leoniv (leoniv) wrote,
leoniv
leoniv

Category:

Счетчик для "Электроника-004" (часть 2)



Чтобы конструкция счетчика была технологичной, желательно все компоненты разместить на одной печатной плате. Для этого требуется решить задачу обеспечения нужной высоты установки для каждого компонента.



Критичными здесь являются три вида компонентов: кнопка, индикаторы и оптроны. Если плату установить над шасси на высоте 20 мм, данная задача решается. Индикаторы оказываются на расстоянии примерно 1 мм от передней панели, кнопка с колпачком примерно соответствует по высоте кнопке оригинального счетчика, а оптроны оказываются на нужном расстоянии от крыльчатки, если их приподнять над платой на 3…3.5 мм. Это сделать несложно, так как оптроны имеют выводы достаточной длины. Для более точной и удобной установки можно изготовить прокладку под оптроны.



Учитывая приливы шасси высотой 2 мм в местах крепления механического счетчика, требуемая высота крепежных стоек составляет 18 мм. Стойки – латунные, с одной стороны имеют внутреннюю, а с другой стороны внешнюю резьбу М3. На плате предусмотрено место для дополнительной опоры длиной 26 мм, которая может быть установлена для уменьшения деформации платы при нажатии кнопки.



Размеры платы с правой стороны особо не ограничены, что позволило разместить на ней 6 индикаторов. Под платой находится пружина и другие детали натяжителя ленты, зазор составляет примерно 4 мм. Это накладывает ограничение на размещение на нижней стороне платы высоких компонентов. При разводке платы удалось разместить все высокие компоненты только на верхней стороне платы.

Чаще всего при подключении индикаторов к микроконтроллеру используется динамическая индикация, когда разряды индикатора включаются по очереди. Поскольку в разных разрядах горит разное количество сегментов, потребляемый ток скачком меняется при переключении разрядов. К тому же, для предотвращения паразитной засветки сегментов, между включением соседних разрядов есть некоторый промежуток времени, когда все разряды выключены. Все это порождает импульсный ток потребления. Помеха с частотой сканирования индикаторов (а она обычно попадает в звуковой диапазон частот) может проникнуть в звуковой тракт, что является нежелательным. Поэтому лучше динамическую индикацию не применять.

Для реализации статической индикации можно использовать, например, цепочку сдвиговых регистров. Каждый разряд индикатора тогда будет подключаться к отдельному регистру, загружать которые можно по последовательному интерфейсу, что требует минимального количества соединений с процессором. Количество микросхем в схеме при этом заметно возрастает, но есть еще одно неудобство – это необходимость включения в цепь каждого сегмента всех индикаторов отдельных резисторов. В случае 6-ти разрядов индикатора требуется 48 резисторов. Есть возможность от них избавиться, если применить специальные микросхемы драйверов светодиодов. Это те же сдвиговые регистры, но их выходы устроены так, что обеспечивают постоянный ток. Примером может служить микросхема MBI5170. Но цена и доступность подобных микросхем оставляет желать лучшего. В результате оптимальным решением является применение 6-ти сдвиговых регистров типа 74HC595 с резисторами размером 0603 на каждом их выходе.

Обычный механический счетчик сохраняет свои показания при выключении магнитофона. Желательно, чтобы электронный счетчик вел себя так же. В штатном режиме можно сохранять показания в EEPROM, к примеру, при остановке ленты. Но в случае внезапного пропадания питания сохранение не произойдет. Конечно, с этим вполне можно мириться, но можно принять специальные меры.

Чаще всего в таких случаях добавляют схему, которая следит за уровнем напряжения питания, и в случае его снижения формирует специальный сигнал, по которому микроконтроллер производит сохранение данных. Обычно этот сигнал формируется на основе анализа или переменного сетевого напряжения, или напряжения на конденсаторе фильтра до стабилизатора. Тогда есть достаточный запас времени, пока конденсатор фильтра разрядится до уровня, при котором стабилизатор прекратит работу. Но в штатной схеме магнитофона нет детектора питания. Добавлять его в схему блока питания и тянуть оттуда отдельный провод не очень удобно.

Микроконтроллер потребляет очень мало энергии. Вполне можно обеспечить ее необходимый запас в небольшом конденсаторе, который можно разместить рядом с микроконтроллером. Единственное, надо принять меры, чтобы при выключении питания были выключены посторонние потребители. Питание на микроконтроллер должно подаваться через диод, чтобы конденсатор не разряжался другими потребителями по цепи +5 В. Если использовать диод Шоттки, это вызовет уменьшение напряжения питания процессора примерно на 0.5 В, т.е. вместо 5 В будет 4.5 В. Никаких проблем это не вызовет. Еще надо добавить схему детектирования падения основного питания. Для этих целей можно использовать встроенный компаратор микроконтроллера и встроенный источник опорного напряжения. Остается только на вход компаратора через делитель подать напряжение, которое надо контролировать. При срабатывании компаратора возникнет прерывание, процессор быстро отключит все лишние потребители и установит на портах ввода-вывода такие уровни, которые обеспечивают минимальное потребление. Затем процессор сохранит текущее значение счета в EEPROM. Конечно, катушки магнитофона могут еще некоторое время продолжать вращаться по инерции (недолгое, так как при отключении питания сразу срабатывают тормоза), но тут, увы, электронный счетчик не может соперничать с механическим – без питания он работать не может. В любом случае, значительного отличия сохраненного значения счета от реального не будет.

Если напряжение питания будет продолжать падать, сработает встроенный в процессор детектор уровня питания (BOD), который запрограммирован на 2.7 В, что вызовет сброс процессора. При восстановлении питания процессор стартует обычным образом, считывает из EEPROM сохраненное значение и после этого готов к продолжению счета.

Особой обработки требует ситуация, когда питание лишь кратковременно «просело», а не пропало совсем (brown out, а не black out). Компаратор зарегистрирует падение напряжения, но BOD может не сработать. Для такого случая предусмотрен автоматический возврат в нормальный режим работы. Если после сохранения данных в EEPROM нормальный уровень питания восстановится, порты микроконтроллера будут снова настроены в рабочий режим, и счет продолжится с минимальной потерей.

Чтобы подсчитать необходимую емкость буферного конденсатора, надо обратиться к графикам зависимости потребляемого тока микроконтроллера от тактовой частоты и напряжения питания. При тактовой частоте 16 МГц и напряжении питания 4.5 В потребление составляет примерно 6.3 мА. Зависимость от напряжения питания почти линейная, поэтому микроконтроллер как нагрузку можно приблизительно представить в виде резистора сопротивлением порядка 0.7 кОм.

Для сохранения одного байта в EEPROM требуется время 3.4 мс. Сохранять нужно 8 байтов (по 4 на счетчик реального времени и счетчик длительности фрагмента), что займет 27.2 мс. Конденсатор надо выбирать с некоторым запасом, скажем, с временем разрядки до 2.7 В порядка 50…100 мс. Моделирование показывает, что для этого достаточно емкости 220 мкФ. Это совсем небольшой по размеру конденсатор: алюминиевый диаметром 8 мм и высотой 6 мм, или танталовый в корпусе D (7.3 x 4.3 x 2.9 мм).



В результате получается схема (она кликабельна), основой которой является микроконтроллер U4 типа ATmega88. Питается микроконтроллер через диод Шоттки VD3, напряжение питания контроллера получается примерно +4.5 В. Для питания контроллера во время сохранения данных используется буферный конденсатор C13.



К контроллеру подключен светодиодный дисплей HG1…HG6 через цепочку сдвиговых регистров U5…U10. Питание регистров осуществляется напряжением +5 В. Разница напряжений питания контроллера и сдвиговых регистров незначительна и не сказывается на надежности передачи данных. Предусмотрена установка индикаторов как с общим анодом (устанавливается перемычка R70), так и с общим катодом (устанавливается перемычка R1). При смене типа индикаторов требуется смена прошивки. Для индикаторов с общим анодом дополнительно предусмотрен стабилизатор U12 (который можно не устанавливать). Регулируя с помощью подбора резистора R74 выходное напряжение этого стабилизатора, можно регулировать общую яркость дисплея.

Обработка сигналов оптодатчиков осуществляется с помощью транзисторов VT1, VT2 и сдвоенного компаратора U3. Резисторами R7, R8 устанавливается величина гистерезиса, порог срабатывания задан резисторами R1, R2. Одновременно эти резисторы задают ток питания излучателей оптронов.

К микроконтроллеру подключена кнопка «Сброс» SB1, вместо которой может быть установлен энкодер ENC1. При этом требуется смена прошивки.

Прошивка может загружаться в контроллер внутрисхемно, для этого на плате предусмотрен 6-контактный разъем XP3 (ISP). Разводка этого разъема стандартная, рекомендованная фирмой Atmel. Для загрузки прошивки может быть использован любой программатор, поддерживающий контроллер ATmega88, например, клон STK-500.

Для связи с блоком управления (реализованном на микроконтроллере) предусмотрен последовательный порт. Обмен ведется через встроенный UART, связь полудуплексная, используется физический уровень RS-485 (дифференциальный сигнал). Все необходимые сигналы выведены на разъем XP2.

Если последовательный порт не используется, можно установить перемычки R14…R16 и использовать разъем XP2 для подключения к плате счетчика других логических сигналов (в текущей прошивке не поддерживается).

Для конфигурирования режима работы счетчика на плате предусмотрены три перемычки JMP1…JMP3. В текущей версии прошивки задействована только перемычка JMP3, при установке которой вместо скоростей 9 и 19 поддерживаются скорости 19 и 38. Если счетчик устанавливается в трехскоростной магнитофон, то вместо установки перемычки JMP3 на плату счетчика можно подать дополнительный логический сигнал (на порт контроллера PC2). При низком логическом уровне будет включаться набор скоростей 19 и 38.

Кнопка сброса тоже впаивается прямо в плату, это стандартная тактовая кнопка с высотой толкателя 9.5 мм. Штатный колпачок хорошо садится на такой толкатель.



В итоге получилась вот такая печатная плата:



1 – оптические датчики; 2 – микроконтроллер; 3 – перемычки для задания опций; 4 – дисплей; 5 – место для дополнительной опоры; 6 - кнопка сброса и выбора режима; 7 – разъем подключения счетчика; 8 – дополнительный разъем; 9 – разъем для программирования; 10 – точки крепления платы.

Печатная плата счетчика имеет небольшие размеры (83.5 х 54.5 мм) и относительно несложная. Поэтому она может быть изготовлена в домашних условиях по LUT-технологии:







Номиналы токоограничивающих резисторов для индикаторов (R22…R69), указанные на схеме, в случае применения ярких индикаторов могут оказаться слишком малыми. В своем экземпляре счетчика увеличил эти резисторы до 680 Ом. На плате предусмотрена установка дополнительного стабилизатора для питания индикаторов (U12, R73, R74, R72). Этот стабилизатор позволяет регулировать яркость всех индикаторов с помощью одного резистора (R74).

Оптодатчики U1 и U2 могут использоваться и в SMD-исполнении. Тогда в отверстия для их выводов впаиваются пары штырьков с шагом 2.0 мм. Затем пластик поднимается над платой на 1 мм, и штырьки обрезаются вровень с пластиком. Затем пластик снова опускается вниз до уровня платы, а на штырьки сверху припаивается SMD-корпус. Номиналы элементов на схеме приведены для оптронов KTIR0821DS, которые имеют фототранзисторы Дарлингтона. Для оптронов с одиночным фототранзистором (например, ITR8307) номиналы резисторов R3 и R4 должны быть 100 кОм, R7 и R8 - 2.2 МОм. Возможно, эти номиналы придется подобрать для конкретного типа оптронов.

Штырьки для для программирования (XP3 ISP) выступают над платой слишком сильно и могут коснуться панели магнитофона. Поэтому перед запайкой надо сдвинуть пластмассу на штырьках так, чтобы они выступали над платой не более 7 мм.

Установленная на магнитофон плата выглядит так:



Плата без труда устанавливается на резьбовых стойках на точки крепления штатного счетчика, она ничему не мешает.



Подключается счетчик к магнитофону с помощью всего трех проводов (разъем XP1 счетчика), которые идут к разъему блока управления ведущим двигателем (разъем XT1 регулятора скорости). Порядок подключения следующий:

- Контакт 1 XP1 (19/9) подключается к контакту 7 XT1 (нижняя скорость).
- Контакт 2 XP1 (+5V) подключается к контакту 6 XT1 (+5 В).
- Контакт 3 XP1 (GND) подключается к контакту 3 XT1 (корпус).



Для программирования микроконтроллера к разъему XP3 необходимо подключить программатор. Во время программирования на плату счетчика через разъем XP1 должно быть подано напряжение питания +5 В. Питание от программатора здесь невозможно, так как в схеме имеется диод VD3. Если используется программатор, совместимый с STK-500, то для программирования достаточно запустить файл Prog.bat. При этом будут записаны фузы и сама прошивка. Если используется другой программатор, фузы придется сыставить вручную. На рисунке ниже показано, как должны выглядеть фузы в AVR Studio.



Для дисплея окно в панели надо увеличить симметрично вверх и вниз, а также вправо до размеров 67 х 18 мм.



Окно в панели увеличиваю фрезеровкой с последующим спрямлением углов с помощью надфиля.



Сверху отверстие закрывается дымчатым оргстеклом размером 69 х 20 мм и толщиной 3…4 мм, в котором по контуру фрезеруется ступенька 1 х 1 мм.



Так выглядит доработанная панель:



Отражательные оптроны чувствительны к внешней засветке, поэтому при снятой панели и ярком прямом освещении счетчик может не работать. На обратную сторону панели напротив оптронов желательно наклеить кусочек черной матовой пленки для уменьшения отражения от панели.

Все файлы можно скачать на моем сайте.

Tags: electronics, reel-to-reel, Электроника-004, катушечник, магнитофон, микроконтроллер
Subscribe

  • Директор на час

    Что надо для того, чтобы реализовать любой проект? Очевидно, нужны определенные ресурсы. Нужны деньги на приобретение комплектующих и материалов.…

  • Менеджмент неудач

    Что ни проект – то облом. Ничего не работает, ничего не получается. И даже если что-то работает, оно еле с духом и готово его в любой момент…

  • Чипсы

    За окном, вроде, пятница, хочется написать пост ни о чем. Технические посты, если судить по реакции, всем уже надоели. Мне всегда казалось, что в…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic
    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments