Простой универсальный тахометр на микроконтроллере ATtiny2313. Радиотехника, электроника и схемы своими руками. Цифровой тахометр на микроконтроллере PIC16F628 Бесконтактный тахометр на микроконтроллере pic

Что такое вообще тахометр ? Тахометр - это устройство, используемое для измерения об/мин (обороты в минуту) любого вращающегося тела. Тахометры делают на основе контактных или безконтактных. Бесконтактные оптические тахометры обычно используют лазерный или инфракрасный луч для контроля вращения любого тела. Это делается путем вычисления времени, затраченного на одно вращение. В этом материале, взятом на одном английском сайте, мы покажем вам, как сделать портативный цифровой оптический тахометр с помощью Arduino Uno . Рассмотрим расширенную версию прибора с ЖК-дисплеем и модифицированным кодом.

Схема тахометра на микроконтроллере

Список деталей для схемы

• Микросхема - Arduino
• Резисторы - 33k, 270 Ом, 10k потенциометр
• LED элемент - синий
• ИК-светодиод и фотодиод
• 16 x 2 LCD экран
• 74HC595 регистр сдвига

Тут вместо щелевого датчика задействован оптический - отражение луча. Так им образом не придется беспокоиться о толщине ротора, количество лопастей не изменит показания, и он может считывать обороты барабана - а щелевой датчик не может.

Итак, прежде всего для датчика вам потребуется излучающий ИК-светодиод и фотодиод. Как его собрать - показано в пошаговой инструкции. Нажимаем на фото для увеличения размера.

• 1. Для начала нужно зашкурить светодиод и фотодиод, чтобы сделать их плоскими.
• 2. Затем сложите полоску бумаги лист, как показано на рисунке. Сделайте две такие структуры так, чтобы светодиод и фотодиод плотно сесть в него. Соедините их вместе клеем и покрасьте в черный цвет.
• 3. Вставить светодиод и фотодиод.
• 4. Склеить их с помощью суперклея и припаять провода.

Номиналы резисторов могут различаться в зависимости от того, какой фотодиод вы используете. Потенциометр помогает уменьшить или увеличить чувствительность датчика. Припаяйте провода датчика как показано на рисунке.

Схема тахометра использует 8-разрядный регистр сдвига 74HC595 с LCD дисплеем 16х2. Сделайте в корпусе небольшое отверстие, чтобы зафиксировать LED индикатор.

Припаяйте 270-омный резистор на светодиод и вставьте в контакт 12 Arduino. Датчик введён в кубическую трубку, чтобы дать дополнительную механическую прочность.

Всё, устройство готово для калибровки и программирования. Скачать программу вы можете по этой ссылке .

Видео работы самодельного тахометра

Это была не моя задумка. Просто друг попросил придумать такое устройство, чтобы без проводов можно было бы считать обороты вала двигателя, для подстройки дизельной аппаратуры. И чтобы можно было в любом месте им воспользоваться.

Посидев и поразмышляв, придумал следующее:

Принцип работы простой: включаем ИК-светодиод, а на фотодиод принимаем отражение. Считаем время между приемами сигнала, переводим в обороты в минуту и выводим на экран. Питание, значит, батарейное.

В общем, не буду тянуть кота за..... :)

Был у меня микроконтроллер на тот момент такой - PIC16F88. Вот что получилось.

Схема устройства:

Я не стал заморачиваться с датчиком ИК сигнала. Хотя при желании можно было (и это для любознательных может послужить стимулом для усовершенствования J) воткнуть вместо фотодиода датчик TSOP1736 (который, собственно, был у меня в наличии на тот момент). Подавать на него 36 кГц можно, в принципе, с генератора, собранного на 555 таймере. Запускать генератор можно как раз сигналом, включающим ИК светодиод. Вот так как то… Причем, эксперименты такие я проводил. При подаче света с частотой 36 кГц на TSOP, его выход давал 5 вольт. При закрытии луча света, выход TSOP сбрасывался в ноль. Но, так как стояла задача собрать автономное устройство с минимальным потреблением, то тратить энергию на датчик и генератор я счел расточительным. К тому же, расстояние до измеряемого объекта было не особо критично. Устраивало расстояние даже в сантиметр. В общем, получилось так.

Питание ЖКИ - прямо с порта PIC, так же, как и питание LM358, для уменьшения энергопотребления в режиме sleep.

Живой платы первого опытного образца, к сожалению не осталось:(. Это была плата без усиления сигнала с фотоприемника. Сигнал поступал сразу в МК.

Выглядела плата так:

Так как уровня сигнала с фотоприемника не всегда хватало микроконтроллеру, то пришлось дополнять схему. Я собрал усилитель на LM358. Теперь схема выглядит именно так, как выглядит.

Подобрав корпус, и адаптировав под него плату, было собрано такое симпатичное устройство:

Принцип работы такой:

На исследуемый объект наносится метка обычным канцелярским корректором. Около 5-7 мм в диаметре. Либо приклеивается метка из белой бумаги.

При включении питания в первый раз, PIC начинает считать длительность периода между импульсами, которые, отражаясь от метки, приходят на фотоприемник. Если импульсов нет в течение примерно 4 секунд, показания сбрасываются на ноль. Если импульсы отсутствуют примерно 20 секунд, прибор переходит в режим пониженного потребления. Выключается индикатор. Для следующего измерения нужно нажать кнопку, подключенную к порту RB0. и прибор "просыпается". Цикл начинается сначала.

Точность показаний - отличная, но не на всем диапазоне. На высоких оборотах показания "плавают”, но незначительно, не критично.

Единственный минус этого прибора - не очень большая дальность. Около сантиметра. Но это решаемо, как я писал выше, с помощью фотоприемника типа TSOP1736 или TSOP1738 и генератора на 555 таймере. Надобность в LM358 в этом случае отпадает.

Еще одно уточнение - материал исследуемого объекта должен быть темным.

Архив с файлом протеуса и исходник лежит .

Вот кстати, нашел старый исходник, в котором реализован принцип подсчета импульсов с помощью модуля захвата, но индикатор там светодиодный. Но под LCD нетрудно переделать, проще будет

Тахометр - это устройство позволяющее измерять частоту вращения (скорость вращения) механизма (вал, ротор, диск двигателя). Единица измерения частоты вращения, обычно, - количество оборотов в минуту. Традиционный метод измерения частоты вращения основан на реализации обратной связи по скорости: используeтся генератор постоянного тока, который подключен к вращающемуся механизму таким образом, чтобы напряжение, индуцированное на клеммах генератора, было пропорционально скорости вращения вала.

В этой статье мы рассмотрим конструкцию тахометра на базе PIC микроконтроллера, не имеющего физического контакта с вращающейся частью механизма для измерения его скорости вращения. Эта техника основана на оптическом методе определения скорости вращения, который требует применения инфракрасного светодиода совместно с фотодиодом.

Основой прибора в нашем случае служит компактная отладочная плата производства компании .

Тахометр позволяет измерять скорость вращения до 99960 оборотов в минуту с разрешением 60 оборотов в минуту. Результат отображается на двухстрочном ЖК индикаторе.

Отладочная плата StartUSB for PIC выполнена на базе микроконтроллера компании Microchip с поддержкой интерфейса USB 2.0. Кроме того, плата имеет контактные площадки с сигналами линий ввода/вывода микроконтроллера, а также область для макетирования и подключения дополнительных устройств. На базе данной платы могут быть разработаны USB устройства сбора данных, коммуникационные устройства и USB mp3 плееры.

Отличительной особенностью платы StartUSB for PIC является то, что установленный на плату микроконтроллер имеет предустановленный USB загрузчик, что исключает необходимость в использовании дополнительного программатора. Кроме того, компания предоставляет бесплатную программу USB загрузчика для персонального компьютера, с помощью которой пользователь сможет без труда запрограммировать микроконтроллер. USB загрузчик для микроконтроллера (firmware) также предоставляется.

При оптическом методе определения скорости вращения инфракрасный светодиод передает ИК импульсы, а фотодиод улавливает отраженный сигнал. Если поверхность вращающейся детали будет темной и грубой, то отраженный сигнал будет незначительным, поэтому мы используем кусочек белой бумаги, наклеенной на вращающуюся деталь. Если же вся поверхность детали является яркой и отражающей, то нужно использовать кусочек темной бумаги, чтобы часть ИК излучения поглощалась за время полного оборота. В любом случае, мы получим импульс на выходе схемы преобразования и согласования сигналов для каждого полного оборота вращающейся детали.

Принципиальная схема ИК датчика и схема согласования сигнала с фотодиода

По схеме видно, что если на выводе IR Tx появится высокий уровень, то откроется транзистор (npn), управляющий ИК светодиодом. Отраженный сигнал поступает на фотодиод в схеме преобразования и согласования сигнала, нормализованные импульсы для подсчета микроконтроллером берутся с коллектора транзитора (pnp). При нормальных условиях, сопротивление фотодиода велико и транзистор всегда закрыт. Выход схемы (коллектор транзистора) подтянут к «земле». Если на фотодиод падает отраженный ИК сигнал, его сопротивление снижается и транзистор открывается, следовательно на выходе появляется высокий уровень.

В мы рассмотрим подключение датчика и ЖК индикатора к микроконтроллеру, основные моменты в конфигурации встроенного таймера микроконтроллера для решения нашей задачи, а также конструкцию тахометра.

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:

Как видно, ничего сложного. Для преобразования двоичного кода в семисегментный, я применил дешифратор КР514ИД2, это дает сразу три плюса.

• Во первых – экономия места в памяти ATtiny2313 за счет уменьшения рабочего кода (т.к. процедура программного преобразования двоичного кода в семисегментный отсутствует в прошивке за ненадобностью).
• Во вторых: уменьшение нагрузки на выходы ATtiny2313, т.к. светодиоды «засвечивает» КР514ИД2 (при высвечивании цифры 8 максимальное потребление составит 20-30 мА (типичное для одного светодиода) * 7 = 140-210 мА что «много» для ATtini2313 с её полным паспортным максимальным (нагруженным) потреблением 200 мА).
• В третьих – уменьшено число «занятых» ног микроконтроллера, что дает нам возможность в будущем (при необходимости) модернизировать схему путём добавления новых возможностей.

Сборка устройства осуществлена на макетной плате. Для этого была разобрана завалявшаяся в закромах плата от нерабочей микроволновой печи. Цифровой светодиодный индикатор, ключевые транзисторы (VT1-VT4) и ограничительные резисторы (R1 – R12) были взяты комплектом и перенесены на новую плату. Все устройство собирается, при наличии необходимых компонентов, с перекурами за пол часа. Обращаю внимание: у микросхемы КР514ИД2 плюсовая ножка питания - 14, а минус - 6 (отмечены на схеме) . Вместо КР514ИД2 можно применить любой другой дешифратор двоичного кода в семисегментный с питанием от 5В. Я взял то, что было под рукой.
Выводы «h» и «i» цифрового светодиодного индикатора отвечают за две точки по центру между цифрами, не подключены за ненадобностью.
После сборки и прошивки, при условии отсутствия ошибок монтажа, устройство начинает работать сразу после включения и в настройке не нуждается.

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).

При условии правильного переноса монтажа на МК ATMega8/ATMega16 данная прошивка будет работать, как и на ATtiny2313, но нужно подправить код (изменить названия констант) и перекомпилировать. Для других МК AVR сравнение не проводилось.

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.

Еще фотографии

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.
оптопара