Obrotomierz na AVR ATmega8.

Autor: Dondu

Podczas realizacji projektów wykorzystujący silniki warto mieć pod ręką przyrząd pozwalający zmierzyć prędkość obrotową silnika. Tym przyrządem jest obrotomierz zwany też tachometrem  (ang. tachometer) o czym wszyscy zapewne wiedzą :-)

Ponieważ w najbliższym czasie opublikuję cykl artykułów o silniku BLDC, stąd zamieszczam schemat oraz program prostego obrotomierza wykonanego na ATmega8. Program łatwo dostosować do dowolnego innego mikrokontrolera AVR posiadającego możliwość wykorzystania timera posiadającego funkcjonalność Input Capture Unit.


Sposób pomiaru 

Do pomiaru wykorzystamy Timer1 oraz możliwość "łapania" stanu licznika w momencie pojawienia się zbocza na pinie ICP1. Szczegółów szukamy w rozdziale Input Capture Unit. Znajdziemy tam schemat timera dla wykorzystania tej funkcjonalności.

Jak działa Input Capture Unit?

Przyjmijmy dla uproszczenia wyjaśnienia sposobu pomiaru, że na jeden obrót silnika, przypada jeden cykl pracy transoptora, czyli dwa zbocza - jedno narastające i jedno opadające.

W skrócie pomiar realizowany jest tak:

• do pinu ICP1 podłączamy sygnał z transoptora, który będzie naszym czujnikiem pomiarowym,
• na tarczy silnika umieszczamy znaczniki, na które reagować będzie transoptor,
• puszczamy swobodnie licznik w trybie normalnym bez preskalera, by pomiar był jak najbardziej dokładny,
• ustawiamy przerwania od wystąpienia zbocza (np. narastającego) na pinie ICP1,
• w momencie wystąpienia odpowiedniego zbocza (moment A), w rejestrze ICR1 zostanie zapamiętany aktualny stan licznika timera (TCNT1),
• wywołane zostaje przerwanie, w którym zapamiętujemy złapany stan licznika,
• czekamy na następne zdarzenie,
• w momencie wystąpienia zdarzenia (moment B) ponownie zostaje zapamiętany aktualny stan licznika, który odczytujemy w przerwaniu.

W ten sposób otrzymujemy dwa stany licznika, jeden na początku, a drugi na na końcu cyklu pomiarowego.

Teraz wystarczy od stanu końcowego licznika (w momencie B) odjąć stanu początkowy (w momencie A) z uwzględnieniem, iż licznik mógł się w między czasie przepełnić (raz lub więcej razy) i znając częstotliwość taktowania timera dokonać niezbędnych przeliczeń i zaprezentować wynik na LCD.

Istotą wykorzystanie  Input Capture Unit jest fakt, iż stan timera TCNT1 przepisywany jest do rejestru ICR1, dokładnie w momencie wystąpienia zdarzenia. Dlatego ewentualne nieznaczne opóźnienie obsługi przerwania od wykrycie zdarzenia, nie ma wpływu na wynik pomiaru.

Jednakże należy wziąć pod uwagę, że zbyt późne odczytanie rejestru ICR1 może doprowadzić do sytuacji, że następne zdarzenie nadpisze poprzednią wartość ICR1, zanim zdążysz ją odczytać. Dlatego ważne jest, by w czasie pomiaru przerwania nie były zbyt długo blokowane, a odczyt ICR1 powinno się wykonać, na samym początku funkcji przerwania:

Więcej impulsów na jeden obrót

Można oczywiście zastosować enkoder, który będzie dostarczał więcej impulsów na jeden obrót silnika. Należy to uwzględnić w programie. Jednakże trzeba być świadomym tego, że dokładność pomiaru pełnego obrotu jest większa niż dokładność pomiaru fragmentu obrotu. Poza tym, mniej obciążymy mikrokontroler, gdy enkoder będzie dawał jeden impuls na jeden obrót niż w sytuacji, gdy impulsów będzie więcej.

Wszystko oczywiście zależy od konkretnego celu jaki chcesz osiągnąć.


Eliminacja szumów sygnału z transoptora

Dokładność pomiarów zależy także od poprawności pracy zespołu złożonego z czujnika i enkodera. Dla wyeliminowania ewentualnych szumów sygnału z transoptora podłączonego do pinu ICP1, możemy skorzystać z wbudowanego modułu eliminatora szumów oznaczonego na schemacie blokowym timera jako Noise Canceler. W większości przypadków nie będzie jednak takiej potrzeby.


Komparator analogowy jako sygnał zdarzenia

Przy okazji zauważ, że patrząc na schemat blokowy Input Capture Unit, źródłem zdarzeń może być także komparator analogowy. Nie jest nam potrzebny do miernika prędkości, dlatego też nie będę go tutaj omawiał, ale zasada postępowania będzie podobna do omawianej w niniejszym artykule.


Czujniki stykowe

Ten sposób pomiaru uniemożliwia wykorzystanie czujników stykowych z pominięciem sprzętowej eliminacji drgań styków. Innymi słowy jeżeli chcesz wykorzystać jako czujnik np. kontaktron, przycisk krańcowy, czy nawet do testów, zwykły przycisk, to musisz wyeliminować sprzętowo drgania jego styków.


Transoptor

Transoptor może być praktycznie dowolnym transoptorem odbiciowym lub szczelinowym.

Jeżeli zastosujesz transoptor szczelinowy, wymagane będzie wykonanie jakiegoś elementu, który będzie połączony z wirnikiem i będzie przerywał strumień światła pomiędzy diodą LED, a fototranzystorem transoptora.

Rys. Przykładowe transoptory szczelinowe.

Jeżeli zastosujesz transoptor odbiciowy, powinieneś na wirniku przygotować enkoder w postaci namalowanych czarnych i białych pasków. Ważne by kontrast był jak największy, co zapewni dobry poziom sygnału wyjściowego z enkodera.

Rys. Przykładowe transoptory odbiciowe.

Enkodery

Możesz skorzystać z:

• enkoderów przygotowanych przeze mnie,
• super Generatora enkoderów online
• lub czarnego i białego lakieru do paznokci swojej "lepszej połowy" :-)

Schemat

Do budowy obrotomierza zastosujemy ATmega8 w wersji, która może pracować z kwarcem 16MHz (np. ATmega8L nie może pracować z kwarcem powyżej 8MHz).

Jako LCD wykorzystamy najpopularniejszy wyświetlacz LCD 2x16 znaków kompatybilny z HD44780.

Schemat jest bardzo prosty (dbając oczywiście o podstawy podłączania mikrokontrolera):

Ponieważ transoptor ma wyjście typu otwarty kolektor, stąd do podciągnięcia go do Vcc, wykorzystamy wewnętrzny rezystor pull-up mikrokontrolera, włączając go za pomocą programu.


Program

Poniżej kompletny program pierwszej najprostszej wersji obrotomierza. Wszelkie wyjaśnienia znajdziesz w opisach kodu. Program nie zawiera uśredniania wyników, ale możesz to dodać we własnym zakresie.

/*
OBROTOMIERZ v.1

Obrotomierz przeznaczony do prostych pomiarów prędkości obrotowej.
Pokazuje:
- czas jednego obrotu,
- liczbę obrotów na sekundę (rps),
- liczbę obrotów na minutę (rpm).

Szczegóły: http://mikrokontrolery.blogspot.com/2011/04/obrotomierz-diy.html 

Autor: Dondu 
Data:  2012.11.25 
*/


#include <avr/io.h>
#include <stdio.h>
#include <avr/interrupt.h> 
#include <util/delay.h>
#include "HD44780.h"

//tutaj ustaw własne zasady pomiaru
#define POMIAR_ILOSC_IMPULSOW_NA_OBROT 4  //ilość inpulsów na jeden obrót
#define POMIAR_ILOSC_OBROTOW           10 //ile obrotów ma trwać pomiar


volatile unsigned long int  pomiar_ilosc_cykli;
volatile unsigned int       ilosc_przepelnien;
volatile unsigned char      pomiar_zbocze_nr;
volatile unsigned char      pomiar_gotowy;

volatile unsigned int       ICR1_moment_A;
volatile unsigned int       ICR1_moment_B;

char  wynik[16];        //bufor wyświetlacza

//------------------------------------------------------

ISR(TIMER1_CAPT_vect){

 //Obsługa zdarzenia na ICP1 

 static unsigned int ICR1_aktualny; //wartość ICR1 złapana w aktualnie 
                                    //złapanym zboczu

 //odczytaj złapany stan licznika
 ICR1_aktualny = ICR1;

 //czy to pierwsze złapane zbocze?
 if(pomiar_zbocze_nr == 1){
  
  //tak, pierwsze zbocze pomiarowe, 
  
  //uruchamiamy zliczanie przepełnień Timer1

  //zgaś flagę przerwania od przepełnienia
  TIFR |= (1<<TOV1);
  
  //włącz przerwania od przepełnienia Timer1
  TIMSK |= (1<<TOIE1);

  //zeruj licznik przepełnień Timera1
  ilosc_przepelnien = 0;

  //zapamiętujemy stan licznika początku obrotu (moment A)
  ICR1_moment_A = ICR1_aktualny;

 }else{
   
  //każde następne zbocza pomiarowe

  //czy to ostatnie zbocze (koniec pełnego obrotu silnika)?
  if(pomiar_zbocze_nr ==  POMIAR_ILOSC_IMPULSOW_NA_OBROT 
                          * POMIAR_ILOSC_OBROTOW){

   //tak, wykryto ostatnie zbocze pomiarowe, 
   //czyli wykonał się pełny ostatni obrót tarczy

   //wyłączamy przerwania z Input Capture Unit 
   //oraz przepełnienia Timer1
   TIMSK &= ~( (1<<TICIE1) | (1<<TOIE1) );
   
   //zapamiętujemy zmienne dla main()
   ICR1_moment_B  = ICR1_aktualny;
   pomiar_gotowy  = 1;

  }
  
  //w pozostałych przypadkach nic nie robimy i czekamy na zliczanie 
  //dalszych zboczy
 
 }

 //zwiększ licznik wykrytych zboczy
 pomiar_zbocze_nr++;

}

//------------------------------------------------------

ISR(TIMER1_OVF_vect){

 //powiększ licznik przepełnień Timera1
 ilosc_przepelnien++;

}

//------------------------------------------------------


void wykonaj_pomiar(void){

 //Funkcja włącza pomiar 

 //zerujemy licznik przepełnień Timer0
 ilosc_przepelnien = 0;

 //ustawiamy nr pierwszego zbocza
 pomiar_zbocze_nr = 1;

 //zerujemy flagę gotowości pomiaru
 pomiar_gotowy = 0;

 //włącz przerwania z ICP1 Timer1
 TIMSK |= (1<<TICIE1);

}


//------------------------------------------------------

int main(void){

 //zmienne do obliczeń
 double czas_jednego_obrotu;
 double obrotow_na_sekunde;

 PORTB |= (1<<PB0);   //włącz pullup transoptora

 LCD_Initalize();       //inicjalizacja LCD i napis początkowy
 LCD_Clear();
 LCD_GoTo(0, 0);         
 LCD_WriteText("Obrotomierz");

 //Ustawienie Timer1
 TCCR1A = 0;
 TCCR1B = (1<<CS10);   //preskaler 1, bez noise 
                             //canceler dla ICP1
 
 //lub z modułem Noise Canceler:
 //TCCR1B = (1<<CS10) | (1<<ICNC1); //preskaler 1, włącz 
                                         //noise canceler dla ICP1
 
 sei();       //włącz przerwania globalne

 wykonaj_pomiar();     //włącz pierwszy pomiar

 //pętla główna
 while(1){
  
  if(pomiar_gotowy){
   
   // gdy pomiar został wykonany

   //obliczenia
   
   pomiar_ilosc_cykli  =  65536 * ilosc_przepelnien - ICR1_moment_A 
                          + ICR1_moment_B;
   
   czas_jednego_obrotu = (double) pomiar_ilosc_cykli 
                         / POMIAR_ILOSC_OBROTOW / F_CPU ;

   obrotow_na_sekunde = 1.0 / czas_jednego_obrotu;

   //wyświetlenie wyników

   LCD_Clear();

   LCD_GoTo(13, 0);
   LCD_WriteText("rpm");

   //czas jednego obrotu
   sprintf(wynik,"%5.2fms/obr", 1000.0 * czas_jednego_obrotu);
   LCD_GoTo(0, 0);
   LCD_WriteText(wynik);

   //obroty na sekundę
   sprintf(wynik,"%5.2frps ", obrotow_na_sekunde);
   LCD_GoTo(0, 1);
   LCD_WriteText(wynik);
  
   //obroty na minutę
   sprintf(wynik,"%7u ", (int) (60.0 * obrotow_na_sekunde));
   LCD_GoTo(9, 1);
   LCD_WriteText(wynik);
      
   //pomiary co pół sekundy
   _delay_ms(500);   

   //wykonaj następny pomiar
   wykonaj_pomiar();

  }
 }
}

Do pobrania program wraz z projektem AVR Studio 4 + plik hex: OBROTOMIERZ-v1.zip


Problem znaku zapytania

Jeżeli w trakcie realizacji własnego projektu (nie opartego o powyższy plik AVR Studio 4) napotykasz na problem, że zamiast liczby wyświetla się znak zapytania, przeczytaj artykuł: Problem znaku zapytania podczas konwersji float do znaków ASCII w celu wyświetlenia na np. LCD itp.



Efekt końcowy



Akualizacje programu

Ponieważ w miarę pisania o silnikach BLDC jest prawdopodobne, że będę rozbudowywał program obrotomierza, stąd jego aktualną wersję będę zamieszczał w niniejszym temacie.

UWAGA!
Jeżeli ktoś na bazie niniejszego kodu opracuje własną wersję obrotomierza na ten, czy inny mikrokontroler i zechce się nią podzielić z czytelnikami bloga, to proszę o kontakt i z góry w ich imieniu dziękuję :-)



Artykuł wykorzystano do:

Link do artykułu na forum: Pompa perystaltyczna

... wykorzystasz artykuł, opiszesz w sieci, daj nam znać zamieścimy link :-)