Optický otáčkomer

Občas sa zíde mať možnosť zmerať otáčky motora na lietadle alebo niečoho iného. Alebo len tak vyskúšať akými spôsobmi sa to dá.
A tak som sa pustil vyrábať otáčkomer.
otackomer

Prvé verzie otáčkomera vznikli pred niekoľkými rokmi, tu vám chcem ukázať ako vyzerá v súčasnosti.
Tento otáčkomer je primárne určený na meranie otáčok vrtuli modelu lietadla, ale dá sa použiť samozrejme aj na nejaký iný stroj, k tomu viac napíšem neskoršie.
Optický otáčkomer je taký, ktorý na meranie otáčok rotujúcej súčiastky využíva zmenu osvetlenia svetlocitlivého prvku vyvolanú otáčaním tejto súčiastky. V tomto otáčkomeri je ako svetlocitlivý prvok použitý fototranzistor. Ako zdroj svetla pre snímanie je najlepšie použiť denné svetlo, ale tiež sa dá použiť aj umelý zdroj (ledka, laser) vyžarujúci žiarenie s takou vlnovou dĺžkou, na akú je fototranzistor citlivý. Denné svetlo má však rôznu intenzitu s meniacou sa dennou dobou a orientáciou fototranzistora vzhľadom na slnko. Preto je potrebné aby sa s tým snímač dokázal vysporiadať. Na toto som prichádzal postupne, keď som zisťoval, že otáčkomer v laboratórnych podmienkach funguje dobre, v teréne buď zle, alebo vôbec :-) . Súčasná verzia už adaptivitu na osvetlenie má a teda nemá problém s jeho zmenami.


Princíp funkcie

Keď už máme snímač osvetlenia a umiestnime ho tak, aby otáčajúca sa vrtuľa pretínala lúč svetla dopadajúci na snímací prvok (a tým menila jeho osvetlenie), získame na ňom signál a čo s ním ďalej? Napríklad môžme frekvenciu tohto signálu nejakým spôsobom zmerať a zobraziť ju na displeji. Alebo sa dá frekvencia len zmerať a použiť na ďalšie spracovanie, čo by platilo v regulátore alebo inom zložitejšom zariadení. V mojom prípade ju teda chcem zobraziť a človek vykonávajúci meranie si ju prečíta.

 pouzitie

Na zmeranie frekvencie signálu, spracovanie a zobrazenie som použil µC, výsledok merania sa zobrazuje na znakovom displeji 1x16 znakov. Ale signál z fototranzistora treba ešte nejako upraviť, o to sa postará pár súčiastok medzi ním a µC. O tom ako sa signál spracováva a meria je viac napísané nižšie.

Vrtule na lietadlách mávajú rôzny počet listov, takže aj na jednu otáčku vytvoria rôzny počet impulzov. Zahrnúť tento parameter do výpočtu nerobí µC žiadny problém, takže na displeji sa zobrazia správne otáčky, bez ohľadu na vrtuľu, stačí to len nastaviť. Aby sme nemuseli pri každom zapnutí otáčkomera znova nastavovať počet listov vrtuli, tento parameter sa ukladá do EEPROM mikrokontroléra. Po zapnutí sa načíta a použije naposledy použitá hodnota, pokiaľ to nechceme zmeniť. Otáčkomer má možnosť nastaviť počet listov v rozsahu 1-126.
V prípade merania v slabších svetelných podmienkach je možné zapnúť podsvietenie displeja, toto sa tiež ukladá do pamäti. Treba však vedieť, že zapnuté podsvietenie zvyšuje spotrebu prístroja o 60 mA, takže niekoľkonásobne a 9V baterka je dosť mäkký zdroj s nízkou kapacitou. Pre úsporu energie sa podsvietenie vypne ak sa dlhšie nemeria (20 s sú namerané otáčky 0), potom ako sa znova začne merať sa zase zapne.

Vnútri krabičky to vyzerá takto:


 vnutro
 vnutro


Niečo k používaniu:

Pri pokusoch so snímačom som zistil, že je vhodné orientovať snímač (os fototranzistora) kolmo k rovine listu vrtule, čiže šikmo k rovine otáčania vrtule, tiež nie je vhodné merať blízko ku špičke (koncu) listov. Je vhodné snímať čo najbližšie k vrtuli. To kvôli tomu aby sme na fototranzistore mali čo najlepší signál (rozkmit napätia a tvar impulzov). Vzhľadom na adaptivitu snímača sa môže stať, že ak ho namierime na zdroj nejakého premenlivého/impulzného svetla, snímač sa naladí na jeho signál a otáčkomer bude merať modulačnú frekvenciu tohto zdroja. Takým zdrojom je najčastejšie žiarivka alebo žiarovka napájaná striedavým prúdom, jej svetlo je modulované frekvenciou 100 Hz.

Parametre otáčkomera:

max otáčky 65535 1/min
max frekvencia snímaného signálu 10 kHz
min frekvencia snímaného signálu 4 Hz
vrtuľa - počet listov 1 - 126
frekvencia merania 2 Hz
spôsob nastavovania 1 tlačítko


Popis hardvéru:

Zopakujem, že na snímanie otáčok je použitý fototranzistor a na jeho osvetľovanie denné svetlo. Konkrétne som použil BPW96C, ktorý má číre 5 mm púzdro. Skúšal som aj fototranzistor s filtrom denného svetla (čierne púzdro), ale ten je citlivý len na IČ oblasť, čo sa prejavilo podstatne horšou citlivosťou keď slnko kleslo k obzoru (zašlo za dom). Tranzistor je umiestnený v nosníku z dvoch smrekových líšt 4x8, vo vrchnej je drážka pre káblik. Fototranzistor je prilepený tak, aby z nosníka vyčnievala len jeho polguľová časť.
Ako snímač sa tiež dá použiť samostatný fototranzistor bez nosníka, len prispájkovaný na káblik. Zadnú časť fototranzistora v tom prípade treba dať do čiernej bužírky (aby vyčnievala len jeho polguľová časť) aby sa znížil vplyv svetla prichádzajúceho z iných smerov ako od meraného stroja.
V začiatkoch som používal fotodiódu, ale potom ako som začal pracovať na adaptívnom snímači som zistil, že to bude oveľa lepšie fungovať s fototranzistorom (dióda potrebuje o niekoľko rádov nižší prúd a ten sa ťažko reguluje). Snímanie prebiehalo na deliči fotodióda - rezistor, bola použitá IČ ledka ako vlastný zdroj žiarenia, ale ani tá nedokázala prebiť denné svetlo, okrem toho jej spotreba tvorila väčšinu spotreby celého zapojenia.

Zapojenie snímača je takéto:

 schema snimaca

Signál vzniká na deliči T1 - T2, regulátor IO2B nastavuje T2 tak, aby stredná hodnota napätia na T1 bola 2 V. Za tým nasleduje komparátor IO2A, ktorý tvaruje impulzy z fototranzistora. Tieto impulzy však majú k poriadnemu obdĺžniku ešte ďaleko, majú dlhé hrany a výstup OZ niekedy ani nemusí prejsť z jednej saturácie do druhej. Takýto signál by µC nemusel dobre spracovať, tak som použil ďalší tvarovací člen - NAND hradlo so Schmittovým KO na vstupe. Na jeho výstupe už je obdĺžnikový signál, ktorý má napäťové úrovne a trvanie hrán úplne dokonalé, takže môže pokračovať rovno do mikrokontroléra.

Signál na fototranzistore vyzerá napríklad takto:

 signal 1

alebo takto:
 signal 2

(tvar a rozkmit signálu sa výrazne mení v závislosti od okolitého osvetlenia, orientácie vzhľadom na list; polohy na polomeri vrtule, vzdialenosti od roviny vrtuli)

Zvyšok zapojenia je stabilizátor napájania, mikrokontrolér a k nemu prislúchajúce súčiastky a LCD modul.
LCD modul je k µC pripojený 8b zbernicou, taktovanie zabezpečuje 4 MHz kryštálový oscilátor, vnútri sú hodiny vydelené na 1 MHz.
Celé zapojenie je v podkladoch (v sekcii na stiahnutie).


Popis softvéru:

Princíp merania frekvencie signálu spočíva v odmeraní periódy a následne sa frekvencia vypočíta ako prevrátená hodnota. Do výpočtu sa tiež zahrnie počet listov vrtule. Meria sa perióda viacerých impulzov (4), kvôli potlačeniu rušivých vplyvov, dá sa povedať kvôli filtrácii signálu.
Na zmeranie periódy využívam 16b časovač s funkciou Zachytávanie vstupu (Input capture). Táto mi umožňuje zistiť kedy bola na vstup privedená hrana a teda zmerať dĺžku impulzu (čas medzi dvomi impulzmi). Časovač je taktovaný 1 MHz. Meranie je spúšťané raz za 500 ms, ale ak je snímaná frekvencia príliš nízka, tak môže trvať aj dlhšie, až do určitého limitu kedy považujem otáčky za nulové. Po odmeraní periódy 4 impulzov sa vypočítajú otáčky a tie sa následne zobrazia na displeji.

Nastavenia (vrtuľa a stav podsvietenia displeja) sa ukladajú do EEPROM, z nej sa vždy po zapnutí načíta posledné uložené nastavenie a otáčkomer chvíľu počká, či ich chceme zmeniť. Potom sa použijú v programe a je spustené meranie. Nastavenia sa neukladajú do pamäti vždy na to isté miesto, ale tak aby sa postupne zapĺňala.

Otáčkomer je schopný pracovať do frekvencie 10 kHz, max vypočítané otáčky sú 65535, pri vrtuli s 1 - 126 listami. Ak by bolo potrebné snímať vyššiu f, bude treba zvýšiť taktovaciu f procesora aby stíhal obsluhovať prerušenia a možno aj použiť rýchlejší OZ. Avšak myslím, že 10 kHz pre modelárske pohony stačí. Dajú sa merať aj otáčky iného stroja, nielen vrtule, vtedy treba vytvoriť modulované svetlo rovnako ako ho vytvára vrtuľa. Napríklad pomocou pásika nepriesvitného materiálu alebo nejakého lesklého materiálu, ktorý bude odrážať viac svetla ako okolitý povrch.

Presnosť merania je daná hlavne presnosťou kryštálového oscilátora. Potom sa môžu pridať vplyvy ako je chyba kvantovania času (dĺžka periódy), nestálosť vzájomnej polohy vrtule a otáčkomera v dôsledku vibrácií. Robil som skúšobné meranie kedy som pomocou časovača 555 a IČ ledky vytvoril obĺžnikovo modulované žiarenie, chyba medzi frekvenciou odmeranou multimetrom na výstupe 555 a frekvenciou nameranou otáčkomerom bola zanedbateľná (1-ky ot/min).