В журнале «Радио» описано немало приборов для измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания — и аналоговых, и цифровых. Цифровой тахометр с квазианалоговой шкалой, представляемый вашему вниманию, заметно проще других подобных по схеме и при этом обладает лучшими точностными характеристиками.
Столь высоких результатов автору удалось добиться применением современного микроконтроллера PIC16C84. Тахометр построен таким образом, что им одинаково удобно пользоваться как во время движения, так и при регулировке двигателя в гараже.
При эксплуатации автомобиля, не имеющего встроенного тахометра, для контроля частоты вращения коленчатого вала двигателя используют электронные тахометры. Выполненные по различным схемам, они показывают измеряемую частоту вращения либо в цифровом виде, либо в виде светодиодной шкалы [1]. Шкальные приборы более удобны, но менее точны из-за конечного числа элементов шкалы. Основанные на схемной обработке импульсных последовательностей, такие приборы весьма чувствительны к временным параметрам импульсов, что проявляется в нестабильности показаний при изменении температуры и мигании шкалы. Это ограничивает область применения электронных шкальных тахометров, по существу, лишь индикацией частоты вращения, потому что не позволяет фиксировать показания с точностью, необходимой, например, для регулировки карбюратора или диагностики двигателя.
Применение программной обработки импульсов с датчика частоты вращения позволяет совместить удобства шкалы и высокую точность показаний, превращает индикатор частоты вращения вала двигателя в настоящий измерительный прибор. Для этой цели наиболее подходят программируемые периферийные микроконтроллеры фирмы Microchip Technology Inc. (США), обладающие высокими быстродействием и нагрузочной способностью портов.
В описываемом ниже тахометре применен микроконтроллер PIC16C84, с которым читатели уже знакомы по публикации [2]. Его особенностью является наличие программируемого запоминающего устройства с электрическим стиранием программ и информации (EEPROM) объемом 1К(14 бит и 64 байт соответственно. Это сделало возможным обойтись без внешней памяти и существенно упростить прибор. Тахометр прост в изготовлении, надежен в работе и не требует налаживания.
На рис. 1 показан внешний вид электронного тахометра. Он оснащен двумя светодиодными шкалами и может работать в 2-х режимах: индикации и измерения. В режиме индикации вся полоса частоты вращения от 0 до 6000 мин-1 разбита на 12 частей — делений, образующих обзорную шкалу с дискретностью 500 мин-1. В режиме измерения прибор работает в интервале от 300 до 3000 мин-1 и обзорная шкала имеет дискретность 250 мин-1.
Вместе с обзорной в этом режиме работает растянутая шкала 0…200 мин-1. Она образована четырьмя светодиодами и, следовательно, имеет дискретность 50 мин-1.
Отсчет значения частоты n образуется сложением 2-х составляющих: n = 250N0 + 50Np, где N0 и Np — число светящих элементов обзорной и растянутой шкал соответственно.
Погрешность измерения равна цене деления растянутой шкалы, т. е. 50 мин-1 , что вполне достаточно для решения практических задач.
Принцип действия тахометра основан на прямом измерении периода следования импульсов, снятых с контактов прерывателя, с последующим вычислением частоты вращения вала двигателя и выведением результата на дискретную шкалу. При этом измерение временных интервалов реализуется путем счета калиброванных промежутков времени — дискрет, формируемых программно из тактовых импульсов. Интервал осреднения — 10 периодов.
На рис. 2 представлена принципиальная электрическая схема тахометра. В его состав входят центральный процессор, входной формирователь, узел индикации и блок питания.
Центральный процессор выполнен на микроконтроллере DD1. Он имеет два порта: А с пятью и В с восемью выводами, которые могут быть программно сконфигурированы как на введение, так и на выведение информации. Входы RA0-RA3, RB2-RB5 сконфигурированы на выведение информации, RB0 и RB1 — на введение, а RA4, RB6 и RB7 не использованы. Центральный процессор тактирован встроенным тактовым генератором, частоту которого задает кварцевый резонатор ZQ1. Процессор обнуляется при включении питания цепью R2C1 по входу MCL. Резистор R3 служит для ограничения тока этого входа, а диод VD1 — для быстрой разрядки конденсатора С1 при отключении питания.
Входной формирователь собран на элементе DD2.1 и триггере DD3.1 по схеме из [3] и дополнен предварительным усилителем на транзисторе VT1. В цепь базы этого транзистора включены элементы, повышающие помехоустойчивость входного формирователя [4].
С выхода формирователя импульсы поступают на вход элемента DD2.2, выполняющий функции буфера, и на вход D-триггера DD3.2, включенного делителем частоты на два. На выходе этого триггера формируется импульсная последовательность вида «меандр» с частотой следования, вдвое меньшей входной.
Буферный элемент DD2.2 предназначен для подключения к нему прочих устройств автомобильной электроники (например, блока зажигания). Выход этого элемента служит также для контроля работы входного формирователя. Частота следования импульсов на выходе элемента DD2.2 равна частоте искрообразования. Элемент DD2.2 и триггер DD3.2 не являются обязательными, они лишь придают техническому решению прибора дополнительную гибкость.
Сформированная импульсная последовательность поступает на вход RB0 процессора DD1, который обрабатывает ее по встроенной программе с использованием прерываний. Требуемый вид измерения выбирают тумблером SА1, изменяющим режим входа RB1 процессора.
Узел индикации состоит из 2-х светодиодных шкал HL1-HL4 и HL5-HL17 и дешифратора DD4, DD5. Обзорная шкала образована светодиодами HL6- HL17, которые подключены к выходам дешифратора, собранного на преобразователях кода DD4 и DD5 [5]. На вход дешифратора с порта А процессора DD1 поступает сигнал, несущий двоичный код значения частоты вращения, что приводит к включению соответствующего числа светодиодов шкалы. Светодиод HL5 индицирует включение прибора, поскольку его свечение соответствует нулевому коду на входе дешифратора.
Вторая шкала — растянутая — образована светодиодами HL1-HL4, которые подключены к выводам RB2-RB5 процессора через токоограничительные резисторы R5-R8.
Прибор питается от двенадцативольтной бортовой сети автомобиля. Через выключатель питания SA2 и входной фильтр R15C7 напряжение постоянного тока поступает на стабилизатор DA1, с выхода которого напряжение 5 В поступает на все узлы прибора.
Программу обработки вводят в память процессора с помощью программатора; она занимает около 400 байтов (см. таблицу).
Детали тахометра, за исключением светодиодов, тумблеров и стабилизатора DA1, смонтированы на печатной плате, чертеж которой изображен на рис. 3.
Микросхемный стабилизатор DA1 установлен на теплоотвод с поверхностью охлаждения 25 см2. Примененный автором стабилизатор имеет полностью изолированный пластмассовый корпус. В случае использования отечественного стабилизатора КР142ЕН5А (или КР142ЕН5В) его лучше установить на теплоотвод через изолирующую прокладку.
Табло тахометра, представляющее собой лицевую панель прибора, собрано на светодиодах серии КИПМ11. Здесь же смонтированы два тумблера SA1 и SA2 — годятся любые миниатюрные.
Частота кварцевого резонатора ZQ1 определяет установки в программе так, чтобы значение дискреты времени с учетом предделителя процессора лежало в районе 20…160 мкс. Большее значение частоты ведет к переполнению счетчика процессора, меньшее — снижает разрешающую способность прибора. Практически можно использовать резонаторы на частоту до 4 МГц, желательно в металлическом корпусе с проволочными выводами (например, РК-374). Резонатор крепят к плате проволочной скобой, впаиваемой концами в два отверстия А.
Две группы контактов на плате, обозначенных цифрами 1-4, надо соответственно соединить жгутом из 4-х проводников.
Контроллер PIC16C84-04/P можно заменить на PIC16C84-10/P и использовать кварцевый резонатор с частотой до 10 МГц. Возможно также применение более доступного микроконтроллера PIC16F84, отличающегося от PIC16C84 типом памяти программ (flash-память). Следует отметить, что рабочий температурный интервал указанной микросхемы — от 0 до +70°С. При необходимости использования тахометра и при минусовой температуре лучше использовать контроллер, имеющий в обозначении букву I (соответствующую температурному интервалу -40…+85°С).
Транзистор VT1 может быть любым маломощным кремниевым структуры n-p-n со статическим коэффициентом передачи тока не менее 100.
Литература
1. Ломакин Л. Электроника за рулем (аннотированный указатель). — Радио, 1996, # 9, с. 55, 56.
2. Ганженко Д., Кабаков Е., Коршун И. PIC и его применение. — Радио, 1995, # 10, с. 47-49.
3. Бирюков С. Подавление импульсов «дребезга» контактов. — Радио, 1996, # 8, с. 47, 51.
4. Маслов А. Модернизация квазианалогового тахометра. — Радио, 1993, # 9, с. 36, 37.
5. Чуднов В. Линейная шкала в тахометре. — Радио, 1993, # 3, с. 13.
Список радиоэлементовОбозначение
Тип
Номинал
Количество
ПримечаниеМагазинМой блокнот
DA1
Линейный регуляторLM78051
DD1
МикроконтроллерPIC16C841
DD2
МикросхемаК561ЛП21
DD3
МикросхемаК561ТМ21
DD4, DD5
МикросхемаКМ155ИД112
VT1
Биполярный транзисторКТ342А1
VD1, VD3
ДиодКД503А2
VD2
ДиодКД504А1
HL1-HL4
СветодиодКИПМ11К-1Ж4
HL5, HL14-HL17
СветодиодКИПМ11А-1К5
HL6-HL13
СветодиодКИПМ11Д-1Л8
С1
Электролитический конденсатор6.8 мкФ 10 В1
С2, С3
Конденсатор15 пФ2
С4
Конденсатор0.1 мкФ1
С5
Конденсатор0.033 мкФ1
С6
Конденсатор0.01 мкФ1
С7
Электролитический конденсатор100 мкФ 25 В1
С8
Конденсатор2.2 мкФ1
С9
Электролитический конденсатор20 мкФ 10 В1
R1, R14
Резистор82 кОм2
R2
Резистор15 кОм1
R3
Резистор360 Ом1
R4
Резистор150 Ом1
R5-R8
Резистор220 Ом4
R9
Резистор4.7 кОм1
R10, R13
Резистор1.2 кОм2
R11
Резистор10 кОм1
R12
Резистор6.8 кОм1
R15
Резистор12 Ом1
1 ВтZQ1
Кварцевый резонатор3.579 МГц1
SA1, SA2
Выключатель2
Х1
Разьемтри вывода1
Добавить все