Датчик оборотов двигателя для контроллера
Понадобилось на работе контролировать обороты двигателя. Решили использовать датчик Холла. На муфту установленную на валу двигателя приклеили пару неодимовых магнитов. Для датчика Холла сделали схему на компараторе, чтобы фиксировать моменты прохождения магнита напротив датчика. Схема приведена на рис.1
Рис. 1 Принципиальная схема тахометра
Описание работы
Датчик Холла AHSS49 на каждый проход магнита, закрепленного на валу двигателя формирует импульс амплитудой около 1 вольта, со смещением относительно земляной шины на +2,5 В.
Полученный сигнал поступает на вход компаратора IC1 LM311, который формирует управляющие импульсы для выходной опто-развязки OC1 PC817, выход которой присоединяется ко входу контроллера, подтянутому через сопротивление 1-2 кОм к питанию контроллера. В промышленных контроллерах, такие резисторы предустановлены и требуется только конфигурирование входных цепей. Порог срабатывания компаратора IC1 настроен на напряжение 2,6 В. Настраивая компаратор на более высокое напряжение можно получить более узкие импульсы на выходе — это связано с тем, что импульсы на выходе датчика Холла имеют форму близкую к треугольной.
Конденсаторы С1, С2 предназначены для снижения импульсных помех и исключения ложных срабатываний компаратора.
Схема была смакетирована на самодельной монтажной плате см. рис.2 Для публикации была подготовлена разводка печатной платы см. Приложения к статье.
Рис.2 Макет схемы усиления сигнала датчика Холла
Установка датчика около муфты вала двигателя см.рис.3 Датчик Холла был установлен таким образом, чтоб при прохождении магнитов установленных на муфте они оказывались на расстоянии пимерно 5 мм напротив датчика Холла. При установке на валу двух магнитов результирующая частота на выходе платы удваивается. При установке 4 магнитов возрастает в 4 раза. Большее число магнитов устанавливается для подсчета частоты вращения низко-оборотных двигателей. Соответственно, при измерении частоты вращения двигателя результат делится на число магнитов установленных на валу двигателя.
Рис.3 Установка датчика на кронштейне вблизи муфты на валу двигателя
Выход тахометра может быть организован несколькими способами в зависимости от решаемых задач
Схема приведенная на рис. 1 при работе с промышленными контроллерами может не дать устойчивого срабатывания на каждый импульс поскольку 2 p-n перехода опто-развязки PC817 при полном открытии будут давать падение напряжения около 1 В. И , в этом случае, дискретные входы пром.контроллера выполненные на КМОП микросхемах будут срабатывать неустойчиво, в этом случае имеет смысл реализовать схему выхода на полевом N-канальном транзисторе. Вариант схемы с выходом на полевом N-канальном транзисторе приведен на рис.4 . Для управления полевым транзистором пришлось задействовать дополнительный вход контроллера (клемма Х1). В случае если входов контроллера для этого не хватает, можно использовать дополнительный источник питания + 5В, подключив его к клемме Х1. Рабочий вход (клемма Х2) замыкается полевым транзистором и сформированные импульсы поступают на вход контроллера Х2.
Рис.4 Вариант схемы с выходом на полевом N-канальном транзисторе с дополнительной гальванической развязкой
Если дополнительная гальваническая развязка выхода не нужна, можно использовать схему рис.5
Рис.5 Вариант схемы с выходом на полевом N-канальном транзисторе без дополнительной опторазвязки
Рис. 6 Осциллограмма выходного сигнала для варианта схемы см. рис. 4
Источник
ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НА ФОТОДИОДЕ
Данная статья представляет собой обзор перспектив применения каскодного усилителя для согласования фотодиодного датчика с длинным кабелем. Задача стояла изготовить оптический датчик, подключающийся к тахометру с помощью коаксиального кабеля. Тахометр применен опытно-промышленного изготовления, поэтому его в данной статье рассматривать не будем.
Недостатки классических подходов
Для начала вспомним как работает фотодиод: при внешнем освещении он начинает вырабатывать небольшой фототок, порядка сотни наноампер. Затем этот ток либо усиливается и передается, либо наоборот, передается и в приемнике усиливается. Первый подход требует отдельного источника питания, а это, в свою очередь, вынуждает применять трехпроводные кабели и разъемы.
Да и сам усилитель, даже будучи собранным на SMD, занимает ценное пространство пробника и, скорее всего, потребует применение печатной платы, что неудобно. Второй подход порождает иные проблемы. Подключив фотодиод к длинному кабелю, можно столкнуться при передаче с наводками и утечками, а если вход у прибора высокоомный, то и с емкостью самого кабеля, которая ограничит частотный диапазон работы. Данный способ имеет право на жизнь, если соединительная линия имеет небольшую длину и в приемном устройстве применяется приличный усилитель. В нашем же случае на такой усилитель рассчитывать не стоит. А учитывая и то, что тахометр эксплуатируется в условиях сильных электромагнитных помех, такой подход просто неприменим. Тут требуется иное решение.
Преимущества каскода
Каскод представляет из себя усилитель на паре транзисторов, включенных по схеме преобразователь напряжение-ток и ток-напряжение. Ветвь ток-ток при этом находится под неизменным напряжением, и если в разрыв ветви вставить длинный кабель, то не будет происходить перезаряд его емкости. Утечки и помехи также становятся незначительными, за счет сравнительно большого протекающего тока, что в результате позволяет применить кабель практический любой длины. Из недостатков схемы можно указать, что такой каскод требует для работы довольно высокого напряжения питания, от 9 В и выше. Можно заставить его работать и от 5 вольт, но будет это не просто и, возможно, повлечет серьезное изменение схемы.
Описание схемы
Сам пробник состоит из фотодиода, резистора нагрузки сопротивлением 1 МОм, разделительного конденсатора, резистора утечки 3.3 МОм и транзистора Т1. Фотодиод при освещении начинает выдавать ток, который протекает по резистору нагрузки, тем самым создавая на нем падение напряжения. Это напряжение уже можно подавать на затвор транзистора Т1.
После некоторых попыток подать на фотодиод смещение, было выяснено, что заметного улучшения чувствительности это не приносит, зато проблем добавляет массу, поэтому от смещения решено было отказаться. Поскольку тахометр работает исключительно по перепадам светового потока, то целесообразно сделать его устойчивым к внешней засветке. Для этого применен разделительный конденсатор,и так как оставлять висящий в воздухе по постоянному току затвор нельзя, применен резистор утечки 3.3 МОм.
Для увеличения чувствительности можно несколько увеличить сопротивление первого резистора, но не сильно, при напряжении на фотодиоде выше 0,2 В резко начинает сказываться нелинейность последнего. Но, если работа предполагается в сильном затемнении, то можно спокойно увеличивать сопротивление даже в пять раз. Разделительный конденсатор и резистор утечки представляют собой фильтр ВЧ, и его номиналы могут быть выбраны в зависимости от требуемой минимальной рабочей частоты. А при работе в статическом режиме, например, в датчике освещения, данные элементы можно вообще не устанавливать. Также следует иметь ввиду, что сопротивление резистора утечки должно быть больше резистора нагрузки.
Далее напряжение, свободное от постоянной составляющей, подается на затвор полевого транзистора Т1, который преобразует его в ток, пригодный для передачи по кабелю.
В приемной части на транзисторе Т2 собран преобразователь ток-напряжение. Стабилитрон на 3.6 В стабилизирует потенциал на базе транзистора Т2. На эмиттере Т2 и стоке Т1 будет примерно на 0,6 вольт меньше, то есть в районе 3 вольт. Нагрузкой транзистора Т2 служит резистор 1.2К*, его сопротивление зависит от напряжения питания, напряжения на стабилитроне и начального тока стока транзистора Т1. Начальный ток стока применяемого транзистора оказался 3 мА, напряжение питания 9.5 вольт.
Напряжение коллектор-база должно быть минимум 2 В, а сопротивление нагрузки (для получения максимального усиления) как можно больше. При напряжении на коллекторе в районе 6 вольт, на резисторе остается 9,5-6=3,5 вольта, что при токе 3 мА дает сопротивление чуть меньше 1,2 ком. Так как, чем больше это сопротивление, тем больше усиление каскада, то нужно стремиться его увеличить. Раз напряжение питания задано, а уменьшать напряжение на транзисторах нельзя, остается подбирать транзистор Т1 с наименьшим начальным током стока и максимальной крутизной. При этом коэффициент усиления каскада будет небольшим, примерно 1. 2.
Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора Т2. На транзисторе Т3 собран усилитель, который является частью тахометра и служит для согласования каскода с логикой схемы.
Резистор, отмеченный двумя звездочками, задает начальную точку Т3 и подбирается под конкретный транзистор по наивысшей чувствительности срабатывания.
Те, кого транзисторная схемотехника страшит или усиления в несколько раз не хватает, могут поставить операционный усилитель. В данном варианте схемы усиление определяется всего одним резистором обратной связи.
Конструкция
Пробник собран в корпусе от разъема BNC на фотодиоде ФД265А и транзисторе КП303Д. Транзистор Т2 вовсе со стертой маркировкой, но к нему не предъявляется никаких особых требований, разве что чтобы статический коэффициент передачи тока был не сильно мал, от 50 и выше. Полевой транзистор тоже можно применять любой марки нужного типа проводимости, желательно отобранный по начальному току и крутизне.
Данная схема была проверена на работу на коаксиальный кабель длиной 20 метров и не вызвала никаких нареканий. Автор материала — SecreTUseR.
Источник
Оптический датчик скорости или перемещения на микроконтроллере.
Хочу поделиться схемой оптического датчика, который можно использовать для измерения скорости вращения или линейного перемещения в системах контроля.
Идея такого датчика возникла из практической необходимости. дело в том, что по основной работе я занимаюсь изучением процессов распространения тепловой волны экзотермической реакции.
Говоря проще если взять два порошка, например титан и сажу, смешать, спрессовать в виде цилиндра и поджечь с одного торца, начнется реакция с выделением тепла. Температура может достигать 2500 С.
Эта реакция начнет распространятся вдоль образца, как например в бенгальском огне. Так вот, измерение скорости распространения и температуры очень важны для изучения процесса.
Обычно скорость измеряют так. В образце высверливают два небольших отверстия на определенном расстоянии. В отверстия вставляют две термопары. Их подключают к двум каналам АЦП и снимают сигнал. По времени задержки сигналов определяют скорость (левая часть на рис).
Легко в теории но не так то просто на практике. Много времени и сил уходит на то, чтобы надежно закрепить термопары, во время эксперимента они часто теряют контакт с образцом.
Поскольку температура образца 1000-2500 С, он очень ярко светится. Возникла идея вместо термопар применить фотодатчик — фотодиод или фототранзистор. Фототранзистор подошел лучше, у него больше чувствительность и быстродействие правая часть рис).
Но. температура, и следовательно, яркость варьируются в очень широких пределах, как настраивать датчик? Дело в том, что критерием момента прохождения фронта является максимум скорости и не температуры.
А скорость легко выделить с помощью дифференцирующей цепочки. Максимум можно определить с помощью компаратора. Итак, вот схема всего устройства. Оно состоит из двух идентичных каналов, подключенных к входам микроконтроллера PIC 12f675.
Итак, фототранзистор включен по схеме эмиттерного повторителя. Сигнал проходит через дифференцирующую RC цепочку. Диод отсекает задний фронт сигнала и датчик реагирует только на нарастание яркости.
Сдвоенный компаратор LM193 срабатывает при на входе напряжении около 1,6 В, что соответствует максимуму скорости (определено экспериментально).
Импульс положительной полярности попадает на вход микроконтроллера. Входы настроены на прерывания по изменению уровня сигнала. При изменении уровня с лог 0 на лог 1 контроллер уходит на подпрограмму обработки прерывания.
В ней он определяет что в этот момент не сработал второй датчик, это предотвращает ложные срабатывания от одновременной засветки фототранзисторов. Затем он устанавливает на выходе лог 1 и запускает таймер Т0.
При переполнения счетчика на выходе устанавливается лог 0. таким образом формируется одиночный импульс длительностью около 18 мс. На рисунке вы можете посмотреть пример использования датчика.
Источник
ИК датчик в счетчике оборотов двигателя
Для работы индикатора применяется простая и удобная библиотека SevSeg, позволяющая подключать индикатор к каким угодно выводам МК, применять индикаторы как с общим катодом, так и анодом да еще и яркостью управлять.
Для измерения частоты попробовал библиотеку FreqMeasur. МК с ней отлично мерит сигнал с генератора от 10 до 200Гц (а больше мне и не нужно) 
А вот когда на вход контроллера подал с сигнал с сенсора, результат получился плачевным.
Частота прыгала как ненормальная. Виной этому оказался «дребезг» сигнала с оптического датчика. Фольга давала массу помех. Попытка настроить сигнал подстроечником или заменить кусочек фольки на другой не дали ощутимого результата.
Тогда я решил давить «дребезг» программно. Осциллограф показал, что помехами являются импульсы в 0.3 — 1 мкс, тогда как сигнал — это импульсы 5мс (При частоте 12000RPM) и больше.
Программа показала 100% результат с тестового генератора. При включенном моторе с сенсора показывались стабильные обороты, которые хорошо коррелировали с режимом работы мотора. На том и остановимчя 
Еще одна проблема нартсовалась при выборе места установки счетчика на станок.
В длинных проводах наводились сильные помехи от мотора и БП и индикатор, отлично работавший «на коленках» никак не хотел работать на станке. В результате смонтировал контроллер в непосредственной близости от сенсора и запитал его через импульсный DC-DC преобразователь от 24В. (Напряжения для шаговиков, подсветки, вентиляторов охлаждения). 
Так мой новый станочек обзавелся счетчиком оборотов шпинделя. индикаторы К слову, данный измеритель должен практически без изменения схемы и программы заработать и с «кошерным» датчиком холла и магнитиком на валу.
Пока собирал станок, приехали 5-ти разрядные индикаторы. Хотел переделать измеритель скорости вращения на них с более компактным Atmega8 в TQFP32. Но потом решил, что лучшее — враг хорошего.
Следующий обзор я посвящу контроллеру станка, его доработке и настройке.
Весь мой путь от старого к новому станку есть в моем блоге.
Источник
