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.
// Сразу скажу, что код, указанный в статье не для копипаста, а для иллюстраций. // Я конкретно эти примеры не компилировал. У меня код ещё по проекту размазан.
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.
Вычисленная = ВычисляемЧастоту() / К; Если (Частота < Мин) Частота = 0 Иначе Если (Частота < Макс) Частота = Вычисленная
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.
Как работает тахометр?
Чтобы понять принцип работы тахометра, желательно для начала разобраться в функционирования двигателя внутреннего сгорания. Его задание заключается в превращении поступательного движения во вращательный. Подобный процесс происходит благодаря расширению газов в камере сгорания и дальнейшего приведения в действие специальных поршней, которые заставляют двигаться коленвал.
Частота вращения коленвала и записывается тахометром. Простыми словами, если нажать на педаль газа, то объем топлива, которое подается в камеру сгорания, растет, а следом за ним увеличивается скорость обращения коленвала и повышаются показатели тахометра.
Болванка для кода
Так как мы имеем дело с такими нежными величинами как время и пространство, то лучше сразу освоить прерывания.
const byte fqPin = 2; // Для ATMega32 только 2 или 3. volatile unsigned long counter = 0; // Функция для обработки прерывания. void ISR() { // Здесь код прерывания counter++; // Например } void setup() { Serial.begin(115200); // Подключаем функцию ISR на прерывание по появлению сигнала на ноге fqPin. attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(fqPin), ISR, RISING); } void loop() { // Копируем данные. noInterrupts(); unsigned long cnt = counter; interrupts(); // Здесь делаем что-то с полученными данными. // … Serial.println(cnt); delay(1000); }
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.
Частота = ( Счётчик / Время ) / К const byte fqPin = 2; // Для ATMega32 только 2 или 3. const unsigned long interval = 1000000UL; // Интервал подсчёта в микросекундах const int K = 1; unsigned long oldMks = 0; // предыдущий момент времени volatile unsigned long counter = 0; // Функция для обработки прерывания. void ISR() { // Здесь код прерывания counter++; // Например } void setup() { Serial.begin(115200); // Подключаем функцию ISR на прерывание по появлению сигнала на ноге fqPin. attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(fqPin), ISR, RISING); } void loop() { // вычисляем текущий момент времени unsigned long mks=microseconds(); // Получаем данные. noInterrupts(); unsigned long cnt = counter; counter = 0; // Сразу сбросим счётчик interrupts(); // Выводим частоту в оборотах в секунду Serial.println( 1000000f * (float)cnt / (float)(mks-oldMks) / (float)K ); // 1000000 микросекунд в секунде // далее по формуле выше. // mks-oldMks лучше, чем interval потому, что это реальное время от последнего // опроса счётчика, а interval — предполагаемое. // Все целые переменные приводим в вещественные oldMks=mks; // Сохраняем время вычисления. // Спим пока копятся отсчёты до следующего вычисления delayMicroseconds(interval); }
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
Частота = 1 / ( Интевал * К )
Мы можем засечь время одного отсчёта и другого, вычислить разницу. Величина, обратная вычисленному интервалу и есть частота. Круто! Но есть минусы.
const byte fqPin = 2; // Для ATMega32 только 2 или 3. const int K = 1; volatile unsigned long interval; // Функция для обработки прерывания. void ISR() { // Здесь код прерывания static unsigned long oldTime; // Сохраняем предыдущее значение. unsigned long Time=microseconds(); interval=Time-OldTime(); oldTime=Time; } void setup() { Serial.begin(115200); // Подключаем функцию ISR на прерывание по появлению сигнала на ноге fqPin. attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(fqPin), ISR, RISING); } void loop() { // Получаем данные. noInterrupts(); unsigned long cnt = interval; interrupts(); // Выводим частоту в оборотах в секунду Serial.println( 1000000f / ( (float)K * (float)(cnt) ); // 1000000 микросекунд в секунде // далее по формуле выше. // Все целые переменные приводим в вещественные // Спим, чтобы не заливать экран потоком данных // Четверть секунд — хорошее время. delay(250); }
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.
Частота = Счётчик / ИнтервалИзмерения / К
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.
const byte fqPin = 2; // Для ATMega32 только 2 или 3. const int K = 1; volatile unsigned long counter; // Количество отсчётов. volatile unsigned long mks; // Время последнего отсчёта. unsigned long oldTime; // Время последнего отсчёта в предыдущем вычислении. // Функция для обработки прерывания. void ISR() { // Здесь код прерывания mks=microseconds(); // Момент последнего отсчёта counter++; // Количество отсчётов } void setup() { Serial.begin(115200); // Подключаем функцию ISR на прерывание по появлению сигнала на ноге fqPin. attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(fqPin), ISR, RISING); } void loop() { unsigned long rpm; // Получаем данные. noInterrupts(); unsigned long cnt = counter; counter = 0; unsigned long tmr = mks; interrupts(); // Выводим частоту в оборотах в секунду if (cnt > 0) { rpm = 1000000UL / ((tmr — oldTime) / cnt) / K; oldTime = tmr; } else { rpm = 0; } Serial.println( rpm ); delay(250); }
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».
Отличный лазерный тахометр DT2234C+. Тестирование, сравнение с дорогим аналогом
Сегодня будет обзор довольно полезной для многих вещи — лазерного тахометра DT2234C+. Также я сравню его с более дорогим тахометром от Uni-t. Разборка прилагается 
Бытовой лазерный тахометр используется для вычисления частоты вращения разных элементов, может выступать как счетчик оборотов, находить максимальное, среднее, минимальное значение итп. Количеств функций зависит от стоимости прибора и, как правило, в недорогих тахометрах присутствуют только перечисленные выше две. Что можно делать им дома?
Для ПК: 1. Сравнивать скорость вращения вентилятора, которую выдают ШИМ реобасы, с реальным значением 2. При регулировке скорости вращения вентилятора напряжением, смотреть обороты вентилятора
Для домашнего мастера: 1. Смотреть скорости вращения сверлильных/фрезерных итп станков 2. Смотреть обороты для ручного инструмента — дрели, граверы итд 3. Использовать для подсчета оборотов специальных инструментов — например, при намотке катушек
В общем это полезная вещь для тех случаев, когда вас интересуют обороты чего-либо. Лазерные тахометры работают на основе принципа регистрации отраженного от поверхности луча лазера и подсчета данных. Конструктивно выполнены в виде линзы (или нескольких линз) через которую светит маломощный лазер и приемника света, который принимает отраженный свет через ту же линзу. Лазер и приемник расположены так, что бы в обычном состоянии (когда нет отражения лазерного луча), лазер не засвечивал приемник. Для четкой регистрации сигнала, в комплекте к тахометру идут отражающие полоски, которые вы можете наклеить на поверхность измеряемого устройства. Полоски не обязательны, если у вас есть четкое разделение отраженного луча — например, черный диск и белая полоса. Цифровые тахометры обладают хорошей точностью и недороги. Это если кратко. Для чего его купил я — появилось желание сделать счетчик оборотов для настольной циркулярки. Я хотел купить комплект — блок лазер/приемник со шлейфом к основной плате, плата подсчета частоты вращения плюс контроллер дисплея, дисплей на шлейфе. Почему-то я был уверен, что такие наборы есть. Потратив полдня на али и ничего не найдя, разозлился и решил купить самый дешевый тахометр, что бы потом его раздерибанить на части и использовать в своем проекте. Ну и хотелось максимального количества положительных отзывов на модель, дабы потом не было обидно. Такой нашелся. Итак, встречаем, DT2234C+
Приехало все в сильно помятой коробке, но сам тахометр не пострадал:
В коробке лежит чехол для переноски. Довольно удобный, кстати:
В чехле — сам тахометр, набор отражающих полосок, инструкция:
Параметры тахометра:
Измерение оборотов
— 2.5 — 99999 об/мин
Точность
— +-0.05% + 1 знак
Дистанция измерения
— 5см — 50см
Питание
— 9в крона
Ток потребления в рабочем режиме
— 30мА
Измерение минимального, максимального значения
Подсветки нет. В приборе нет режима постоянной работы — для измерения надо нажать Test. После отпускания кнопки прибор выключается. Если в выключенном приборе нажать Mem, то в цикле показывает минимальное, максимальное, последнее значение. Сзади отсек для кроны:
В инструкции написано, что при длительном неиспользовании лучше вытаскивать батарею. Давайте измерим ток выключенного тахометра:
Ток 10мкА. С таким током батарею можно не вытаскивать. Теперь потребление в рабочем состоянии. По инструкции — 30мА
В принципе все совпадает. Теперь самое интересное. Давайте испытаем тахометр на реальных задачах. У меня есть процессорный вентилятор. Наклею на него полосу. Сравниваться будет с Uni-t UT373. Этот тахометр имеет больше функций, точнее, имеет подсветку, стеклянную просветленную оптику
Сразу скажу — ужасный тахометр сделала Unit-t. Не покупайте. Он глючит в показаниях при близком измерении, сбивается при наклонах под разными углами, иногда тупит и не показывает значение оборотов. Так что цена совсем не всегда показатель качества. Итак, клеим полосу на вентилятор:
Измеряем Unit-t:
Измеряем китайцем:
Как видите, значения очень близки. Но, в отличие от Uni-t, китаец железно держит показания под разными углами, четко срабатывает от 5см (соответствует инструкции). Максимально расстояние, когда удалось измерить обороты, составило больше метра (при паспортных 50см)! Я вот совершенно серьезно думаю, что бы на станок раздерибанить Uni-t, а пользоваться китайцем. Давайте его разберем:
Все максимально дешево. Лазер впаян просто в плату без регулировки фокуса, приемник аналогично Тем не менее, работает очень хорошо. Кстати, лазер светит очень сильно, явно больше безопасных 5мВт. Потом покопаюсь в плате на предмет уменьшения тока лазера. Думаю для работы в постоянном режиме это будет полезно. Раз пошла такая пьянка, разберем и Uni-t:
Видно, что все гораздо качественнее сделано. Линзы в отдельном блоке с креплением, они стеклянные и с просветлением. Приемник в отдельном пластиковом креплении, как и лазер. Т.е. от модели к модели настройки фокуса выдерживаются с хорошей точностью. Юнит работает на 3ААА, что тоже плюс. Есть подсветка. Тем не менее, все эти плюсы не помогли этому тахометру.
Выводы — DT2234C+ отличный лазерный тахометр. Из минусов я бы назвал невозможность работы в постоянном режиме и отсутствие подсветки
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.
Примерно так:
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.
МинимальныйИнтервал = ( 1 / ( K * МаксимальнаяРазумнаяЧастота) ) const byte fqPin = 2; // Для ATMega32 только 2 или 3. const int K = 1; const unsigned long maxFq = 20000; // rpm (оборотов в минуту) const unsigned long minInterval = 1000000UL / ( K * maxFq ); // минимальный интервал в мкс volatile unsigned long counter; // Количество отсчётов. volatile unsigned long mks; // Время последнего отсчёта. unsigned long oldTime; // Время последнего отсчёта в предыдущем вычислении. // Функция для обработки прерывания. void ISR() { // Здесь код прерывания static unsigned long oldTmr; // сохраняем старый таймер unsigned long tmr=microseconds(); if (tmr — oldTmr > minImterval) { mks=microseconds(); counter++; oldTmr=tmr; } } void setup() { Serial.begin(115200); // Подключаем функцию ISR на прерывание по появлению сигнала на ноге fqPin. attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(fqPin), ISR, RISING); } void loop() { unsigned long rpm; // Получаем данные. noInterrupts(); unsigned long cnt = counter; counter = 0; unsigned long tmr = mks; interrupts(); // Выводим частоту в оборотах в секунду if (cnt > 0) { rpm = K * 1000000UL / ((tmr — oldTime) / cnt); oldTime = tmr; } else { rpm = 0; } Serial.println( rpm ); delay(250); }
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:
dispRPM(unsigned int rpm) { static unsigned int lastRpm; if (rpm > lastRpm) { // Увеличивается unsigned int disp = rpm — (lastRpm-rpm)/5; // быстро вверх outputRPM(disp); // Поворот стрелки lastRpm=disp; } else { // Уменьшается unsigned int disp = rpm — (lastRpm-rpm)/2; // медленно вниз outputRPM(disp); // Поворот стрелки lastRpm=disp; } }
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.
Что такое автомобильный тестер
Автомобильный тестер — это измерительный прибор, предназначенный для диагностики электрической системы автомобиля, измерения ее основных показателей, проверки работоспособности ее компонентов и поиска неисправностей. В самом простом случае тестер можно собрать из батарейки, лампочки и двух проводов — этого «прибора» вполне хватит для прозвонки цепей и поиска обрывов (что случается чаще всего).
Современные автомобильные тестеры далеко ушли от простой лампочки с батарейкой. Сейчас это сложные, но компактные мультиметры, позволяющие не просто проверить цепи на предмет обрывов, а измерить ее основные характеристики (а также и некоторые характеристики двигателя — обороты и температуру), проверить работоспособность отдельных деталей и найти неисправность.
При всех своих широких возможностях современные тестеры отличаются компактными размерами, простотой в эксплуатации и доступной стоимостью.
