Проектирование электронного тахометра

• В проектируемой схеме используется микроконтроллер STM8L152C6. Этот контроллер имеет 32 кБ встроенной флэш-памяти, 2 кБ оперативной памяти, 1 кБ памяти EEPROM, а также 5 портов ввода-вывода по 8 ножек в каждом (итого 40 пинов ввода-вывода). Каждый из них может быть запрограммирован как на вход, так и на выход. В проектируемом устройстве 1 вывод будет использоваться для приема сигнала с датчика, 28 выводов — для управления ЖК-дисплеем.
• Функции микроконтроллера в проектируемой схеме:
• — подсчет количества импульсов за определенный промежуток времени (1 с);
• — вычисление частоты вращения вала на основе этого значения;
• — управление ЖК-дисплеем.
• Для тактирования процессора, дисплея и таймера выбран внутренний RC-генератор тактовых импульсов с частотой 16 МГц.
• 2.3 LCD-индикатор
• Физические основы.
• Основные характеристики ЖК обусловлены анизотропными характеристиками используемых материалов. Наиболее распространены нематические ЖК-молекулы, оси которых вытянуты параллельно друг другу.
• Ниже будет рассмотрена базовая конструкция и основы функционирования стандартного индикатора. Первая деталь — специальное стекло, придающее неполяризованному световому потоку плоскую поляризацию. В следующем слое «скрученная» структура ЖК-молекул вращает плоскость поляризации света на 90 градусов. Таким образом, свет проходит через второй поляризатор и устройство выглядит белым.

• Рисунок 3 — Состояние ЖК без электрического поля
• Если к ячейке приложено электрическое поле, оси молекул поворачиваются перпендикулярно электродам и структура перестаёт вращать плоскость поляризации падающего света, который при этом поглощается вторым поляризатором и устройство выглядит чёрным.

• Рисунок 4 — Состояние ЖК в электрическом поле
• После снятия поля нематик возвращается в «скрученное» состояние.
• Подвижность кристаллов сильно зависит от температуры, при низкой температуре движение происходит очень медленно.
• С электрической точки зрения, каждый элемент представляет собой конденсатор, с учётом сигнальных линий он представляет из себя RC-цепь.
• Постоянный ток вредит жидким кристаллам и в конечном счёте разрушает их. Таким образом, следует защищать молекулы от постоянного напряжения. Как правило, документация на ЖК индикаторы позволяет подавать не более 50мВ. Управление.
• Управление — это процесс включения и выключения пиксела с целью создания изображения. Существуют 2 основных типа управления — статическое и мультиплексированное.
• Статическое управление.
• Прямое управление приемлемо лишь для индикаторов с небольшим количеством активизируемых элементов. При статическом управлении каждый пиксел индикатора имеет собственную цепь управления. Управляющее напряжение прикладывается к каждому элементу.
• Рисунок 5 — Статическое управление.
• Наибольшее применение статическая индикация находит в традиционных семисегментных ЖК индикаторах устанавливаемых в наручные часы и др. устройства.
• Мультиплексное управление.
• Мультиплексирование позволяет управлять большим количеством пикселов. Когда элементы упорядочены, вместо раздельного управления каждым элементом, они могут адресоваться по строкам и столбцам.
• Рисунок 6 — Мультиплексное управление.
• Таким способом упрощается управляющая схема, т.к. каждому пикселу не требуется собственная управляющая линия. Для матрицы 4×4 пикселов потребуется 16 драйверов при статическом управлении. При использовании мультиплексного управления их число снизится до восьми — по одному на каждый столбец и строку.
• Рисунок 7 — Пример мультиплексного управления.
• На плате STM8L-Discovery используется дисплей с 24 сегментными и 4 общими линиями. Таким образом, для управления этим дисплеем требуется 28 ножек микроконтроллера из 48 имеющихся. Когда дисплей установлен в плате, эти ножки недоступны для другого использования. Для того, чтобы их можно было использовать, дисплей необходимо аккуратно извлечь из платы.
• Список ножек, занятых дисплеем:
• Порт А: 4−7
• Порт B: 0−7
• Порт С: 2−3
• Порт D: 0−7
• Порт E: 0−5
• ЖК требуется для управления переменное напряжение, иначе они быстро деградируют и срок их службы значительно сокращается, более того, даже определённая асимметрия управляющих напряжений приводит к появлению постоянной составляющей, также нежелательной для ЖК. Обычно предельные значения этой составляющей и рекомендуемая частота указываются производителем дисплея. Но в любом случае величина постоянной составляющей не должна превышать 30−50 мВ, а частота выбирается в пределах от 30 Гц до 100 Гц. Очевидно, что при частоте ниже указанной будет появляться визуально наблюдаемое мерцание, но и завышать частоту тоже не стоит, потому что ЖК свойственна существенная инерционность (для переориентирования кристаллов требуется некоторое время). Формированием сигналов правильной формы и амплитуды занимается встроенный LCD-контроллер. Нам остается лишь поместить в LCD_RAM информацию о том, какие пикселы мы хотим включить или выключить.
• Рисунок 8 — LCD-дисплей, установленный на плате.
• 3. Разработка алгоритма измерения
• Проектируемый прибор должен иметь диапазон измерения 100 — 10 000 об/мин, погрешность измерения не более 0,5%. Таким образом, максимальная абсолютная погрешность составляет 0,5•10 000=50 об/мин (или 1 оборот на 1,2 с). Т.к. на валу находится два магнита, за один оборот поступает два импульса. Таким образом чтобы не выйти за пределы погрешности, период измерения должен составлять не менее 0,6 с. Возьмем период измерения, равный 3 с, тогда погрешность будет составлять
• Определение периода индикации.
• Если обновлять показания на дисплее с периодом, равным периоду измерения (3 с), то показания будут обновляться медленно и с запаздыванием, что делает считывание неудобным, особенно при частых изменениях частоты. Поэтому используем «скользящий» алгоритм: показания на дисплее обновляются каждую секунду, при этом выводятся данные за предыдущие 3 секунды. Показания будут равны количеству оборотов за 3 секунды, умноженному на 20.
• Блок-схема алгоритма измерения представлена на рисунке 9.
• Рисунок 9 — Блок-схема алгоритма измерения.
• 4. Разработка управляющей программы для микроконтроллера
• Программа написана на языке высокого уровня C с использованием библиотек для настройки ввода-вывода и для управления LCD-дисплеем. Для разработки использована среда IAR Embedded Workbench for STMicroelectronics v.1.40.1. Бесплатная версия этой программы имеет ограничение в 8 кБ на загружаемый в память контроллера код, чего вполне достаточно для выполнения поставленной задачи. Листинг программы представлен ниже.
• #include «stm8L15x_clk.h»
• #include «LCD.h»
• #include «iostm8l151k6.h» //подключаем библиотеки
• unsigned char display_str[4];
• void IntToStr (uint32_t value) //Функция перевода строки в число
• uint32_t temp1;
• uint32_t temp2;
• uint32_t temp3;
• uint32_t temp4;
• temp1 = value%10;
• value /= 10;
• temp2 = value%10;
• value /= 10;
• temp3 = value%10;
• value /= 10;
• temp4 = value;
• temp4 ;
• //Описание переменных:
• unsigned long obSec = 0; // Оборотов за текущую секунду
• unsigned long obMin; //Оборотов в минуту
• unsigned long a = 0; //Оборотов за последнюю секунду
• unsigned long b = 0; //Оборотов за предпоследнюю секунду
• unsigned long c = 0; //Оборотов за предпредпоследнюю секунду
• unsigned long i; //Для задержек
• #define STRINGVECTOR (x) #x //Шаблон для обработчиков прерываний
• #define ISR (a, b)
• _Pragma (STRINGVECTOR (vector = (b)))
• __interrupt void (a)(void)
• ISR (TIM1_OVF, TIM1_OVR_UIF_vector) //Прерывание по переполнению таймера
• {
• c=b; //Обновляем значения количества оборотов в последнюю, предпоследнюю секунду и т. д.
• b=a;
• a=obSec;
• obMin=(a+b+c)*5; //Считаем количество оборотов за 3 секунды и умножаем на 5,
• //т.к. за один оборот датчик 4 раза меняет состояние (при двух магнитах на валу)
• obSec=0; //Сбрасываем счетчик оборотов за текущую секунду
• IntToStr (obMin); //перегоняем в текст
• LCD_Write_String (display_str); //Выводим на экран
• TIM1_SR1_bit.UIF = 0; //Сброс флага прерывания
• };
• void LCD_init () //Функция инициализации LCD
• {
• CLK_SYSCLKDivConfig (CLK_SYSCLKDiv₁); //Выключаем определитель. Теперь МК работает на частоте 16МГц.
• CLK_PeripheralClockConfig (CLK_Peripheral_LCD, ENABLE); //Подаем тактовый сигнал на LCD.
• CLK_PeripheralClockConfig (CLK_Peripheral_RTC, ENABLE); //Подаем такт на RTC
• CLK_RTCClockConfig (CLK_RTCCLKSource_LSI, CLK_RTCCLKDiv₁); //Убираем прескаллер RTC
• LCD->CR1 = (3<<1) + (5<<3); //Duty = ¼, Blink Freq = LCDclk/256
• LCD->CR2 = (6<<1) | LCD_CR2_HD; //Контрастность = 6 (из 7), низкоомный драйвер.
• LCD->FRQ = (2<<4); //LCDclk = 32 768/2/(2¹*16) = 512Hz
• //Задействованы все сегменты:
• LCD->PM[0] = 0xFF;
• LCD->PM[1] = 0xFF;
• LCD->PM[2] = 0xFF;
• LCD->CR3 |= LCD_CR3_LCDEN | 2; //ВКЛ и deadtime = 2
• LCD_Contrast (5);
• LCD_Write_String («Hello «);
• for (i=0; i<200 000; i++){asm («nop»);};
• LCD_Write_String («world»);
• for (i=0; i<200 000; i++){asm («nop»);};
• LCD_Write_String («0000 «);
• //for (i=0; i<300 000; i++){asm («nop»);};
• }
• void Timer1_init () //Функция инициализации таймера 1
• {
• CLK_PCKENR2_bit.PCKEN21 = 1; //Включаем тактирование таймера 1
• TIM1_PSCRH = 5;
• TIM1_PSCRL = 255;
• TIM1_ARRH = (10 000) >> 8; //Частота переполнений = 16 М / 1600 / 10 000 = 1 Гц
• TIM1_ARRL = (10 000)& 0xFF;
• TIM1_CR1_bit.URS = 1; //Прерывание только по переполнению счетчика
• TIM1_EGR_bit.UG = 1; //Вызываем Update Event
• TIM1_IER_bit.UIE = 1; //Разрешаем прерывание
• TIM1_CR1_bit.CEN = 1; //Запускаем таймер
• }
• void main (void) //Основная программа
• {
• asm («RIM»);//Глобально разрешаем прерывания
• //Настраиваем вход
• PC_DDR_bit.DDR1 = 0; //На вход
• PC_CR1_bit.C11 = 1; //Подтягивающий резистор
• PC_CR2_bit.C21 = 0; //Прерывание запрещено
• CLK_SYSCLKDivConfig (CLK_SYSCLKDiv₁); //Выключаем определитель. Теперь МК работает на частоте 16МГц.
• //Инициализируем дисплей и таймер
• LCD_init ();
• Timer1_init ();
• uint8_t sost; //Состояние датчика
• //В цикле основная программа проверяет состояние датчика и если оно изменилось, инкрементирует счетчик
• while (1) {
• sost = PC_IDR_bit.IDR1; //Записываем текущее состояние датчика
• //задержка для исключения дребезга
• for (i=0; i<1000; i++) {
• asm («nop»);
• }
• if (PC_IDR_bit.IDR1 ≠ sost) obSec++; //Инкрементируем счетчик, если состояние датчика изменилось
• if (obSec==167) obSec=0; //Проверяем — не ушел ли он за предел
• };
• }
• 5. Адаптация устройства к промышленному применению
• В представленном виде устройство для промышленной эксплуатации не подходит — плата STM8L-Discovery предназначена для отладки и имеет много избыточных компонентов, её стоимость (550 рублей) и габариты слишком велики для такого устройства. Для серийного производства нужно разработать печатную плату с микроконтроллером STM8L152C6 или другим из этой серии. Сам контроллер стоит 50−80 рублей в зависимости от размера партии. Цена датчика Холла в розницу — 60 рублей. LCD-дисплей, подобный рассмотренному, стоит ориентировочно 50−100 рублей и может быть заменен на светодиодный 7-сегментный индикатор. Таким образом, стоимость компонентов для такого устройства составит не более 250 рублей.
• Поскольку серия STM8L имеет пониженное энергопотребление, для неё целесообразно использовать батарейное питание. Это определяет предпочтительную нишу для таких приборов — переносные устройства и прочие применения, где затруднительно или невозможно использовать сетевое питание.
• Заключение
• В результате выполнения курсового проекта был разработан и собран тахометр, а так же составлена следующая документация:
• схема структурная,
• схема электрическая принципиальная,
• алгоритм работы управляющей программы,
• листинг программы.
• Разработанная конструкция отличается простотой схемотехнического решения, небольшим количеством использованных в схеме комплектующих элементов, является практически универсальной и может легко изменяться и расширяться.
• Устройство может эксплуатироваться в диапазоне температур от -40?С до +85?С.
• Список использованной литературы
• 1. [Электронный ресурс] // STM8L-курс: [сайт] URL: http://we.easyelectronics.ru/dcoder/8l-kurs-soderzhanie.html (дата обращения: 20.01.2014).
• 2. [Электронный ресурс] // Новые 8-битные микроконтроллеры STM8L: [сайт] URL: http://www.compeljournal.ru/enews/2009/14/9 (дата обращения: 20.01.2014).
• 3. [Электронный ресурс] // Введение в теорию жидких кристаллов: [сайт] URL: http://www.lcdinfo.ru/html.cgi/txt/app/lcd/teorija.htm (дата обращения: 20.01.2014).
• 4. [Электронный ресурс] // Датчики Холла: [сайт] URL: http:// http://robocraft.ru/blog/electronics/594.html (дата обращения: 20.01.2014).
• 5. [Электронный документ] // Reference manual. STM8L05xx, STM8L15xx, STM8L162x, STM8AL31xx and STM8AL3Lxx microcontroller family.
• 6. [Электронный документ] // UM0970. User Manual. STM8L-DISCOVERY.

Приложение

Схема подключений МК на плате