Kram 2021

Firmware fehlt noch.

Hinweis: Es gibt keinen Helligkeitsverlust durch Charlieplexing! Im Internet herumgeisternde Anleitungen, wonach nur 1 LED gleichzeitig leuchten kann sind schlichtweg falsch! Strombegrenzungswiderstände werden genauso angeordnet wie beim konventionellen Multiplexing, nur bei antiparallel verschalteten Zweifarb-LEDs geht das nicht. Die Emitter der entgegengesetzten Transistoren kann man verbinden oder unverbunden lassen, hier bspw. Netz K1 mit A0.

Siehe auch: Digitalvoltmeter vierstellig mit ATtiny13 und V40511. Statt ATtiny13 ein ATtiny24 mit Resonator, fertig ist der genaue Drehzahlmesser, der auch den Dezimalpunkt steuern kann. Der V40511 erspart die vielen npn-Transistoren und reduziert die nötige Anzahl an Mikrocontroller-Pins. In diesem Fall eignen sich auch mehrstellige Multiplexanzeigen mit vorgegebener Matrix, etwa diese oder jene. Hauptsache „gemeinsame Katode“.

Man kann hier sogar die Strombegrenzungswiderstände R1..R7 weglassen, da die VQE13 ohnehin recht gefräßig sind und der V40511 nicht allzu ergiebig. Eine Helligkeitseinstellung erfolgt dann sinnvollerweise durch Variation der Betriebsspannung oder Anpassung der Firmware (kürzere Leuchtphasen).

Schließlich wurde ich vor vollendete Tatsachen gestellt, neue LED-Anzeigen und unpassende Platine vermutlich aus der Elektronik-Apotheke. Da die Anzeigen trotz ihrer Größe nur wenig Strom benötigen, kann auf die Hi-Side-Transistoren verzichtet werden. Jeder Mikrocontroller-Ausgang liefert so 24 mA, auf die 4 Anzeigen verteilt sind es durchschnittlich 6 mA. Auf Transistoren auf der Low-Seite kann nicht verzichtet werden, diese leiten für Portpins unzulässige 6 mA × 8 = 48 mA ab, möglichst ohne stromabhängigen Spannungsabfall. Dazu ein Wirbelstromsensor mit der Bezeichnung Turck 4609840. Immerhin, dieser kann 3 kHz, will aber 10..30 V. Also besser einen Festspannungsregler und eine Verpolschutzdiode spendiert, für alle Fälle. Mit seinem „NPN-Ausgang“ kann dieser direkt mit dem Mikrocontroller verbunden werden. Anzeige und Sensor können so gemeinsam bspw. von 24 V oder besser 12 V gespeist werden. Die maximale Stromaufnahme der Anzeige liegt bei 50 mA, das macht im Festspannungsregler IC2 bei 24 V maximal 1 W Verlustleistung (immerhin).

Oh, Hoppla, Reinfall Reset-Pin: Seine Treiberstärke liegt nicht bei 20 mA, sondern bestenfalls bei 2 mA. Da musste noch ein npn-Transistor T4 dazu, um die Dezimalpunkte ordentlich leuchten zu lassen.

Firmware: Beim Einschalten meldet sich die Firmware mit einem kurzen Lampentest, d.h. es wird kurz angezeigt. Die Frequenzmessung benutzt den 16-Bit-Timer1 mit Capture = das hardwaremäßige Festhalten des Zählerstandes mit einer Signalflanke an ICP = PA7. Mit dem Überlaufinterrupt, nach einem festen Zeitintervall von etwa 150 ms, nimmt die Rechenroutine die Anzahl der Capture-Ereignisse und subtrahiert den Capture-Wert der vorhergehenden Frequenzmessung vom letzten Capture-Wert. Mit diesen beiden Zahlen lässt sich in einer Multiplikation (32 bit × 16 bit ⇒ 64 bit) und Division (64 bit ÷ 32 bit ⇒ 32 bit ℝ 32 bit) für einen weiten Frequenzbereich die Frequenz mit hoher Genauigkeit berechnen. Wohlgemerkt, ohne auf das Messergebnis 1 s warten zu müssen. Dadurch erfolgt die Aktualisierung bei Eingangsfrequenzen bis hinunter zu 8 Hz mit einer festen Aktualisierungsrate von 7,5 Hz entsprechend 120 ms. Bei kleineren Frequenzen bis 1 Hz fällt die Aktualisierugsrate auf die Eingangsfrequenz, bei noch größeren Pulsabständen wird angezeigt. Der Messbereich erstreckt sich von 1 Hz bis 180 kHz bei einem Anzeigebereich von U/min bis (theoretisch) utopischen kU/min, praktisch U/min bei 900 Hz Eingangsfrequenz. Hieran sieht man dass die Änderung der Zähnezahl des Aufnehmers (hier 9) in weiten Grenzen leicht möglich ist. Um Wettlaufsituationen zu vermeiden muss der Capture-Wert in der Capture-ISR ausgelesen werden, gemeinsam mit dem Hochzählen des Flankenzählers. Die Divisionsroutine der Laufzeitbibliothek (64 bit ÷ 32 bit) verbraucht einen Großteil des Flash-Speichers und der Rechenzeit, aber beides ist selbst auf dem allerkleinsten ATtiny24 noch reichlich. Um das Registerretten in den ISRs nicht ausufern zu lassen, arbeitet die rechenintensive Routine im Hauptprogramm. Dieses wartet in einer for(;;) sleep_cpu();-Schleife auf das Zählerüberlauf-Ereignis. Die Frequenzanzeige erfolgt

• in Zehntel-U/min wenn maximal U/min,
• in ganzen U/min bei maximal U/min sowie
• in 10×U/min bei maximal kU/min usw. (Anwendung bestenfalls für Turbopumpen).

Timer0 kümmert sich um das Multiplexen der LED-Anzeige und ist durch Charlieplex nur etwas komplexer. Auf bis zu 9 Dezimalstellen kann die Anzeige erweitert werden ohne weitere Leitungen und damit einen größeren Mikrocontroller zu benötigen. Um auf den Capture-Interrupt schnell reagieren zu können läuft die Anzeige-ISR bei freigegebenen Interrupts. Da bei extrem hoher Interruptlast (über 180 kHz) durch den höher priorisierten Timer1 der Timer0 nicht mehr zum Zug kommt und sich der Anzeigewert einbrennen könnte, sorgt der Watchdog in diesem Fall für den Mikrocontroller-Reset.