Современная электроника №8/2019

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 56 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 Тахометр для квадрокоптера Рис. 1. Схема измерителя (тахометра) В статье приведено описание схемы, конструкции и программы для измерения скорости вращения двигателя квадрокоптера. Основное отличие от существующих прототипов [1] – использование инфракрасного датчика отражения, что позволяет безопасно проводить измерения и не задействовать конструкцию моторов. Вторым важным и отличительным достоинством является использование USB-UART- преобразователя с кварцевой стабилизацией сигналов (тахометр), что обеспечивает необходимую точность измерения и снижает стоимость устройства. Возможно применение тахометра в системах контроля: вентиляции, вращающихся элементов, крыльчаток и т.п. Андрей Шабронов (shabronov@ngs.ru ) В ВЕДЕНИЕ Для измерения скорости вращения требуется фиксировать количество оборотов за фиксированный интер- вал времени, например, в одну секунду. Инфракрасный датчик фиксирует перемещение лопасти. Лопасть отра- жает фотопоток, датчик регистрирует это своим выходным напряжением. Есть фотопоток – напряжение на выхо- де высокое, нет фотопотока – напря- жение низкое. Для получения фиксированного интервала времени с учётом переме- щений лопастей используется передача блока известных байтов (0xFF) и приём этого же блока байтов, но с модуляцией через логический элемент типа «исклю- чающее ИЛИ» (сокращенно «И–ИЛИ») от инфракрасного датчика. Свойство логической функции «И–ИЛИ» – выде- лять «разностный» код, который фор- мирует на приёме тот же блок, но бай- ты, которые попадают в интервал с фотопотоком, инвертируются (0x00). Таким образом, принимаемый блок содержит информацию о количестве пересечений. Время измерения опреде- ляется умножением количества байтов на скорость передачи байтов. Блок передаётся на «машинном уровне» компьютера и не прерыва- ется другими подпрограммами USB- интерфейса, поэтому он точный по времени. Между блоками временно ′ й интервал может быть различный. Для используемого типаUSB-UART [2] максимально возможныйблок передачи- приёма составляет 1 кбайт (4096 байт). Для скорости 100 кбит/с время изме- рения составит около 0,4 с. При разде- лении фотопотока по 3…4 байта полу- чаем максимальное число возможного учёта, а именно: 4096/(4+4)=512 пере- сечений. В данном примерном расчёте сум- мирование в 2 раза означает, что 3…4 байта фотопотока проходит, а сле- дующие 3…4 байта нет. Это и есть пери- од пересечения. Абсолютная ошибка составляет один байт. В процентах это 1/4096 × 100%=0,02%. Оценим предельные параметры изме- рения. Мотор квадрокоптера рассчитан на максимальнуюработу до 12 000 обо- ротов в минуту, следовательно, выпол- няет 12 000/60=200 об/с, а за 0,5 с это 100 оборотов. Таким образом, предел измерения на данной скорости переда- чи и размере блока превышает возмож- ный предел для мотора квадрокоптера более чем в 5 раз. Приведённый пример расчёта пока- зывает, что точность измерения можно определить математически. Другой спо- соб – сравнить с аналогичными прибо- рами и тахометрами. Важно при оценке погрешности измерений оценить параметры дат- чика фотопотока. Поскольку, возмож- ны ситуации «засвечивания» от посто- ронних и рядом расположенных эле- ментов конструкции. В приведённой далее программе для увеличения точности измерений используются метод накопления сред- него значения и расчёт дисперсии сред- него значения. П РИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ТАХОМЕТРА Предлагаемая схема тахометра построена на трёх самостоятельных конструктивных элементах: адаптер USB-UART [2], датчик фотопотока для ARDUINO и одна логическая микро- схема, которая формирует функцию «И–ИЛИ» (555ЛА3). Схема измерителя представлена на рисунке 1. Для формирования функции «И–ИЛИ» применена распространён- ная микросхема 555ЛА3 с 4 элементами 2И–НЕ. Функцию «И–ИЛИ» формирует включение всех её элементов. Вполне возможно использовать и микросхему 555ЛП5, которая содержит четыре эле- мента «И–ИЛИ». В этом случае задей- ствуется один и не используются три элемента. Питание всех компонентов осу- ществляется по USB-шине компьюте- ра. Потребляемый ток не более 100 мА. На рисунке 2 представлены диа- граммы сигналов на входе и выходе «И–ИЛИ» при приёме данных пересе- чений фотопотока фотоприёмником. Сигналы 1-й и 2-й диаграмм – это пере- даваемый блок в точке TXD UART. Сиг- нал 3-й диаграммы – принимаемый сигнал от фотоприёмника D0, кото- рый поступает на входы 1 и 13 микро- схемы U1 (см. рис. 1). Сигналы 4-й и 5-й диаграмм – это сиг- нал с модуляцией по «И–ИЛИ» с вывода 6 микросхемы U1, который поступает на вход RXD UART. Сигналы диаграмм 1, 2 и 4, 5 одина- ковые, но представлены в разных мас- штабах для уточнения метода преоб- разования. Стрелками указано место увеличенного масштаба отображения. U cc GND GND GND D0 RXD TXD +5 B USB UART +5 B 14 U1.5 7 J2 J1 1 2 3 1 1 2 2 10 11 13 12 9 3 3 4 5 8 6 4 5 555ЛА3 & U1.2 & U1.1 ИК- датчик & U1.3 & U1.4