Разработка тахометра

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Требования и части

Тахометр - это полезный инструмент для подсчета RPM (оборотов в минуту) колеса или всего, что крутится. Самый простой способ сделать тахометр - это использовать ИК передатчик и приемник. Когда связь между ними прерывается, вы знаете, что что-то вращается и можете применять код для вычисления RPM, ориентируясь на частоту прерывания связи.

Этот проект является достаточно простым, чтобы его создать и настроить. Ниже приведен список деталей, которые нам понадобится для этого проекта. Большинство из них можно приобрести на ближайшем радио-рынке.

Поставленная задача решается в двух плоскостях: механика и логика, то есть, каким образом будет работать механизм, и по какому принципу будет осуществляться управление системой.

Для начала необходимо подобрать все необходимое для изготовления аппарата. Это и комплектующие и инструменты.

Для этого нам понадобятся:

Arduino UNO

16x2 LCD

Макетная плата

Подстроечный резистор 5 кОм

Перемычки

SIP разъёмы

2x 2N2222 NPN транзистор

Инфракрасный светодиод

Фототранзистор

Резистор 10 Ом

Резистор 100 кОм

Резистор 15 кОм или 16 кОм

Для решения задачи необходимо следующее оборудование:

* Персональный компьютер;

* Электропривод;

* Микроконтроллер Arduino.

Наиболее распространенными и универсальным интерфейсом для подключения периферийных устройств к ПК на данный момент является USB, поэтому микроконтроллер должен иметь USB интерфейс. Для избежания проблем с пайкой и программированием микроконтроллера проще всего использовать одну из плат Arduino или ее аналогов.

Рассматривая оригинальные платы Arduino можно столкнуться с проблемой выбора нужной, ведь ассортимент моделей достаточно велик. Главные отличия между ними - используемый микроконтроллер, а значит функциональность, внешние интерфейсы, а также объем памяти и физические размеры. Приоритетными критериями в выборе платы для данного проекта становятся:

Наличие usb порта

Габариты

Цена

Так же Arduino это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств для новичков и профессионалов. Платформа пользуется огромной популярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Устройство программируется через USB без использования программаторов.

Arduino позволяет компьютеру выйти за рамки виртуального мира в физический и взаимодействовать с ним. Устройства на базе Arduino могут получать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков, а также могут управлять различными исполнительными устройствами.

Микроконтроллер на плате программируется при помощи языка Arduino (основан на языке Wiring) и среды разработки Arduino (основана на среде Processing). Проекты устройств, основанные на Arduino, могут работать самостоятельно, либо же взаимодействовать с программным обеспечением на компьютере (напр.: Flash, Processing, MaxMSP). Платы могут быть собраны пользователем самостоятельно или куплены в сборе. Программное обеспечение доступно для бесплатного скачивания. Исходные чертежи схем (файлы CAD) являются общедоступными, пользователи могут применять их по своему усмотрению.

2. Функциональная спецификация системы

Функциональная спецификация фиксирует, что система должна сделать и как она взаимодействует с окружением.

Функциональная спецификация включает два основных компонента:

1)список функций выполняемых системой;

2)описание интерфейса между системой и пользователем.

Список функций выполняемых системой и интерфейс между системой и пользователем определяются требованиями, которые предъявляются к проектируемой системе потребителем или пользователем, будущих эксплуатировать устройство. Исходя из заданных данных на курсовой проект можно выделить следующие основные функциональные действия, которые должна выполнять проектируемая компьютерная система:

Обеспечить измерение частоты вращения ротора двигателя, которая может изменятся от 100 до 5000 об/мин ;

Данную функцию можно реализовать путем преобразования импульсов за каждый оборот, которые снимаются с помощью импульсного датчика, в цифровой код с помощью биполярного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с дальнейшей программной обработкой в микропроцессорной системе и передачей полученных данных на цифровой индикатор.

обеспечивать точность измерения напряжений 2% на заданном диапазоне;Данное требование в проектируемом устройстве обеспечивается путем применения радиоэлементов с отклонением от номинала не более 0.5% и АЦП соответствующей разрядности.

быть несложным в управлении;

Несложность в управлении достигается минимизацией числа органов управления и наглядным отображением измеряемой величины. В проектируемом устройстве в качестве органов управления применяются

тахометр цифровой сигнал спецификация

3. Наименование и область применения системы

Инфракрамсное излучемние (ИК) -- электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны л = 0,74 мкм и частотой 430 ТГц) и микроволновым радиоизлучением (л ~ 1--2 мм, частота 300 ГГц).

Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с л = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50 % излучения Солнца; инфракрасное излучение испускают некоторые лазеры. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приёмниками, а также специальными фотоматериалами.

Весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:

коротковолновая область: л = 0,74--2,5 мкм;

средневолновая область: л = 2,5--50 мкм;

длинноволновая область: л = 50--2000 мкм.

Разрабатываемая система измерения оборотов предназначена для , измерения частоты вращения (количество оборотов в единицу времени) различных вращающихся деталей, таких как роторы, валы, диски и др., в различных агрегатах, машинах и механизмах. крутится.

Самый простой способ сделать тахометр - это использовать ИК передатчик и приемник. Когда связь между ними прерывается, вы знаете, что что-то вращается и можете применять код для вычисления RPM,

Тахометры широко применяются для измерения частоты вращения вала двигателей практически всех типов транспортных средств (автомобилей, тракторов, тепловозов, судов, самолётов, вертолётов). Также применяются для контроля частоты вращения рабочих органов технологических машин, станков, агрегатов (например, валков прокатных станов, турбин).

Кроме того, тахометр может быть использован в других целях, например, при подсчете расхода сырья на конвейере, материалов, расхода жидких и газообразных сред в трубопроводах ротационными расходомерами, времени наработки оборудования, машин и механизмов при испытаниях и обкатке. Результат измерения может быть масштабирован в реальные единицы измерения (часы, минуты, метры, скорость, штуки, количество упаковок, кг/с и т. д.). Например, спидометр автомобиля построен по принципу тахометра -- измеряет скорость вращения неведущего колеса, вторичный прибор спидометра проградуирован в единицах скорости перемещения, например, км/час.

Приборы часто снабжаются дополнительными сервисными функциями, например, аварийной или предупредительной сигнализацией ухода значения параметра за допустимые пределы, накопления результатов измерений, сброса и обнуления накопленных значений, защита доступа к данным или настройкам паролем, интерфейсами передачи результатов измерения удалённым устройствам, например, через интерфейсы CAN, RS-485, Ethernet, через протокол, например, Modbus и др. при работе в сети или связи с компьютерами.

4. Классификация тахометров по принципу действия

Существует несколько видов тахометров и мы их рассмотрим:

Механический тахометр

Механические тахометры имеют значительный для МД момент сопротивления и поэтому не могут применяться. Диск стробоскопа рекомендуется изготовлять фотоспособом; он должен быть легким и хорошо сбалансированным. Число импульсов может оцениваться с помощью частотомеров ( не всегда имеющихся в распоряжении наладчиков), а также обычных электронных осциллографов ЭО.

Работа механического тахометра основана на том, что вращение приводного валика прибора преобразуется в поступательное движение передаточного механизма, связанного со стрелкой прибора специальным устройством

Магнитный тахометр

Работа магнитного тахометра основана на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита, соединённого с контролируемым валом, с вихревыми токами в алюминиевом диске. При вращении постоянного магнита его магнитное поле наводит в алюминиевом диске вихревые токи. Взаимодействие магнитных полей постоянного магнита и вихревых токов приводит к появлению на валу диска вращающего момента, который отклоняет стрелку тахометра.

Электрические тахометры.

Электрические тахометры служат для дистанционного контроля направления и частоты вращения валов в диапазоне до 1500 об/мин. Датчиками в них служат тахогенераторы - миниатюрные генераторы переменного или постоянного тока, вырабатывающие напряжение, пропорциональное частоте вращения вала. Указателями являются магнитоэлектрические вольтметры со шкалой, градуированной в единицах частоты вращения.

Аналоговый тахометр, также как и ушедший в небытие механический, показывает данные о количестве оборотов при помощи движущейся по циферблату стрелки. Принцип работы такого тахометра - преобразование частоты оборотов двигателя в угол отклонения стрелки от отметки оборотов холостого хода. Устройство включает в себя датчики, провода, микросхему, магнитную катушку, градуированную шкалу-циферблат и стрелку. Магнитная катушка накапливает энергию, необходимую для вращения стрелки тахометра. Сигнал от датчиков, установленных на коленчатом валу, идет по проводам через микросхему на магнитную катушку, которая и приводит в движение стрелку на шкале.

Цифровой тахометр представляет собой электронное табло, отображающее количество оборотов в минуту. Суть работы цифрового тахометра состоит в подсчете импульсов в течение определенного времени или, наоборот, измерении временного интервала между смежными импульсами и преобразовании данных в цифровые значения.

Цифровой тахометр состоит из жидкокристаллической панели, центрального процессора с аналого-цифровым преобразователем, датчика клапана холостого хода, счетчика импульсов и оптрона - электронного прибора, преобразующего электрический сигнал в свет. Сигналы, полученные счетчиком импульсов, преобразуются процессором в цифровые значения и выводятся на жидкокристаллическую панель тахометра. ?

Погрешность цифровых тахометров может составлять до 100 об/мин, аналоговых - до 500 об/мин.

5. Обзор аналогов разрабатываемого комплекса

Проводя обзор аналогов разрабатываемого устройства, стоит рассмотреть наиболее распространенные тахометры.

Лазерный тахометр DT2234C. Служит для вычисления скорости вращения исследуемой поверхности. Тахометр дает возможность проводить измерения в диапазоне 30-15000 об./мин. на удалении до 1,5 м.

Область применения прибора DT2234C - проведение измерений скорости вращения заданного предмета на удалении при помощи лазера.

Особенностями такого тахометра является цифровое измерение, методика лазерного измерения (исследование отраженного сигнала лазера), удобный экран большого размера, оснащение встроенной памятью проводимых измерений.

Точность проведения исследований составляет 0, 02% при температуре от 0 до 70 °C, период адаптации прибора составляет 1с. Питание ведется от 3x1,5В батарей типа ААА, поставляемых в комплекте. Габариты - 7,2х13,6х3,3 см, масса 0,146 г.

Цифровой тахометр DT6236B комбинированного типа функционально заменяет три 3 прибора - фототахометр, тахометр контактного типа, а также измеритель скорости движущейся поверхности (применяется для контроля функционирования механизмов ленточного и конвейерного типа).

DT6236B оснащен современным ЖК-дисплеем размером 18 мм, имеющим 5 цифр и белую подсветку. Точность измерений, проводимых прибором, составляет ±0,05%, время одного замера - порядка 0,5 сек. Имеется функция памяти для максимального, минимального и последнего значений. Величина проводимых тахометром измерений может заблаговременно программироваться в следующие единицы измерения - метры, часы, упаковки и др.

Внутренним источником времени является кварц 6МГц. Возможное расстояние для проведения измерений - 50-500 мм. Диапазон измерений фототахометра в составе DT6236B - от 2,5 об./мин до 99999 об./мин., контактного тахометра - от 0,5 об./мин до 19999 об./мин., определителя - от 0,05м/мин до 1999,9м/мин. Питание прибора ведется от 4-x батарей по 1,5В типа AA или от постоянного тока 6В. системы от 7000 рублей.

6. Принцип работы

Тахометры строятся по нескольким различным принципам:

основанные на преобразовании «частота вращения -- угол отклонения стрелки» (механические и элетромеханические тахометры, их работа основана на увлечении неферромагнитного металлического диска, связанного со стрелкой и удерживаемого упругим моментом подвески, вращающимся постоянным магнитом за счёт взаимодействия токов Фуко в диске с вращающимся магнитным полем);

основанные на подсчёте количества оборотов в течение заданного временного интервала, часто в таких тахометрах на каждом обороте вала формируется несколько импульсов;

основанные на измерении длительности одного оборота, либо временного интервала между смежными импульсами, формируемыми в течение одного оборота и вычисления обратной функции F = 1/T, F -- частота вращения; T -- длительность одного оборота.

7. Прием сигнала

Наш тахометр будит работать по принципу принятия Высокочастотного сигнала, поэтому стоит рассмотреть устройство по его получения сигнала

Фототранзимстор -- оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения.

Фототранзистор имеет структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу.

Фототранзистор можно включать по схемам со свободным коллектором, со свободной базой и со свободным эмиттером. На фототранзистор можно подавать оптические и электрические сигналы. Без входного электрического сигнала, который обычно необходим для смещения, компенсирующего наводки, фототранзистор работает как фотодиод с высокой интегральной чувствительностью, небольшой граничной частотой и большим темновым током. Фототранзисторы целесообразно использовать для регистрации больших световых сигналов; при регистрации малых световых сигналов следует подать положительное смещение на базу. Применяют два варианта включения фототранзисторов: диодное -- с использованием только двух выводов (эмиттера и коллектора) и транзисторное -- с использованием трех выводов, когда на вход подают не только световой, но и электрический сигналы. Фототранзисторы используются в качестве фотоприемников и транзисторных оптопарах.

8. Частота и частота вращения

Для полной понимании работы устройства, нужно понять и разобрать по какому принципу происходят подсчеты оборотов.

Чaстотам -- физическая величина, характеристика периодического процесса, равна количеству повторений или возникновения событий (процессов) в единицу времени. Рассчитывается, как отношение количества повторений или возникновения событий (процессов) к промежутку времени, за которое они совершены^[1]. Стандартные обозначения в формулах -- н, f или F.

Единицей измерения частоты в Международной системе единиц (СИ) является герц (русское обозначение: Гц; международное: Hz), названный в честь немецкого физика Генриха Герца.

Частота обратно пропорциональна периоду колебаний: f = 1/T.

Так как нам нужно будит знать частоту вращения, то нужно понять как её измерить для этого нужно будит знать что такое частота вращения

Частота вращения -- это физическая величина, равная числу полных оборотов за единицу времени. Единица частоты вращения -- секунда в минус первой степени (с^?1, s^?1), оборот в секунду. Часто используются такие единицы, как оборот в минуту, оборот в час и т. д.

Подсчет осуществляется путем регистрации количества импульсов, поступивших от датчика, длительности паузы между импульсами, а также порядка поступления импульсов от датчиков. Кроме того, тахометр может быть использован в качестве счетчика импульсов, например, при подсчете продукции на конвейере, расхода сырья, материалов, времени наработки оборудования, машин и механизмов при испытаниях и обкатке. Подсчет/измерение осуществляется в прямом, обратном или в обоих направлениях. Измеренная величина может быть заранее программно масштабирована в реальные единицы измерения (часы, минуты, метры, шт., упаковки и т.д.). В приборах может быть задействована аварийная сигнализация, сброс и обнуление накопленных значений, защита паролем, выход RS485 для работы в сети или связи с компьютером. Все приборы оснащены энергонезависимой памятью и цифровым индикатором.

9. Список функций, выполняемых системой

В результате анализа функциональных действий можно определить основные функции, выполняемые системой:

преобразование аналогового сигнала в цифровой код;

считывание и запись данных в порты;

обработка полученных данных (определения порядка, знака и размерности измеряемой величины);

преобразование вводимого двоичного кода в двоично-десятичный;

преобразование цифрового кода в символьное значение для индикации;

вывод проанализированных данных на индикатор.

10. Основные технические моменты

В качестве управляющей основы будет использоваться модуль Arduino. При помощи модельного ряда этого микрокомпьютера можно осуществить управление не только Ик датчиком , но и обогревателями, воротами, другими устройствами.

На компьютере пишется программа для платформы Arduino, которая будет регулировать работу контактов в необходимом нам режиме. Arduino также позволяет запрограммировать дополнительные функции. Как вариант -- режим безопасности, при котором особый зуммер будет оповещать нас о неправильной эксплуатации модуля.

Необходимо позаботится о том, чтобы процесс установки электрооборудования был обратимым, т.к. могут возникнуть различные технические неисправности в функционировании устройства или оно будет модернизироваться.

Механическая часть, как правило, располагается в корпусе, пластиковые боксы, в которые будут упакованы движущие элементы и их не стоит склеивать. Будет рациональнее скрепить их скобами, чтобы была возможность без проблем открыть их при первой необходимости.

Благодаря современным техническим возможностям, которые становятся всё более доступными для широкого круга домашних изобретателей, каждый сможет реализовать любую рационализаторскую идею.

Размещено на Allbest.ru