Подключение модуля скорости на LM393 к Arduino
Автор: Сергей · Опубликовано 30.10.2021 · Обновлено 29.10.2021
В этой статье расскажу об еще одном модуле на LM393, с помощью которого можно измерить скорость вращения электродвигателя, так же можно использовать в различных проектах, где необходимо подсчитать импульсы, определить положение (концевик) и так далее. В статье расскажу как использовать модуль для подсчета оборотов двигателя, на робот платформе 2WD
Технические параметры
► Ширина паза: 5мм;
► Диаметр монтажных отверстий: 3 мм;
► Индикатор состояния выхода;
► Рабочее напряжение 3.3В — 5В;
► Габариты: 32 мм х 14 мм x 14 мм;
► Вес: 3 грамма.
Краткий обзор модуль скорости щелевой на LM393
Модуль представляет собой простое устройство, основной элемент которого, это оптопара, состоящая из инфракрасного излучателя (диода) и фотоприемника (фототранзистор). В нормальном состоянии, если между излучателем и фотоприемником нечего нету, фотоприемник открыт, и на выходе получаем логическую «1», но если межд ними поместить любой не прозрачный объект фотоприемник закроется и на выходе получим логический «0».
Модуль освещенности с четырьмя выводами содержит два выходных контакты, аналоговый и цифровой и два контакта для подключения питания. Для считывания аналогово сигнала предусмотрен отдельный вывод «AO», с которого можно считать показания напряжения с 0 В … 3.3 В или 5 В в зависимости от используемого источника питания. Цифровой вывод DO, устанавливается в лог «0» или лог «1»
Расскажу как работает схема, основная микросхема модуля, это компаратор LM393 (U1), которая производит сравнение уровней напряжений на входах INA- (2) и INA+ (3). Чувствительность порога срабатывания уже задано, резисторами R3 и R4 с номиналами 10 кОм. В качестве оптического датчика используется оптопара, с помощью резистора R1 (180 Ом) ограничиваем ток светодиода внутри оптопары.
Назначение контактов:
► VCC: «+» питание модуля
► GND: «-» питание модуля
► D0: цифровой выход
► A0: аналоговый выход
Подключение модуля скорости к Arduino
Необходимые детали:
► Arduino UNO R3 x 1 шт.
► Модуль скорости щелевой, LM393 x 1 шт.
► Провод DuPont, 2,54 мм, 20 см, F-M (Female — Male) x 1 шт.
► Кабель USB 2.0 A-B x 1 шт.
Описание:
В качестве примера, воспользуемся щелевым диском, который идет в комплекте с робот платформой 4WD и 2WD. Установим модуль таким образом, чтобы диск располагался внутри оптопары. Сам одуль подключим к Arduino UNO, а в программе подсчитаем сколько делает оборотов обычный двигатель с редуктором, полученные данные отправим в последовательный порт.
Подключение:
Схема не сложная, необходимо всего три провода, сначала подключаем шину D0 в вывод 2 к Arduino UNO, осталось подключить питание GND к GND и VCC к 5V (можно записать и от 3.3В), схема собрана, теперь надо подготовить программную часть.
Установка библиотек:
Для работы с модулем необходимо установить библиотеку «TimerOne », для этого, перейдите в Скетч —> Подключить библиотеку —> Управление библиотеками.
В строке поиска введите «TimerOne », найдите библиотеку «TimerOne» и установите данную библиотеку.
Программа:
Запускаем среду разработки и загружаем данный скетч, затем открываем мониторинг порта.
Тахометр + температура двигателя на Arduino для МиниМото
Купил я сыну в прошлом сезоне его первый мотоцикл. Радости не было предела.
Катались мы катались, всё хорошо, но т.к. на минибайках нет ни спидометра, ни тахометра, ничего, пришла идея это исправить. Есть конечно же в продаже готовые варианты, но весь интерес в том, чтобы попробовать сделать что-то самому, а купить можно всегда. Что у меня из этого вышло, читайте ниже.
Для фиксации оборотов двигателя использую датчик Холла NJK-5002C, при появлении в зоне срабатывания постоянного магнита датчик на выход подаёт сигнал. Магнитные полосы присутствуют на маховике двигателя, приклеивать/прикручивать магниты не нужно.
Для определения температуры двигателя использую водонепроницаемый датчик температуры DS18B20, который вставляется в специальную шайбу под свечу зажигания.
В моей реализации устройства по кнопке циклически переключаются режимы: при включении отображаются обороты, нажали на кнопку — обороты сменились на температуру, ещё раз нажали — температура сменилась на обороты и т.д. по кругу.
Arduino UNO/Nano
Датчик Холла NJK-5002C
Датчик температуры DS18B20
7-ми сегментный дисплей на чипе TM1637
Кнопка без фиксации
Резистор 100 Ом
Макетная плата
Провода
Поясню один момент в скетче, для чего я использую таймер: так вот, получить данные температуры с датчика (sensor.getTemp()) мы можем только отправив запрос (sensor.requestTemp();) и подождав (delay(1000);). Как всегда delay всё портит и если без таймера опрашивать кнопку в loop, то переключив один раз режим на отображение температуры (сработает delay) — сменить режим мы уже не сможем, т.к. микроконтроллер ждёт и нажатие на кнопку не обработает. Чтобы этого избежать я и опрашиваю кнопку по таймеру.
На видео показано как это всё работает, для установки на мотоцикл я немного не угадал с диаметром датчика NJK-5002C, который будет устанавливаться в корпус инерционного стартера и чтобы всё было ровно, диаметр нужен поменьше, планирую использовать датчик LJ8A3 или LJ6A3. К следующему мотосезону постараюсь всё оформить в какой-нибудь корпус и установить на МиниМото, соответственно по готовности дополню статью фотками и видео.
Ссылка на скетч и библиотеки.
Для тех, кому интересны покатушки на МиниМото, ссылка на канал моего сына на YouTube.
Урок 29. Тахометр. Определяем скорость вращения при помощи датчика линии
Тахометр собранный с использованием датчика линии прост в подключении. Вам не нужно вносить конструктивные изменения в деталь, скорость вращения которой требуется измерить: сверлить отверстия, делать прорези, устанавливать дополнительные элементы и т.д. Достаточно нанести на неё контрастную линию (чёрную на светлой поверхности или белую на тёмной) и поднести датчик линии, Вы сразу получите точный результат, количество оборотов в минуту. Скетч не нуждается в корректировке, независимо от того, какого цвета будет линия.
Нам понадобится:
Для реализации проекта нам необходимо установить библиотеку:
- Библиотека iarduino_4LED (для работы с четырёхразрядным LED индикатором).
О том как устанавливать библиотеки, Вы можете ознакомиться на странице Wiki — Установка библиотек в Arduino IDE .
Видео:
Схема подключения:
LED индикатор подключается к любым двум выводам Arduino (как цифровым, так и аналоговым), номера указываются в скетче. Датчик линии подключается к любому аналоговому входу, номер указывается в скетче.
В данном уроке, LED индикатор подключён к цифровым выводам 2 и 3, а датчик линии подключён к аналоговому входу A0.
Тахометр на Arduino
Тахометр представляет собой счетчик числа оборотов в минуту (RPM counter). Существует два типа тахометров: механические и цифровые.
Общие принципы работы проектируемого тахометра
В этом проекте мы будем создавать цифровой тахометр на основе платы Arduino и модуля инфракрасного датчика для обнаружения вращения и подсчета числа оборотов любого вращающегося объекта. Принцип его действия основан на том, что инфракрасный передатчик излучает инфракрасные лучи которые затем отражаются обратно к инфракрасному приемнику и затем инфракрасный модуль генерирует импульс на своем выходе который обнаруживается контроллером Arduino когда мы нажимаем кнопку start. Он осуществляет счет в течение 5 секунд.
После этих 5 секунд плата Arduino рассчитывает число оборотов в минуту по следующей формуле:
RPM= Count x 12 для одиночного вращающегося объекта.
Но поскольку в этом проекте для демонстрации работы схемы мы используем потолочный вентилятор, то мы должны внести некоторые изменения в приведенную формулу:
RPM=count x 12 / objects
где
objects – число лопастей в вентиляторе.
Обобщенная структурная схема работы устройства представлена на следующем рисунке.
Необходимые компоненты
- Плата Arduino Pro Mini (купить на AliExpress).
- Модуль инфракрасного датчика (купить на AliExpress).
- ЖК дисплей 16х2 (купить на AliExpress).
- Кнопка.
- Макетная плата.
- Батарейка на 9 В.
- Соединительные провода
Работа схемы
Схема тахометра на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.
Схема содержит плату Arduino Pro Mini, модуль инфракрасного датчика и ЖК дисплей. Плата Arduino управляет всем процессом функционирования устройства: считывание импульса с выхода модуля инфракрасного датчика, вычисление частоты вращения (в оборотах в минуту) и передача значения этой частоты на ЖК дисплей. Инфракрасный датчик используется для обнаружения объекта. Мы можем регулировать чувствительность данного датчика с помощью встроенного в него потенциометра. Модуль инфракрасного датчика состоит из инфракрасного передатчика и фотодиода, который обнаруживает инфракрасные лучи. Инфракрасный передатчик излучает инфракрасные лучи, когда эти лучи падают на поверхность, они отражаются от нее и улавливаются фотодиодом (более подробно об этих процессах можно прочитать в статье про робота, движущегося вдоль линии). Выход фотодиода подключен к компаратору, который сравнивает значение с выхода фотодиода с опорным напряжением и результат сравнения выдает на плату Arduino.
Выход модуля инфракрасного датчика напрямую подключен ко контакту 18 (A4) Arduino. Vcc и GND подсоединены к контактам Vcc и GND arduino. ЖК дсиплей подключен к плате Arduino в 4-битном режиме. Его управляющие контакты RS, RW и En напрямую подсоединены к контактам 2, GND и 3 Arduino. Контакты данных D4-D7 подключены к контактам 4, 5, 6 и 7 Arduino. В схеме также присутствует кнопка, которую необходимо нажать для подсчета числа оборотов. Наш тахометр на основе платы Arduino подсчитывает число оборотов в течение 5 секунд а потом по вышеприведенной формуле осуществляет пересчет этого значения в число оборотов в минуту. Кнопка подключена к контакту 10 Arduino.
Исходный код программы
В программе мы будем использовать функцию чтения значения с цифрового контакта Arduino чтобы считать значение с выхода модуля инфракрасного датчика. На основе этого считанного значения мы затем будем осуществлять расчет числа оборотов в минуту.
Тахометр или спидометр: Поток мыслей про измерение частоты в Arduino
Предистория
Если дома есть Arduino, в гараже машина или мотоцикл, а то и хоть мотособака, в голове туманные представления о программировании — возникает желание измерить скорость движения или обороты двигателя, посчитать пробег и моточасы.
В данной статье я хочу поделиться своим опытом по изготовлению подобных поделок.
Немного физики
Для измерения частоты вращения нам понадобится датчик положения колеса/вала/круга/итп. Датчик ставится как правило один. Возможно, что он будет срабатывать не один раз на каждый оборот. Например, у вас датчик Холла и 4 магнита на колесе. Таким образом, для правильного вычисления частоты нужно знать:
- количество срабатываний датчика на один оборот К;
- минимальная ожидаемая частота Мин.
- максимальная ожидаемая частота Макс.
То есть, если частота меньше разумного минимума, то считаем, что она равна нулю, если больше максимума — игнорируем показания.
С количеством срабатываний понятно, но зачем ещё эти мины и максы? Давайте рассмотрим сначала варианты расчёта частоты.
Со скоростью всё проще, достаточно знать число π, диаметр колеса, а частоту вращения мы уже знаем.
Болванка для кода
Так как мы имеем дело с такими нежными величинами как время и пространство, то лучше сразу освоить прерывания.
Обратите внимание на модификатор volatile у переменной counter. Все переменные, которые будут изменяться в обработчике прерывания (ISR) должны быть volatile. Это слово говорит компилятору, что переменная может изменяться неожиданно и доступ к ней нельзя оптимизировать.
Функция ISR() вызывается каждый раз, когда появляется единица на ноге fqPin. Мы эту функцию не вызываем, это делает сам контроллер. Он это делает, даже когда основная программа стоит в ступоре на функции delay(). Считайте, что ISR() обслуживает событие, от вас не зависящее и данное вам свыше как setup() и loop(). Контроллер прерывает выполнение вашей программы, выполняет ISR() и возвращается обратно в ту же точку, где прерывал.
Обратите внимание, что в функции loop() мы отключаем прерывания вообще любые для того, чтобы прочитать переменную counter и сохранить её во временную переменную cnt. Потом, конечно же, включаем снова. Так мы можем потерять один вызов, конечно же, но с другой стороны, переменная unsigned long имеет 32 бита, а процессор ATMega32 8-битный, вряд ли он скопирует данные за один такт, а ведь в процессе копирования может случиться прерывание и часть данных изменится. По этой же причине мы копируем значение counter локально так как значение этой переменной при использовании в разных местах программы может быть разным опять же из-за изменения её в прерывании.
Тело функции ISR() должно быть максимально коротким, точнее, сама функция должна выполняться максимально быстро. Это важно, так как прерывается выполнение вашего кода, который может оказаться чувствительным к непредвиденным задержкам. Некоторые библиотеки отключают прерывания для выполнения чувствительных с задержкам операций, например для управления светодиодной лентой WS2812.
Считаем обороты за единицу времени.
Первое, что приходит в голову, это взять интервал времени и посчитать количество измерений.
Как и у многих простых решений, у этого есть неочевидные минусы. Для повышения точности измерений вам необходим довольно большой интервал времени. Принцип тот же, что и у Шума квантования. При времени оборота колеса сравнимом с временем подсчёта, существенные изменения скорости вращения не будут замечены. Показания такого частотомера будут различаться до двух раз на каждый отсчёт.
Для повышени точности на малой скорости можно увеличить число К, как это сделано, скажем, в автомобильной технике для датчика ABS. Можно увеличить время подсчёта. Делая и то и другое мы подходим ко второй проблеме — переполнению счётчика. Да, переполнение легко лечится увеличением количества бит, но арифметика процессора Arduino не умеет считать 64-битные числа столь быстро, как хотелось бы и как она это делает с 16-разрядными.
Увеличение времени расчёта тоже не очень хорошо тк нам надо знать частоту прямо сейчас, вот при нажатии на газ, а не через пару секунд. Да и через пару секунд мы получим скорее некое среднее значение. За это время можно несколько раз сделать врумм-врумм.
Есть другой метод. Он лишён вышеописанных недостатков, но, как водится, имеет свои.
Считаем интервал между отсчётами
Мы можем засечь время одного отсчёта и другого, вычислить разницу. Величина, обратная вычисленному интервалу и есть частота. Круто! Но есть минусы.
Что делать, если наше колесо крутится еле-еле и измеренный интервал превышает разумные пределы? Выше я предложил считать частоты ниже разумного минимума за ноль.
Определённым недостатком метода можно считать шумы квантования на высоких частотах, когда целочисленный интервал снижается до нескольких двоичных разрядов.
Так же хотелось бы некую статистику подсчётов для улучшения показаний, а мы берём лишь последнее значение.
Методом проб и ошибок я подобрал интервал отображения данных на дисплее в 250мс как оптимальный. Если чаще, то цифры размазываются, если реже — бесит тормознутость.
Комбинированный метод
Можно попробовать объединить достоинства обоих методов.
То есть, мы засекаем время не просто между отсчётами, а время между проверками данных и делим на количество отсчётов за это время. Получается усреднённый интервал между отсчётами, обратная величина от которого есть частота. Предоставим компилятору оптимизировать вычисления.
Обратите внимание, что за интервал считается не время опроса, как в первом примере, а время от последнего отсчёта до предыдущего последнего отсчёта в прошлом опросе. Это заметно поднимает точность вычисления.
Таким образом, мы можем получать вполне достоверные данные как на низких так и на высоких частотах.
Если использовать кооперативную многозадачнось, то можно сделать подсчёт, скажем раз 100мс, а вывод на дисплей раз в 250мс. Очень короткий интервал опроса снизит чувствительность к низким частотам.
Как говорят в рекламе, «но это ещё не всё».
Ошибки дребезга
Для устрашения вас предположу, что измеряем частоту вращения двигателя от индуктивного датчика зажигания. То есть, грубо говоря, на высоковольтный провод намотан кусок кабеля и мы измеряем индукцию в нём. Это довольно распространённый метод, не правда ли? Что же здесь сложного может быть? Самая главная проблема — современные системы зажигания, они дают не один импульс, а сразу пачку.
Но даже обычная система зажигания даёт переходные процессы:
Старинные же кулачковые контактные вообще показывают замечательные картинки.
Как с этим бороться? Частота вращения не может вырасти мгновенно, не даст инерция. Кроме того, в начале статьи я предложил ограничить частоту сверху разумными рамками. Отсчёты, что происходят слишком часто можно просто игнорировать.
Другой вид помех — это пропадание отсчётов. Из-за той же инерции у вас не может измениться частота в два раза за одну миллисекунду. Понятно, что это зависит от того, что вы собственно измеряете. Частота биения крыльев комара может, вероятно и за миллисекунду упасть до нуля.
Статистическая обработка в данном случае становится уже достаточно сложной для маленькой функции обработки прерывания и я готов обсудить варианты в комментариях.
Особенности измерения скорости движения и скорости вращения.
При измерении скорости вращения бензинового двигателя надо обязательно учесть величину К, которая совсем не очевидна. Например, вы намотали провод на кабель свечи и ожидаете, что там будет одна искра на один оборот. Это совсем не так. Во-первых, у 4-тактного двигателя вспышка происходит один раз на два оборота, у 2-тактного один раз на оборот коленвала. Во-вторых, для упрощения системы зажигания коммутатор подаёт искру на неработающие в данный момент цилиндры, типа на выпуске. Для получения правильного К надо почитать документацию на двигатель или подсмотреть показания эталонного тахометра.
При измерении скорости движения частота обновления дисплея не имеет большого значения, особенно, если вы рисуете цифры, а не двигаете стрелку. Даже обновление информации раз в секунду не вызовет отторжения. С оборотами двигателя всё наоборот, индикатор должен откликаться гораздо быстрее на изменение оборотов.
Вывод информации
Типичная обида начинающего разработчика автомобильной и мотоциклетной электроники «стрелки дёргаются, цифры нечитабельны» лечится простым способом — надо обманывать клиента. Вы что думаете, автомобильный тахометр всегда показывает вам правду? Конечно же нет! Хотя вам этот обман нравится и вы хотите, чтобы ваш прибор дурил голову так же.
Стрелки
Если включить зажигание на новом модном автомобиле или мотоцикле, стрелки приборов сделают красивый вжух до максимума и медленнее опадут до нуля. Вот! Вот это нам и надо сделать. Надо, чтобы при показе максимальной величины стрелка не метнулась к ней мгновенно и не упала как акции лохотрона в ноль.
Итак, нам надо учитывать максимальную скорость стрелки на увеличение и максимальную на уменьшение показаний. Совсем хорошо сделать эти скорости нелинейными, чтобы стрелка сначала двигалась быстрее, а потом чуть помедленнее приближалась к заданному значению.
Вот пример с нелинейным выводом показаний:
Вы можете поиграть с коэффициентами. Этот же принцип используется при выводе громкости сигнала, например, у любого аналогового индикатора: стрелки, полоски, яркость, цвет, размер итп. Приведённый пример самый простой, но и не самый красивый. Предлагайте ваши варианты в комментариях.
Цифры
С цифрами всё намного сложнее. Быстрые изменения показаний приводят к тому, что несколько порядков сливаются в мутное пятно. Для скорости, как и писал выше, можно задать интервал раз в секунду и глаз успеет прочитать три цифры.
В мототехнике не зря делают аналоговые индикаторы оборотов, точные цифры не нужны, важна относительная близость к оборотам максимального крутящего момента, к максимальным вообще и холостые.
Я предлагаю менять частоту вывода информации на дисплей в зависимости от степени изменения величины. Если обороты меняются, скажем, на 5% от последнего подсчёта, а не показа — можно затупить и показывать раз в 300-500мс. Если на 20%, то показывать раз в 100мс.
Можно огрубить шкалу и показывать только две значащие цифры
С учётом мототематики, можно довольно точно показывать обороты холостого хода как описано чуть выше и огрублять вывод на оборотах от двух холостых. На высоких оборотах для гонщиков важнее делать блинкеры типа «передачу вниз», «передачу вверх» и «ты спалишь движок». То есть держать двигатель около максимального крутящего момента и не дать ему крутиться выше максимальных разрешённых оборотов. Блинкеры замечательно делаются с помощью SmartDelay когда можно унаследовать от этого класса свой с заданной ногой контроллера и частотой мигания, там есть методы для переопределения и они вызываются раз в заданное время.
Идеи по отображению цифр тоже приветствуются в комментариях.
Вывод
Если наступить на все грабли, можно стать опытным разработчиком.