть метода:
Число 3 можно разложить как
3 = 2+1 = 2 1 + 2 0 .
Если мы возьмем наше число N сдвинем его влево на 1 байт и приплюсуем еще одно N сдвинутое влево на 0 байт – получим наше число N умноженное на 3.
В прошивке код на AVR ASM для двухбайтной операции умножения выглядит следующим образом:

Mul2bytes3:
CLR LoCalcByte //очищаем рабочие регистры
CLR HiCalcByte
mov LoCalcByte,LoInByte //грузим значения полученные из Timer/Counter1
mov HiCalcByte,HiInByte
CLC //чистим быт переноса
ROL LoCalcByte //сдвигаем через бит переноса
ROL HiCalcByte
CLC
ADD LoCalcByte,LoInByte //суммируем с учетом бита переноса
ADC HiCalcByte,HiInByte
ret

Проверка работоспособности и замер точности проводился следующим образом. К вентилятору компьютерного куллера был приклеен картонный диск с двадцатью отверстиями. Обороты куллера мониторились через BIOS материнской платы и сравнивались с показателями тахометра. Отклонение составило порядка 20 оборотов на частоте 3200 оборотов/минуту, что составляет 0,6%.

Вполне возможно, что реальное расхождение составляет меньше 20 оборотов, т.к. измерения материнской платы округляются в пределах 5 оборотов (по личным наблюдениям для одной конкретной платы).
Верхний предел измерения 9 999 оборотов в минуту. Нижний предел измерения, теоретически от ±10 оборотов, но на практике не замерялся (один импульс от оптопары в секунду дает 3 оборота в минуту, что, учитывая погрешность, теоретически должно правильно измерять скорость от 4 оборотов в минуту и выше, но на практике данный показатель необходимо завысить как минимум вдвое).

Отдельно остановлюсь на вопросе питания.
Вся схема питается от источника 5В, расчетное потребление всего устройства не превышает 300 мА. Но, по условиям ТЗ, тахометр конструктивно должен находится внутри блока управления оборотами двигателя, а к блоку от ЛАТРа поступает постоянное напряжение 36В., чтобы не тянуть отдельный провод питания, внутри блока установлена LM317 в паспортном включении, в режиме понижения питания до 5В (с ограничивающим резистором и стабилитроном для защиты от случайного перенапряжения). Логичнее было бы использовать ШИМ-контроллер в режиме step-down конвертера, на подобии МС34063, но у нас в городе купить такие вещи проблематично, поэтому, применяли то, что смогли найти.

Фотографии платы тахометра и готового устройства.

К сожалению, сейчас нет возможности сфотографировать на станке.

После компоновки плат и первой пробной сборки, коробка с устройством отправилась на покраску.

В случае, если у Вас тахометр не заработал сразу после включения, при заведомо верном монтаже:

1) Проверить работу микроконтроллера, убедится, что он работает от внутреннего генератора. Если схема собранна правильно – на циферблате должно отображаться четыре нуля.

2) Проверить уровень импульсов от оптопары, при необходимости подобрать номинал резистора R12 или заменить схему подключения оптопары. Возможен вариант обратного подключения оптотранзистора с подтяжкой к минусу, с включенным или нет внутренним подтягивающим резистором МК. Также возможно применить транзистор в ключевом (инвертирующем) режиме работы.

P.S. по желанию заказчика тахометр отображает не один ноль, а четыре при отсутствии импульсов от оптопары.

P.P.S. Тахометр оказался очень чувствителен к перепадам оборотов двигателя. Незначительные пульсации напряжения вызывают отклонение частоты вращения, что незамедлительно отображается на экране тахометра. В будущем планирую сделать обработку для округления отображаемых результатов в пределах ±50 оборотов, если это будет нужно заказчику.

Всем привет! Хотелось бы поделиться с сообществом своей историей модернизации тахометра ТХ-193

Неделю назад обратился ко мне один человек с довольно нестандартным заданием — нужно было обеспечить работу древнего тахометра ТХ-193(ВАЗ 2106) с ~~современным~~ двигателем ВАЗ21126(Приора), имеющем систему зажигания с индивидуальными катушками на каждый цилиндр, а значит просто подключить ТХ-193 к катушке зажигания уже не получится. К тому-же заказчик хотел повысить эксплуатационные качества прибора, оставив не тронутым его внешний вид и дизайн. В общем дело кончилось тем, что я взялся выпотрошить электронную начинку прибора и разработать свою, ~~с блэкджеком и шлюхами~~. Информацию о частоте вращения коленчатого вала тахометр теперь будет получать от ЭБУ Январь 7.2, для чего в последнем имеется специальный вывод.

Под катом фото, видео, схема, исходники и много текста, повествующего о логарифмах и о том как правильно масштабировать данные и отделаться от запятой.

Хард
Начнем с устройства ТХ-193. Механическая часть прибора представляет из себя миллиамперметр классической конструкции, с постоянным магнитом и подвижной катушкой, приводящей в движение стрелку.

Софт
На самом деле ещё до вычерчивания схемы я оперативно собрал всё это дело на макетке, взяв контроллер в DIP корпусе и сразу же принялся махать стрелкой))
В общем то софт оказался немного интереснее харда.

Начнем с общей архитектуры:
Таймер 0 тикает с частотой 250кГц, а значит период тика = 4мкс прерывание по переполнению происходит с частотой 250кГц / 256 = 0.976кГц
а значит прерывание происходит один раз в 1024мкс. Можно было заморочиться и подогнать это дело ближе к одной миллисекунде путем обновления счетчика таймера в прерывании, но в данной задаче это не к чему. Т.е. мы можем измерять время с точностью 4мкс, что вполне достаточно для заданной точности прибора.
Таймер 0 у нас не только отсчитывает время, но ещё и выставляет флажки для запуска тех или иных задач с определенной периодичностью.
Задачи у нас две. Давать отмашку прерыванию INT0 на измерение периода импульсов на входе и изменять положение стрелки.

Таймер 1 тикает с частотой 16мГц, но т.к. он 16ти битный и используется режим Phase and Frequency Correct PWM — итоговая частота ШИМ оказывается очень небольшой и составляет что-то около 122Гц. Это потому, что таймер тикает сначала вверх, а потом вниз. Зато имеем тру 16битный ШИМ и можем очень точно рулить стрелкой! В даташите найдутся все подробности.
Механика, к слову сказать, оказалась отвратительного качества, плавно двигать стрелку было не реально из-за повышенного трения в механизме, который пришлось для начала хотя-бы смазать трансмиссионным маслом. Но это уже детали.
Была составлена таблица соответствия показаний прибора с соответствующим значением регистра таймера в ШИМ попугаях.
В исходниках это дело называется GAUGE_TABLE и вынесено по привычке в отдельный файл.

Текста почему-то получается всё больше, но не остановиться более подробно на этом моменте я просто не могу!
Итак, понятно, что нам нужна логарифмическая прогрессия. Шаг изменения тока в цепи миллиамперметра должен уменьшаться по мере приближения к целевой отметке. Ресурсы на вес золота, а значит только табличный метод. Точек тоже по возможности минимум.
Начнем с построения логарифмической таблицы.
Всё очень просто: запускаем excel и несколькими взмахами мыши получаем 50 значений логарифма по основанию 2 для последовательности от 1 до 50. Для наглядности строим красивый график.
Прекрасно! То, что нужно! Но во-первых — точек аж 50, а во вторых все числа с плавающей точкой. Это нам никак не подходит!
Поэтому отбираем из имеющегося массива 5 точек с шагом 10. Получаем что-то вроде этого:

Уже лучше. Последовательное приближение к цели всё ещё сохраняется, но точек в 10 раз меньше.
Дальше нужно нормировать полученный набор. Т.е. сделать так, чтобы все значения находились в диапазоне от 0 до 1. Для этого просто разделим каждый элемент на 5,64385618977472 (максимальное значение нашего массива).

Таким образом получаем всё ту-же логарифмическую зависимость, но уже в на много более удобном для дальнейших вычислений виде. Такую таблицу уже можно довольно легко применять, если бы не точка после нуля. Но с этим мы тоже довольно легко разберемся.
Теперь я хочу, чтобы мы приняли красивое значение 1024 за единицу и снова пересчитали нашу таблицу. Получаем

Как видим, форма графика не изменилась, но цифры теперь укладываются в 16битный диапазон и нет никаких дробей.
В исходниках полученный массив называется logtable[]

Масштабирующий коэффициент(если можно его так назвать) 1024 появился здесь не случайно и нужно очень хорошо понимать почему именно 1024.
Во-первых это степень двойки и выбрана она потому, что дорогие операции деления и умножения на степень двойки можно заменить дешевым сдвигом влево/вправо и было-бы глупо не использовать такую возможность.
Во-вторых коэффициент должен выбираться и исходя из масштабов тех данных, к которым он будет применяться. В нашем случае это значения регистра 16ти разрядного таймера, который управляет заполнением ШИМа. Экспериментально было выявлено, что неудовлетворительные колебания стрелки обнаруживаются даже при её резком смещении на 200 об/мин. Т.е. если нужно двинуть стрелку на более чем ~200 об/мин — потребуется сглаживание. Из таблицы GAUGE_TABLE видно, что соседние ячейки в среднем отличаются на 4000 ШИМ попугаев, что соответствует примерно 500 об/мин на шкале прибора. Не трудно прикинуть, что в цифрах смещение стрелки на 200об будет 4000 / 2,5 = 1600 ШИМ попугаев.
Следовательно масштабирующий коэффициент нужно выбрать таким образом, чтобы во-первых он был как можно бОльшим, потому что иначе мы теряем разряды и точность, а во-вторых как можно меньшим, чтобы не заставлять нас переходить от 16ти разрядных переменных к 32х разрядным и не расходовать ресурсы понапрасну. В итоге выбираем наименьшую степень двойки, которая меньше 1600 и обеспечивает достаточную точность. Это и будет 1024.
Этот момент очень важен. Я сам до сих пор порою испытываю трудности с выбором правильных коэффициентов и размеров переменных.

Ну а дальше уж пошло-поехало. Находим в коде реализацию display_rpm() и видим, что для определения конкретного значения в ШИМ попугаях используется таблица GAUGE_TABLE[] и предположение, что между соседними отметками шкала линейна. Для организации изменения тока по логарифмическому закону введен массив на 5 точек pwm_cuve[] в котором содержится набор значений, который нужно последовательно отнять или прибавить(в зависимости от направления движения стрелки) от pwm_ocr1a_cur_val чтобы заставить стрелку двигаться плавно и чётко.
каждый шаг формируется путем умножения значения pwm_delta на коэффициент из нашей таблицы logtable[];
Перед умножением значение предварительно масштабируется путем деления на 1024.
Конечный расчётный пункт назначения стрелки target_pwm записывается в pwm_cuve[] как есть, потому что из-за проблем с округлением и из-за ограничения размерности переменных 16битами точное значение в результате расчётов будет там образовываться весьма не часто, поэтому приходится обеспечить гарантию того, что стрелка окончит свой путь в заданной точке.
В общем то всё вышесказанное по сути заключено в одной строке
pwm_cuve[ table_i ] = pwm_ocr1a_cur_val + (pwm_delta / LOG_TABLE_MAX * logtable[ table_i ]);

Далее главный цикл по сигналу от таймера0 раз в PWM_UPD_PERIOD выгребает значения из pwm_cuve и присваивает их переменной pwm_ocr1a_cur_val, значение которой в прерывании будет присвоено регистру OCR1A, что немедленно приведет к изменению заполнения ШИМа и изменению тока в цепи миллиамперметра.

Вот, собственно и почти все хитрости, за исключением перевода периода, представленного в тиках таймера в частоту вращения коленчатого вала, которая измеряется в об/мин.
Сократилось всё это до engine_rpm = (uint16_t)(15000000UL / (uint32_t)rot_time);
О том как получилась эта цифра мы можем поговорить или не поговорить в следующий раз, потому что и без того текста получилось не мало и явно не многие дочитают даже до этого места.

Немного видео, как и обещал
На точность показаний не обращайте внимание, стрелка нормально не одета + циферблат не закручен.
Движение стрелки с шагом 1000об/мин одним скачком.

Дело ясное, что в реальности скачков в 1000об/мин не будет и те незначительные перелеты стрелки, которые всё-же можно наблюдать на видео не станут проблемой. Просто если устранить и их — то можно здорово потерять в быстродействии прибора и его показания будут отставать от реальности.

До новых встреч!

Проверка прибора на автомобиле

Клиент очень доволен!
А когда увидел эту статью и все исходники, включая некоторые фото самого процесса изготовления платы — сказал, что его мозг взорван!

Предлагаю вариант тахометра на AVR микроконтроллере с большими цифрами на символьном дисплее. Цифры выстраиваются из отдельных сегментов на всю высоту дисплея, что делает показания прибора более читабельными. Рассчитывался на диапазон измерения от 300 до 9999 оборотов в минуту. Но получилось так, что при более высоких (от 10000) об/мин, младший разряд сдвигается за пределы экрана и прибор показывает количество оборотов в минуту, делённое на 10, что тоже неплохо.

Схема построена на микроконтроллере ATmega8. Для вывода показаний тахометра используется распространённый дисплей WH1602 на базе контроллера HD44780 (KS0066).

Для более точного подсчета частоты вращения коленчатого вала, микроконтроллер тактируется от внешнего кварцевого резонатора на 8 MHz. Фьюзы выставляются соответствующие:

Если высокая точность измерения не сильно важна, то можно обойтись без внешнего кварца, при этом фьюзы нужно будет выставить на тактирование от внутреннего RC генератора на 8 МГц. Так как печатная плата разведена для МК в корпусе TQFP-32, на ней, для удобства, предусмотрен ISP разъём для внутрисхемного программирования. В прикрепленном архиве находятся несколько прошивок с различными временными интервалами обновления показаний тахометра на дисплее: 50, 100, 150, 200, 250, 333 и 500 мс (период указан в имени файла прошивки), а также для сигналов входа 1 импульс на оборот и 2 импульса на оборот. Также в архиве находятся файл печатной платы и проект Proteus. После сборки схемы и прошивки микроконтроллера получается такое вот устройство:

На видео показана работа тахометра с прошивкой 1 импульс на оборот и периодом обновления показаний дисплея 50 мс

В последнее время стала очень актуальна проблема контроля оборотов двигателя автомобиля. Ранее предложенные схемы имеют ряд недостатков, связанных с большим количеством элементов, большим потребляемым током и возможностью контроля оборотов двигателя только в цифровой форме.

2 0 _[0]

Тахометр-2 или Тахометр своими руками

Предлагаемый ниже тахометр вы можете собрать своими руками, прибор весьма прост по схеме, но обладает хорошими техническими характеристиками, собран на доступных компонентах. Тахометр может оказаться очень полезным при регулировочных операциях с электронными блоками зажигания двигателя автомобиля, при точной установке порогов срабатывания экономайзера и др.

Автор: Бирюков А.

0 0 _[0]

Тахометр-3

Предлагаю простой, но надежно работающий на моем автомобиле "Форд-Эскорт" электронный тахометр. Прибор имеет двухразрядный цифровой индикатор, показывающий число тысяч и .сотен оборотов в минуту. Питается тахометр от бортовой сети автомобиля и потребляет ток 0,45А.

2 0 _[0]

Электронный тахометр для автомобиля

Водителю иногда интересно знать, какое число оборотов развивает двигатель автомашины. Определить это можно с помощью несложного электронного тахометра (рис. 1), измерительного прибора, шкала которого градуирована в числах оборотов двигателя. Его удобно расположить поблизости от рулевого управления.

1 0 _[0]

Электронный тахометр для мотоцикла

Во многих мотоциклах, мопедах, мотонартах и другой мототехиике отсутствует такой важный прибор как тахометр. Предлагаю простой и надежный электронный тахометр. Он рассчитан на работу с одноцилиндровым двухтактным двигателем внутреннего сгорания с контактной или бесконтактной системой зажигания и позволяет измерять частоту вращения коленчатого вала до 10000 об/мин.

2 0 _[0]

2012 г.

Тахометр на Arduino

Тахометр - это полезный инструмент для подсчета RPM (оборотов в минуту) колеса или всего, что крутится. Самый простой способ сделать тахометр - это использовать ИК передатчик и приемник. В этой статье мы рассмотрим, как использовать ИК-передатчик и приемник для изготовления тахометра с применением Arduino. Результат отображается на ЖК-дисплее 16х2.

Автор: Касьянов А.

19 0 _[0]

28.02.2014

Простой тахометр с большими цифрами на ATmega8 и LCD 16x2

К авторской схеме были добавлены входные узлы для согласования с различными цепями съема сигнала, был введен входной формирователь, генератор для проверки и калибровки тахометра, несколько изменены цепи питания. В соответствии с модификацией схемы была разработана новая печатная плата.

В результате модификации тахометр приобрел несколько большую универсальность в виде трех входов для работы: с датчиком Холла, с индуктивным датчиком, с выходным ключом коммутатора катушки зажигания. Наличие разных входных узлов предохранит вход МК от случайного попадания импульсов большой амплитуды и позволит без проблем произвести необходимое подключение. Введенный в схему тахометра узел формирования импульса, уменьшает вероятность дребезга на входе МК и повышает качество счета МК на высоких оборотах.

Принципиальная схема изображена на рис.1

Рис.1 Принципиальная схема тахометра

Режимы работы тахометра, выбираемые в меню, следующие (при использовании резонатора 8МГц):

Количество цилиндров - количество катушек зажигания - тактность

Так, например, если счет в режиме 1 (Р.1.0/4-14) соответствует 4200об/м, то в режиме 2 (Р.1.5/6-1-4) количество об/м составит 2800; для режима Р.2.0 – 2100; для Р.2.5 – 1680 и т.д. С одним датчиком на валу выбирается режим Р.1.0 – 4-1-4. При использовании кварцевого резонатора на 4МГц результат измеренных тахометром показаний возрастает вдвое. Итак, всего 16 режимов, из которых первые 4 довольно часто бывают востребованными, остальные же из указанных являются достаточно редкими, не указанные – экзотическими и явно ни количество тактов, ни количество цилиндров, ни количество КЗ к этим режимам не отображены.

Тахометр собран на печатной плате, изображенной на рис.2

Рис.2 Печатная плата тахометра в сборе

Дисплей может быть применен любой 4-разрядный с общим анодом и располагается вне печатной платы. Для проверки и демонстрации работы платы тахометра на макетной плате был собран адаптер для однотипных (по цоколевке) достаточно популярных 0,36-, 0,56-дюймовых дисплеев. Адаптер стыкуется с разъемами, расположенными на плате тахометра, что может стать одним из способов расположения дисплея относительно платы (показано на рис.3).

Рис.3 Вид платы с дисплеями

Предварительна настройка тахометра (перед встраиванием в панель авто, например) может быть выполнена с помощью встроенного генератора (что очень удобно) и подключенного внешнего осциллографа или частотомера. При подаче сигнала (кнопка S1) на вход тахометра, измеряется частота сигнала, сопоставляемая с показаниями на дисплее тахометра. Частота генератора выставляется при необходимости с помощью потенциометра PR1. Длительность импульсов на выходе формирователя необходимо установить в пределах 1,5-3мс для предотвращения сбоев счета при высоких оборотах коленчатого вала.

Выбор подходящего режима для конкретной конфигурации ДВС можно произвести по формуле: F=N*I/30*U*G, где F - частота Гц, U - тактность, G - число катушек зажигания, N - обороты в минуту, I - число цилиндров. Сопоставимые показаниям измерения показаны на рис.4.

При питания от бортовой сети автомобиля потребление прибора с четырех-разрядным светодиодным дисплеем 0,56" ток потребления прибора, при указанных на схеме номиналах резисторов в цепи питания дисплея, не превышает 50мА. Погрешность показаний тахометра не превышает +/-50об/м.

Резисторы R15, R16 предназначены для альтернативной версии схемы формирователя и не используются в схеме.

Читайте также: